Features of the Behavior of Highly Frost-Resistant Modified Concretes

Full Text

Современные строительные материалы, особенно в суровых условиях эксплуатации Арктической зоны России, подвергаются постоянно возрастающим нагрузкам, поэтому необходимо увеличивать их стойкость и долговечность, например при строительстве инфраструктурных объектов [1]. Для этого в технологии бетона активно внедряются новейшие разработки в области строительной химии [2–7 и др.]. Однако, помимо очевидного модифицирующего эффекта от применения таких добавок, выражающегося в эффективном водоредуцировании, ускорении набора прочности и т. д., необходимо рассматривать их влияние на структуру формирующегося цементного камня, так как от этого может зависеть способность бетонов сопротивляться внешним циклическим агрессивным воздействиям [8, 9].

Материалы и методы

В данной работе использовались следующие материалы:

– вяжущее – цемент ЦЕМ I 42,5 Н производства «Дюккерхофф Коркино цемент» в соответствии с ГОСТ 31108–2020;

– крупный заполнитель – щебень Новосмолин- ского карьера наибольшей крупности 10 мм, соответствующий ГОСТ 8267–1993;

– мелкий заполнитель – песок месторождения «Хлебороб» I класса, средней группы с М_к-2,4, соответствующий ГОСТ 8736–2014;

– активная минеральная добавка – гранулированный микрокремнезем производства г. Новокузнецка, соответствующий ТУ 5743-048-02495332–1996;

– химические добавки – суперпластификатор нафталинформальдегидный СП-1 («Полипласт Урал- Сиб», ТУ 5870-005-58042865–2005) и поликарбоксилатный MasterGlenium ACE 430 («МБС Строитель- ные системы», СТО 70386662-310-2014);

– вода в соответствии с требованиями ГОСТ 23732–2011.

Оценку прочности образцов бетона с ребром 10 см проводили по ГОСТ 10180–2012. Для назначения количества образцов бетона в серии были изготовлены и испытаны 30 серий образцов-кубов с ребром 7 см; по полученным данным принято испытывать по два образца в серии.

Морозостойкость тяжелого бетона оценивали по третьему ускоренному методу по ГОСТ 10060–2012 с использованием 5% раствора NaCl и замораживанием до температуры –50^оС.

Модуль упругости тяжелого бетона определялся на образцах-призмах размером 101040 см в соответствии с ГОСТ 24452–1980.

Исследование влияния добавок на структуру и свойства бетона

В соответствии с ГОСТ 27006–2019 и рекомендациями к нему были подобраны составы тяжелого бетона класса по прочности при сжатии B60 и высокой маркой по морозостойкости.

Для обеспечения однородности и нерасслаиваемости бетонной смеси применялся бетоносмеситель принудительного действия со скоростью вращения барабана 60 оборотов в минуту, а время перемешивания составляло 300±10 с. Основные характеристики полученных бетонных смесей приведены в табл. 1.

 

Таблица 1

Table 1

Характеристики бетонной смеси

Characteristics of concrete mixture

Модифицирующая добавка	Плотность, кг/м3	ОК, см	Коэффициент уплотнения	Расслаиваемость, %		Сохраняемость, мин	Коэффициент вариации Сv, %
				Водоотделение	Раствороотделение
Без добавок	2403	4±1	0,985	0,3±0,1	2,5	30	5±2
СП-1	2433	3±1	0,982	0,3±0,05	0,5	60	4±1
АСЕ	2435	4±1	0,980	0,15±0,1	0,4		3±1
СП-1+МК	2429	2±1	0,984	0	0,2		3±2
АСЕ+МК	2432	3±1	0,983	0	0,3		2±1
Примечание. Состав без добавок был получен за счет повышенного расхода цемента, поэтому используется исключительно в целях сравнения.

 

Таким образом, для всех разработанных составов был стабилизирован параметр подвижности П1 при водоцементном отношении 0,31, что должно обеспечить одинаковые условия для формирования структуры цементного камня. По полученным данным был рассчитан коэффициент вариации, который составил менее 5%, что свидетельствует о достоверности полученных результатов.

Для дальнейших испытаний были использованы образцы-кубы с ребром 10 см, которые твердели при нормальных условиях (температура 20±2^оС, относительная влажность воздуха 95±5%) 28 сут. Данные, полученные при испытании прочности образцов при сжатии, приведены на рис. 1.

 

Рис. 1. Прочность образцов модифицированного бетона при сжатии в возрасте 28 сут

Fig. 1. Compressive strength of modified concrete at the age of 28 days

 

Из полученных данных можно сделать вывод о том, что модификация состава бетона для увеличения прочности при сжатии значительно эффективнее, чем увеличение расхода цемента. Также прочность увеличивается при совместном введении активной минеральной и водоредуцирующей добавок. Максимальная прочность при сжатии составляет 91 МПа и достигается при введении поликарбоксилатной водоредуцирующей добавки и микрокремнезема, а при введении нафталинформальдегидной водоредуцирующей добавки и микрокремнезема прочность образцов снижается на 6,6%. Введение только нафталинформальдегидной пластифицирующей добавки менее эффективно.

Для оценки стойкости бетонов к морозной агрессии были проведены испытания по третьему ускоренному методу в соответствии с ГОСТ 10060–2012; данные приведены в табл. 2.

 

Таблица 2

Table 2

Морозостойкость тяжелого бетона

Frost resistance of concrete

Состав	Марка по морозостойкости
Без добавок	F2150
СП-1	F2200
АСЕ	F2200
СП-1+МК	F2300
АСЕ+МК	F2500

 

Таким образом, несмотря на сравнительно близкие значения, полученные при испытании прочности при сжатии для составов с СП-1+МК и АСЕ+МК, марка по морозостойкости данных составов меняется очень значительно – с F₂300 до F₂500. По имеющимся в литературе сведениям, такой результат достигается благодаря формированию более устойчивой при морозной агрессии структуры цементного камня бетона из низкоосновных слабозакристаллизованных гидросиликатов [10]. Без введения добавки микрокремнезема морозостойкость бетона не превышает марки F₂200, так как структура цементного камня формируется преимущественно из высокоосновных гидросиликатов.

Для того чтобы установить степень влияния различных структур на механические характеристики бетона, были проведены испытания модуля упру- гости в соответствии с ГОСТ 24452–80. Получен- ные данные испытаний образцов-призм приведены на рис. 2.

 

Рис. 2. Модуль упругости бетонов, модифицированных различными добавками

Fig. 2. Modulus of elasticity of modified concrete with different additives

 

По величине модуля упругости можно оценить деформативные свойства бетона. Исходя из данных рис. 2 можно заключить, что лучше всего деформациям под нагрузкой сопротивляется бетон, модифицированный комплексной добавкой АСЕ+МК (модуль упругости 47,2 ГПа). При введении добавок СП-1+МК величина модуля упругости снижается на 1,7%, а при введении одних только водоредуцирующих добавок СП-1 и АСЕ – на 8,7 и 10,3% соответственно. Наименьший показатель величины модуля упругости имеет бетон без добавок – на 13,1% меньше, чем у состава с АСЕ+МК. Ранее было установлено, что сформированная структура бетона при применении добавки МК совместно с суперпластификаторами наиболее стабильная и слабозакристаллизованная и лучше сопротивляется циклическим механическим воздействиям [11]. Также можно отметить, что в соответствии с таблицей 6.11 СП 63.13330.2018 для тяжелого бетона класса по прочности В60 величина начального модуля упругости составляет 39,5 ГПа, что примерно соответствует полученной для бездобавочного состава и на 16,3% меньше чем для состава, модифицированного АСЕ+МК.

Заключение

Структура цементного камня в бетоне оказывает существенное влияние на его макропараметры стойкости и прочности. Наилучшие результаты показывают бетоны, модифицированные поликарбоксилатным суперпластификатором и микрокремнеземом, в которых цементный камень формируется преимущественно из стабильных низкоосновных гидросиликатов кальция. Так, при одинаковой величине В/Ц и марке по подвижности П1 бетоны, модифицированные АСЕ+МК, по сравнению с бетонами, модифицированными СП-1+МК, выдерживают на 43 цикла замораживания и оттаивания больше по третьему ускоренному методу в соответствии с ГОСТ 10060–2012 и имеют значение модуля упругости выше на 1,7%.

About the authors

K. V. Shuldyakov

South Ural State University (National Research University)

Author for correspondence.
Email: kirill-shuld@ya.ru

Candidate of Sciences (Engineering)

Russian Federation, Chelyabinsk

M. D. Butakova

South Ural State University (National Research University)

Email: butakovamd@susu.ru

Candidate of Sciences (Engineering)

Russian Federation, Chelyabinsk

M. V. Mordovtseva

South Ural State University (National Research University)

Email: mariamordovtseva@mail.ru

Graduate student

Russian Federation, Chelyabinsk

K. I. Zimakov

South Ural State University (National Research University)

Email: zimakovkostya19@gmail.com

Student

Russian Federation, Chelyabinsk

References

Supplementary files