Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ДОМЕННОГО ГРАНУЛИРОВАННОГО ШЛАКА В БЕТОНАХ С ДОБАВКОЙ НА ОСНОВЕ ПОЛИКАРБОКСИЛАТНОГО ЭФИРА

Кононова О.В. 1 Анисимов С.Н. 1 Смирнов А.О. 1 Лешканов А.Ю. 1
1 ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет»
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.
минеральная добавка
доменный гранулированный шлак
суперпластификатор
прочность
тяжелый бетон
1. Анисимов С.Н., Кононова О.В., Минаков Ю.А., Лешканов А.Ю., Смирнов А.О. Исследование прочности тяжелого бетона с пластифицирующими и минеральными добавками // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 2–1; URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=21276 (дата обращения: 21.03.2016).
2. Батраков В.Г. Модификаторы бетона: новые возможности и перспективы //Строительные материалы. – 2006. – № 10. – С. 4–7.
3. Калашников В.И., Ерофеев В.Т., Мороз М.Н., Троянов И.Ю., Володин В.М., Суздальцев О.В. Наногидросиликатные технологии в производстве бетонов // Строительные материалы. – 2014. – № 5. – С. 88–91.
4. Кравцов А.В., Цыбакин С.В., Виноградова Е.А., Бородина Л.М. Бетоны с органоминеральной добавкой на основе тонкомолотого шлака медеплавильного производства // Вестник МГ СУ. – 2016. – № 2. – С. 86–97.
5. Легалов И.Н. Шлакопортландцементы и бетоны на их основе / И.Н. Легалов, Е.Е. Александров [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http: //sng-moscva.ru/shlakoportlandcementy-i-betony-na-ih-osnove.html. – Дата обращения (02.10.2012).
6. Максимова И.Н., Макридин Н.И., Ерофеев В.Т., Скачков Ю.П. Прочность и параметры разрушения цементных композитов. Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2015. – 360 с.
7. Мерик Ж.-П. Конгресс по химии цемента и его рекомендации по использованию современных видов цемента: пер. ст. с франц. Т.И. Таташиной / Ж.-П. Мерик, И. Вон Ев. – М.: Всесоюз. центр переводов, 1983. – 48 с.
8. Пугин К.Г., Юшков Б.С. Ресурсосберегающие технологии и снижение экологической нагрузки при производстве бетонных изделий с использованием доменных шлаков // Научные исследования и инновации / ГОУ ВПО «Пермский гос. техн. унив-тет. – 2010. – № 3 – С. 72–79.
9. Ткач Е.В. Влияние органоминерального модификатора на физико-механические и деформативные свойства бетона / Е.В. Ткач, М.А. Рахимов, Б.М. Тоимбаева, Г.М. Рахимова // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 3–2. – С. 428–431.
10. Трофимов Б.Я., Крамар Л.Я., Шулдяков К.В. Влияние количества шлака в цементе на морозостойкость тяжелого бетона // Строительные материалы: научно-технический и производственный журнал / ООО РИФ «Стройматериалы». – 2013. – № 9. – С. 96–100.
11. Ушеров-Маршак А.В. Добавки в бетон: прогресс и проблемы // Строительные материалы. – 2006. – № 10. – С. 8–12.
12. Othmane Boukendakdji, El-Hadj Kadri, Said Kenai. Effects of granulated blast furnace slag and superplasticizer type on the fresh properties and compressive strength of self-compacting concrete // Cement and Concrete Composites. – 2012. – Vol. 34, Issue 4. – Р. 583–590.

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.


Библиографическая ссылка

Кононова О.В., Анисимов С.Н., Смирнов А.О., Лешканов А.Ю. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ДОМЕННОГО ГРАНУЛИРОВАННОГО ШЛАКА В БЕТОНАХ С ДОБАВКОЙ НА ОСНОВЕ ПОЛИКАРБОКСИЛАТНОГО ЭФИРА // Современные наукоемкие технологии. – 2016. – № 6-2. – С. 259-263;
URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=36017 (дата обращения: 10.12.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674