Принцип получения быстротвердеющих бетонов с высокими эксплуатационными характеристиками

Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова

Принцип получения быстротвердеющих бетонов с высокими эксплуатационными характеристиками

Буйко О.В., канд. техн. наук, ст. преподаватель, Овчаренко Г.И., д-р техн. наук,

Круглова Е.Ф., Степаненко Е.А., студенты

Тяжелый бетон в настоящее время - один из основных строительных материалов. Большая часть затрат в себестоимости изделий из бетона приходится на тепло и энергию, идущие на тепловую обработку. Применение добавок ускоряющих твердение - один из вариантов снижения стоимости изделий. Однако ряд широко распространенных добавок - ускорителей отрицательно влияет на такие важные эксплуатационные характеристики бетона как морозостойкость, водонепроницаемость, коррозионная стойкость.

В результате проведенных исследований, нами показана возможность получения быстротвердеющих, высокопрочных и долговечных бетонов на основе обычных портландцементов и рядовых заполнителей, при использовании ряда комплексных добавок.

В основу метода модифицирования портландцементного вяжущего положен принцип стабилизации на ранних этапах гидратации клинкера изоструктурных гидратных фаз. Изоструктурность основных новообразований цемента: Ca(OH)2, C-S-H-фазы и AFm-фазы, приводит к их тесным взаимным срастаниям и прорастаниям, обеспечивающим высокую плотность упаковки гидратов, а их стабилизация в ранний период структурообразования вяжущего предотвращает первоначальную раздвижку цементных зерен иглами эттрингитоподобной AFt - фазы. Указанные факторы способствуют получению цементного камня с бездефектной, однородной структурой, и, следовательно, с высокими строительно-техническими свойствами.

Известно, что получение подобной структуры возможно при изготовлении бетонов на вяжущих с пониженным водо-вяжущим отношением: безгипсовых портландцементах, шлакощелочных вяжущих. При направленном модифицировании структуры твердеющего материала комплексом добавок получение высококачественных бетонов возможно и при использовании в качестве вяжущего обычного портландцемента М400 Д0 - Д20. Представленные выше положения послужили основой проведенных экспериментальных исследований. В работе использовался портландцемент Голухинского и Топкинского цементного завода (Алтайский край) с содержанием C3S 59 %, C3A 7 %. Твердение экспериментальных составов происходило в нормальных условиях, т.е. при температуре 20 2 оС, влажности 100 %.

Химический состав добавок - ускорителей является фактором, определяющим степень ускорения твердения портландцементного вяжущего, - как непластифицированного (без использования суперпластификатора), так и суперпластифицированного (с суперпластификатором). Результаты эксперимента показали, что в непластифицированном портландцементе добавки - электролиты, гидролизующиеся с повышением кислотности жидкой фазы цементной пасты, в основном, мало эффективны в качестве ускорителей твердения. Исключением является CaCl2 - классический ускоритель твердения цемента.

Более высокую эффективность в непластифицированных портландцементных системах имеют добавки - электролиты, гидролизующиеся с повышением щелочности жидкой фазы цементных паст. Однако наибольший прирост прочности обеспечивает в непластифицированных портландцементах именно CaCl2, а такие добавки, как Na2CO3 и Na2SO4 существенно уступают ему (рисунок 1 А).

В суперпластифицированных же портландцементных системах ряд активности указанных ускорителей меняется, и, более эффективным становится Na2SO4 (рисунок 1 Б), что также косвенно указывает на правильность выдвинутой концепции.

Анализ фазового состава показал, что относительное содержание AFm-фаз в суперпластифицированном составе с Na2SO4 через 1 сутки твердения в нормальных условиях возрастает, по сравнению с контрольным портландцементом и непластифицированным составом с Na2SO4 (рисунок 2).

Таким образом, основными компонентами модифицирующих добавок являются суперпластификатор (СП), натрийсодержащий электролит, например Na2SO4, а также активный микрокремнезем (МК). Для стабилизации фазового состава модифицированных цементных систем относительно AFm-фаз применялся дополнительный компонент добавки - КБ, являющийся сильным анионогенным комплексообразователем с ионами кальция и алюминия. Цементные составы с трехкомпонентной добавкой «СП + Na2SO4 + МК» обладают высокими темпами структурообразования. Пики стабилизированной AFm-фазы фиксируются на рентгенограмме состава через сутки нормального твердения, а также эндоэффектом 141,4 оС на кривой DSC. Содержание AFm-фазы в таких составах превышает относительное содержание AFt гидратов (рисунок 2).

А)

Б)

Рис. 1. А, Б. Влияние суперпластификатора С-3 на прочность портландцементных составов с добавками - электролитами: А - непластифицированные портландцементные составы (ТНГ), Б - суперпластифицированные составы (ТНГ); К - портландцементный состав без добавок, К1 - с добавкой С-3, 1 - CaCl2, 2 - Na2CO3, 3 - Na2SO4.

Рис. 2. Относительное содержание AFt и AFm подобных фаз в портландцементных составах через 1 сутки твердения в нормальных условиях. Составы: 1 - контрольный ПЦ, 2 - Na2SO4, 3 - СП + Na2SO4, 4 - КБ + Na2SO4, 5 - СП + Na2SO4 + МК, 6 - КБ + Na2SO4 + МК.

Высокоэффективная композиция на основе СП, МК и Na2SO4 не в полной мере обеспечивает стабилизацию желаемых фаз, так как сформировавшиеся в начальный период эттрингитоподобные гидраты приводят к сбросам прочности в промежуток 3 - 10 суток за счет перестройки AFt AFm. При наличии в составе модификатора дополнительного компонента - КБ происходит изменение в составе гидратных образований цемента соотношения между AFt и AFm фазами в сторону увеличения относительного содержания последней (рисунок 2), что подтверждается увеличением эндоэффекта с пиком 140 оС - DSC, с пиком 138,5 оС - DSC-DTG, относящихся к разложению гидратов типа AFm. Дополнительное использование анионактивного

замедлителя КБ способствует стабилизации высоких прочностных характеристик бетонов во времени (рисунок 3).

Рис. 3. Прочность модифицированных бетонов, твердевших в нормальных условиях. Составы: 1 - контрольный состав (В/Ц = 0,59); 2 - с модификатором без КБ (В/Ц = 0,37); 3 - с модификатором с КБ (В/Ц = 0,35).

Разработанные бетоны прошли успешные испытания как в условиях заводов ЖБИ, так и при экспериментальном строительстве мостов. Изделия, изготовленные в производственных условиях из модифицированных бетонных смесей за сутки твердения без дополнительной тепловой обработки, в зависимости от исходной марки, набирали от 60 - до 90 % проектной прочности. Комплексные модификаторы придают бетонным изделиям сульфатостойкость, повышают водонепроницаемость до 14 - 16 атмосфер, морозостойкость - до 500 циклов попеременного замораживания - оттаивания. К двадцативосьми суткам твердения в естественных условиях прочность изделий из модифицированных бетонов составляет 130 - 200 % проектной.

В целях удешевления стоимости комплексного модификатора были проведены дополнительные исследования с целью замены дорогостоящих компонентов - активного микрокремнезема и Na2SO4 на более дешевые: цеолитовый туф, широко распространенный в Сибирском регионе, а также Na2SO4 содержащие отходы производства (рисунок 4).

Рис. 4. Прочность модифицированных бетонов, твердевших в нормальных условиях. Составы: 1 - контрольный состав; 2 - с модификатором на основе цеолитового туфа и добавки НД; 3 - с модификатором на основе МК и добавки НД; 4 - с модификатором на основе добавки В.

В качестве источника сульфата натрия были использованы высокощелочной отход производства Бийского химкомбината - НД, содержащий Na2SO4 = 71 %, Na2SO3 = 6 %, Na2CO3 = 9 %, NaCOOH = 7%; а также шлам второй фильтрации ОАО "КучукСульфат" - В, с содержанием основных веществ: Na2SO4 = 26,1 %,

Na2SO3 = 0,7 %, Na2CO3 = 12,7 %. Молотый цеолитовый туф Шивыртуйского месторождения, с содержанием клиноптилолита 62 % (SiO2 = 61,4 %, Al2O3 = 13.2 %) применялся в качестве альтернативы МК.

Полученные результаты (рисунок 4) показали, что бетонные составы модифицированные комплексными добавками, в состав которых входят сульфатсодержащие отходы, а также молотый цеолитовый туф, обладают ускоренным набором прочности по сравнению с бетоном без добавок. Подобные составы комплексных модификаторов позволяют как в ранние, так и в более отдаленные сроки твердения получать прочность бетона на 30 - 50 % большую, чем у контроля. Такие комплексные добавки имеют ряд преимуществ, и их применение в производстве ЖБИ экономически оправдано.