Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,969

POLYCARBOXYLATE BASED CONCRETE WITH ADDITIVES GRANULATED BLAST FURNACE SLAG USE EFFECTIVENESS

Kononova O.V. 1 Anisimov S.N. 1 Smirnov A.O. 1 Leshkanov А.Yu. 1
1 Volga State University of Technology
Исследовано влияние на прочность тяжелого бетона частичной замены портландцемента класса ЦЕМ I42,5 Н с удельной поверхностью 346 м2/кг доменным гранулированным шлаком с высокой удельной поверхностью 499 м2/кг. Бетонные образцы изготавливались из смесей с подвижностью 12 см и твердели в нормальных условиях. Эксперименты выполнены на бетоне с содержанием вяжущего вещества 300 кг/м3. Исследовались 2 серии образцов: без суперпластификатора и с суперпластификатором поликарбоксилатного типа Glenium® ACE 430. Установлено, что в серии образцов без суперпластификатора замена до 10?% портландцемента доменным гранулированным шлаком повышает прочность при сжатии бетона на 13?%. Дальнейшее увеличение доли доменного гранулированного шлака в вяжущем до 30?% понижает прочность через 3 суток твердения на 25?% и конечную прочность бетона на 7?%. В присутствии суперпластификатора GleniumACE 430 прочность всех составов повысилась. Замещение более 10?% портландцемента доменным гранулированным шлаком (ДГШ) в модифицированном бетоне существенно отражается на снижении ранней и конечной прочности бетона.
The heavy concrete strength effect of specific surface 346 m2/kg partial class CEM I 42,5 N Portland cement replacement with high specific surface of 499 m2/kg granulated blast furnace slag studied. Concrete samples were prepared from mixtures with a mobility of 12 cm and hardened under normal conditions. Experiments were carried out at 300 kg/m3 concrete binder content. Two series of samples syudied: no superplasticizer and polycarboxylate type Glenium® ACE 430 superplasticizer. It is found that in a series of without superplasticizer samples replacing up to 10?% of Portland cement with granulated blast slag increases the concrete compressive strength by 13?%. Further increase of granulated blast furnace slag percentage in the binder to 30?% lowers the strength after 3 days curing at 25?% and final concrete strength at 7?%. The strength of all the compositions with Glenium ACE 430 superplasticizer increased. More than 10?% of Portland cement replacement with granulated blast furnace slag in a modified concrete reflected significantly in the concrete early and final strength decrease.
mineral supplement
granulated blast furnace slag
superplasticizer
strength
heavy concrete

В настоящее время одним из приоритетных направлений в области исследования строительных материалов является совершенствование составов и технологии бетонов с целью дальнейшего повышения их качества и долговечности [1; 2; 6; 9; 11].

С использованием бетона в «классическом» виде, то есть без минеральных и химических добавок, достижение поставленной задачи практически недоступно. Поэтому в технологии современного бетона применяют модификаторы различного действия: структурирующие, пластифицирующие, регулирующие скорость твердения, а также комплексные модификаторы полифункционального действия [2; 9; 11]. В части повышения качества и долговечности бетона особенно значительный эффект в последние годы был достигнут от создания и применения в бетонах комплексных модификаторов на органо-минеральной основе, полученных с использованием суперпластификаторов нового поколения и активных и малоактивных полидисперсных минеральных добавок [2; 3]. В настоящее время в практике строительства все большее применение находят суперпластификаторы на основе поликарбоксилатного эфира (РСЕ) [1; 4; 11], так как они отличаются не только высокой водоредуцирующей способностью, но при этом увеличивают период сохраняемости бетонных смесей и придают бетонам способность к самоуплотнению, что отвечает самым высоким требованиям, предъявляемым к бетонным смесям для монолитного строительства [12].

В качестве минеральных добавок находят применение высокодисперсные добавки микрокремнезема, метакаолина, ультрадисперсного известняка, золы-уноса, доменного гранулированного шлака и других добавок, позволяющих управлять структурой, а также технологическими и эксплуатационными свойствами бетонов [1].

Хорошо известны такие свойства многих тонкодисперсных минеральных добавок, как их способность к самостоятельному твердению и к взаимодействию с портландитом с образованием низкоосновных гидросиликатов кальция CSH фазы, повышающих содержание и стабильность цементного геля [12].

Исследователи отмечают возможность регулирования с помощью тонкомолотых минеральных добавок температурных и объемных изменений твердеющих композиций, а также позитивное влияние минеральных добавок на структуру цементного камня, в частности на соотношение капиллярных и гелевых пор. Отмечается влияние ультрадисперсного известняка на интенсификацию ранней гидратации цемента [11].

В целом рациональное применение минеральных добавок способствует повышению плотности, прочности и стойкости бетона в агрессивных средах.

Среди минеральных добавок – доменный гранулированный шлак – наиболее изученная, общепризнанная в мире минеральная добавка, широко применяемая в практике производства цементов и бетонов [5].

В период 70-х годов XX века в СССР с добавками доменного гранулированного шлака выпускалось более половины объема производимого в стране цемента [5]. Сегодня в Великобритании ежегодно для замены портландцемента в бетоне используется более 2 млн т доменного гранулированного шлака. Его использование в производстве цемента сокращает выбросы в атмосферу диоксида углерода почти на 2 млн т. Расход электроэнергии сокращается на 2000 ГВт/год. Ежегодная экономия природных сырьевых материалов от применения доменного гранулированного шлака для приготовления бетона составляет 2,5 млн т [10].

Как микронаполнитель доменный гранулированный шлак участвует в улучшении структуры бетонов, улучшает качество поверхности железобетонных изделий. С другой стороны, доменный гранулированный шлак имеет активную стекловидную структуру, что химически проявляется в его способности к самостоятельному твердению. Кремний образует в структуре шлаков тетраэдры [SiO4]4– , более или менее полимеризованные. Возможны двойные тетраэдры [Si2O7]6– , или цепи [SiO3]2– . Катионы Ca2+ , Na+ , K+ , Al3+ занимают пустоты между этими элементами и, чем больше доля катионов, тем больше изолированы друг от друга тетраэдры [SiO4]4– и тем более реакционноспособным становится шлак [7; 10].

На рост реакционной способности шлака положительное воздействие оказывает тепло-влажностная обработка: за счет пропаривания бетонов, в которых портландцемент на 20…50 % по массе замещен доменным гранулированным шлаком при сохранении прочности удается повысить морозостойкость бетонов [12].

Исследования подтверждают тесную связь гидравлической активности шлаков с удельной поверхностью. Если удельная поверхность доменного гранулированного шлака близка к 600 м2/кг, его реакционная способность мало зависит от химического состава, то есть для любого шлака высока [7].

При совместном помоле цемента и доменного гранулированного шлака шлак, как правило, имеет меньшую удельную поверхность, чем чистоклинкерный цемент. Представляется, что раздельное применение в бетонах цемента и доменного гранулированного шлака повышенной дисперсности, а также модификация составов бетона суперпластификатором на поликарбоксилатной основе позволит повысить эффективность от применения доменного гранулированного шлака в бетонах.

Целью исследования являлось изучение влияния совместного применения высокодисперсного доменного гранулированного шлака и поликарбоксилатного суперпластификатора на формирование прочности и кинетику твердения тяжелого бетона.

Материалы и методы исследования

Исследовано влияние частичной замены цемента в бетоне молотым доменным гранулированным шлаком производства ООО «Мечел-Материалы» GGBS450 (ТУ 0799-001-99126491-2013) на прочность и кинетику набора прочности тяжелого бетона, модифицированного поликарбоксилатным суперпластификатором Glenium® ACE 430 компании BASF. Проба доменного гранулированного шлака с удельной поверхностью Sуд = 499 м2/кг и коэффициентом качества 1,45 в количестве 98,9 % прошла через сито № 0045. Содержание стекловидной фазы в шлаке составляло 70,1 %, активность в возрасте 28 суток нормального твердения – 12,2 МПа. Химический состав шлака приведен в табл. 1.

В качестве вяжущего применялся портландцемент с удельной поверхностью Sуд ц = 346 м2/кг класса ЦЕМ I 42,5Н производства ООО «Топкинский цемент», который имел следующий минералогический состав: С3S = 60,9 %, С2S = 15,6 %, C4AF = 12,8 %, C3A = 7,0 %. В процессе эксперимента портландцемент класса ЦЕМ I 42,5Н замещался в бетоне высокодисперсным доменным гранулированным шлаком на 0…30 % по массе.

Таблица 1

Химический состав доменного гранулированного шлака

SiO2

CaO

Al2O3

MgO

FeO

Na2O

K2O

TiO2

S

MnO

36,5

35,1

13,3

12,9

0,27

0,56

0,45

0,75

0,35

0,27

Добавка Glenium® ACE 430 относится к новому поколению суперпластификаторов на основе поликарбоксилатного эфира для железобетонных конструкций, придающих высокую подвижность бетонной смеси и способность к самоуплотнению. Быстро адсорбируясь на поверхности частиц цемента, добавка при этом не препятствует доступу воды к его поверхности. Поликарбоксилатный суперпластификатор Glenium®ACE430 вводился в количестве 1 % от массы вяжущего. Контрольный состав бетона не содержал суперпластификатора и доменного гранулированного шлака.

В качестве крупного заполнителя использовался плотный доломитовый щебень фракции 5/20 мм, с прочностью по дробимости 1200. В качестве мелкого заполнителя применялся природный кварцевый песок с модулем крупности Мк = 1,9.

Смеси приготавливались в лабораторном смесителе. Поликарбоксилатный суперпластификатор Glenium®ACE430 вводился в бетонную смесь с последней третью воды затворения после пятиминутного перемешивания. После этого смесь дополнительно перемешивалась в течение 3 минут. Содержание воды подбиралось таким образом, чтобы обеспечить получение равноподвижных бетонных смесей марки П3 по осадке конуса.

Из бетонных смесей виброуплотнением в течение 10 с формовались образцы-кубы размерами 100×100×100 мм. Прочность бетона на сжатие контролировалась в возрасте 3, 7 и 28 суток твердения в нормальных условиях.

Результаты исследования и их обсуждение

В табл. 2 приведены составы равноподвижных бетонных смесей с маркой по удобоукладываемости П3 (ОК = 12 ± 1 см).

Из табл. 2 видно, что замена цемента доменным гранулированным шлаком не приводит к заметным изменениям водопотребности равноподвижных бетонных смесей. Добавление в состав бетона поликарбоксилатного суперпластификатора Glenium® ACE430 в количестве 1 % от массы цемента позволило снизить водопотребность равноподвижных бетонных смесей на 17 %.

На рис. 1 представлена зависимость прочности тяжелого бетона от частичной замены портландцемента высокодисперсным доменным гранулированным шлаком. При частичной замене 10 % портландцемента доменным гранулированным шлаком прочность при сжатии бетона повысилась на 13 % как в 3-суточном возрасте, так и через 28 суток твердения в нормальных условиях.

Дальнейшее увеличение доли доменного гранулированного шлака в составе вяжущего ведет к снижению кинетики роста прочности в ранний период твердения. При замене 20 % цемента доменным гранулированным шлаком прочность при сжатии образцов бетона на 3-и сутки твердения снизилась в сравнении с составом без добавки на 19 %. На 28-е сутки твердения прочность этого состава практически не отличается от контрольного состава на чистоклинкерном цементе.

Замещение 30 % цемента доменным гранулированным шлаком уменьшает прочность бетона в сравнении с составом без шлака на 25 % на 3-и сутки твердения, на 14 % на 7-е сутки и на 7 % в возрасте 28 суток.

Таблица 2

Составы и водопотребность равноподвижных бетонных смесей

Номер состава

Расходы материалов на 1 м3 бетона

Водовяжущее отношение, В/(Ц + ДГШ)

Щебень, кг

Песок, кг

Вяжущее,

(Ц + ДГШ), кг

GleniumACE 430, % от массы вяжущего

Цемент (Ц), кг

Доменный гранулированный шлак (ДГШ), кг

1

1350

700

300

0

0

0,54

2

1350

700

270

30

0

0,53

3

1350

700

240

60

0

0,53

4

1350

700

210

90

0

0,55

5

1350

700

300

0

1

0,45

6

1350

700

270

30

1

0,45

7

1350

700

240

60

1

0,45

8

1350

700

210

90

1

0,44

pic_16.wmf

Рис. 1. Влияние частичной замены портландцемента доменным гранулированным шлаком на кинетику роста прочности тяжелого бетона Rб, МПа

pic_17.wmf

Рис. 2. Влияние частичной замены портландцемента доменным гранулированным шлаком на прочность тяжелого бетона, модифицированного добавкой Glenium ACE 430

На рис. 2 приведено влияние частичной замены портландцемента доменным гранулированным шлаком на прочность тяжелого бетона, модифицированного добавкой Glenium® ACE 430.

В сравнении с контрольным немодифицированным составом бетона введение суперпластификатора Glenium® ACE 430 в количестве 1 % от массы вяжущего позволило повысить прочность при сжатии всех исследуемых составов через 28 суток твердения в нормальных условиях на 48…28 % в зависимости от содержания доменного гранулированного шлака в составе вяжущего.

Установлено, что у составов на основе портландцемента класса ЦЕМ I 42,5Н введение суперпластификатора Glenium® ACE 430 в количестве 1 % от массы цемента не снижает кинетики нарастания прочности бетона. Частичная замена 10…30 % портландцемента в модифицированных составах доменным гранулированным шлаком понижает кинетику роста ранней прочности бетона.

Так, при замене 30 % цемента доменным гранулированным шлаком прочность бетона в присутствии суперпластификатора Glenium® ACE 430, на 3-и и 7-е сутки практически равна прочности контрольного немодифицированного состава бетона, в то время как через 28 суток она превышает прочность контрольного состава на 28 %. Полученный результат свидетельствует о замедлении кинетики роста прочности модифицированного бетона при повышении доли доменного гранулированного шлака в вяжущем.

Выводы

1. Исследованиями немодифицированных составов бетона установлено, что частичная замена 10 % портландцемента класса ЦЕМ I 42,5Н доменным гранулированным шлаком с высокой удельной поверхностью 499 м2/кг обеспечивает прирост прочности бетона через 28 суток на 13 % и не снижает кинетики роста ранней прочности при твердении в нормальных условиях.

2. Увеличение доли высокодисперсного доменного гранулированного шлака в вяжущем до 30 % понижает прочность бетона через 3 суток твердения на 25 % и конечную прочность на 7 %. При этом частичная замена до 30 % портландцемента доменным гранулированным шлаком практически не меняет водопотребность равноподвижных немодифицированных бетонных смесей.

3. Применение суперпластификатора Glenium® ACE 430 в бетоне в количестве 1 % от массы вяжущего снижает водопотребность равноподвижных бетонных смесей на 17 % и повышает прочность при сжатии бетона на 48 %. Замещение более 10 % портландцемента доменным гранулированным шлаком в модифицированном бетоне в большей степени отражается на снижении ранней и в меньшей степени на 28-суточной прочности бетона.

4. При частичной замене до 30 % портландцемента доменным гранулированным шлаком преимущество в 28-суточной прочности при сжатии модифицированного бетона снижается с 48 до 28 % в сравнении с контрольным немодифицированным составом.