О бетоне
В последние годы все большее распространение получает производство изделий из мелкозернистого бетона методом вибропрессования. Отличительной особенностью этого метода является возможность использования широкой гаммы материалов (вяжущих и заполнителей), изготовление широкой номенклатуры продукции на универсальном технологическом оборудовании, получение продукции с высокими физико-механическими и эксплуатационными характеристиками (прочностью, морозостойкостью, истираемостью, водопоглощением и др.), получение изделий высокой архитектурной выразительности.
Для организации производства изделий из мелкозернистого бетона необходимы минимальные капиталовложения при условии их быстрой окупаемости, производство компактно, не требует больших площадей и кранового оборудования. Методом вибропрессования изготавливаются изделия для дорожного строительства (шлакоблоки, камни бетонные бортовые, плиты тротуарные, т. ч. фигурные элементы мощения, трамвайные плиты и т. п.), камни бетонные стеновые, фундаментные, перегородочные, бордюрные камни и прочее.
Дорожные изделия в процессе эксплуатации подвергаются интенсивным механическим воздействиям, попеременному замораживанию и оттаиванию, увлажнению и высушиванию, воздействию растворов солей, в т. ч. хлористого натрия, бензомаслопродуктов и др. К этим изделиям предъявляются повышенные требования по прочности на сжатие (класс не менее В 30), морозостойкости (марка по морозостойкости не ниже F 200), водопоглощению (не более 6% по массе) и пр. При этом следует отметить, что в условиях возрастающей интенсивности движения и загрязнения городской среды, применения этих изделий в местах стоянок автомобильного транспорта и на автозаправочных станциях, характеристики бетонов должны превышать нормативные.
Исследования и практика работы предприятий показывают, что для обеспечения нормативных требований при производстве изделий должны использоваться высококачественные сырьевые материалы. В качестве вяжущих должны применяться чисто клинкерные портландцементы марок ПЦ 400 ДО или ПЦ 500 ДО, либо цементы, содержащие в качестве активной минеральной добавки не более 5% доменных гранулированных шлаков. Содержание трехкальциевого алюмината в этих цементах не должно превышать 6%. В качестве заполнителя должен применяться кварцевый песок с модулем крупности Мкр не менее 2,5.
Однако на многих предприятиях изготовление вибропрессованных изделий из мелкозернистого бетона осуществляется наряду с изделиями из тяжелого бетона, для производства которого используются рядовые цементы, содержащие до 20% активных минеральных добавок, а в качестве заполнителя применяются средние или мелкие пески, модуль крупности которых доходит до 1,8-1,9.
 |
| Таблица 1. Влияние особенностей материалов на свойства цементно-песчанных смесей и бетонов. |
Для достижения указанной цели были использованы такие технологические приемы, как введение в состав жестких цементно-песчаных смесей комплексных химических добавок (пластификатор + воздухововлекающая добавка), применение укрупняющих добавок (мелкого щебня и др.), использование смесей с микрокремнеземом.
Как известно, жесткие цементно-песчаные смеси с предельно низким начальным водосодержанием слабо подвергаются пластификации. Однако, как показали опыты, можно в значительной мере увеличить эффективность смесей за счет введения комплексных добавок С-З+СНВ, С-З+СДО, ЛСТ+СНВ, ЛСТ+СДО.
В опытах использовались портландцементы марок ПЦ 500 ДО Белгородского, ПЦ 400 ДО Воскресенского и ПЦ 400 Д20 Михайловского заводов, пески кварцевые Вяземского, Тучковского и Окского месторождений с модулем крупности соответственно 2,7; 2,0 и 2,6.
Жесткость цементно-песчаных смесей в опытах поддерживалась постоянной и составляла 40-45 с по ГОСТ 10180-2000. Уплотнение смеси осуществлялось на виброплощадке с амплитудой колебаний 0,7-0,8 мм, частотой 50 Гц, под пригрузом 10 кПа. Твердение бетонных образцов осуществлялось при температуре 18-20°С и относительной влажности 85-90%. Испытания бетонных образцов на сжатие по ГОСТ 10180-90 осуществлялись в возрасте 7 и 28 суток (таблица 1).
Как видно, введение комплексных добавок приводит к снижению начального водосодержания цементно-песчаных смесей со 165-190 до 145-165 л/м3 или на 12-14%, к повышению прочности бетонов с 31-38 МПа в возрасте 7 суток и с 45-54 МПа в возрасте 28 суток соответственно до 39-59 и 56-74 МПа (или на 25-30%).
Следует отметить, что вид применяемого цемента и крупность песка на эффективности применения добавок практически не сказались.
 |
| Таблица 2. Влияние укрупняющей добавки на свойства бетонов |
Примечание: 1 – портландцемент марки ПЦ 500 Д 0 Белгородского завода; 2 – опыты 1 -5 (песок Вяземского карьера Мкр = 2,7); опыты 6-10 (песок Тучковского карьера Мкр = 1,9)
Другим способом улучшения свойств бетонов является введение укрупняющих добавок. В выполненных исследованиях в качестве укрупняющей добавки применялся щебень гранитный фракции 3-10 мм Питкярантского карьера.
Опыты показали, что сокращение доли песка в смеси заполнителей «r» с 1,0 до 0,42 приводит к сокращению начального водосодержания со 170-185 до 140-145 л/м3 или примерно на 20% и к увеличению прочности бетона с 31-39 МПа в возрасте 7 суток и 48-56 МПа в возрасте 28 суток соответственно до 54-55 и 76 МПа или примерно в 1,3-1,5 раза (таблица 2). Как видно, применение укрупняющей добавки более эффективно для мелкого песка с модулем крупности Мкр = 2,0, чем для крупного с модулем крупности Мкр = 2,7.
Следует указать, что опытно-промышленные формовки изделий (тротуарных плит), выполненные на вибропрессе ВИП-9 показали, что при r = 0,42 возможно заклинивание щебня при вибропрессовании. Это приводит к недоуплотнению бетонной смеси и снижению прочности бетонов. По-видимому, содержание укрупняющей добавки не должно превышать содержание песка (r > 0,5).
Третьим способом повышения прочности мелкозернистых бетонов является введение в состав цементно-песчаных смесей микронаполнителя. В данной работе в качестве микронаполнителя был принят модификатор бетона МБ-10-01, приготавливаемый на основе микрокремнезема и суперпластификатора С-3. Испытания показали, что введение модификатора бетона МБ-10-01 в жесткие цементно-песчаные смеси позволяет при расходе цемента около 450 кг/м получить бетоны прочностью 19 МПа в возрасте 7 суток и 66 МПа в возрасте 28 суток (таблица 3). Расход модификатора при этом составлял 10% от массы цемента. Увеличение дозировки модификатора бетона до 20% от массы цемента привело к увеличению водопотребности смеси до 185 л/м и к снижению прочности бетона соответственно до 34 и 57 МПа. Однако следует отметить, что высокая стоимость модификатора ограничивает его применение в мелкозернистых бетонах.
Как было указано выше, одним из основных факторов, определяющих морозостойкость бетонов, являются параметры пористости. В работе были приняты следующие параметры пористости:
1. Структурной пористости, определяемые по кинетике водонасыщения по ГОСТ 12730.4-78. В частности, определялись следующие показатели: полный объем открытых пор бетона Wn объем открытых капиллярных пор – Wo объемное водопоглощение бетона показатель среднего размера пор -l показатель однородности пор по размерам – а.
2. Капиллярный подсос бетона. При этом высушенные при 105—110 0С бетонные образцы изолировались с четырех граней парафином, помещались нижней открытой гранью в воду и выдерживались в течение 24 час. Подсос влаги в бетон происходил за счет действия капиллярных сил. Результаты определения пористости бетонов представлетп в таблице 4.
Как видно, у бездобавочных бетонов полный объем пор Wn составляет 18,1%, величина открытой пористости примерно в 3 раза меньше и составляет 6,3%. Капиллярный подсос несколько ниже и равен 6,1%.
Введение одной пластифицирующей добавки (С-3 или ЛСТ) приводит к снижению объема открытых пор с 18,1% до 16,8-17,2%, т. е. примерно на 5%. Соответственно уменьшается величина открытой пористости (до 5,4-5,6%) и капиллярный подсос (до 5,2-5,3%). Применение комплексных добавок на основе пластификатора и гидрофобизатора привело к снижению объема полных пор до 15,8-16,5%, величины открытой пористости – до 4,3-4,8% и капиллярного подсоса до 4,3-4,5%. Т. е. применение комплексных добавок сказалось на величине размеров пор и их однородности. В частности, показатель условного размера пор сократился с 0,9 до 0,7, то есть структура бетона стала более мелкопористой, однородность пор при этом возросла, а показатель однородности пор по размерам увеличился с 0,5 до 0,6.
Таким образом, применение комплексных добавок (С-З+СНВ, С-З+СДО, ЛСТ+СНВ, ЛСТ+СДО) в жестких цементно-песчаных смесях приводит к снижению пористости мелкозернистых бетонов и размеров пор, а также повышению их однородности. Как показали ранее выполненные исследования, введение комплексных добавок приводит к снижению открытой капиллярной пористости, снижению среднего размера пор, увеличению равномерности распределения пор по объему, изменению конфигурации пор, повышению трещиностойкости бетонов. Совокупность этих факторов должна привести к повышению морозостойкости бетонов.
Для проверки этой гипотезы были выполнены соответствующие эксперименты. Испытания бетонов на морозостойкость осуществлялось по ГОСТ 10060.2-95 путем попеременного замораживания в 5-процентном растворе хлористого натрия при -50°С и отгаивания. Результаты испытаний представлены в таблице 5.
Таким образом было установлено следующее: при использовании бездобавочного портландцемента марки ПЦ 500 ДО Белгородского завода с ограниченным содержанием трехкальциевого алюмината (СзА = 4%), удельной поверхностью 2800 см2/г после 20 циклов попеременного замораживания и оттаивания потери прочности составили 4%, что соответствует марке F200 для бетонов дорожных и аэродромных покрытий.
 |
| Таблица 3. Влияние микронаполнителя на прочность мелкозернистого бетона. |
 |
| Таблица 4. Определение параметров пористости мелкозернистых бетонов. |
Примечание: в опытах использовались портландцемент Белгородского завода и песок Вяземского месторождения.
При увеличении числа циклов до 37 имел место резкий сброс прочности (на 64%). Введение комплексной добавки С-З+СДО в количестве соответственно 0,Т и 0,05% от массы цемента, вызывающей снижение начального водосодержания со 165 до 145 л/м и увеличение прочности бетона перед началом испытаний с 55,2 до 74,2 МПа, привело к повышению морозостойкости бетона. Так, после 20 циклов по¬переменного замораживания и оттаивания изменение прочности составляло +2%, а после 37 циклов -1%, т.е. бетон соответствует марке F300 по морозостойкости.
Полученное в процессе испытаний повышение прочности бетона на 2% обусловлено, по-видимому, методикой испытаний. В течение 4 час. осуществлялось замораживание бетона, вызывающее его деструкцию, затем в течение 2 час. осуществлялось его размораживание и далее, в течение 18 час. выдержка бетона при положительной температуре. В это время могли происходить процессы гидратации клинкерных минералов и твердения цемента. Первоначально процессы структурообрачования могли носить преобладающий характер, что привело к определенному повышению прочности бетона. Затем, с увеличением числа циклов попеременного замораживания и оттаивания, получили развитие деструктивные процессы, вызывающие снижение прочности бетона.
Аналогичная картина имеет место при использовании комплексной добавки ЛСТ+СДО. В частности, был получен бетон марки F300 по морозостойкости.
Исследования показали, что для получения бетонов повышенной морозостойкости должны применяться бездобавочные цементы или цементы, у которых в качестве активной минеральной добавки применяются молотые гранулированные шлаки в количестве не более 5%. Однако следует отметить, что такое ограничение выбора цемента осложняет работу предприятий, приходится использовать на одном производстве различные цементы. Поэтому в работе были выполнены исследования морозостойкости бетонов, полученных на различных цементах, но с химическими добавками. В частности, вместо низкоалюминатного портландцемента Белгородского завода марки ПЦ 500 ДО с содержанием СзА – 4% был использован портландцемент Михайловского завода марки ПЦ 400 Д20 с содержанием трехкальциевого алюмината – 9%.
Как видно, после 20 циклов попеременного замораживания и опаивания потери прочности составили 10%, т. е. бетон не соответствует марке F200 по морозостойкости, несмотря на значительную прочность (51,5 МПа). Введение комплексной добавки С-З+СДО привело к повышению морозостойкости бетона. После 20 циклов потери прочности составили 3%, а после 37 циклов – 10%, то есть применение комплексной добавки позволило на портландцементе ненормируемого минералогического состава получить морозостойкий бетон.
Поэтому в работе были выполнены исследования влияния домолотого цемента на морозостойкость бетона. Был выполнен домол портландцемента Белгородского завода дисперсностью 2800 см 2 /г до удельной поверхности 3900 см2/г.
Испытания показали, что прочность бетона на домолотом цементе после 20 циклов попеременного замораживания и оттаивания практически такая же, как у контрольных образцов. После 37 циклов имеет место определенный сброс прочности (на 20%). На обычном товарном цементе сброс прочности составлял 64%.
У бетонов на домолотом цементе с комплексной добавкой после 20 циклов имеет место увеличение прочности, а прочность бетона после 37 циклов такая же, как у контрольных образцов.
Таким образом, домол цемента в изученных пределах в сочетании с комплексной добавкой приводит к определенному, повышению морозостойкости бетона.
Кроме цемента, влияние на морозостойкость бетона могут оказывать заполнители. Известно, что для получения морозостойких бетонов должны применяться морозостойкие заполнители. Кроме того, заполнители не должны содержать примесей, увеличивающих адгезию цементного камня к заполнителю. В этом отношении следует строго ограничивать содержание в заполнителе глинистых частиц.
 |
| Таблица 5. Результаты испытаний на морозостойкость. |
Примечание: 1 – цементы: Б – Белгородский, М – Михайловский, В – Воскресенский, БД – Белгородский домолотый; пески: В – Вяземский, Т – Тучковский, О – Окский; 2 – « + » – прирост прочности, «-» – снижение прочности.
 |
| Таблица 6. Для производства изделий использовались цементно-песчаная смесь след. состава кг/м3 |
Для мелкозернистых бетонов одним из основных факторов, определяющих их прочность и морозостойкость, является их зерновой состав, крупность и форма зерен. Исследования показали, что для получения морозостойких бетонов должны применяться крупные пески с модулем крупности Мкр = 2,5 и более. Однако применение комплексных добавок, как было установлено выше, позволяет существенно повысить морозостойкость бетонов. Поэтому можно предполагать, что введение добавки позволит на мелком песке получить бетон требуемой морозостойкости.
Соответствующие испытания показали, что на мелком песке с модулем крупности 1,9 в сочетании с комплексной добавкой после 20 циклов потери прочности составили 4%, т. е. возможно получение бетона марки F200 по морозостойкости.
При оценке качества песка часто основное внимание уделяется таким показателям, как, зерновой состав, крупность, наличие примесей и др. Однако при этом упускается такой вопрос, как его минерало-петрографический состав.
Как было указано выше, песок № 1 Вяземского ГОКа, который широко применяется для производства изделий из мелкозернистого бетона, наряду с такими минералами, как кварц, гранит, кварцит, морозостойкость которых превышает 300 циклов попеременного замораживания и оттаивания, по минералогическому составу содержит такие компоненты, как известняк (7-10%), доломит (1,5-2,0%), слюда (1,0-1,5%). Морозостойкость этих компонентов значительно ниже. В процессе попеременного замораживания и оттаивания эти составляющие будут разрушаться в первую очередь, что может повлечь за собой разрушение всего бетона.
В отличие от Вяземского песка, полученного на дробильно-сортировочных фабриках из песчано-гравийных смесей, песок Окского месторождения является речным, с окатанной поверхностью зёрен. Основными составляющими являются кварц (87,6%), полевой шпат (3,4%) и кремнистые породы (3,6%). Ни морозостойких, ни водорастворимых включений практически нет, поэтому можно предполагать, что морозостойкость на Окском песке будет выше, чем на Вяземском.
Соответствующие испытания показали, что обычный мелкозернистый бетон на кварцевом песке •Окского месторождения выдержал 37 циклов, при этом потери прочности составили 3%. У бетона с комплексной добавкой после 37 циклов потери прочности не наблюдалось. Следует отметить, что на Вяземском песке той же крупности бездобавочная смесь выдержала только 20 циклов, а с добавкой – 37.
Аналогичная картина была получена при использовании портландцемента Воскресенского завода и песка Окского карьера. Контрольная смесь обеспечила получение мелкозернистого бетона марки F200 по морозостойкости, а бетон с добавкой соответствовал марке F300.
Таким образом, для обеспечения высокой морозостойкости целесообразно использование кварцевых песков, у которых содержание кварца, полевого шпата и кремнистых пород составляет не менее 90% и отсутствуют неморозостойкие включения (известняк, доломит и др.).
На основании выполненных исследований на экспериментальной базе песчаного бетона ЗАО «Экспострой» была выпущена опытно-промышленная партия вибропрессованных изделий – тротуарных плит типа К.7 по ГОСТ 17608-91.
Химические добавки С-3 и СДО использовались в виде водных растворов концентрацией 33% и 10% соответственно. Дозирование материалов производилось по массе. Водные растворы добавок вводились вместе с водой затворения. Порядок загрузки материалов был принят следующий: песок + цемент + (вода + водный раствор добавки). Перемешивание смеси осуществлялось в бетоносмесителе принудительного действия СБ-138 А. Продолжительность перемешивания составляла не менее 5 мин. Объем одного замеса составлял 0,8 м1 (по готовой смеси).
Определение удобоукладываемости бетонной смеси, выполненное по ГОСТ 10181-2000 показало, что жесткость бетонной смеси составляла 40-45 сек. Производство изделий из мелкозернистого бетона осуществлялось методом объемного вибропрессования на вибропрессе ВИП-9. Одновременно с изделиями изготавливались контрольные образцы – кубы размером 70,0×70,7×70,7 мм и балочки размером 40×40×160 мм – для испытаний на прочность, морозостойкость, истираемость и водопоглощение.
Испытания контрольных образцов на сжатие по ГОСТ 10180-90 производилось в возрасте 1, 7, 28 и 90 суток. Испытания образцов на изгиб осуществлялось по ГОСТ 10180-90, на морозостойкость – по ГОСТ 10060.2-95 третьим методом, на истираемость – по ГОСТ 13087-81, на водопоглощение – по ГОСТ 12730.3-78. Результаты испытаний представлены в таблице 7.
 |
| Таблица 7. Результаты испытаний бетонных образцов. |
Как видно, основные показатели рекомендуемых составов бетонов существенно выше требуемых. Вывод: методом вибропрессования из мелкозернистого бетона с химическими добавками возможно изготовление изделий с повышенными эксплуатационными характеристиками.
«Технология бетонов», У.Х. Магдеев, доктор технических наук, профессор..
