Influence of aggregate on the structure and properties of concrete

Full Text

Введение

История зарождения такого доминирующего в строительстве материала, как бетон упирается в далекое прошлое, но возможности и потенциал его, можно с уверенностью утверждать, неисчерпаемы [1–5]. Вяжущее, заполнители и вода – основные компоненты бетонного камня, в которых сосредоточен определенный резерв энергии, – после химического контакта активных составляющих, связывая крупные и мелкие зерна пород в единое целое, образуют жесткий и прочный конгломерат. Первостепенная роль вяжущей системы и водоцементного отношения доказана многими исследованиями [6–9], но следует отметить и значимость заполнителя, ведь большая доля в объеме материала принадлежит именно ему. Образуя жесткий остов, заполнитель участвует в формировании структуры композита, и именно он отвечает за контактную прочность с цементной матрицей.

По данным многих исследователей [10–16] прочность бетонов всех марок без исключения, зависит в большей мере от адгезионной прочности контакта цементной связки с поверхностью щебня. Развитый и шероховатый микрорельеф способствует увеличению прочности в 4 раза, в сравнении с заполнителем гладкой поверхности, обусловлено это более глубоким проникновением в углубления и дефекты на поверхности щебня цементного раствора, с дальнейшим синтезом на указанных подложках кристаллических образований гидратных соединений [17]. Следовательно, адгезионная прочность зависит от многих факторов, таких как прочность, гранулометрия и морфология заполнителя, но необходимо отдельно отметить влияние водоцементного отношения на плотность примыкания цементной пасты с зернами щебня. Установлено, что с увеличением водоцементного отношения наблюдаются нежелательные процессы водоотделения и седиментации вяжущей связки, которые приводят к скоплению жидкости под зернами щебня или гравия с образованием слабых зон, пустот и нарушению сплошности контактной зоны [9, 18]. Увеличение крупности фракций заполнителя также благоприятствует нежелательным явлениям. Поэтому для повышения прочности в зоне контакта желательно использовать жесткие бетонные смеси, с оптимальной гранулометрией и развитой морфологией, а для преодоления трудностей приготовления и формования массы необходимо предусмотреть дополнительные источники перемешивания и виброуплотнения, вводить химические модификаторы, ликвидируя тем самым негативные седиментационные процессы в составе [19, 20].

 

Рис. 1. Типы структур бетонов в зависимости изменения содержания щебня: 1 – межзерновые пустоты; 2 – зерна щебня; 3 – адгезионный слой; 4 – цементная матрица

Fig. 1. Types of concrete structures depending on the change in crushed stone content: 1 – intergranular voids; 2 – crushed stone grains; 3 – is an adhesive layer; 4 – cement matrix

 

Доля заполнителя в теле бетона велика, образуемый жёсткий каркас должен воспринимать действующие нагрузки, уменьшать деформации (усадка, ползучесть, микротрещины), повышать прочность и модуль упругости камня при дальнейшей эксплуатации в конструктивном элементе, но следует заметить, что от степени наполнения цементной матрицы щебнем зависит структура смеси, бетона и возможности конечного продукта [21, 22]. На рис. 1 представлены возможные вариации структуры композита в зависимости от содержания крупного заполнителя.

Приведенные типы структур, полученные на основании результатов исследований [12, 14], дают возможность восприятия особенностей распределения зерен заполнителя в основной массе бетона в зависимости от степени наполнения цементного раствора щебнем. Наибольшее предпочтение можно отдать «контактной» структуре, так как возникающие при работе бетона сжимающие нагрузки и напряжения концентрируются на сравнительно жестком элементе – зернах щебня, и величина усилия определяется модулями упругости матрицы и крупного заполнителя.

«Базальная» структура, или «плавающий заполнитель» формируется при уменьшении доли щебня за счет увеличения растворной массы, зерна отдаляются друг от друга толстым слоем цементного камня, что приводит к снижению сжимающих нагрузок и напряжений в области крупного заполнителя, влияние этого компонента на физико-механические свойства бетона практически неощутимы.

«Законтактная» структура характерна при перерасходе доли крупного заполнителя, зерна щебня непосредственно контактируют друг с другом, растворной части не хватает для сохранения сплошности, межзерновые пространства заполнены воздухом. Можно утверждать, что этот тип структуры самый нестабильный и весьма критичен; из-за отсутствия прочной связи между зернами щебня происходит концентрация напряжений в зоне контакта с дефицитной растворной массой, что отразится на прочностных и деформационных свойствах бетона.

 

Таблица 1. Свойства щебня фракции 5–20 мм, с. Алханчурт, РСО

Table 1. Properties of crushed stone of 5–20 mm fraction, p. Alkhanchurt, RSO

Показатель	Фактические значения						ГОСТ 8267–93
Подбор сит	1, 25Д	Д	0, 5(Д+d)	d	2, 5	< 2, 5
Размер сит, мм	25	20	12, 5	5	2, 5	–
Полные остатки, %	–	12, 7	72, 78	97, 67	99, 07	100
ГОСТ 8267–93	До 0, 5	До 10	30-60	90–100	–	–
Прочность щебня (марка по дробимости)			6,19 (М1000)				–
Насыпная плотность, кг/м3			1476				–
Содержание дробленых зерен, %			83				≥80
Содержание пылевидных и глинистых частиц, %			0,9				< 1
Содержание глины в комках, %			Нет				< 0, 25

 

Материалы и методы

Приведенный небольшой анализ доказывает значимость заполнителя в составе бетона, его влияние на свойства конечного композита. Для получения качественного материала необходимо тщательно исследовать все основополагающие для подбора состава бетона свойства крупного заполнителя. С этой целью, в рамках проведения научно-технического сопровождения объектов СКФО, для разработки бетонов классов В20–В40 были взяты пробы щебня с действующих карьеров Республики Северная Осетия (РСО), Чеченской Республики (ЧР) и Республики Дагестан (РД). Исследовались физико-механические свойства, гранулометрический состав, изучалась морфология поверхности заполнителя, и особый акцент делался на наличие нежелательных в заполнителе активных примесей. Результаты исследований представлены в табл. 1–6.

 

Таблица 2. Свойства щебня фракции 5–20 мм, с. Комсомольское, ЧР

Table 2. Properties of crushed stone of 5–20 mm fraction with. Komsomolskoye, CR

Показатель	Фактические значения							ГОСТ 8267–93
Подбор сит	1,25Д	Д	0,5(Д+d)	d	2,5	1,25	< 1,25
Размер сит, мм	25	20	12,5	5	2,5	1,25	–
Полные остатки, %	0,92	17,2	69,8	98,6	99,4	99,4	100
ГОСТ 8267–93	До 0, 5	До 10	30–60	90 –100	–	–	–
Прочность щебня (марка по дробимости)			21,3 (М800)					–
Насыпная плотность, кг/м3			1432					–
Содержание дробленых зерен, %			87					≥80
Содержание пылевидных и глинистых частиц, %			0,5					< 1
Содержание глины в комках, %			Нет					< 0,25

 

Таблица 3. Свойства щебня фракции 20–40 мм, с. Алханчурт, РСО

Table 3. Properties of crushed stone with fraction of 20-40 mm s. Alkhanchurt, RSO

Показатель	Фактические значения						ГОСТ 8267–93
Подбор сит	1,25Д	Д	0,5(Д+d)	d	2,5	< 2,5
Размер сит, мм	50	40	30	20	10	–
Полные остатки, %	–	8,16	59,5	92,95	99,8	100
ГОСТ 8267–93	До 0,5	До 10	30–60	90–100	–	–
Прочность щебня (марка по дробимости)			16,4 (М1000)				–
Насыпная плотность, кг/м3			1420				–
Содержание дробленых зерен, %			85				≥80
Содержание пылевидных и глинистых частиц, %			0,13				< 1
Содержание глины в комках, %			Нет				< 0,25

 

Таблица 4. Свойства щебня фракции 20–40 мм, с. Беслан, РСО

Table 4. Properties of crushed stone, fraction 20–40 mm, p. Beslan, PSO

Показатель	Фактические значения						ГОСТ 8267–93
Подбор сит	1, 25Д	Д	0,5(Д+d)	d	2,5	< 2,5
Размер сит, мм	50	40	30	20	10	–
Полные остатки, %	–	21,42	67,91	97,78	99,46	100
ГОСТ 8267–93	До 0,5	До 10	30–60	90–100	–	–
Прочность щебня (марка по дробимости)			22,1 (М800)				–
Насыпная плотность, кг/м3			1351				–
Содержание дробленых зерен, %			84				≥80
Содержание пылевидных и глинистых частиц, %			0,43				< 1
Содержание глины в комках, %			Нет				< 0,25

 

Изучаемые в работе пробы щебня, отобранные в соответствии с ГОСТ 8269.0-97, относятся к группе гранит-диабазовых пород, наиболее часто применяемых фракций 5–20 и 20–40 мм. Рельеф поверхности у всех исследуемых проб шероховатый, присутствует развитая кубовидная форма, что положительно отразится на контактной прочности с растворной частью. Практически все партии щебня соответствуют марке по дробимости М1000, за исключением щебня карьера Комсомольский фракции 5–20 мм и щебня фракции 20–40 мм карьера с. Беслан, прочность по дробимости которых составила М800 (ГОСТ 8267-93, табл. 5). Для получения бетонов В40 и более рекомендуется применять щебень с маркой по дробимости более ≥ М1000. Результаты гранулометрического анализа показали, что проба щебня фракции 20–40 мм с. Алханчурт (РСО) по требованиям зернового состава и по физико-механическим свойствам соответствует требованиям ГОСТ 8267-93. Остальные исследуемые пробы щебня испытание по гранулометрическому составу частично не прошли.

Результаты

В состав современных бетонных смесей входят минеральные порошки, химические модификаторы, фракционированные заполнители, многокомпонентные вяжущие связки, активированная вода затворения. Но на строительных площадках в большей мере пользуются спросом универсальные линейки бетона классов В25–В40, для производства которых нужны стабильные и доступные сырьевые материалы. Для подбора составов бетона в качестве вяжущего применялся портландцемент АО «Чеченцемент» ЦЕМ I 42,5 Н, активность которого на момент исследований составила 49,5 МПа. Мелкий заполнитель использовался с месторождения Алагир (РСО), модуль крупности составил 2,8, присутствие активного кремнезема не обнаружено, содержание пылеватых и глинистых частиц 0,7 %. Для получения высокоподвижных смесей марки по подвижности П4 исследовалась химическая добавка на основе эфиров поликарбоксилатов Полипласт СП-1 (1,3 % от массы цемента), для работы в зимних условиях рекомендуется противоморозная добавка РЕОДИН 150F (RE150F) с дозировкой от 1–1,5 % от массы цемента, которая изменялась в зависимости от температуры окружающей среды. Крупный заполнитель, который полностью или частично отвечал требованиям ГОСТ 8267–93, использовался в экспериментах. Предлагаемые составы тяжелых бетонов В25–В40 и результаты испытаний представлены в табл. 7, 8.

Испытания серии образцов кубов размером 10 см (4 кубика на каждый состав), твердевших в камере нормального твердения в течение 28 сут, показали, что достигнуть проектной прочности удалось только образцам класса В40. Объяснением достижения заданной прочности составом В40 будет использование щебня фракции 20–40 мм карьера Алханчурт, РСО, полностью соответствующего требованиям ГОСТ 8267–93 как по гранулометрическому, так и по физико-механическим характеристикам.

 

Таблица 5. Свойства щебня фракции 20–40мм, с. Нагир, РСО

Table 5. Properties of crushed stone with fraction of 20–40 mm, with. Nagir, RSO

Показатель	Фактические значения						ГОСТ 8267–93
Подбор сит	1,25Д	Д	0,5(Д+d)	d	2,5	< 2,5
Размер сит, мм	50	40	30	20	10	–
Полные остатки, %	1,36	22,91	63,43	98,60	99,86	100
ГОСТ 8267–93	До 0, 5	До 10	30–60	90–100		–
Прочность щебня (марка по дробимости)			8,3 (М1000)				–
Насыпная плотность, кг/м3			1500				–
Содержание дробленых зерен, %			84				≥80
Содержание пылевидных и глинистых частиц, %			0,85				< 1
Содержание глины в комках, %			Нет				< 0,25

 

Таблица 6. Свойства щебня фракции 20–40 мм, г. Кизилюрт, РД

Table 6. Properties of crushed stone of 20–40 mm fraction, Kizilyurt, RD

Показатель	Фактические значения						ГОСТ 8267–93
Подбор сит	1,25Д	Д	0,5(Д+d)	d	2,5	< 2,5
Размер сит, мм	50	40	30	20	10	–
Полные остатки, %	–	13,41	52,01	97,31	99,97	100
ГОСТ 8267–93	До 0,5	До 10	30–60	90–100		–
Прочность щебня (марка по дробимости)			18,2 (М1000)				–
Насыпная плотность, кг/м3			1470				–
Содержание дробленых зерен, %			83				≥80
Содержание пылевидных и глинистых частиц, %			0,60				< 1
Содержание глины в комках, %			Нет				< 0,25

 

Минимальная загрязненность зерен щебня пылеватыми, глинистыми и илистыми частицами, шероховатый, изъеденный рельеф поверхности, остроугольная кубовидная форма, высокая прочность при сдавливании в цилиндре – все это в комплексе содействовало набору проектной прочности. За проектируемые составы В35 (М450), В30 (М400) и В25 (М350) на 5–7 % уступают проектной прочности на 28-е сутки, но в более длительные сроки достигнут заданные показатели благодаря использованию в составах щебня марки по дробимости М1000 и суперпластификатора Полипласт СП-1 (1,3 % от массы цемента).

 

Таблица 7. Составы тяжелых бетонов

Table 7. Heavy Concrete Compositions

№ состав	Заданный класс (марка) бетона по прочности на сжатие	В/Ц	Расход материалов на 1 м3 бетона, кг				Плотность бетонной смеси, кг/м3	Подвижность смеси ОК, см	Добавка полипласт СП-1 Реодин*
			Ц	В	Щ	П
Щебень фракции 20–40 мм карьера Алханчурт, РСО
1	В40 (М500)	0,30	530	159	1000	730	2420	17	6, 8
Щебень фракции 20–40 мм Кизилюрт, РД
2	В35 (М 450)	0, 31	450	140	1100	745	2440	18	6, 3
Щебень фракции 5–20 мм Алханчурт, РСО
3	В30 (М400)	0, 44	430	189	1075	775	2470	17	5, 7
Щебень фракции 20–40 мм Беслан, РСО
4	В25 (М350)	0, 50	380	190	1060	820	2460	17	4, 7

* Противоморозная добавка РЕОДИН 150F дозировка изменяется в зависимости от температуры окружающей среды: +5–0 ⁰С – 1 %; 0 – -5 ⁰С – 1, 1–1,2 %; -5 – -10 ⁰С – 1,3 –1,4 %; -10 – -15 ⁰С от 1,5 %

 

Таблица 8. Результаты испытаний бетона

Table 8. Concrete test results

№ состава	Наименование образца	Плотность, кг/м3	Разрушающая нагрузка, кН	Прочность при  сжатии, МПа	Требуемая прочность, МПа	% от требуемой прочности
1	В40 (М500)	2325	570	54,1	52,3	103,0
2	В35 (М450)	2320	460	43,7	45,8	95,4
3	В30 (М400)	2318	384	36,5	39,2	93,0
4	В25 (М350)	2310	324	30,8	32,7	94,2

 

Ввиду того, что от показателя адгезионной прочности в зоне контакта цементно-песчаного раствора и поверхности крупного заполнителя зависят физико-механические показатели бетона в целом, образцы состава В40 подвергались микроанализу на растровом электронном микроскопе Quanta 3D 200i с интегрированной системой микроанализа Genesis Apex 2 EDS от EDAX. На приведенных микрографиях (рис. 2) образцов бетона можно наблюдать морфологию контактной зоны и достаточно плотную структуру композита.

 

Рис. 2. Микрофотография адгезионной зоны бетона состава В40: а – зона контакта цементной матрицы с гранитом (увел. 3000 крат; б – структура бетона (увел. 9000 крат),  1 – заполнитель; 2 – зона контакта; 3 – адгезионный слой

Fig. 2. Micrograph of the adhesion zone of concrete of the composition V40: a ‒ zone of contact of cement matrix with granite (el. 3, 000 krat; b ‒ concrete structure (el. 9000 krat) 1 ‒ filler; 2 ‒ contact area; 3 ‒ adhesive layer

 

Композиция представлена массивной относительно однородной структурой, образованной гидратами силикатов и алюминатов кальция.

Результаты наличия микрофаз в контактной зоне, диагностируемые методами электронно-зондового анализа, представлены в виде спектрограммы на рис. 3 и в табл. 9.

 

Таблица 9. Результаты анализа микрофаз на участке контактной зоны

Table 9. Results of analysis of microfases in the contact area area

№ п/п	Na2O	MgO	Al2O3	SiO2	CaO	Итог
1	0,46	-	19,49	54,26	13,34	87,54
2	1,14	0,23	0,29	2,19	41,97	45,81
3	0,85	0,55	0,56	6,69	42,13	50,78

 

Микроструктура основной массы образована неокристаллизованными агрегатами гидросиликатов кальция переменного состава (табл. 9, анализ 1) и гидроалюминатов кальция (табл. 9, анализы 2, 3). Преобладание указанных соединений в контактной зоне подтверждает влияние адгезионной прочности в переходной зоне цементная матрица – заполнитель на прочность бетона в целом.

 

Рис. 3. Состав типичных участков (спектры EDX) (увел.800 мкм)

Fig. 3. Composition of Typical Sites (EDX Spectra) (800 μm)

 

Заключение

Проведенный фронт работ по проектированию состава бетона с использованием крупного заполнителя Северо-Кавказского федерального округа, позволил оценить вклад этого компонента в процесс формирования структуры и прочности бетонного камня. Установлено, что, варьируя содержанием доли заполнителя, можно управлять процессами формирования структуры и прочности. Наиболее выгодной можно считать «контактную» структуру с равномерным распределением зерен щебня в достаточной цементно-песчаной массе; возникающие при работе бетона сжимающие нагрузки и напряжения концентрируются на достаточно жестком каркасе из крупного заполнителя. Исследованные пробы гранитно-диабазового щебня подтверждают их эффективность как по прочностным показателям, так и по морфологии. Использование щебня фракции 20–40 мм карьера Алханчурт, характеристики которого полностью соответствуют требованиям ГОСТ 8267–93 как по гранулометрическому, так и по физико-механическим показателям содействовало достижению класса В40 тяжелого бетона. Методами электронной микроскопии подтверждается преобладание в контактной зоне таких прочных и труднорастворимых соединений, как гидраты силикатов и алюминатов кальция, гарантирующие эксплуатационную надежность и долговечность бетонного композита.

Таким образом, занимая преобладающий объем в массе бетона, крупный заполнитель влияет на технические показатели, долговечность и стоимость конечного продукта. Исследование физико-механических показателей и гранулометрического состава заполнителя позволит правильно проектировать рецептуры бетона, что является ответственным моментом при получении заданных классов бетона и в дальнейшем отразится на эксплуатационной надежности и долговечности строящихся объектов.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-69-00043, https://rscf.ru/project/24-69-00043/

About the authors

Said-Alvi Yu. Murtazaev

Grozny State Oil Technical University named after academician M.D. Millionshchikov; Complex Research Institute named after H.I. Ibragimov of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: s.murtazaev@mail.ru

Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Construction Technology Chair

 

Russian Federation, 364051, Grozny, Avenue named after Kh.A. Isaev, 100; 364051, Grozny, V. Aliyev str., 21 a

Madina Sh. Salamanova

Grozny State Oil Technical University named after academician M.D. Millionshchikov; Complex Research Institute named after H.I. Ibragimov of the Russian Academy of Sciences

Email: madina_salamanova@mail.ru

Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Professor of the Construction Technology Chair

Russian Federation, 364051, Grozny, Avenue named after Kh.A. Isaev, 100; 364051, Grozny, V. Aliyev str., 21 a

References

Supplementary files