Структура и свойства бетонных композитов, полученных с применением отсевов дробления без их обогащения и фракционирования

Журнал: «Строительство: новые технологии - новое оборудование», №3, 2018г.

Особенности изготовления бетонных композитов на основе использования отсевов дробления бетонного лома и горных пород до настоящего времени не полностью изучены. Исследования в этой области были направлены на разработку составов и технологий, включающих: очистку отсевов от тонкодисперсных частиц; рассев песка из отсевов на отдельные фракции и раздельное их использование и т.д. Такая технологическая обработка отсевов дробления связана со значительными дополнительными энерго-, трудо- и материальными затратами.

В практике строительного материаловедения широкое применение могут найти бетонные композиты, получаемые на основе использования отсевов дробления бетонного лома и горных пород, при производстве бортовых камней, мелкоштучных дорожных изделий, а также других сборных и монолитных тонкостенных изделий и конструкций. Такие изделия и конструкции должны отвечать повышенным требованиям по морозостойкости, влагостойкости, прочности и истираемости.

В связи с этим необходимо изучить структуру бетонных композитов, получаемые на основе использования отсевов дробления бетонного лома и горных пород, их сцепление с арматурой, истираемость, морозостойкость и другие показатели долговечности.

Для исследования были выбраны бетонные композиты на основе отсевов дробления бетонного лома, песчаника, известняка, гранита и кварцита.

На основе результатов предварительных исследований бетонные образцы для испытаний были приготовлены из смесей с соотношением 1:3. Для этого были использованы следующие технологические приемы:

● Раздельное перемешивание и виброуплотнение бетонных смесей без добавок. Характеристика вибраторов – F = 48 Гц; А = 0,5 мм и F = 133 Гц; А = 0,35 мм. Время перемешивания смеси: первый этап – 30 с, второй этап – 45 с. Время виброуплотнения – 45 с;

● Раздельное перемешивание и виброуплотнение бетонных смесей с добавкой суперпластификатора «Кратасол-ПЛ» (0,25 % от массы вяжущего). Время перемешивания по технологии 1. Добавка вводится на первом этапе перемешивания. Время уплотнения – 45 с. при F = 48 Гц, А = 0,5 мм;

● Раздельное перемешивание и виброуплотнение бетонных смесей с добавкой «Кратасол КРИО» (2 % от массы вяжущего). Введение добавки, перемешивание и виброуплотнение по технологии

● Испытание образцов производили после 28 суток твердения;

● Для контрольных образцов традиционная технология перемешивания и уплотнения бездобавочных бетонных смесей.

Применение комплексной добавки не предусматривалось, т.к. она не приводит к существенному улучшению свойств бетонных композитов по сравнению с одиночной добавкой.

Среди факторов, влияющих на физико-химические и механические свойства бетонов на клинкерных вяжущих веществах, важное место занимают параметры порового пространства и пористость цементного камня.

Наличие разветвленной сети пор различных размеров от значений порядка 1 мм до значений, приближающихся к размерам молекул, является отличительной особенностью цементного камня и бетона. Объем и структура порового пространства цементного камня в значительной степени определяют наиболее важные строительно-технические, в частности, механические и физико-химические свойства самого композита.

Пористость затвердевшего цементного камня колеблется в пределах 25–40 %, плотного бетона – 8–20 %, а специального бетона с искусственными порами – до 80 % [1, 2, 4, 7].

Чаще других, встречаются три группы пор цементного камня, имеющие в различных источниках литературы различные названия и размеры. Терминологические расхождения обусловлены отсутствием общепринятой методики исследования раздельно гелевой, контракционной, капиллярной и других групп пор. Существует классификация А.В. Лыкова и М.М. Дубинина [9], основанная на делении пор и капилляров по силе связи жидкой фазы с твердыми телами, которая принята как в теории сушки, так и в физической химии.

Структура капиллярно-пористых тел характеризуется совокупностью макро- и микропор. При адсорбции твердым телом паров жидкости из окружающей среды для микропор размером менее 0,1 мкм характерна капиллярная конденсация, а для макропор радиусом более 0,1 мкм, наоборот, способность к десорбции, т.е. они обладают свойством отдавать свою влагу в окружающую среду.

В плотных бетонах основная часть пор сконцентрирована в цементном камне, но переносить результаты исследования структуры порового пространства цементного камня на бетон нельзя. В отличие от цементного камня, в бетоне могут образовываться различные дефектные структуры. Среди опасных дефектов структуры бетона, ограничивающих пригодность железобетонных изделий, важное место занимает седиментация (расслоение) бетонной смеси. В.В. Стольников и Р.Е. Литвинова [8] ввели в классификацию группу пор, образующуюся при седиментации бетонной смеси. По их данным известны два вида водоотделения: наружное и внутреннее. В первом случае часть воды, обтекая заполнитель, стремится наверх, образуя капилляры, во втором – другая часть воды скапливается под зернами заполнителя, насыщая зоны контакта.

Таблица

Физико-механические свойства и показатели структуры бетонных композитов на основе отсевов камнедробления

Номер состава Сырье или порода для ОД Соотношение компонентов Ц:ОД В/Ц Содержание добавки, % от Ц Механоактивация Прочность при сжатии, МПа (в возтсте 28 суток Параметры поровой структуры Водопоглощение % по массе, Wm
Кратасол-ПЛ Кратасол КРИО Виброуплотнение Раздельное перемешивание Средний размер пор, λ Однородность пор, α Удельная поверхность, So
1 Бетонный лом 1:3 0,48 17,5 1,45 0,55 8,57 5,70
2 0,48 + + 25,8 1,22 0,49 7,27 5,43
3 0,38 0,25 + + 28,7 0,98 0,47 6,05 4,52
4 0,38 2 + + 27,7 1,02 0,49 6,11 4,44
5 ПесчаНИК 1:3 0,58 16,6 2,12 0,64 12,54 6,98
6 0,58 + + 23,2 1,95 0,62 11,42 6,81
7 0,48 0,25 + + 26,1 1,69 0,55 9,12 5,76
8 0,49 2 + + 25,9 1,72 0,53 9,04 5,80
9 Известняк 1:3 0,45 17,3 1,85 0,59 8,89 5,62
10 0,45 + + 24,6 1,71 0,56 8,58 5,33
11 0,36 0,25 + + 26,5 1,54 0,50 8,02 4,46
12 0,36 2 + + 27,4 1,41 0,52 7,77 4,32
13 Гранит 1:3 0,42 17,9 1,26 0,56 6,86 4,65
14 0,42 + + 24,8 1,11 0,53 6,25 4,21
15 0,33 0,25 + + 30,5 0,95 0,48 5,46 3,30
16 0,34 2 + + 31,6 0,92 0,49 5,28 3,15
17 Кварцит 1:3 0,48 18,2 1,17 0,50 5,68 4,25
18 0,48 + + 27,2 1,02 0,47 5,21 4,00
19 0,37 0,25 + + 31,6 0,82 0,45 5,12 3,05
20 0,38 2 + + 30,4 0,77 0,46 5,05 2,95

В теле бетона, в отличие от цементного камня, имеются и другие структурные дефекты – раковины, каверны, щели у поверхности заполнителей не седиментационного происхождения, трещины, пустоты в заполнителе и т.п.

Изучая структурные параметры бетона, Ф.М. Иванов [3] отмечает, что все пространства между твердыми телами в бетоне, чем бы они ни заполнены (водой или воздухом), являются порами, причем все они в бетоне классифицируется на три вида: цементные поры, поры заполнителя и контактные поры на границе «цементный камень – заполнитель. В практике подбора состава бетона с заданными теми или иными свойствами часто возникает необходимость количественной оценки объема и строения порового пространства бетона. Пористость цементного камня и бетона, в зависимости от цели исследования, может быть охарактеризована общим объемом пор (интегральной пористостью) и распределением этого объема на интервалы по среднему размеру условного радиуса (дифференциальной пористостью), а также показателями удельной поверхности пор.

Интегральные показатели – общая (истинная), открытая (кажущаяся) и условно-замкнутая пористости – количественно оценивают объем пор. А дифференциальными показателями характеризуются размеры пор и распределение их в зависимости от занимаемого ими объема.

В качестве дифференциального показателя обычно используют интегральные и дифференциальные кривые распределения пор по размерам. Интегральная кривая имеет по оси абсцисс радиус капилляров r, а по оси ординат объем пор V в единице объема тела. Дифференциальную кривую строят в осях соответственно rи dV/dr.

Удельной поверхностью характеризуется суммарная поверхность всех пор в единице массы или объема затвердевшего цементного камня или бетона.

В зависимости от цели исследований, применяют различные условные размеры пор (например, средний, эффективный, гидравлический радиусы) и геометрические характеристики пор (в частности, форма и расположение пор, их извилистость, замкнутость).

Учеными разработаны достаточно много методов для исследования пористости структуры бетона: ртутная порометрия; адсорбция газов и жидкостей, электронная микроскопия, на основе изменения контракционного бетона [5, 6] и по кинетике водопоглощения [9, 10].

В ходе исследований, направленных на изучение поровой структуры бетонных композитов на отсевах дробления, использован метод, заключающийся в исследовании пористости по кинетике водопоглощения бетона с одновременным расчетом такого показателя как удельная поверхность порового пространства. При этом определялись: водопоглощение Wm по массе, показатель среднего размера пор λ, показатель однородности размера пор а и показатель удельной поверхности So (таблица), согласно ГОСТ 12730.3-78 «Бетоны. Метод определения водопоглощения» и ГОСТ 12730.4-78 «Бетоны. Методы определения показателей пористости».

Водопоглощение бетонных композитов, изготовленных на основе отсевов дробления бетонного лома, песчаника и известняка составляет 4–7 %. Его структура характеризуется достаточно мелкими порами (λ = 1,4–2,1) однородными по размеру (α = 0,5).

Бетонные композиты на основе отсевов гранита и кварцита имеет более плотную структуру с менее развитой поровой поверхностью. Его водопоглощение 3,0–4,6 %, поры более мелкие (λ = 0,7–1,2), также однородные по размеру (α = 0,5). Показатель удельной поверхности пор этих образцов меньше, по сравнению с бетонными композитами на отсевах песчаника, известняка и бетонного лома.

В то же время по водопоглощению и параметрам поровой структуры бетонные композиты на заполнителях из отсевов дробления близки к мелкозернистым бетонам на стандартных песках.