CC BY
72
Жесткие бетонные смеси с добавкой микрокремнезема в производстве тротуарной плитки
С.В. Дружинкин, Е. В. Пересыпкин, О. С. Мицкевич, О. С. Никитина, Г.В. Василовская, И.В. Мисютина Сибирский федеральный университет, Красноярск
Аннотация: Рассмотрено влияние зернового состава и активной минеральной добавки микрокремнезема на свойства жесткой бетонной смеси. Осуществлен выбор способа производства тротуарной плитки с учетом технологических режимов по технологии вибропрессования. Определена оптимальная дозировка микрокремнезема положительно влияющая на качество бетона.
Ключевые слова: зерновой состав, жесткая смесь, процессы гидратации, микрокремнезем, тротуарная плитка, тяжелый бетон, прочность на сжатие, истираемость.
На сегодняшний день приобрело особую актуальность качество проживания населения в городской среде. Важное значение в передвижении человека в городе носит пешеходная зона в виде благоустроенных площадок и тротуаров. Среди тротуарных покрытий, применяемых на городских улицах, в настоящее время лидирующие позиции занимает искусственная тротуарная плитка, постепенно замещающая асфальтобетонное покрытие. Тротуарная плитка отличается долговечностью, надежностью, большим разнообразием форм, размеров, широким спектром цветов и фактур; они легки в применении, эстетичны, относительно просты в производстве [1, 2].
Показатели качества тротуарной плитки должны удовлетворять требованиям ГОСТ 17608-91: класс по прочности не менее В 22,5; марка по морозостойкости должна соответствовать F200; истираемость бетона должна соответствовать 0,7 г/кв. см.
Бетон является основным материалом для производства тротуарной плитки. Выбор исходных материалов для бетона, таких как: цемент, мелкий и крупный заполнители, тонкомолотые минеральные добавки, химические добавки, их оценка качества является важным этапом в технологическом
процессе изготовления тротуарной плитки, влияющим на условия ее эксплуатации.
Тонкомолотые минеральные добавки разделяют на активные техногенного характера, такие как зола-унос, микрокремнезем, шлаки, они обладают гидравлической активностью, способны вступать во взаимодействие с гидроксидом кальция, содержащимся в цементе, образуя более стойкие и прочные соединения.
Неактивные добавки в эту группу можно отнести тонкомолотые известняки и цеолитсодержащую породу, молотые кварцевые пески, глины. Данный вид добавок не обладает гидравлической активностью, химически не взаимодействуют с составляющими вяжущего, способны придать бетонным смесям пластичность, связность и уплотнять структуру твердеющего бетона, что позволяет уменьшить расход цемента [3-5].
Следует отметить, что изготовление тротуарной плитки осуществляется по двум основным технологиям:
- виброформование из подвижных смесей с применением пластифицирующих добавок, где бетонная смесь укладывается в форму, затем уплотняется посредством простого вибрирования на виброплощадке;
- виброформование с пригрузом (виброштампование) из жестких смесей, где уплотнение верхних слоев смеси производят с применением пригрузочного щита на верхней открытой поверхности формуемого изделия, что значительно сокращает время процесса [6];
- вибропрессование из жесткой смеси с пониженным водоцементным отношением, которая сначала укладывается в пресс-форму, затем уплотняется в направлении движения прессующего штемпеля вибропресса под давлением [7] и вибрацией.
Тротуарная плитка, изготовленная по технологии вибропрессования, имеет точные геометрические размеры, высокую прочность и
морозостойкость, следовательно, высокий срок эксплуатации, чем у плитки, изготовленных по способу виброформования [8].
Выбор материалов для бетона предопределяет его состав, обеспечивающий заданные технические свойства бетона, технологию изготовления тротуарной плитки, а также экономические показатели производства.
Для приготовления бетонной смеси в качестве исходных компонентов применяли следующие материалы: портландцемент ЦЕМ 1-32,5 Н (ГОСТ 31108-2016) ООО «Красноярский цемент»; заполнители Березовского месторождения - природный кварцевый песок с Мк=2, содержание пылевидных и глинистых частиц не превышает 2 %, (ГОСТ 8736-2014);щебень фракции 5-10 мм, марка по дробимости 1000 (ГОСТ 266332015, ГОСТ 8267-93);активная минеральная добавка микрокремнезем МКУ-85 (ТУ 5743-048-02495332-96, ГОСТ 31108-2016) ОАО «Кузнецкие ферросплавы», г. Новокузнецк. Химический состав микрокремнезема, (%): 8102-93,9; Mg0-0,81; ^0-0,68; ^0-1,6; АЬ03-0,44; Ca0-0,41; С03-0,41; Fe20з-1,3; ппп-0,45;
Подбор состава тяжелого бетона подбирался расчетно-экспериментальным методом с расчетом расхода материалов на пробные замесы по абсолютным объемам (метод Б.Г. Скрамтаева). Расход компонентов для контрольного состава на 1 м3 бетона составил: портландцемент - 400 кг; песок - 491,1; щебень - 1390,8 кг; вода - 160 л.
Для изучения свойств бетонной смеси и готового бетона были приготовлены жесткие смеси (по метод Скрамтаева ГОСТ 10181-2014) время уплотнения контрольного состава составила 100 сек и В/Ц=0,4, эти показатели необходимо соблюдать с учетом технологических режимов изготовления тротуарной плитки по технологии вибропрессования [9].
Особое внимание при подборе состава тяжелого бетона было уделено зерновому составу с оптимальным соотношением заполнителей в смеси.
Для создания подобия процесса виброштампования изделий из жесткой смеси мы использовали лабораторную виброплощадку, стальную калиброванную лабораторную опалубку типа 2ФК-100, пригруз с площадью нагружения 100х100 мм и лабораторный калиброванный разновес для моделирования нагрузки на штамп. Форму устанавливали на виброплощадку, укладывали бетонную смесь в необходимом для формования количестве, а затем сверху на бетонную смесь укладывали металлическую пластину и пригруз массой 5 кг, таким образом осуществляя уплотнение.
Площадь виброштампа составила:
Уравнение для удельного давления виброштампа на бетон жесткостью
где объем погружения виброштампа в бетон; —средняя
плотность бетонной смеси. Допустим, что пластина виброштампа может максимально погружаться на глубину до 50 мм. Тогда среднее удельное давление виброштампования должно быть не меньше
Г = аЬ = 100 ■ 100 ■ 10 м
(1)
50...200 с [6]
2^д = ^рН-О.ЗкПа
(2)
л 2450
Руд =
Полная статическая масса пригруза составит
1.525 ■ 10~3 ■ 0.01
= 1.5 кг
Принимая во внимание, что закономерность (2) учитывает преимущественно линейный характер развития процесса уплотнения и деформаций в структуре формуемой смеси, то величина статического давления штампа увеличена приблизительно в 3 раза, для учета нарастающих пластических деформаций, тогда необходимая масса пригруза составит не менее 4,5 кг.
В результате проведенных исследовании, было установлено, что наибольший показатель прочности бетонных образцов при сжатии на 28 сут. имеет состав №2 (Ясж =55,5 МПа) с оптимальным соотношением мелкого и крупного заполнителя 50:50, по сравнению с контрольным составом № 1(Ясж =50,2 МПа). Уменьшение доли крупного заполнителя приводит к незначительному снижению прочности бетона состав №3(Ясж =52,5 МПа). Результаты испытания представлены на (рис. 1).
Полученные результата испытаний можно объяснить тем, что жесткие смеси с низким В/Ц под действием внешних сил хорошо уплотняются и уменьшают первоначально занимаемый ими в рыхлом состоянии объем формы. В процессе уплотнения бетонной смеси зерна крупного заполнителя образуют непрерывный каркас и цементное тесто в смеси распределено равномерно, это приводит к повышению плотности и прочности бетона [10].
В дальнейшем все исследования проводились на составе №2 содержанием заполнителей 50:50.
О №---
О 7 14 28
Время. сут
Рис.1. - Предел прочности при сжатии бетонных образцов: 1 - контрольный состав; 2 - состав (соотношение заполнителей 50:50); 3 - состав (соотношение заполнителей 75:25)
Следует отметить, что бетон для тротуарной плитки должен иметь высокую прочность, морозостойкость, водонепроницаемость, повышенную антикоррозионную стойкость к химическим агрессивным средам и обеспечивать стойкость к истиранию и др., все эти показатели качества бетона можно достичь путем введения микрокремнезема в количестве 5-15 % от массы цемента.
Введение микрокремнезема взамен части вяжущего обусловлено его высокой пуццолановой активность. Высокая активность микрокремнезема, влияет на процессы гидратации, структура затвердевшего цементного камня и бетона становится более плотной, соответственно идет уменьшение проницаемости бетона, что существенно влияет на морозостойкость, истираемость и долговечность бетона [11].
Установлено, что основным фактором в механизме действия микрокремнезема является реакция взаимодействия диоксида кремния и гидроксида кальция с образованием низкоосновных гидросиликатов СБИ (I) [11,12].
Известно, что содержание диоксида кремния в микрокремнеземе способствует увеличению количества низкоосновных гидросиликатов кальция, соответственно повышается прочность цементного камня и бетона. Повышение дисперсности микрокремнезема уменьшает капиллярную пористость цементного камня и проницаемость бетона [13].
С увеличением доли микрокремнезема возрастает степень гидратации вяжущего, улучшается сцепление цементного камня с заполнителем в бетоне, за счет перехода извести в стабильные гидросиликаты, увеличивается содержание низкоосновных гидросиликатов кальция, что приводит к повышению прочности бетона в составах № 5 (Ясж=68,0 МПа) и №6 (Ясж=70,0 МПа)по сравнению с контрольным №2 (Ясж=55,5 МПа). Дальнейшее увеличение микрокремнезема взамен части цементы приводит к незначительному повышению прочности бетона, так как идет естественное уменьшение в составе вяжущего минерала С3А и С3Б. Результаты испытаний представлены на рис. 2.
Долговечность тротуарной плитки напрямую зависит от качества применяемых материалов, способа изготовления и показателя истираемости.
Испытания по истираемости бетонных образцов размером 7Х7Х7 см проводили на круге истирания с сухим абразивом, согласно требованиям ГОСТ 13087-81. Результаты испытаний по истираемости бетона в составах составили: №3 - 0,25 г/см2; №4 - 0,2 г/см2; №5 -0,16 г/см2; №6 - 0,15 г/см2, все испытуемые составы соответствуют марке 01.
80
0
7
14
28
Время, сут
Рис.2. - Влияние микрокремнезема (МК) на прочность бетона: 2 - контрольный состав; 3 - состав МК 5 %;4- состав МК 10 %; 5 - состав
Выявлено, что увеличение содержания низкоосновных гидросиликатов кальция в бетонном камне с добавкой микрокремнезема, увеличивает прочность бетона на 26% по сравнению с контрольным составом.
Таким образом, высокая прочность полученных составов бетона с добавкой микрокремнезема обусловлена:
• высокой активностью микрокремнезема влияющего на процессы гидратации, структурообразования и в дальнейшем на структуру затвердевшего цементного камня и бетона;
• структурообразованием твердеющего бетона, который в результате взаимодействия диоксида кремния добавки и гидроксида кальция цемента становится более плотным;
• возрастанием степени гидратации вяжущего и улучшением сцепления цементного камня с заполнителем в бетоне, за счет перехода извести в стабильные гидросиликаты [14, 15].
МК 15 %; 6- состав МК 20 %
Литература
1. Разманкулов Д.Л., Габитов А.И., Чуйкин А.Е., Мунасипов Р.Т. Исторические аспекты производства и использования мелкоштучных бетонных стеновых и дорожных изделий // Башкирский химический журнал. 2006. Том 13 №2 С. 77-83.
2. Полтояйнен А.И. Современный подход в вопросе штучных цементнобетонных изделий для дорог и тротуаров // Весник СГАСУ. Градостроительство и архитектура. 2015. №2 (19) С. 82-86.
3. Шляхова Е.А., Шляхов М.А. Влияние вида минеральной добавки микронаполнителя на свойства мелкозернистого бетона // Инженерный вестник Дона, 2015, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2015/3394.
4. Дружинкин С.В., Василовская Н.Г., Краснова Е.А., Немыкина Д.А. Влияние тонкомолотой цеолитсодержащей породы на свойства мелкозернистого бетона // Инженерный вестник Дона, 2018, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2018/4980.
5. Высоцкий С.А. Минеральные добавки для бетонов // Бетон и железобетон. 1994. №2. С. 7-10.
6. Афанасьева В.Ф., Ипполоитов Е.Н., Подлубная М.С. Технология железобетонных изделий в примерах и задачах / под ред. Л.Н. Попова - М.: Изд - во Высшая школа, 1987. - 192 с.
7. Еремин Н.Ф. Процессы и аппараты в технологии строительных материалов - М.: Высшая школа, 1986. - 280 с.
8. Бабков В.В., Колесник Г.С., Габтов А.И. и др. Каменные и армокаменные конструкции на основе вибропрессования бетонных изделий. - Уфа: Изд-во «Реактив», 2001. -182 с.
9. Баженов, Ю. М. Технология бетона. - М.: Изд - во АСВ, 2002. - 472
с.
10. Гершберг О. А. Технология бетонных и железобетонных изделий. -М.: Издательство литературы по строительству. 1965. -327 с.
11. Каприелов С.С., Шейнфельд А.В., Кривобородов Ю.Р. Влияние структуры цементного камня с добавками микрокремнезема и суперпластификатора на основе бетона // Бетон и железобетон. 1992. №7 С. 5-7.
12. Карпе^ S.S., Sheinfeld А.У. 1пйиепсе of cement stone structure with silica fume аnd superplastlcizer admixtures on concrete strength and permeability // Blended cements in construction - Structural Integrity Research Institute, University of Sheffild, UK,1991, pp.317-328.
13. Василовская Н.Г., Рубайло И. С., Баранова Г.П., Табакова Н.С. Изучение структуры высокопрочного бетона с комплексными добавками // Вестник Красноярской государственной архитектурно-строительной академии Сб. науч. Тр. Вып. 4 // Под ред. В.Д. Наделяев. - Красноярск: КрасГАСА С. 48-52.
14. Куртович А., Адемович Н. Параметрический анализ воздействия кремнезема на высокопрочный состав бетона. Лекционные заметки в сетях и системах. 76. 2020. С. 514-522.
15. Gaitero, J.J., Campillo, I., Guerrero, A.: Reduction of the calcium-leaching rate of cement paste by addition of silica nanoparticles. Cem. Concr. 2008. №38. pp. 1112-1118.
References
1. Razmankulov D.L., Gabitov A.I., Chuikin A.E., Munasipov R.T. Historical aspects of the production and use of small-piece concrete walling and road products. Bashkir Chemical Journal. 2006. Vol. 13 No. 2. pp. 77-83.
2. Poltoyajnen A.I. Vesnik SGASU. Gradostroitel'stvo i arhitektura 2015. №2 (19) pp. 82-86.
3. Shlyakhova E.A., Shlyakhov M.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2015, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2015/3394.
4. Druzhinkin S.V., Vasilovskaya N.G., Krasnova E.A., Nemykina D.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2018, №2. URL: URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2018/4980.
5. Vysotsky S.A. Mineralnyye dobavki dlya betonov [Mineral additions for concrete]. Beton i zhelezobeton. 1994. №2. pp. 7-10.
6. Afanasyeva V.F., Ippoloitov E.N., Podlubnaya M.S. Tekhnologiya zhelezobetonnykh izdeliy v primerakh i zadachakh [The technology of reinforced concrete products in cases and exercises]. Popova L.N. M.: Graduate School Publishers, 1987. 192 p.
7. Eremin N.F. Protsessy i apparaty v tekhnologii stroitelnykh materialov [Processes and apparatus in the technology of building materials]. M.: Vysshaya shkola. 1986. 280 p.
8. Babkov V.V., Kolesnik G.S., Gabtov A.I. Kamennyye i armokamennyye konstruktsii na osnove vibropressovaniya betonnykh izdeliy [Stone and armo-stone constructions on the basis of vibropressing concrete products. Ufa: Izd-vo «Reaktiv». 2001. 182 p.
9. Bazhenov, Yu. M. Tekhnologiya betona [Concrete technology]. M.: Izd - vo ASV. 2002. 472 p.
10. Gershberg O.A. Tekhnologiya betonnykh i zhelezobetonnykh izdeliy [Technology of concrete and reinforced concrete products]. M.: Publishing house of literature on construction. 1965. P. 327.
11. Kaprielov S.S., Sheinfeld A.V., Krivoborodov Yu.R. Beton i zhelezobeton 1992. №7. pp. 5-7.
12. Карrielov S.S., Sheinfeld А.V. Influense of cement stone structure with silica fume apd superplastlcizer admixtures on concrete strength and permeability.
Blended cements in construction - Structural Integrity Research Institute, University of Sheffild, UK.1991. pp. 317-328.
13. Vasilovskaya N.G., Rubailo I.S., Baranova G.P., Tabakova N.S. Vestnik Krasnoyarskoj gosudarstvennoj arhitekturno-stroitel'noj akademii Sb. nauch. Tr. Vyp. 4. Pod red.Nadelyaev V.D. Krasnoyarsk: KrasGASA, pp. 48-52.
14. Kurtovic, A., Ademovic, N. Parametricheskiy analiz vozdeystviya kremnezema na vysokoprochnyy sostav betona [Parametric Analysis of Silica Fume Effects on the High Strength Concrete Composition]. Lekcionnye zametki v setyah i sistemah. [Lecture Notes in Networks and Systems]. 76. 2020. pp. 514522.
15. Gaitero. J.J. Campillo. I. Guerrero. A.: Cem. Concr. 2008. №38. pp. 1112-1118.
