ВЛИЯНИЕ КАМЕННОЙ МУКИ НА ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БЕТОНОВ

Бетоном называют искусственный материал, который получается в результате склеивания (скрепления) естественных каменных материалов - песка и гравия или щебня - в монолитный прочный камень. Различаются бетоны по вяжущему веществу, с помощью которого скрепляются зерна естественных каменных материалов. Наибольшее распространение имеет цементный бетон, который изобрели в середине 19 века. С тех пор его состав существенно не изменился: цемент, песок, щебень и вода с добавлением суперпластификаторов-разжижителей. Однако в мировом научном сообществе наиболее актуальной темой уже давно является применение и совершенствование бетонов нового поколения – High Performance Concrete (HPC) – высокофункциональных бетонов. Они состоят из 7 и более оптимально подобранных компонентов и по своим свойствам значительно превосходят традиционные.

Характерной чертой современных бетонов является наличие в их составе значительного количества реологической матрицы, которая состоит из цемента, каменной муки, тонкого песка и воды с суперпластификатором (СП) или гиперпластификатором (ГП), в которой размещаются крупный песок-заполнитель и щебень. Для того чтобы обеспечить высокой подвижностью такие бетонные смеси требуется достаточно большое количество реологической матрицы. В них крупный и мелкий заполнитель как бы «плывет», не встречая препятствий и сопротивления, тогда как в бетонах старого поколения при недостатке матрицы частички заполнителя мешают друг другу и для укладки такого бетона приходится применять виброуплотнение или добавлять воду, увеличивая тем самым пористость и снижая прочность [2].

Для увеличения объема реологической матрицы требуется увеличить долю тонкодисперсных компонентов, таких как цемент или каменная мука. Повышение доли цемента будет не рациональным, так как будет приводить его перерасходу и увеличению стоимости бетона, а также к увеличению усадки. Таким образом, целесообразнее вводить каменную муку в оптимальном соотношении с цементом.

Одной из самых распространенных в российской практике производства High Performance Concrete каменной муки является пылевидный кварц, т.е. молотый до высокой удельной поверхности 250-500 м²/кг кварцевый песок. Его достоинствами является высокая реологическая активность, а при использовании его в бетонах наблюдается повышение плотности и снижение пористости. Используя данную тонкодисперсную добавку при оптимально подобранном соотношении, прочность бетонов может достигать 150 МПа и более.

Имея такие технологические достоинства, у микрокварца есть и существенный недостаток – это повышенная себестоимость получения, которая связана с промывкой песка от глинистых частиц и последующей сушкой и помолом в мельницах, что требует значительных энергозатрат. В связи с этим пылевидный кварц теряет часть своих преимуществ и является мало востребованным в России. В связи с этим поиск горной породы для замены пылевидного кварца является достаточно актуальным.

Выбирая ту или иную каменную породу, важным условием является совместимость цементов с химическими и минеральными добавками. Помимо этого они должны отвечать следующим требованиям:

1) достаточная плотность (чтобы предотвратить движение воды и растворенного гиперпластификатора в поры частиц). По водопоглощению породы, которые пригодны для использования в тонкомолотом виде в качестве дисперсных наполнителей, можно классифицировать на 3 категории: I категория – водопоглощение не более 2% – является наиболее пригодным для получения бетонов всех марок до М1200; II категория – водопоглощение от 2 до 4% – может быть использован для получения бетонов марок до М1000; III категория – водопоглощение от 4 до 6% – может быть использован для бетонов марок до М800.

2) высокая дисперсность и должны быть измельчены до микромасштабного уровня от 0 до 120 мкм для образования текучей дисперсной системы, т.е. иметь удельную поверхность в пределах 300-500 м²/кг. Породы вулканического происхождения в своем большинстве являются плотными (литой или кристаллической структуры). Пористые вулканические породы (пеплы, туфы, пемзы) имеют замкнутую пористость с алюмосиликатными перегородками пор и при измельчении тонкие частицы не поглощают воду.

3) должны обладать реологической активностью, которая сопоставима с активностью цемента или близка к ней. Увеличение водопотребности смеси цемента с тонкодисперсным наполнителем по сравнению с чистым цементом допускается до 10-15%. Наполнитель является непригодным в том случае, если водопотребление будет увеличиваться по сравнению с цементом до 25-28% и более.

4) наличие положительного заряда частиц тонкодисперсного наполнителя, потому что все СП и ГП являются анионактивными и отрицательно заряженными функциональными группами, что способствует адсорбции полиионов гиперпластификатора на поверхности частиц, тем самым увеличивая подвижность смеси. На отрицательно заряженных частицах ионы ГП не осаждаются и их реологическое действие незначительно (кварцевый песок, диатомит, опока). Несомненно их поверхность можно перезарядить, вследствие чего можно заметить сравнительную растекаемость минеральной и цементно-минеральной суспензий.

Для того чтобы определить физико-технические характеристики сырьевых материалов используется методика оценки с целью их пригодности в качестве реологически-активной добавки для производства порошково-активированных бетонов нового поколения марок М250-М1200 со снижением расхода цемента в 1,5-2,0 раза [4-6].

В соответствии с данной методикой в первом тесте определяется водопоглощение по массе зерен щебня фракции 15-20 мм до постоянной массы в течение не менее 48 часов. Результаты исследования различных по происхождению горных пород приведены в таблице 1. По результатам теста видно, что наименьшим водопоглощением обладают породы магматического происхождения, такие как базальт, гранит, диабаз. Также в качестве каменной муки можно использовать такие карбонатные породы как доломит, Воронежская область и известняк Медвежья Гора, г. Тольятти.

Таблица 1.

Водопоглощение горных пород.

Наиболее подходящим для использования в производстве бетонов из пород Пензенской области является песчаник Саловского месторождения с водопоглощением 1,4%. Однако, данное месторождение не разрабатывается. Известняк Иссинского и песчаник Никольского месторождений оказались неоднородны по пористости в различных кусках. Открытая пористость колебалась в пределах 5-16%. Как видно по минимальному пределу песчаник и известняк удовлетворяют требованиям по пористости. Наибольшим водопоглощением обладают горные породы осадочного происхождения – опока и диатомит – 60-80% и 120% соответственно.

Анализируя породы, которые распространены в Пензенской области, делается заключение о том, что наиболее подходящими для НРС-бетонов в качестве тонкодисперсной каменной муки являются осадочные породы: песчаник и известняк. Обе эти породы в настоящее время активно разрабатываются промышленным способом. Однако требуется проведение дополнительных исследований для подтверждения реологической активности.

Во втором тесте оценивают качество каменной муки посредством определения расплыва её индивидуальной водной суспензии, а также в смеси с цементом и суперпластификатором и определение водоредуцирующего (водопонижающего) эффекта.

Результаты эксперимента по тестированию суспензии Красноярского цемента и суспензии цемента с каменной мукой из известняка (Sуд=320 м²/кг) и песчаника (Sуд=380 м²/кг) приведены в таблице 2. В качестве гиперпластификатора использовался Melflux 5581F (1% от массы цемента). Видно, что суспензия из двух порошков – цемента и известняковой муки в соотношении 1:1 с ГП требует меньшего количества воды для получения одинакового расплыва. Водоредуцирующий (водопонижающий) эффект гиперпластификатора в этой суспензии на 13% выше при соотношении, чем на цементной суспензии.

Таблица 2.

Результаты тестирования суспензии Красноярского цемента и суспензии цемента с каменной мукой из известняка и песчаника.

Для изготовления бетонов марки не выше М300 может использоваться соотношение «цемент: каменная мука» равное 1:1. Более рациональным соотношением материалов в бетонах будет 1:0,5. На основании проведенного исследования пород можно сделать вывод, что в Пензенской области имеются каменные породы, которые могут быть использованы в качестве реологически-активной тонкодисперсной минеральной добавкой для производства современных бетонов повышенной эффективности. Такими породами являются известняк Иссинского и песчаники Никольского и Саловского месторождений.

Таким образом, используя каменную муку из пород, которые отобрали в результате тестирования, были изготовлены порошково-активированные песчаные и щебеночные бетоны [1, 3]. Главным требованием было то, что все они были изготовлены без использования реакционно-активной пуццоланической добавки – микрокремнезема, что в свою очередь, существенно снижает стоимость бетонов и расширяет географические горизонты использования БНП за счет введения в бетонное производство местных материалов.

Водопоглощение изготовленных бетонов через трое суток насыщения находится в пределах 2-3% и не превышает значений водопоглощения традиционных тяжелых щебеночных бетонов старого поколения с высоким расходом плотного щебня и количеством цемента 300-400 кг/м³. Усадочные деформации находятся в диапазоне 0,3-0,4 мм/м, т.е. также не превышают допустимых значений для тяжелого бетона.

Удельный расход цемента на единицу прочности порошково-активированных песчаных бетонах в среднем составляет от 5,96 кг/МПа. Более низкие удельные показатели расхода цемента получены у малоцементных порошково-активированных щебеночных бетонов, где минимальное значение . Необходимо отметить, что для песчаных бетонов старого поколения , а для бетонов переходного поколения с СП удельный расход обычно составляет от 9 до 12 кг/МПа и более. Самые лучшие бетоны переходного поколения с микрокремнеземом имеют удельный расход цемента 6-8 кг/МПа.

В результате проведенных исследований и экспериментов установлено, что удельный расход цемента на единицу прочности при сжатии, является всеобъемлющим оценочным критерием всех бетонов и значительно ниже, чем в бетонах старого и переходного поколений с СП, а водопоглощение этих бетонов находится в пределах от 1,7 до 3,0%, что гарантирует высокую водостойкость, низкую водопроницаемость и морозостойкость, и определяет их долговечность.

Список литературы:

1. Ананьев С.В. Состав, топологическая структура и реотехнологические свойства реологических матриц для производства бетонов нового поколения: дис. канд. техн. наук. Пенза, 2011. 148 с.

2. Белякова Е.А. Порошковые и порошково-активированные бетоны с использованием горных пород и зол ТЭЦ: дис. канд. техн. наук. Пенза, 2013. 190 с.

3. Валиев Д.М. Пропариваемые песчаные бетоны нового поколения на реакционно-порошковой связке: дис.  канд. техн. наук. Пенза, 2013. 167 с.

4. Калашников В.И. Через рациональную реологию – в будущее бетонов // Технологии бетонов. 2007. № 5. С. 8-10; 2007. № 6. С. 8-11; 2008. № 1. С. 22-26.

5. Калашников В.И. Терминология науки о бетоне нового поколения // Строительные материалы. 2011. № 3. С. 103-106.

6. Калашников С.В. Тонкозернистые реакционно-порошковые дисперсно-армированные бетоны с использованием горных пород: дис. канд. техн. наук. Пенза, 2006. 163 с.