Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

BASED CARBONATE ROCKS CONCRETE INVESTIGATION

Cherepov V.D. 1 Korshunova N.P. 1
1 Volga State University of Technology
Установлены закономерности формирования основных технико-эксплуатационных характеристик бетона, изготавливаемого на основе карбонатных пород, модифицированных различными химическими добавками: суперпластификатором Glenium®51, гидрофобно-пластифицирующей добавкой СДО. При введении добавки СДО варьировалось содержание щебня в пределах от 0,9 до 0,7 куб.м. Введение оптимального содержания физико-химического модификатора СДО 0,03% от массы цемента в составы вибрированного бетона с содержанием цемента - 350 кг/м3 позволяет получить прочность при сжатии 35 МПа и марку по морозостойкости F150. Оптимальным количеством модификатора СДО для составов бетона с содержанием цемента 350 кг/м3 является 0,03% от массы цемента. Выявлено, что составы с суперпластификатором Glenium®51 позволяют получить бетоны с прочностью 35 МПа по безвибрационной технологии. При содержании щебня 0,3-0,4 куб.м на 1 куб.м бетона введение карбонатного наполнителя позволяет экономить расход цемента. Проведенные исследования позволили оптимизировать составы бетонов с пониженным содержанием щебня.
We have investigated the laws of the formation of the basic technical and operational characteristics of the cjncrete, manufactured by scree of carbonate rocks, modified with various chemical additives: superplasticizer Glenium® 51, hydrophobic plasticizer SDO. When adding the additive SDO we have varied content of scree (range 0,9 to 0,7 m3). The injection of optimal physical and chemical additive SDO (0.03% by weight of cement) in vibrated concrete with the amount of cement - 350 kg/m3 provides the strength of concrete 35 MPa and frost resistance F150. Optimal content of modifier SDO for compositions of concrete with the amount of cement 350 kg/m3 is 0.03% by weight of cement was found. We have found that compounds with superplasticizer Glenium® 51 can obtain concrete with a strength of concrete 35 MPa for vibration-free technology.The injection of carbonate rocks let us save cement consumption when the content of scree is 0,3-0,4 m3for 1 m3 of concrete. The investigation allowes to optimize concrete content with reduced amount of scree.
frost resistance.
strength
modifier
SDO
Glenium® 51
superplasticizer
concrete
scree
carbonate rocks

Вопросам рационального и комплексного использования местных минеральных ресурсов в строительстве, снижению стоимости строительных объектов, производству и распространению экологически безопасной строительной продукции в настоящее время уделяется большое внимание. В связи с широким распространением во многих регионах Российской Федерации осадочных карбонатных пород актуальной является задача их комплексного использования [3; 6]. Сравнительно низкая прочность и высокая неоднородность состава часто затрудняет и ограничивает применение этого экологически чистого минерального сырья, в том числе в производстве бетонов в качестве крупного заполнителя [2]. В то же время применение привозного крупного заполнителя приводит к значительному удорожанию выпускаемого бетона и строительных объектов в целом.

Исследование сырьевой базы карбонатного щебня республики Марий Эл (РМЭ) показывает его высокую неоднородность не только по прочности и плотности, но и по минералогическому составу. В частности, испытания карбонатных пород РМЭ показали, что их плотность может варьироваться от 1570 до 2710 кг/м3, а прочность при сжатии от 10 до 100 МПа. При этом среднее значение прочности при сдавливании в цилиндре не превышает марку 400. Содержание Mg(CO)3 в карбонатных породах в пределах одного месторождения отличается на десятки процентов [4]. Это сдерживает использование местных карбонатных пород в производстве извести, цемента и силикатных изделий.

Исследования направлены на поиск путей повышения эффективности применения карбонатных пород РМЭ в производстве бетонов. С учетом низкой прочности карбонатных пород сформулирована гипотеза о возможности повышения эффективности их применения в бетонах за счет ограничения количества карбонатного щебня при условии дополнительного использования поверхностно-активных модификаторов, снижающих водопотребность бетонной смеси и улучшающих структуру растворной части бетона [1; 5].

Задача исследования состояла в изучении влияния содержания карбонатного щебня и модифицирующих добавок (СДО и Glenium®51) на формирование физико-технических свойств бетона – прочности при сжатии, водо- и морозостойкости.

В качестве крупного заполнителя применялся карбонатный щебень Коркатовского карьера РМЭ в виде смеси двух фракций: фракции 10-20 мм – 60% и фракции 5-10 мм 40% по массе соответственно. Минералогический состав применяемого щебня характеризовался присутствием 59% доломита и 40% кальцита. Примеси в пределах 1% были представлены минералами кварца и полевого шпата. В качестве мелкого заполнителя использовался природный кварцевый песок Студенковского карьера РМЭ с модулем крупности 2,07.

Ранее проведенные исследования показали, что при максимальном объемном содержании карбонатного щебня, близком к 1,0 м3 на 1 м3 бетона и пониженном только на величину коэффициента раздвижки зерен крупного заполнителя, коэффициент водостойкости бетона снижается до критического значения - 0,8.

Проведен анализ зависимости коэффициента водостойкости бетона от расхода цемента в пределах от 250 до 450 кг на 1 м3 бетона и объемного содержания карбонатного щебня соответственно от 0,7 до 0,9 м3. Расход воды подбирался экспериментально и соответствовал получению равноподвижных смесей с жесткостью 20 с. Водостойкость бетонов оценивалась с помощью коэффициента размягчения по соотношению прочности при сжатии бетона в насыщенном водой состоянии к прочности бетона в сухом состоянии.

В результате проведенного эксперимента получены бетоны с прочностью при сжатии от 25 до 45 МПа. Все составы показали свою высокую водостойкость, в пределах 0,98-1,0.

Исследовано влияние понижения содержания щебня в пределах от 0,9 до 0,7 м3 на 1 м3 бетона в присутствии модификатора СДО от 0 до 0,06% от массы цемента на свойства бетона, получаемого из равноподвижных смесей жесткостью 20 с методом виброуплотнения при частоте вибрации 50 Гц и амплитуде колебаний 0,5 мм. Бетонные смеси приготавливались в лабораторном вибросмесителе в течение 3 мин. Добавка СДО вводилась с водой затворения. Из бетонных смесей формовались образцы - кубы размером 100×100×100 мм. Физико-технические свойства бетонов определялись в возрасте 28 суток твердения в нормальных условиях.

При постоянном расходе цемента 350 кг/м3 изучено влияние содержания карбонатного щебня и модифицирующей добавки СДО на формирование прочности, капиллярно-открытой пористости и морозостойкости бетона. Влияние состава бетона на формирование прочности при сжатии Rcж, МПа приведено в таблице 1.

Таблица 1 – Влияние состава бетона на прочность при сжатии

опыта

Матрица эксперимента

Расходы материалов на 1 м3 бетона

Предел

прочности

при сжатии,

Rсж., МПа

Щебень, м3

СДО, %

Цемент,

кг

Щебень,

кг

Песок,

кг

Вода,

л

1

0,9

0,06

350

1000

810

195

34,8

2

0,9

0,00

350

1000

810

210

34,1

3

0,7

0,06

350

780

1010

205

30,4

4

0,7

0,00

350

780

1010

220

28,8

5

0,9

0,03

350

1000

810

190

36,6

6

0,7

0,03

350

780

1010

210

31,8

7

0,8

0,06

350

890

910

195

35,8

8

0,8

0,00

350

890

910

210

34,0

9

0,8

0,03

350

890

910

200

36,4

Установлено, что поверхностно-активный модификатор СДО в количестве 0,03% снижает водопотребность равноподвижных бетонных смесей в среднем на 5%. Дальнейшее увеличение количества вводимой добавки до 0,06% от массы цемента незначительно понижает водопотребность. В случае отсутствия модификатора СДО уменьшение объемного содержания карбонатного щебня с 0,9 до 0,7 м3 на 1 м3 бетона приводит к понижению прочности составов от 34 МПа до 28,8 МПа. Введение добавки СДО способствует повышению прочности составов на 5-7%. Статистически значимым на предел прочности при сжатии бетона, модифицированного добавкой СДО, при доверительной вероятности 95% признано снижение объемного содержания карбонатного щебня до 0,7 м3 на 1 м3 бетона.

Влияние модификатора СДО и объемного содержания щебня при расходе цемента 350 кг/м3 на морозостойкость бетона определялась ускоренным структурно-механическим методом в соответствии с ГОСТ 10060.4-95. При этом контролировались капиллярно-открытая пористость и коэффициент повышения прочности бетона при однократном замораживании в насыщенном водой состоянии.

Установлено, что во всем диапазоне варьирования содержания щебня наилучшее влияние на снижение объема капиллярно открытых пор в бетоне оказывает модификатор СДО в количестве 0,03% от массы цемента. Так, при постоянном объемном содержании щебня 0,9 м3 на 1 м3 бетона присутствие добавки СДО в количестве 0,03% от массы цемента понижает капиллярно-открытую пористость бетона с 14,4 до 13,4%. Увеличение содержания СДО до 0,06% не приводит к дальнейшему уменьшению капиллярно открытой пористости.

На рисунке 1 приведена зависимость морозостойкости бетона от содержания карбонатного щебня и количества модификатора СДО.

Рисунок 1 - Зависимость морозостойкости бетона при постоянном расходе цемента 350 кг/м3 от расхода карбонатного щебня и содержания добавки СДО

Анализ влияния содержания щебня и модификатора СДО на морозостойкость показал, что рациональное содержание модификатора СДО 0,03% от массы цемента при рациональном содержании щебня 0,8-0,9 м3 повышает морозостойкость бетона от марки F100 до марки F150. Сопоставление данных показывает, что повышение прочности при сжатии бетона согласуется с результатами определения его морозостойкости и капиллярно-открытой пористости.

Самоуплотняющиеся бетонные смеси изготавливают на составах с содержанием крупного заполнителя не более 0,5 м3 на 1 м3 бетона. В рамках безвибрационной технологии самоуплотняющихся бетонных смесей в присутствии суперпластификатора Glenium®51 на основе поликарбоксилатного эфира исследовано влияние понижения содержания карбонатного щебня в пределах от 0,5 до 0,3 м3 на 1 м3 бетона на формирование его прочности. В качестве варьируемых факторов в эксперименте были выбраны: содержание карбонатного наполнителя и содержание карбонатного щебня фракции 5–10 мм. Карбонатный наполнитель с удельной поверхностью 350 м2/кг был получен помолом отсевов дробления карбонатных пород. При этом расчет вводимого количества карбонатного наполнителя производился из условия, что суммарное содержание цемента и минерального наполнителя (Ц+Н) в смесях составляло 540 кг на 1 м3 бетона. Исходя из этого, содержание минерального наполнителя в исследуемых составах варьировалось от 30 кг до 170 кг на 1 м3 бетона. Щебень вводился в количестве 30-50% от насыпного объема. На основании предварительных испытаний содержание суперпластификатора Glenium® 51 во всех составах было принято равным 2% от суммарной массы цемента и карбонатного наполнителя. Предел прочности при сжатии бетона определялся испытанием образцов-кубов с размером 100х100100 мм после их твердения в течение 28 суток в нормальных условиях.

Результаты исследования прочности при сжатии самоуплотняющегося бетона представлены на рисунке 2.

Анализ полученных результатов показал, что влияние частичной замены цемента карбонатным наполнителем целесообразно при содержании щебня в пределах 30-40%. Для этих составов применение карбонатного наполнителя способствует экономии цемента. В целом было выявлено, что составы бетона с карбонатным наполнителем при введении в рецептуру суперпластификатора Glenium® 51 в количестве до 2% от суммарной массы цемента и карбонатного наполнителя позволяют получить бетоны с прочностью при сжатии от 34 до 46 МПа по безвибрационной технологии.

Рисунок 2 - Влияние частичной замены цемента карбонатным наполнителем на прочность самоуплотняющегося бетона

Выводы

1. Установлено, что бетон на карбонатном щебне при его содержании в бетоне в пределах от 0,9 до 0,7 м3 водостоек. С точки зрения формирования прочности и морозостойкости при постоянном расходе цемента 350 кг рекомендуются составы бетона, содержащие 0,03% СДО и не ниже 0,8 м3 карбонатного щебня на 1 м3 бетона.

2. Экономичные с точки зрения расхода цемента самоуплотняющиеся составы бетона могут быть получены на основе суперпластификатора Glenium® 51 и карбонатного наполнителя при объемном содержании карбонатного щебня в пределах 0,4-0,3 м3 на 1 м3 бетона.

Рецензенты:

Салихов Мухаммет Габдулхаевич, д-р. техн. наук, профессор, заведующий кафедрой автомобильных дорог ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет», г. Йошкар-Ола.

Краснов Анатолий Митрофанович, д-р. техн. наук, профессор кафедры строительных материалов и технологии строительства ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет», г. Йошкар-Ола.