Эффективность различных способов повышения ранней прочности бетона нормального твердения на шлакосодержащих цементах.

Более чем 100-летний опыт производства шлакосодержащих цементов показал их бесспорную эффективность с позиций ресурсо- и энергосбережения не только для предприятий-изготовителей, но и для потребителей цементов. Положительные свойства шлакопортландцемента известны: повышенная водо- и сульфатостойкость, жаростойкость, пониженная экзотермия, интенсивный рост прочности при повышенной температуре. Однако несмотря на накопленный опыт, отношение строителей к применению портландцементов с повышенным содержанием шлака (21–35 %) и шлакопортландцементов в бетоне – далеко не однозначное.

Наибольшее опасение вызывает возможное снижение прочности в раннем возрасте, замедленный темп роста прочности при нормальных и пониженных температурах.

Регулирование химико-минералогического состава клинкера, применение помола цемента в замкнутом цикле позволяет выйти на оптимальный уровень качества цемента. Однако при увеличении содержания шлака в цементе ранняя прочность бетона может существенно снижаться.

На рис. 1представлены полученные нами данные об активности цемента при различном содержании в нем доменного шлака. Для исследований была использована смесь бездобавочного портландцемента Здолбуновского завода с доменным гранулированным шлаком Днепродзержинского комбината, который домалывали в лабораторной мельнице на протяжении 45 мин. При этом тонкость помола соответствовала остатку на сите 008 7…10 %.

 

Как видим, “разбавление” клинкера шлаком приводит к наиболее интенсивному снижению активности цемента в возрасте 2 и 7 сут., и это снижение почти пропорционально содержанию шлака в смеси. К возрасту 60 сут. активность цементов начинает сближаться.

Для бетона нормального твердения на цементах с повышенным содержанием доменного шлака часто возникает необходимость в дополнительных мероприятиях по повышению их ранней прочности. Наиболее распространенными способами такого повышения являются:

1. переход на цемент с меньшим содержанием минеральных добавок;

2. повышение марочной и – одновременно – ранней прочности бетона при повышении Ц/В путем

- увеличения расхода цемента;

- снижения водопотребности бетонной смеси при применении пластификаторов;

3. повышение ранней прочности (без существенного изменения марочной) при введении добавок-ускорителей.

Возможно также сочетание указанных способов.

Выбор определенного способа для конкретного производителя бетона целесообразно выполнять с учетом его технологической эффективности в конкретных условиях, определяемых классом бетона, его назначением, подвижностью бетонной смеси, особенностями заполнителей, возможностью применения химических добавок. Однако окончательное решение следует принимать главным образом с учетом себестоимости бетонной смеси.

Переход на цемент с меньшим содержанием минеральных добавок и увеличение его расхода – наиболее простые способы повышения ранней прочности бетона. Однако их эффективность прямо связана с ценами на цемент и их соотношением для различных типов. Увеличение абсолютного расхода цемента не только увеличивает стоимость бетона, но и повышает его усадку, тепловыделение. В таблице 1 приведены усредненные данные, которые показывают соотношение роста ранней прочности бетона и стоимости цемента в бетоне. Результаты получены для цементов Днепродзержинского и Криворожского заводов, входящих в состав ОАО “Кривой Рог Цемент”, где накоплен большой опыт производства цементов с повышенным содержанием шлака. Принятое соотношение цен на цемент также соответствует продукции указанных производителей.

Таблица 1.

Экономическая эффективность увеличения ранней прочности бетона при увеличении его расхода и переходе на другой тип цемента

Тип цемента	Содержание шлака, %	Цена, %, по отношению к ШПЦ	Повышение прочности в возрасте 2–3 сут., % Повышение стоимости цемента в бетоне, % при увеличении расхода цемента на
			0	15 %	25 %	40 %
ШПЦ	36–50	100	–	10...15 15	15...25 25	30...50 40
ПЦ ІІ/Б (Д35)	21–35	104	20...30 4	25...40 20	45...60 30	70...90 46
ПЦ ІІ/А (Д20)	6–20	107	50...55 7	55...70 23	80...100 34	100...120 50
ПЦ І (Д0)	0	119	70...80 19	80...100 37	110...130 49	130...150 67

Как видно из таблицы 1, переход на цемент с более низким содержанием шлака может быть экономически оправдан при небольшой разнице в цене цементов, существенно отличающихся по содержанию шлака. При увеличении цены бездобавочного цемента экономическая эффективность такого приема резко падает.

Одновременное повышение марочной и ранней прочности бетона путем уменьшения водосодержаниябетонной смеси более целесообразно не только по экономическим, но и по технологическим соображением. Уменьшение расхода воды при введении пластифицирующих добавок при прочих равных условиях снижает капиллярную пористость бетона, тем самым повышая его непроницаемость, морозостойкость. В таблице 2 и на рис. 2 приведена прочность бетонных смесей одинаковой подвижности с равным расходом цемента без добавки и с добавкой суперпластификатора С-3 в количестве 0,7 % от массы цемента. Применение добавки при постоянном расходе цемента и одинаковой подвижности бетонной смеси позволило увеличить марочную прочность примерно на один класс, а прочность в возрасте 2 сут. выросла на 27–51 %.

Таблица 2

Повышение прочности бетона при введении суперпластификатора С-3

Тип цемента, завод-производитель	Принятый состав бетона
	Ц=376 кг/м3 В=215 кг/м3 (В/Ц=0,57)				Ц=376 кг/м3 В=175 кг/м3 С-3=0,007Ц (В/Ц=0,47)
	ОК, см	Прочность, МПа, в возрасте			ОК, см	Прочность, МПа, в возрасте
		2 сут.	7 сут.	28 сут.		2 сут.	7 сут.	28 сут.
ШПЦ ІІІ/А, Днепродзержинск	10,5	4,4	9,9	19,0	12	6,0	14,0	27,7
ПЦ ІІ/Б, Кривой Рог	10	6,55	13,8	23,85	12	9,0	17,5	29,9
ПЦ ІІ/Б, Днепродзержинск	15	5,9	12,35	20,2	14	7,5	17,5	28,5
ПЦ ІІ/А, Кривой Рог	15	7,5	13,95	26,0	16	11,3	20,2	33,5

 

В таблице 3 приведена сравнительная эффективность других пластифицирующих добавок в случае применения их для снижения расхода воды при сохранении подвижности смеси. Применение пластификаторов и суперпластификатора С-3 экономически более целесообразно, чем увеличение расхода цемента. Эффективность применения суперпластификаторов четвертого поколения для литых бетонных смесей сопоставима с переходом на бездобавочный цемент и одновременным увеличением его расхода до 30–40 %. Однако с технологической точки зрения применение новейших суперпластификаторов предпочтительнее, тем более, что цена такой добавки как Мареi SP3, например, в условиях Украины вполне приемлема (1,6–1,7 $/л).

Известным приемом повышения ранней прочности бетона является введение ускорителей твердения, в первую очередь электролитов. В Украине сегодня для модификации свойств бетонов и бетонных смесей широко используется система добавок “Релаксол”, основанная на техногенной смеси роданида и тиосульфата натрия. На рис. 3 приведена прочность бетонов умеренно подвижной консистенции одинакового состава без добавки и с добавкой “Релаксол-Лидер” в количестве 1 % от массы цемента.

Таблица 3

Сравнительная эффективность добавок-пластификаторов 1)

Добавка	Расход, % от массы цемента	Водоредуцирующая способность, %	Усредненное увеличение ранней прочности, %	Стоимость добавки по отношению к ШПЦ	Повышение стоимости материалов в бетоне, %
ЛСТ	0,2	8...12	10...15	6,25	1,3
Sika Plastiment BV-60	0,3	10…12	10...20	16,8	5
С-3	0,35	12...15	10...20	22	7,6
	0,5	16...18	15...30		11
	0,7	18...20	30...50		15,3
Mapei Dynamon SP3	1 (0,222))	30…35	40…60	25 (113 2))	25
	1,5 (0,332))	40…45	60…90		37.5
Mapei Dynamon SR3	1	22…28	40…55	37,4 (150 2))	37.4
	1,5	30…35	40…60
					56.1
Sika Viscocrete S-600	1	30…35	40…60	38.6	38.6
	1,5	40…45	60…90		57.9

Примечания: 1) - при применении как водоредуцирующих для снижения расхода воды при неизменном расходе цемента и равной подвижности бетонной смеси;

2) - в пересчете на сухое вещество.

Как следует из диаграммы, повышение ранней прочности бетона (2 сут.) составило от 29 до 68 %. Аналогичные результаты получены для литых бетонных смесей при расходе добавки 1,5 % (рис. 4). Следует отметить, что во всех случаях наиболее высокие результаты были получены для ШПЦ Днепродзержинского завода, что, по-видимому, можно объяснить некоторой активизацией шлаковых стекол тиосульфатом натрия, которая более существенно проявляется в высокоалюминатных цементах.

С целью повышения уровня активации шлака были также рассмотрены комплексные добавки состава “Релаксол”+ сульфат (щелочь), и проведено сравнительное их исследование в бетонах на цементах ПЦ ІІ/Б и ШПЦ. Также рассматривалось действие традиционных добавок–электролитов (нитрат кальция, сульфат натрия). Результаты приведены в таблице 4. Наиболее эффективной оказалась комплексная добавка “Релаксол” (1,5 %) + сульфат натрия (1 %). Следует отметить, что повышение расхода “Релаксола” до 2,5 % незначительно увеличивает ускоряющий эффект, поэтому оптимальным следует считать дозировку 1,5 %. Некоторый синергетический эффект имеет также смесь добавки “Релаксол” и соды.

Таблица 4.

Результаты сравнительного исследования добавок-ускорителей (цемент ПЦ ІІ/Б Днепродзержинского завода)

Тип добавки, расход	Принятые состав бетона
	В/Ц=0,48 В=245 кг/м3
	ОК, см	Прочность бетона, МПа, в возрасте
		2 сут.	7 сут.	28 сут.
-	17	4,9	12,4	23,7
Релаксол-Лидер 1,5 %	21	7,9 (61 %*)	14,1	26,3
Релаксол-Лидер 2,5 %	22,5	8,4 (71 %)	15,2	26,5
Сульфат натрия (1 %)	17	6,5 (33 %)	15,5	24,8
Сульфат алюминия (3 %)	10	8,6 (76 %)	17,0	25,6
Нитрат кальция (3 %)	15,5	5,2 (6 %)	14,3	24,8
Релаксол (1,5 %) +сульфат натрия (1 %)	22,0	11,0 (124 %)	19,2	30,8
Релаксол (1,5 %) +сульфат алюминия (1 %)	20	8,9 (82 %)	18,3	28,8
Релаксол (1,5 %) + нитрат кальция (3 %)	22,5	5,6 (15 %)	14,5	22,8
Релаксол (1,5 %) + сода (1 %)	20,5	8,6 (76 %)	15,9	25,4

* - увеличение прочности по сравнению с бетоном без добавки

 

Отдельно были рассмотрены композиции ускоритель (Релаксол) + суперпластификатор, реализованные в добавках “Реламикс”, “Релаксол-супер”. В наших опытах использовали смесь добавок “Релаксол-Лидер” (1,5 %) и С-3 (0,7 %), а также “Релаксол-Супер” (2 %). Результаты (при постоянном расходе цемента) приведены в таблице 5. Данный прием оказался достаточно эффективен, причем возможно использование как готовой добавки (“Релаксол-Супер”), так и добавки, полученной смешиванием отдельных компонентов при изготовлении бетона.

Таблица 5.

Результаты исследования комплексной добавки “ускоритель твердения + суперпластификатор” (шлакопортландцемент, Ц = 430 кг/м3)

Добавка	Ц/В	ОК, см	Прочность бетона, МПа, в возрасте
			2 сут.	7 сут.	28 сут.
-	1,75	17,5	3,5	7,1	17,4
С-3 (0,7 %)	2,02	17	5,3 (51 %*)	13,3	26,8
Релаксол-Лидер (1,5 %) + С-3 (0,7 %)	2,02	19,5	7,4 (111 %)	16,5	30,2
Релаксол-Супер (2,5 %)	2,0	20	6,8 (93 %)	15,4	31,0

* - увеличение прочности по сравнению с бетоном без добавок

В таблице 6 выполнено экономическое сравнение применения различных добавок-ускорителей, а в таблице 7 – сравнение различных способов повышения ранней прочности бетона на шлакопортландцементе (содержание доменного гранулированного шлака до 50 %).

Таблица 6

Сравнительная эффективность добавок-ускорителей

Добавка	Расход, % от массы цемента	Водоредуцирующая способность, %	Усредненное увеличение ранней прочности, %	Стоимость добавки по отношению к ШПЦ, %	Повышение стоимости материалов в бетоне, %
Релаксол-Лидер	1	3...5	40...60	12	12
Релаксол-Лидер	1,5	5...8	55...65	12	18
Релаксол-Лидер	2,5	8...12	65...80	12	30
Релаксол-Супер	1,5	12…15	55...70	23	34,5
Релаксол-Супер	2,5	15…20	70...100	23	57,5
Релаксол + сульфат натрия	1,5+1	5...8	90...130	12 / 2,8	20,8
Релаксол + сода	1,5+1	5...8	70...90	12 / 3	21
Релаксол-Лидер + С-3	1,5+0,7	17...22	90...110	12 / 22	33,3

Таблица 7

Сравнительная эффективность различных способов повышения ранней прочности бетона на шлакопортландцементе

Способ повышения ранней прочности	Повышение стоимости вяжущего в бетоне, %, при увеличении прочности в возрасте 2 сут на:
	40…60 %	70…90 %
Увеличение расхода цемента	40	–
Переход на ПЦ ІІ/А с увеличением расхода цемента	23	34
Переход на ПЦ І	19	37
Применение добавки С-3	15,3	–
Применение добавки Мареi SP3	25	37,5
Применение добавки Релаксол-Лидер	12	30
Применение добавки Релаксол-Лидер + сульфат натрия	–	20,8
Применение добавки Релаксол-Супер	34,5	57,5
Применение добавки Релаксол-Лидер + С-3	–	33,3

Таким образом, при существующем сегодня в Украине соотношении цен на цемент и химические добавки известные способы повышения ранней прочности бетона на шлакосодержащих цементах можно расположить в следующей последовательности по экономической эффективности:

- введение ускорителей и комплексных добавок;

- введение суперпластификаторов;

- переход на ПЦ-І;

- увеличение расхода цемента (и переход на другой тип).

Очевидно, что в ряде случаев (например, для литых смесей) следует применять несколько способов одновременно.

В каждом конкретном регионе соотношение цен на цементы различных типов и химические добавки в бетон может существенно отличаться от приведенных выше. Поэтому результаты выполненных нами исследований следует рассматривать как ориентир, который позволит производителям бетона найти свой оптимальный вариант в дилемме “качество – затраты”, если речь идет о проблеме ранней прочности бетона.

Л. И. Дворкин; О. Л. Дворкин, докт. техн. наук, профессора,
Ю. В. Гарницкий, канд. техн. наук, доцент (Национальный университет водного хозяйства и природопользования, г. Ровно, Украина)

 

Новая книга - ПЕСЧАНЫЙ БЕТОН И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ. Дата выхода из печати 15.06.07. Прием рекламы в книгу до 05.06.07 Для подачи рекламы пишите betonmagazine@mail.ru или (812) 702-82-07, 702-82-97 Аннотация Применение песчаного бетона в России является одной из приоритетных задач строительной индустрии. Месторождения крупного заполнителя на территории страны расположены крайне неравномерно, а высокопрочного крупного заполнителя вообще исчисляются единицами. Существуют регионы – Поволжье, Восточная Сибирь, Вологодская область и др., где используется только привозной щебень, и именно его стоимость, а не цемента является основной составляющей стоимости бетона. Ежегодная транспортировка крупного заполнителя для бетона составляет 80 млрд. ткм. Песок – повсеместно распространенный местный строительный материал и его стоимость в 2–4 раза ниже стоимости щебня. Автор монографии «Песчаный бетон и его применение в строительстве» доктор техн. наук, проф. К.И. Львович в течение многих лет занимается изучением песчаных бетонов – конструкций, технологии, оборудования, материаловедением, химдобавками, особенностями совместной работы с арматурой, свойствами песков-заполнителей. На базе предложенной автором классификации песчаных бетонов систематизированы и обобщены отечественные и зарубежные работы по проблеме, а также свыше 200 собственных публикаций. Монография, имеющая практическую направленность, позволяет решение основных вопросов использования песчаного бетона – выбор и оценку песка, цемента, проектирование состава, разработку технологического регламента и др. до контроля качества готовой продукции. Самый объемный раздел монографии посвящен разработке и внедрению конструкций из песчаного бетона. Показано, что наиболее эффективно использование песчаного бетона в тех конструкциях, где решены не только технологические вопросы, связанные с исключением щебня из состава бетонной смеси, а выполнено их проектирование с учетом физико-механических и структурных характеристик материала. Монография рассчитана, главным образом, на инженерно-технический персонал предприятий строительной индустрии, ставящих задачей использование песчаного бетона в сборных и монолитных конструкциях. Об авторе Львович Константин Иосифович – доктор технических наук, профессор, автор около 200 научных работ и 23 патентов на изобретения. Его научные труды посвящены вопросам строительства, строительной индустрии, разработке новых строительных материалов, конструкций, технологий, оборудования, материаловедению, заполнителям. Под руководством профессора К. И. Львовича осуществлено массовое внедрение исследований на предприятиях стройиндустрии России и стран СНГ.