Самоуплотняющийся тяжелый бетон на основе сырьевой базы

1
УДК 332.834.3/6
Самоуплотняющийся тяжелый бетон на основе сырьевой базы
Иркутской области
Ефременко Антон Сергеевич, к.т.н., старший преподаватель
кафедры строительного производства;
Шиндель Екатерина Владимировна, магистрант Института архитектуры и строительства
Иркутский национальный исследовательский технический университет
Рассматривается общее понятия самоуплотняющегося тяжелого бетона, его преимущества по отношению к «обычному» тяжелому бетону, и некоторые микрозаполнители, которые при правильном подборе пропорции позволяют снизить не только расход цемента, но и улучшить свойства самого бетона.
Ключевые слова: самоуплотняющийся тяжелый бетон, заполнитель, микрозаполнитель, зола-уноса, микрокремнезем.
Self-packing heavy concrete on the basis of source of raw materials of the
Irkutsk area
Efremenko Anton, Candidate of technical sciences, Senior Lecturer
of the Department Construction Technology;
Shindel Ekaterina, Graduate student of the Institute of architecture and building
Irkutsk National Research Technical University
A common is examined concepts of self-packing heavy concrete, his advantages in relation to a "ordinary" heavy
concrete, and some micro filler that at the correct selection of proportion allow to bring down not only the expense of
cement but also to improve properties of concrete.
Keywords: self-packing heavy concrete, filler, micro filler, fly-ash.
Самоуплотняющийся бетон (СУБ) - это бетон, который
без воздействия дополнительной внешней уплотняющей
энергии самостоятельно, под действием собственной тяжести и за счет высокой подвижности течет, освобождается от
содержащегося в нем воздуха и полностью заполняет пространство опалубки, в том числе между арматурными
стержнями. При этом остаточный объем пор в самоуплотняющемся бетоне не больше, чем в обычном бетоне.
Для понимания целесообразности применения самоуплотняющегося бетона необходимо обозначить его преимущества:
- равномерное качество бетона по всему поперечному
сечению;
- легкость заполнения загражденных и труднодоступных областей, недоступная при использовании обычного
бетона возможность создать структурные и архитектурные
формы и поверхности;
- повышенное обволакивание арматуры и улучшенная
прочность взаимодействия с ней;
- увеличение долговечности;
- уменьшение затрат труда рабочих;
- улучшение свойств декоративного бетона;
- сокращение сроков строительства и как следствие,
экономия затрат;
- отказ от вибрирования, позволяющее избежать или
уменьшить уровень шума, что увеличивает продолжительность рабочего дня в городской застройке;
- увеличение уровня безопасности на стройплощадке
из-за отказа от уплотнения [5].
Самоуплотняющийся бетон находит все более широкое
применение. Перспективным является его использование
для производства сборного железобетона, устройства монолитных высокопрочных бесшовных полов, торкретбето-
нирования, реставрации и усиления конструкций.
Рис. 1. Сравнение обычного бетона и СУБ
Как известно, материалы используемые для приготовления СУБ, не имеют принципиальных отличий от материалов, которые используют в традиционных бетонах.
Требуется постоянный контроль гранулометрического
состава, как крупного, так и мелкого заполнителей. Также
немало важную роль играет форма этих заполнителей, чем
более сферическими являются частицы заполнителя, тем
выше текучесть бетона из-за уменьшения внутреннего трения.
Максимальная крупность заполнителя определяется
«густотой» армирования. Определять фракцию принято с
использованием блокировочного кольца (рис. 1).
Качественно хорошим считается результат, когда после
определения растекаемости бетонной смеси через блокировочное кольцо в центре кольца не оказывается видимо
большего количества крупного заполнителя. Полученный
расплыв бетонной смеси должен быть как можно более
2
однородным [1].
Одним из основных требований к качеству бетонных
смесей при изготовлении СУБ является стабильность этих
бетонов к расслоению и водоотделению. Помимо выбора
гранулометрического состава заполнителей широкое распространение получило использование в составах бетонов
различных инертных и активных микрозаполнителей.
Предельная дозировка портландцементов в общем
случае лимитируется предельным тепловыделением вяжущего в составе бетона. Передозировка вяжущего вещества может приводить к ухудшению целостности конструкций в особенности с модулем поверхности ниже 4-6.
По этой причине большое распространение в качестве
стабилизирующего минерального компонента в Европе
получила зола-унос как вторичный продукт от сжигания
бурых углей. В составе бетонов микрозаполнитель может
проявлять себя как инертный материал, либо как компонент обладающий скрытой гидравлической активностью.
К активным микрозаполнителям (реагирующим с
продуктами гидратации цемента) относят различные пуццоланы (туф, трепел, опока) микрокремнеземы, кислые
золы и т.д., а к инертным – известняки, доломиты, пылевидный кварц и т.д. Гранулометрический состав, форма
частиц и водопоглощение минеральных наполнителей могут влиять на водопотребность и, следовательно, стабильность показателей бетона при использовании в производстве [1].
Рассмотрим некоторые из микрозаполнителей более
подробно:
Золы образуются при сжигании пылевидных углей из
их минеральной части, которая содержит глинистые вещества, кварц и карбонатные породы. В зависимости от температуры топки (1200–1600°C) и размеров частиц минеральная часть углей или плавится полностью, или оплавляется. При охлаждении образуется стекловидная фаза
материала. Частицы золы осаждаются в электрофильтрах
и удаляются сухим (зола-унос или зола сухого удаления)
или мокрым способом (зола гидроудаления). Свойства
золы-уноса определяют ее широкое использование в производстве цемента и бетона.
Химический состав зол характеризуется содержанием
35–60% SiO2 , 15–35% Аl2О3, 1–20% Fe2O3, 1–30% СаО и
небольшого количества MgO, SO3, щелочей и других соединений. Соотношение компонентов золы предопределяет
ее активность и вяжущие свойства.
По содержанию оксида кальция золы подразделяются
на высококальциевые (СаО>10%) и низкокальциевые
(СаО<10%). Высококальциевые золы обладают некоторыми вяжущими свойствами и могут применяться для
замещения части цемента в бетонах, к которым не предъявляются высокие требования по прочности и долговечности. В этих золах часть СаО может находиться в свободном (пережженном) состоянии, что приводит к неравномерному изменению объема и определенным сложностям
при их применении. Размеры частиц золы колеблются в
пределах 1–100 мкм и близки к размерам зерен цемента.
Поскольку несгоревший уголь содержится главным образом в крупных частицах, то в отличие от других порошкообразных материалов с повышением дисперсности зол их
водопотребность не повышается, а в ряде случаев даже
снижается.
Средняя плотность золы составляет 1,74–2,4 г/см3, однако плотность отдельных фракций может значительно
отличаться от средних значений. Мелкие частицы топлива
при пылеугольном сжигании сгорают на лету. При этом на
их поверхности образуется плотная оболочка, а внутри они
имеют пористую структуру. Пористостью частиц объясняется малая насыпная плотность золы, которая колеблется
в пределах 600–1300 кг/м3. Насыпная плотность зависит от
вида топлива и температуры сжигания, обычно увеличиваясь с повышением последней[2].
В таблицах 1 и 2 представлены основные показатели и
химический состав, определенный с помощью рентгенофазового анализа (РФА) [4], золы уноса Ново-Иркутской
ТЭЦ. По содержанию оксида кремния SiO2 – около 57%
зола уноса (ЗУ) относится к кислым золам.
Таблица 1. Основные показатели золы уноса Ново-Иркутской ТЭЦ
Показатель, метод определения
Нормативная величина
Насыпная плотность, кг/м3(ГОСТ 9758-86)
Влажность, % (ГОСТ 8269.1-97)
Не более 1
Удельная поверхность, м2/кг (ГОСТ 310,2)
Не менее 150-300
Остаток на сите №008. % по массе (ГОСТ 3103,2)
Не более 15
Класс для окружающей природной среды (Заключение Федеральной Службы по экологическому, технологическому и атомному надзору)
Класс радиационной безопасности согласно санитарным правилам СП 2.6.1.798-99, ГОСТ 3010894 и НРБ-99
Факт
750-1151
0,3
≥300
2,8
V (безопасные)
Iэфф≤370Бк/кг
Таблица 2. Химический состав золы уноса Ново-Иркутской ТЭЦ
Наименование показателя
SiO2
TiO2
AL2O3
Fe2O3 общ.
MnO
MgO
CaO
Na2O+K2O
Редкие оксиды
ППП
Содержание компонента, масс. %
57,37
0,614
15,75
7,14
0,109
2,916
13,471
≤ 0,945
0,51
1,2
3
SO3
Модуль основности (М0)
Модуль активности (Ма)
0,56
0,22
0,27
В среднем суммарный годовой выход золошлаковых
материалов в Иркутской области составляет порядка 1,7
млн. тонн всего от 13 крупных тепловых электрических
станций (ТЭС) и теплоэлектроцентралей (ТЭЦ), работающих на твердом топливе.
Микрокремнезем является отходом производства
кремнийсодержащих сплавов: ферросилиция, кристаллического кремния и др. В процессе плавления шихты и восстановления кварца при температуре свыше 1800°C образуется газообразный кремний, который при охлаждении и
контакте с воздухом окисляется до SiO2 и конденсируется в
виде сверхмелких частиц кремнезема. Содержание SiO2 в
микрокремнеземе составляет 85–98% [2].
Частицы микрокремнезема имеют гладкую поверхность и сферическую форму. Средний размер частиц составляет 0,1-0,2 микрон, то есть они в 50-100 раз мельче
цемента или летучей золы, а удельная площадь поверхности составляет от 13000 до 25000 м2/кг. Порошок фактически состоит из рыхлых агломератов с очень низкой насыпной плотностью. По сравнению с другими вяжущими материалами, микрокремнезем отличается очень высоким
содержанием реактивного кремнезема и мелкостью [3].
Располагаясь в бетоне в порах цементного камня, он
способствует повышению плотности и соответственно
прочности, непроницаемости и долговечности бетона.
Обычный расход микрокремнезема в бетоне составляет 5–
15% от массы цемента, что меньше, чем при применении
других минеральных добавок. Кроме того, в этом случае
взаимодействие в бетоне Са(ОН)2 и SiO2 сравнительно
ограничено и в нем длительное время сохраняется необходимая для защиты арматуры от коррозии щелочная среда
[2].
Суспензии и порошки существенно отличаются только
по своему воздействию на пластичный бетон. Их влияние
на свойства затвердевшего бетона одинаково. Дозировка
микрокремнезема выражается в процентном содержании
твердого микрокремнезема от массы цемента. Вес добавляемой в смесь суспензии в два раза превышает вес требуемого твердого микрокремнезема [3].
В Иркутской области на сегодняшний день существуют два крупных производителя микрокремнезема: ЗАО
«Братский завод ферросплавов», ЗАО «Кремний»
г. Шелехов.
В таблицах 3-5 приведены химический и гранулометрический составы микрокремнезема ЗАО «Кремний».
Таблица 3. Химический состав пыли
SiO2
75 %
SiC
8%
Cсвоб.
9%
CaO
2,6%
Al2O3
1,1%
MgO
0,5%
SO4
2,9%
Fe2 O3
0,9%
Fe2 O3
1,6
MgO
0,5
Таблица 4. Химический состав шлама газоочистки
SiO2
80%
SiC
6,5%
Cсвоб
8,0%
Na2SO4
0,8
Al2O3
1,6
CaO
1,0
Таблица 5. Дисперсный состав пыли в газовом потоке
Диаметр частиц, мкм
0-1
1-3
3-5
5-10
10-20
более 20
Также активно используется в качестве микрозаполнителя в СУБ каменная мука. Её применение позволяет повысить коррозионную стойкость, увеличить прочностные
характеристики, уменьшить водопоглащение бетона. Возможно применение как микрозаполнителя известнякового
минерального порошка.
Таким образом стоит выбор какой же микрозаполнитель является более подходящим для изготовления само-
Массовое содержание фракций, %
54
5
3
4
10
24
уплотняющихся бетонных смесей, поэтому в данный момент времени проводятся экспериментальные исследования по подборя различных составов самоуплотняющихся
бетонов с максимальнми более подробное изучиние физико-химических свойств микрозаполнителей, а также ведется подбор состава для СУБ уже с имеющимися наработанными данными.
Литература:
1. Добавки в бетон для производства самоуплотняющихся бетонов [Электронный ресурс].URL: http://www.mcbauchemie.ru/. (дата обращения: 06 апр. 2015г.).
2. Минеральные добавки для бетонов [Электронный ресурс]. URL: http://www.stroylibray.ru/ (дата обращения: 06 апр.
2015 г.).
3. Микрокремнезем [Электронный ресурс]. URL: http://www.stroybest.ru/ (дата обращения: 07 апр. 2015 г.).
4
4.Макаренко С.В. Исследование физико-химических свойств зол ТЭЦ-9 и Новой Иркутской ТЭЦ для применения в
золощелочных вяжущих / С.В. Макаренко, Н.П. Коновалов // Строительные материалы. – 2011. -№6. -с. 60-62.
5. Самоуплотняющийся бетон (СУБ) [Электронный ресурс]. URL: http://m350.ru/ (дата обращения: 06 апр. 2015 г.).