Проектирование составов малоцементных бетонов с золомикрокремнеземистым наполнителем

В статье приведены результатыэкспериментальных исследований свойств малоцементных бетонов с комплексным золомикрокремнеземистымнаполнителем (ЗМКН). Предлагается алгоритм проектирования составов бетонов сЗМКН.

Внастоящее время в строительстве находят применение бетоны, содержащие 200–600кг/м3 портландцемента. Результаты исследований и практический опытпоказывают, что при определенных условиях бетоны классов В7,5–В25 (применяемые наиболеешироко) могут быть получены и при расходе цемента менее 200 кг/м3.Такие бетоны можно условно назвать малоцементными [7].

Уменьшениерасхода цементного теста без увеличения жесткости бетонной смеси может бытьдостигнуто путем применения пластифицирующих ПАВ, в особенностисуперпластификаторов. Наиболее эффективно сказывается введение композиции «суперпластификатор— наполнитель», позволяющей получить бетоны с минимальным расходом цемента дажепри использовании литых смесей [3].

Рольнаиболее активных наполнителей могут выполнять ультрадисперсные порошки, так называемыемикрокремнеземы (МК), улавливаемые при газоочистке на ряде металлургическихпроизводств, например, при производстве ферросплавов. Эффективность МК какактивных наполнителей бетонов показана во многих работах как зарубежных, так иотечественных исследователей [5]. Эти работы выполнены, как правило, длябетонов с относительно высоким расходом цемента.

Рекомендуемоесодержание МК в бетонах 20–50 кг/м3. Большее содержание МК приводитк резкому возрастанию водопотребности бетонных смесей, необходимостиповышенного количества суперпластификаторов, снижению трещиностойкости бетонов.

Длямалоцементных бетонов, когда требуемый расход наполнителя соизмерим с расходомцемента или больше его, МК представляют интерес как активирующие компонентыкомпозиционных наполнителей.

Каменноугольнаякислая зола-унос относится к числу наиболее распространенных и сравнительнохорошо изученных минеральных наполнителей цементных бетонов [6]. Пуццолановаяактивность золы-уноса сравнительно невелика (10–50 мг CaOна 1 г), оназависит, в основном, от содержания и состава стекловидной фазы, а такжедисперсности.

Большимпреимуществом золы-уноса как наполнителя цементных бетонов является низкаяводопотребность. Введение в бетонную смесь золы, в отличие от других активныхминеральных добавок, как правило, не ухудшает, а улучшает удобоукладываемость [8].

Можнопредположить, что композиционные золомикрокремнеземистые наполнители (ЗМКН)должны обладать, с одной стороны, повышенной пуццолановой активностью и поверхностнойэнергией, а с другой — умеренной водопотребностью и обеспечивать долговременныйрост прочности, что особенно важно для малоцементных бетонов.

Дляколичественной оценки влияния факторов состава наполненного вяжущего наудобоукладываемость малоцементных бетонных смесей выполнены алгоритмизированныеэксперименты в соответствии с планом Ha5. В качестве планируемыхфакторов выбраны:

— объемнаяконцентрация МК в ЗМКН:

Х1=uмк/(uмк+uз);

— объемнаяконцентрация ЗМКН в наполненном вяжущем:

Х2=(uмк+uз)/(uмк+uз+uц);

— объемнаяконцентрация наполненного вяжущего в водной пасте:

Х3=(uмк+uз+uц)/(uмк+uз+uц+uв);

— объемнаяконцентрация водной пасты наполненного вяжущего в бетонной смеси:

Х4=(uмк+uз+uц+uв)/(uмк+uз+uц+uв+uзап);

— объемнаяконцентрация суперпластификатора в воде затворения:

Хс=uс/(uс+uв);

гдеuмк, uз, uц, uв, uзап, uс— объемы МК, золы-уноса, цемента, воды, заполнителей и суперпластификатора,расходуемых на изготовление бетонной смеси, соответственно.

Выборв качестве планируемых четырех концентрационных факторов (Х1, Х2,Х3 и Х4), представленных объемными соотношениями,позволяет: во-первых, проследить влияние на изучаемое свойство пяти параметровсостава: расхода МК, золы-уноса, цемента, воды и заполнителей (при условии uмк+uз+uц+uв+uзап=1;фактор Хс характеризует влияние расхода суперпластификатора);во-вторых, применить полиструктурный метод технологического анализа, учитывая,что каждый последующий фактор характеризует более сложный структурный уровеньэлементов бетонной смеси, чем предыдущий.

Переходот объемных соотношений к объемным и массовым расходам отдельных компонентов на1 м3 бетонной смеси производили по формулам:

uмк=Х1•Х2•Х3•Х4,МК=uмкrмк; (1)

uз=(1 – Х1)•Х2•Х3•Х4,З=uзrз; (2)

uц=(1 – Х2)•Х3•Х4,Ц=uцrц;(3)

uзап=1 – Х4,Зап=uзапrзап; (5)

гдеМК,З,Ц,В,Зап — расходы МК, золы-уноса, цемента, воды и заполнителей соответственно, кг/м3.

Прирасчете по формулам 1–5 принимали следующиезначения плотности микрокремнезема, золы-уноса, цемента, воды и заполнителей: rмк=2100кг/м3, rз=2200кг/м3, rц=3100кг/м3, rв=1000кг/м3, rзап=2650кг/м3.

Вкачестве исходных материалов использовали: портландцемент М 500 (ПЦ-1)Здолбуновского ЦШК, песок средней крупности с водопотребностью Bп=7,5%, гранитный щебень фракции 5–20 мм. Суперпластификатором служила добавка С-3.В качестве основных компонентов ЗМКН применяли среднедисперсную (330 м2/кг)золу-унос Бурштынской ТЭС, активностью 31,5 мг CaO на 1 г и микрокремнеземСтахановского завода ферросплавов с содержанием SiO2 91,5 %, удельнойповерхностью 2250 м2/кг, активностью 155,4 мг CaOна 1 г.

Установивобщий расход заполнителей, с помощью известных рекомендаций [1]находили расход мелкого и крупного заполнителей.

В табл. 1 приведены условия планированияэкспериментов при изучении влияния указанных выше факторов на жесткостьбетонной смеси с ЗМКН.

Фактор	Уровни варьирования			Интервал варьирования
	–1	0	+1
Х1	0	0,50	1,00	0,50
Х2	0,25	0,40	0,55	0,15
Х3	0,40	0,50	0,60	0,10
Х4	0,25	0,265	0,28	0,015
Хс	0	0,01	0,02	0,01

Таблица 1. Условия планированияэкспериментов

Вобласти варьирования факторов расход МК колеблется от 0 до 194 кг/м3,золы — от 0 до 203 кг/м3, цемента — от 139 до 338 кг/м3,воды — от 100 до 168 кг/м3.

Обработкаэкспериментальных данных позволила получить математическую модель жесткостибетонной смеси, наполненной ЗМКН:

Y1=58,5+32,4X1+24,5X2+7,6X3– 28,2X4 –

–20,5Xс+8,5X12 – 5,6X22+7,5X32+6,8X42+

+6,2Xс2– 14,3X1X2 – 7,4X2Xс+18,8X1X2.(6)

Анализмодели позволяет констатировать, что объемная доля МК в ЗМКН являетсясильнейшим фактором, определяющим жесткость наполненной бетонной смеси. Приэтом стремительное возрастание жесткости имеет место при Х1>0,5,и особенно в смесях с пониженным содержанием суперпластификатора или без него.Обращают на себя внимание сильные эффекты взаимодействия между факторами Х1и Х2, Х1 и Хс, что указывает на необходимостьтесной взаимосвязи при назначении составов удобоукладываемых бетонных смесейрасходов МК, золы и суперпластификатора. При одной и той же объемнойконцентрации цементного теста в бетонной смеси (Х4=0) изменениесостава наполненного теста при максимальном содержании суперпластификатора впределах области варьирования вызывает изменение жесткости от 30 до 116 сек.

Изучаливлияние на прочность бетона при сжатии после пропаривания и нормальноготвердения в возрасте 28 сут. факторов Х1–Х4,характеризующих основные уровни структуры и состав бетонов с ЗМКН, а также фактораХс — объемной концентрации суперпластификатора в водном затворителе.

Изготавливалиобразцы-кубы с размером ребра 10 см. Пропаривание проводили в лабораторной пропарочнойкамере по режиму (2)+3+6+2 при 80 °C. Образцыиспытывали через 0,5 ч после охлаждения. Опыты проводили в соответствии сфакторным планом На5. В результате обработки экспериментальныхданных получены математические модели прочности пропаренного бетона Y2 и бетонанормального твердения Y3:

Y2=18,5+4,5X1+3,3X2+4,3X3+2,8Xc– 2,4X12 – 1,9X22 –

– 0,5X32 – 0,7Xc2+2,4X1Xc– 0,6X1X2; (7)

Y3=23,4+4,9X1+2,8X2+4,1X3+2,7Xc– 2,7X12 – 2,1X22 –

– 0,3X32 – 0,8Xc2+1,9X1Xc– 0,8X1X2. (8)

Моделипрочности бетона Y2и Y3позволяют проводить интерполяционные расчеты, оценивать возможностьстабилизации и регулирования предела прочности бетона при сжатии как послепропаривания, так и через 28 сут. нормального твердения при измененииварьируемых технологических факторов. Такие расчеты удобно производить спомощью номограмм рис. 1, 2.Наиболеераспространенный расчетно-экспериментальный метод проектирования составов, основанныйна обобщенной зависимости прочности бетона от Ц/В [1], не учитывает особенноститвердения бетонов с микронаполнителями. Это способствует разработке ряда новыхметодов проектирования составов наполненных бетонных смесей, общей особенностьюкоторых является использование полиноминальных математических моделей [2]. Види число моделей, совокупность учитываемых факторов определяются постановкойконкретной задачи.

Рис. 1. Номограммапрочности пропаренного бетона (Rбпр)с ЗМКН

Рис. 2.Номограмма жесткости бетонной смеси (Ж) с ЗМКН

Призаданных значениях удобоукладываемости бетонной смеси с ЗМКН и прочности наполненногобетона для проектирования составов могут быть использованы модели Y1, Y2 и Y3.

Анализмоделей показывает, что изменение в определенной области основныхтехнологических факторов (за исключением Хс), увеличивая прочность,вместе с тем ведет bк повышению жесткости бетонной смеси. Очевидно, оптимальныйсостав наполненной бетонной смеси должен находиться в некоторой компромисснойобласти. Примем в качестве критерия оптимизации составов минимальный расходцемента при обеспечении требуемой прочности бетона с ЗМКН и удобоукладываемостибетонной смеси. При отсутствии ограничений на ресурсы (МК, золу-унос,суперпластификатор) можно предложить следующую схему подбора состава бетонныхсмесей с ЗМКН:

1.Из модели прочности находим частные производные dY/dXi (Х1,Х2 и Хс) и решением системы трех линейных уравненийрассчитываем Х1opt, Х2opt и Хсopt.Оптимальные значения факторов для предотвращения риска экстраполяции не должнывыходить за граничные значения области варьирования.

2.При расчетных значениях Х1, Х2 и Хс и заданнойпрочности находим Х3р — объемную концентрацию вяжущего,включающего цемент, МК и золу-унос, в тесте, содержащем дополнительно водузатворения. Если нормируются одновременно прочность пропаренного бетона ибетона нормального твердения, Х3р должен обеспечить обапрочностных параметра. При этом выбираются Х1, Х2 и Хс,обеспечивающие наименьшее значение Х3р.

3.При заданных удобоукладываемости бетонной смеси, Х1, Х2 иХс находим Х4р — объемную концентрацию наполненногоцементного теста в бетонной смеси.

4.С помощью расчетных значений Х1opt, Х2opt,Хсopt, Х3p и Х4pпо формулам 1–5 находим расходыцемента, золы-уноса, МК, воды и заполнителя — смеси песка и щебня.По известным формулам или таблицам [2, 3] находим с учетом объеманаполненногоцементного теста и вяжуще-водного отношения расходы мелкого и крупногозаполнителей.

5.Расчетный состав наполненного бетона уточняем экспериментально по обычнойметодике корректирования расчетного состава бетонной смеси.

В табл. 2 приведены примеры определениярасчетных составов бетонных смесей с ЗМКН.

Проектные требования к бетону			Расчетные параметры		Состав бетонной смеси, перед чертой — в л/м3, после — в кг/м3
Rн, МПа (Y2)	Rпр, МПа (Y3)	Ж, сек (Y1)	Х3Р	Х4Р	uмк/МК	uз/З	uц/Ц	uв/В	uзап/Зап
20		40	0,457	0,25	13/27	48/106	54/167	136/136	750/1950
30		40	0,6	0,27	18/38	68/150	76/236	108/108	730/1900
	10	40	0,4	0,26	12/25	45/100	47/146	156/156	740/1920
	20	40	0,56	0,26	17/36	63/139	66/205	114/114	740/1920

Таблица 2. Примеры расчетных составовбетона с ЗМКН. Х1oрt=0,21, Х2opt=0,53,Хсopt=0,02. Rн, Rпр — прочностьбетона нормального твердения и пропариваемого бетона соответственно, Ж —жесткость бетонной смеси.

Приограничении имеющихся ресурсов (МК, зола-унос, суперпластификатор)корректируются Х1, Х2 и Хс. При этом возможноиспользование линейных уравнений, полученных дифференцированием dY2/dX1или dY3/dX1.

Дляпроектирования составов бетонов с ЗМКН с учетом изменчивости качественныхпоказателей исходных компонентов можно использовать методологию оперативногокорректирования моделей с помощью адаптивных алгоритмов [4].

Литература:

1. БаженовЮ. М. Технология бетона. — М.: Высшая школа, 1987.

2. ДворкинЛ. И. Оптимальное проектирование составов бетона. — Львов: Вища школа, 1981.

3. ДворкинЛ. И., Кизима В. П. Эффективные литые бетоны. — Львов: Вища школа, 1986.

4. ДворкинЛ. И., Шамбан И. Б. Многофакторное прогнозирование свойств и проектированиесоставов бетонов. — М.: Стройиздат, 1992.

5. Добавкив бетон / Под ред. В. С. Рамачандрана. — М.: Стройиздат, 1988.

6. СергеевА. М. Использование в строительстве отходов энергетической промышленности. — Киев:Будівельник, 1984.

7. СудаковВ. Б. Рациональное использование бетона в гидротехнических сооружениях. — М.:Энергия, 1976.

8. Цементныебетоны с минеральными наполнителями / Под ред. Л. И. Дворкина. — Киев:Будівельник, 1991.