CC BY
32Л. Д. Шахова, д-р техн. наук, профессор Д. Е. Кучеров, аспирант
Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова
ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ
ЦЕМЕНТОВ В БЕТОНАХ
В статье рассматривается практика применения многокомпонентных цементов в Германии. Описаны результаты исследований, проведенных НИИ Цементов (г. Берлин).
Статья будет интересна производителям цемента и научным работникам, специализирующимся на исследованиях поведения цемента в бетонных и цементных растворах.
В связи с предстоящим переходом цементной промышленности на выпуск цементов по ГОСТ 31108-2003, гармонизированному с Евростандартом EN 197-1, перед промышленностью по выпуску бетонных и железобетонных изделий и конструкций возникает проблема по выбору цемента с учетом особенностей его вещественного и минералогического составов.
По ГОСТ 31108-2003 выпускаемые цементы разделяют на композиционные и многокомпонентные, включающие в своем вещественном составе активные добавки (гранулированные доменные шлаки, природные пуццо-лановые добавки, топливные золы), инертные наполнители (известняк), а также их композицию.
Практика применения композиционных и многокомпонентных цементов в России невелика. К композиционным цементам (КЦ) относят те цементы, в которых содержится пониженная доля клинкера и увеличенная доля других основных компонентов, таких как гранулированные доменные шлаки, летучая зола и известняковая мука.
К многокомпонентным цементам (МЦ) относят такие, в которых помимо клинкера и гипса содержатся другие минеральные добавки, отражающиеся на стандартном наименовании цементов. В европейских странах такие цементы обычно называют смешанными. Использование МЦ является наиболее простым и доступным способом экономии топлива в цементной промышленности, а также утилизации минеральных отходов других отраслей хозяйства.
В связи с этим вызывает интерес решение этих вопросов в странах ЕС. В данной статье предлагаются результаты исследований и рекомендации по использованию МЦ Берлинского Научно-Исследовательского Института цементной промышленности Германии (далее НИИ цементов) по материалам статьи [1]. Цель работы исследовательского института состоит в оптимизации вещественного состава цементов для их неограниченного использования во всех областях бетонных работ. Основным моментом в исследованиях, является взаимодействие цемента и добавок, регулирующих технологические свойства цементных растворов.
Композиционные портландцементы
В связи с тем, что цементные заводы должны вносить вклад в уменьшение эмиссии СО2 в атмосферу при производстве цемента, все большее значение приобретают композиционные портландцементы. Это становится возможным только благодаря использованию цементов с пониженной долей клинкера и увеличенной долей других основных компонентов, таких как гранулированные доменные шлаки, летучая зола и известняковая мука.
В научных исследованиях, интерес вызывает реакция щелочь-кремневая кислота. При исследованиях, выполненных на небольшом участке бетонного покрытия проезжей части после 6-10 летней эксплуатации были о бна-ружены повреждения, возникшие в результате реакции щелочи и кремневой кислоты. При реакции щелочи с кремниевой кислотой, чувствительные к щелочи компоненты гранулометрического состава, реагируют в бетоне со щелочами пористого раствора с образованием щелочного силиката, который стремится к поглощению воды. Связанное с этим увеличение объема, приводит к расширяющим давлениям. Эти давления в зависимости от гранулометрии, реактивности, количества зерен, влажности и содержания щелочи в пористом растворечув-ствительны к щелочам компонентов. Это м ожет повредить структуру бетона и снизить его долговечность.
НИИ цементов поставил перед собой цель, уменьшить вредное воздействие реакции щелочи с кремниевой кислотой.
На основании проведенных исследований, объединение немецких цементников может дать рекомендации по использования цементов для дорожных покрытий с определенным содержанием щелочи.
Основным моментом в исследованиях, которые проводятся отделом техники для бетонных работ НИИ цемента, является взаимодействие цемента и добавок.
Результаты научной работы вошли в новые стандарты Германии в области бетона. Это произошло перед переходом от старого поколения стандартов к новому, пока разрешалось использование DIN EN 206-1 и DIN 1045-2 для новых строительных сооружений.
Бетонные покрытия проезжей части дорог
Научный институт цементной промышленности Германии провел очень тщательное исследование поврежденных участков бетонного дорожного покрытия. Для того, чтобы установить, оказывают ли вредное воздействие на качество бетона реакции щелочи и кремниевой кислоты, при помощи кернов были взяты пробы из поврежденной части покрытий, а затем помещены в камеру распила при Ч = 40оС и проведены измерения на расширение. Кроме того, были изготовлены тонкие шлифы бетона и исследованы при помощи светового микроскопа. При этом было выяснено, что не исключается вредное воздействие щелочи - кремниевой кислоты на трещиностойкость бетона. При этом очевидно, что при частом попадании щелочей извне и высоких динамических нагрузках гранулометрический состав пород, может подвергаться разрушению структуры. Сюда относятся: граувакка (крупнообломочный песчаник), квар-цитопорфир, рециклированные гранулометрические составы пород. Если не удается избежать вредного воздействия реакции щелочи и кремниевой кислоты, в результате применения не реактивного гранулометрического состава, то щелочность пористого раствора можно уменьшить в результате применения пуццолановых добавок. В научном институте цементов очень основательно исследовали действующие механизмы латентно-гидравлических и пуццолановых компонентов цемента или бетонных добавок на щелочестойкость пористого раствора. Возможность набухания силикатов щелочи, возникающая в результате реакции щелочи и кремниевой кислоты, зависит от их состава.
Силикаты натрия и калия стремятся к поглощению воды, в результате чего происходит их набухание. С применением лития наблюдаются совершенно другие процессы, образованные силикаты при определенных условиях в бетоне не склонны к расширению. Многокомпонентные портландцементы Применение многокомпонентных портландцементов повышает экологическую эффективность бетонных работ, т.к. эти цементы по сравнению с портландцементом имеют незначительное содержание клинкера. В результате использования других основных компонентов можно, в частности, при производстве цемента уменьшить эмиссию СО2.
Ежегодно цементными заводами Германии отгружается примерно 300 млн. тонн (средние показатели за 19992003 г.). Оказывается, что при среднем уменьшении доли клинкера примерно на 5 %, ежегодные эмиссии СО2 в атмосферу могут снизиться примерно на 1 млн. тонн. Учитывая их регулирующие механизмы многокомпонентные цементы, относительно их практических свойств в строительстве, можно сравнить с портландцементом. Нормативные условия и практические области применения в строительстве Количество отгруженного цемента в Германии, в зависимости от его практического применения, помогает оценить будущий потенциал новых цементов. Сравни-
вались следующие категории: высотное строительство, инженерное строительство и строительство подземных сооружений, транспортные площади, населенные пункты, дороги и другие области применения.
Оказалось, что около 50% цементов, выпущенных на заводах Германии, идет на производство транспортного бетона для внутренних и внешних строительных деталей, обычных надземных сооружений, т.е. для жилищного и промышленного строительства.
Количество цементов, которые используются в инженерных и подземных сооружениях, составило около 10%. В то время 19% применяется для производства строительных изделий для тр анспортных площадей, населенных пунктов, строительства бетонных дорог. Остальные 8% отгруженного количества цемента используются в неармированном бетоне.
Выпущенные в Германии цементы класса прочности 32,5, в состав которых входит несколько компонентов, соответствуют всем основным требованиям монолитного бетона, будь то транспортный бетон или бетон для строительных площадок. Все эти цементы обладают достаточно быстрой способностью набирать прочность. Бетоны, в состав которых входят эти цементы, обладают достаточной защитой против коррозии стали под действием карбонизации и хлоридов.
Монолитный бетон в основном применяется для инженерных сооружений, как например, для строительства мостов и туннелей. Такой бетон, как правило, изготавливается из цементов высокихклассов прочности (СЕМ I). Также в этой области могут использоваться цементы СЕМ II и СЕМ III и их доля нарынке постоянно возрастает. Область обычного надземного строительства, включая жилищное строительство и промышленные строительные сооружения, образует при этом важный рыночный сегмент. Если новые виды цементов будут соответствовать требованиям этих областей применения, то большая часть рынка будет открыта для этого строительного материала.
В основном для производства бетона по стандартам DIN EN206-1 и DIN 1045-2пригодны все цеметы по DIN EN 197-1 и DIN 164. Учитывая долговечность бетонов, выпущенных с этими цементами, НИИ цемент обращает внимание, на зависимость от области их использования и на разницу видов цементов. Для этого в стандартах на бетоны, в зависимости от класса прочности, которому соответствует строительная деталь, необходимо установить различные правила их применения. Существует ряд ограничений для применения цементов СЕМ II (до настоящего времени в Германии не применяются) как правило, для портландцементов с содержанием известняка до 35 мас.% (СЕМ II/B-LL), а также для многокомпонентных цементов с содержанием гранулированного доменного шлака и известняка до 35 мас.% (СЕМ II/B-M(S-LL). Ограничения касаются, прежде всего морозостойких и хлоридсодержащих строительных деталей. Если такие цементы должны применяться в областях, в которых стандарт на бетон не имеет допуск, то для этого необходим допуск строительного надзора. Это относит-
ся к новым цементам СЕМ II-М, которые были разработаны немецкими производителями цемента. С увеличением практической ценности этих цементов, с опорой на базу данных, разработанных в процессе исследований, отпадает необходимость таких допусков, хотя в правила их использования необходимо внести изменения. Исходя из этого, в НИИ цемента были проведены работы по расширению базы данных для бетонов при использовании новых многокомпонентных портландце-ментов. Для этого рассчитали параметры прочности портландцементов с содержанием известняка до 35 мас.% (СЕМ II/B-LL) и многокомпонентных портландцементов с содержанием гранулированного доменного шлака (до 35 мас.%) и известняка (СЕМ II/B-M(S-LL). Предметом дальнейших исследов аний стали портланд-цементы с 35 мас.% содержанием летучей золы, в состав которых входят большое количество кремневой кислоты, а также многокомпонентные цементы СЕМ II-M(V-LL) и СЕМ II-M(S-V) различного состава.
Прочность бетонов, в состав которых входят многокомпонентные портландцементы Сравнительные исследования на прочность бетонов предполагают, что в бетонах уровень прочности является показателем для подобного структурного образования, как правило, после 28 суток выдержки.
Из этого следует, что многокомпонентные цементы имеют сравнительную прочность на сжатие после 28 суток, которая соответствует для немецких цементов классу прочности 32,5 между 44 и 48 МПа.
Основные компоненты цементов, такие как портлан-дцементный клинкер, гр анулир ованные доменные шлаки, известняк, тонкость измельчения которых надо варьировать таким образом, чтобы при различном составе цементов получить положительный уровень заданной прочности.
Для этих цементов в НИИ исследовался потенциал роста прочности, пористость и распределение пор по величине, карбонизация и сопротивление приникающим хлоридам, а также сопротивление замораживанию и оттаиванию растворов и бетонов, изготовленных на основе этих цементов. Состав растворов и бетонов ориентируется на предельные значения состава бетона соответственно классам прочности по величине карбонизации и сопротивления проникающим хлоридам, а также на сопротивление замораживанию и оттаиванию растворов бетонов, изготовленных на основе этих цементов. Состав растворов и бетонов ориентируется на предельные значения для состава бетона соответственно классам прочности по DIN 1045-2.
Сопротивление бетона замораживанию иоттаиванию
При наступлении морозов на бетонах могут быть наружные и внутренние повреждения. Внешние повреждения проявляются в форме поверхностных выветриваний, внутренние повреждения могут быть установлены с помощью продолжительного действия ультразвука. Какое значение имеет падение динамического Е-модуля
с точки зрения ожидаемых свойств бетона согласно их морозостойкости не получило объяснение ни для лабораторных бетонов, ни для бетонов, используемых на практике. Это падение было определено в рамках исследований новых бетонов с целью накопление опыта и для сравнения с литературными данными, а также с помощью обсуждаемых критериев. В проведенных опытах бетоны с В/Ц=0,5 и с содержанием известняка до 35 мас.% и при высоком водонасыщении не показали значительно больших выветриваний, чем бетон с портландцементом. Также не было заметно систематического влияния содержания известняка. Это тоже относится к выветриваниям бетонов, которые получены из многокомпонентных цементов при содержании 35 мас.% гранулированного доменного шлака и известняка.
С точки зрения содержания известняка дифференцирование более четко выражено, чем в выветриваниях. В испытаниях бетонов называются различные критерии разрушения, которые здесь в дальнейшем не должны обсуждаться. Критерий разрушения изложенный в статье «Испытание морозостойкости бетона», выпущенной федеральной службой гидротехнических сооружений, наблюдался в 75% всех бетонов после 28 суточного замораживания и оттаивания. Относительные динамические Е-модули бетонов с многокомпонентными портландцементами находились в области значений бетонов с портландцементами. После 100 переменных замораживаний и оттаиваний, в тех же самых бетонах независимо от вида применяемых цементов, пр актически не было изменений относительного динамического Е-модуля. Итак, после 100 переменных замораживаний и оттаиваний бетона в этом же испытании не было достигнуто критического насыщения.
Влияние различных многокомпонентных портландцементов на сопротивление замораживанию и оттаиванию бетона показывает, что бетоны с многокомпонентными портландцементами не показывают различных поведений выветривания по сравнению с бетонами на основе портландцементов.
Выводы
Многокомпонентные портландцементы, с содержанием гранулированного доменного шлака и известняка (СЕМ II/В-М (S-LL)) могут, после проведения исследований относительно коррозии арматуры, применяться в бетонах всех классов прочности.
Для того, что бы гар антир овать результаты исследо -ваний сопротивления бетонов замораживанию и оттаиванию (с применением размораживающей соли) с пор-тландизвестняковым цементом СЕМ II/B-LL, необходимо проводить дополнительные испытания , бетонов на данном цементе с известняком, содержание СаСО3 в котором составляет 75-90 мас.%.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Wilhelm Geiger GmbH & Co. Tatigkeitsbtricht 2003-2005.
Dusseldorf . - 2005. - р. 99-127
2. ГОСТ 31108-2003. "Цементы общестроительные".
Технические условия.
