УДК 691.54
Гаркави М.С., Якубов В.И., Трубкин И.С.
Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова
В последнее время возрастает интерес к проблеме снижения расхода цемента в бетоне и, следовательно, его себестоимости. Одним из путей снижения расхода цемента в бетоне является модификация его микрокремнеземом. Нами определена эффективность добавки микрокремнезема в бетонах классов В15…В25 с маркой по удобоукладываемости П1, полученных на основе шлакопортладцемента (ШПЦ).
В работе использовали ШПЦ М400 Магнитогорского цементно-огнеупорного завода, характеризующийся содержанием в клинкере С3S, C2S, C3A и С4АF – 62,5, 9,4, 8,2 и 13,2 %; щебень горно-обогатительного производства ОАО ММК фракции 10…20 мм с пустотностью 50,5 % и маркой по прочности 1000; песок речной фракции 0…5 мм с модулем крупности 3,0 и водопотребностью 12,1%. В качестве добавок применяли микрокремнезем Челябинского электрометаллургического комбината с содержанием SiO2 65…83 % и суперпластификатор С-3 порошкообразный, снижающий вопотребность бетонной смеси на 17,5 %.
Исходные составы бетонных смесей приведены в табл. 1.
В бетонные смеси исходных составов вводили микрокремнезем в количестве 0; 5; 10; 15 % от массы цемента. Бетонную смесь готовили вручную. Микрокремнезем и цемент предварительно перемешивали в круглодонной чаше до видимой однородности. Суперпластификатор предварительно растворяли в воде затворения. Из бетонной смеси каждого состава формовали шесть образцов-кубов с ребром 10 мм, уплотнение производили на стандартной лабораторной виброплощадке в течение 15…20 с. в зависимости от удобоукладываемости смеси. Три образца пропаривали в камере при температуре 75 – 80 оC по режиму 3 + 6 + 3 ч, оставшиеся три образца каждого состава помещали в камеру с нормальными условиями для определения прочности на сжатие в возрасте 28 сут.
Расчет прогнозируемого расхода (экономии) цемента в равнопрочных бетонах производили в следующей последовательности:
— сначала определяли удельную величину фактического расхода цемента (ЦФ) на единицу фактической прочности (RФ);
— затем путем умножения ЦФ/RФ на требуемую прочность (фактическую прочность бетона без добавки микрокремнезема) определяли прогнозируемый расход цемента;
— прогнозируемую экономию цемента определяли как разность между фактическим расходом цемента в бетоне без добавки микрокремнезема и прогнозируемый расход цемента в модифицированном бетоне.
Фактические составы бетонных смесей с добавкой микрокремнезема, их удобоукладываемость, средняя плотность и прочность бетонов приведены в табл. 2.
Из приведенных в табл. 2 данных видно, что введение в бетонную смесь микрокремнезема сопровождается:
— снижением ее плотности на 30…80 кг/м3, что объясняется, по-видимому, высокой пористостью частиц микрокремнезема с размером частиц 0,01…1 мкм, состоящих в основном из аморфного диоксида кремния [1];
— частичной потерей удобоукладываемости, что связано также с увеличением содержания в смеси супертонких высокопористых частиц микрокремнезема;
— ростом прочности бетона пропаренного на 38…89 %, а твердеющего в нормальных условиях на 9…44 %.
Возрастание прочности бетонов с добавкой микрокремнезема обеспечивается [2,3] взаимодействием аморфного диоксида кремния с продуктами гидролиза C3S и C2S с образованием гидросиликатов кальция CSH (I), обладающих высокой прочностью и увеличивающих сцепление цементной матрицы с зернами заполнителя (улучшается качество контактной зоны). Более высокий рост прочности модифицированных бетонов при пропаривании обусловлен, вероятнее всего, температурным фактором.
Для исследования влияния микрокремнезема на составы равноподвижных и равнопрочных смесей и бетонов исходные составы (см. табл. 1) корректировали при сохранении на постоянном уровне Ц/В (1,37 и 1,95) и удобоукладываемость (ОК = 3…5 см), изготовили и испытали образцы бетона. По результатам этих испытаний были определены прогнозируемые расходы и экономия цемента в непластифицированных и пластифицированных равноподвижных и равнопрочных бетонах табл. 3.
Анализ результатов, приведенных в табл. 3, показывает, что прогнозируемые расходы в бетонах классов В15…В25 при пропаривании колеблются в пределах 131…338 кг/м3, а при твердении в нормальных условиях — в пределах 179…366 кг/м3. Экономия цемента в равноподвижных и равнопрочных бетонах составляет соответственно 85 — 198 и 28 – 91 кг/м3. Из этого следует, что добавка микрокремнезема более эффективна для бетонов, твердеющих при повышенных температурах.
Прогнозируемая экономия цемента в пластифицированных бетонах несколько ниже, чем в бетонах, твердевших в нормальных условиях, вследствие влияния на этот показатель и пластификатора.
Для определения оптимальной величины добавки микрокремнезема в бетон и оценки экономической эффективности ее применения необходимо было установить затраты на материал по всем исследованным составам. В качестве критерия оптимальности состава модифицированного бетона принимали минимум затрат на материалы. При расчете затрат на материалы исходили из стоимости их применительно к заводу ЖБИ ОАО «Магнитострой»: ШПЦ М400 – 1050 руб./т; щебень – 174 руб./м3; песок – 165 руб./м3; суперпластификатор С-3 – 22600 руб./т; микрокремнезем – 5040 руб./т. Результаты этих расчетов сведены в табл.4.
Таким образом, установлено:
1. Введение в бетонную смесь микрокремнезема в количестве 5% от массы цемента экономически оправдано при условии твердения бетона в пропарочных камерах. Расход цемента в бетонах класса В15…В25 снижается на 68…119 кг/м3. Затраты на материалы снижаются на 17…69 руб./м3. Область применения этих бетонов определяется с учетом требований ГОСТ 26633–91 по минимальному содержанию цемента в них.
2. Введение микрокремнезема в аналогичные бетонные смеси, твердеющие в нормальных условиях, несмотря на снижение расхода цемента (на 28…91 кг/м3) экономически нецелесообразно, поскольку затраты на материалы возрастают в большей степени (на 5…75 руб./м3).
Исключение составляют низкомарочные пластифицированные бетоны с добавкой 5 % микрокремнезема. Но ввиду низкого содержания цемента в этих бетонах область применения их ограничивается изготовлением железобетонных изделий, предназначенных для эксплуатации в условиях атмосферных воздействий.
Библиографический список
1. Структура цементного камня с добавками суперпластификатора и микрокремнезема / О. В. Кунцевич, Б. В. Махинин, Н. Н. Шангина. // Цемент.- 1992.- №6.- С. 30 – 36.
2. Общие закономерности формирования структуры цементного камня и бетона с добавкой ультрадисперсных материалов / С. С. Каприелов //Бетон и железобетон.- 1995.- №4. — С. 16 – 20.
3. Влияние физической структуры цемента на его прочность / В.В. Тимашев // Цемент.- 1978.- №2.- С. 6 – 8.
