Эффективность минеральных и химических добавок в гидротехнических бетонах

Кхарактерным особенностям современной строительной технологии можно отнести всёбольшее развитие производства цементов и бетонов с минеральными добавками, чтоособенно актуально для гидротехнических бетонов.

Вомногих европейских странах стандартизированы портландцементы, содержащие до 35 %активных минеральных добавок, 20 % известняка, 80 % композиции добавок, включающихдоменный шлак, каменноугольную золу-унос и др. Увеличились допустимыепредельные значения содержания шлака и пуццолана в шлаковых и пуццолановыхпортландцементах, достигнув соответственно 80 и 55 %.

Целесообразностьувеличения доли минеральных добавок в цементах не вызывает сомнений у цементныхзаводов, в то же время для потребителей цементов она не всегда так однозначна.В разное время этот вопрос вызывал острые споры между производителями ипотребителями цементов. С развитием рыночных отношений он приобретает еще большуюостроту. Введение минеральных добавок в цементы позволяет экономить наиболееэнергоемкий компонент цемента — клинкер и с макроэкономических позицийуменьшает расход топливных ресурсов на производство самого бетона, изделий иконструкций на его основе [3, 4]. В то же время для предприятий — потребителейцемента основным условием при оценке предпочтительности применения того илииного его вида является обеспечение необходимых качественных показателейвыпускаемой продукции при наименьших затратах.

Технико-экономическимкритерием эффективности цемента в рядовых бетонах можно считать отношениенеобходимых на него затрат к величине прочности бетона Rб:

, (1)

гдеСц — стоимость 1 т цемента;

Ц — расходцемента на 1 м3 бетона.

Возможноприменение также сравнительного критерия Кэ.ц., характеризующегоотношение затрат на добавочный и бездобавочный цементы в равнопрочных иравноподвижных бетонах:

, (2)

гдеСц0 и Ц0 — соответственно стоимость и расход цементабез минеральных добавок.

Экономическийэффект применения цементов с добавками в денежном выражении можно оценить изразности:

Эц = СцЦ - Сц0Ц0. (3)

В табл. 1 приведены полученные намиэкспериментальные значения удельного расхода цементов близкой активности,изготовленных ВАТ «Волынь» (Здолбуновский ЦШК, Украина) в бетонах классов В15–40при использовании гранитного щебня фракции 5–20 мм и кварцевого песка с Мк=1,9.Бетоны твердели как в нормальных условиях, так и при тепловой обработке.

Вид цемента	Нормальная густота, %	Условия твердения	Расход цемента в кг/м3 для бетона классов (марок) при ОК=5–9 см1)
			В15 (М200)	В22,5 (М300)	В30 (М400)	В40 (М500)
Бездобавочный портландцемент М500 (Rц2)=52,5 МПа)	26,5	норм.3)	248	327	412	487
		проп.4) (2)+3+6+2	268	350	425	512
		проп. (2)+3+9+2	265	340	420	510
Портландцемент М500 с 20 % доменного шлака (Rц=51,8 МПа)	25,8	норм.	260 1,0485)	345 1,055	440 1,068	535 1,045
		проп. (2)+3+6+2	280 1,044	360 1,029	455 1,070	565 1,10
		проп. (2)+3+9+2	275 1,037	350 1,029	450 1,071	550 1,078
Портландцемент М500 с 35 % доменного шлака (Rц=51,5 МПа)	26,6	норм.	272 1,097	365 1,12	460 1,12	555 1,14
		проп. (2)+3+6+2	281 1,048	365 1,023	450 1,059	540 1,055
		проп. (2)+3+9+2	275 1,038	355 1,044	440 1,048	535 1,049
Портландцемент М500 с 20 % композиционной добавки (10 % шлак + 10 % опока) (Rц=52,1 МПа)	27,5	норм.	268 1,08	355 1,086	460 1,12	560 1,15
		проп. (2)+3+6+2	290 1,08	375 1,07	475 1,12	575 1,12
		проп. (2)+3+9+2	280 1,057	360 1,059	465 1,11	570 1,12
Портландцемент М500 с 35 % композиционной добавки (20 % шлак + 15 % опока) (Rц=51,5 МПа)	28,2	норм.	285 1,15	375 1,15	485 1,18	580 1,19
		проп. (2)+3+6+2	300 1,12	380 1,09	475 1,12	580 1,13
		проп. (2)+3+9+2	290 1,09	370 1,09	470 1,12	570 1,12

Таблица 1. Эффективность цементов сминеральными добавками

1) Расход цемента при пропаривании определяли изусловия достижения бетоном 70 % проектной прочности.

2) Rц — активность цемента по ГОСТ 310-81.

3) Нормальные условия твердения.

4) Пропаривание.

5) Здесь и далее: второе число — значение относительногорасхода цементов с добавками по сравнению с бездобавочным цементом.

Вкачестве эталонного принят бездобавочный портландцемент (цемент І типа) М500 снормальной густотой 25–26 %. Химико-минералогический состав клинкера: С3S=55–58%, С2S=16–23 %, С3А=6,8–8,3 %, С4АF=11,5–12,5 %.В цемент вводили при помоле как активные минеральные добавки доменный шлак поГОСТ 3476 и опоку по ТУ 21-26-11.10. Тонкость помола цементов характеризоваласьостатком на сите 008 10–15 %, удельной поверхностью по Блейну 2000–2800 см2/г.

Анализданных, приведенных в табл. 1показывает, что при практически одинаковой активности и нормальной густотерасход цемента с добавкой 20 % доменного шлака увеличивается для бетоновнормального твердения классов 15–25 на 4,8–5,5 %, классов 25–40 на 6,7–9,9 %,при замене 10 % шлака опокой соответственно на 8–8,6 и 11,6–14,9 %. Увеличениесодержания шлака до 35 % вызывает перерасход цемента на 9,6–13,9 %, композиции «шлак— опока» на 14,9–19 %. При тепловой обработке перерасход цемента с введениемминеральных добавок несколько снижается, особенно при более длительных режимахи повышенной температуре пропаривания. Известно также, что увеличение расходацементов с введением добавок возрастает с ростом подвижности смесей и ихнормальной густоты [4]. Отрицательное влияние повышенной нормальной густотывозрастает по мере повышения прочности бетона, подвижности бетонной смеси ифорсировании режима тепловой обработки.

В табл. 2 приведены расчетные значенияэкономического эффекта применения рассмотренных цементов при отпускных ценах завода-поставщика.

Вид цемента	Условия твердения	Экономический эффект на 1 м3, $
		В15 (М200)	В22,5 (М300)	В30 (М400)	В40 (М500)
Портландцемент М500 с 20 % доменного шлака	норм.	1,1	1,4	2,1	1,3
Портландцемент М500 с 20 % доменного шлака	проп. (2)+3+6+2)	1,2	1,8	1,6	1,2
Портландцемент М500 с 20 % доменного шлака	проп. (2)+3+9+2	1,3	1,8	1,5	1,7
Портландцемент с 35 % композиционной добавки (20 % шлак + 15 % опока)	норм.	0,3	0,5	0,2	0,0
Портландцемент с 35 % композиционной добавки (20 % шлак + 15 % опока)	проп. (2)+3+6+2	0,7	1,3	1,0	1,0
Портландцемент с 35 % композиционной добавки (20 % шлак + 15 % опока)	проп. (2)+3+9+2	0,9	1,2	1,0	1,3

Таблица 2. Экономический эффектприменения цементов с 20 и 35 % добавок

Примечание: Расчет экономического эффекта выполнен сучетом стоимости цемента франко-завод для объединения «Ровножелезобетон»(Украина). Стоимость 1 т бездобавочного цемента 42,9 $, цемента с 20 %доменного шлака — 36,7 $, цемента с 35 % композиционной добавки — 36,1 $.

Приприменении цементов с повышенным содержанием минеральных добавок, как правило,наблюдается некоторое замедление роста прочности в первые 7 сут. при сохранениимарочной прочности. Если для бездобавочного цемента прочность в 7 сут. составляет0,65–0,75, в 28 сут. для портландцемента с 20 % доменного шлака она снижаетсядо 0,55–0,65, с 35 % шлака — до 0,5–0,6, при замене 15 % шлака опокой — до 0,4–0,5.

Известно,что имеется некоторое критическое содержание минеральной добавки, при превышениикоторого активность цемента начинает снижаться, хотя марка цемента и цена нанего остаются неизменными. Это критическое содержание для каждой добавки сучетом ее особенностей зависит от химико-минералогического состава клинкера,тонкости помола и температурно-влажностных условий твердения цемента [2].

Потребителямцемента приходится считаться с тем, что нередко при одинаковых маркахбездобавочного цемента и цемента с минеральными добавками активность последнегоможет быть существенно ниже. Можно ориентировочно считать, что каждые 2 МПаактивности в среднем эквивалентны расходу 10 кг цемента на 1 м3бетона [5].

Полученныеэкспериментальные данные соответствуют основным тенденциям, установленныммногими исследователями и отмеченным в «Типовых нормах расхода цемента».

Практическиодинаковая активность цементов без минеральных добавок и с ними еще не даетоснования считать, что изготовленные на их основе бетоны будут иметь равнуюпрочность при равных цементно-водных отношениях (Ц/В) и обеспечивать равныепоказатели удобоукладываемости бетонной смеси. Это обусловлено неодинаковымиусловиями структурообразования различных цементов в стандартных растворахопределенной консистенции и бетонах различной подвижности, с высокойнасыщенностью последних полидисперсными заполнителями и др.

Вобщем случае перерасход цементов с минеральными добавками в бетонахпропорционален параметру К, который можно представить произведением:

К=k1k2k3, (4)

где k1— коэффициент недобора активности применяемого цемента с минеральной добавкойпо сравнению с активностью бездобавочного цемента (k1=Rц/Rц0);

k2— коэффициент недобора прочности бетона на цементе с минеральной добавкой посравнению с прочностью бетона на бездобавочном цементе при равной активностицементов и Ц/В=const (k2=Rб/Rб0);

k3— коэффициент изменения водопотребности бетонной смеси по сравнению сводопотребностью на бездобавочном цементе (k3=В/В0).

Применениепараметра К целесообразно на стадии проектирования составов бетонов привозможности выбора цементов и оценке их эффективности. В настоящее время припроектировании составов бетона особенности цементов с минеральными добавкамиучитывают обычно лишь через изменение водопотребности бетонных смесей приизменении нормальной густоты цементов.

Нормальнаягустота, однако, не всегда и не полностью характеризует особенности влиянияминеральных добавок на необходимые значения Ц/В и расхода цемента. Повышениюнормальной густоты, как известно, способствует введение добавок с высокоймолекулярной влагоемкостью, особенно осадочного происхождения. Добавки доменногошлака и, в ряде случаев, золы-уноса практически не изменяют водопотребностьцементов.

Прииспользовании цементов с минеральными добавками формулу прочности бетонацелесообразно представить в виде:

Rб=k1k2АRц0(Ц/В - 5,0), (5)

гдеА — коэффициент, учитывающий качество заполнителей.

Тогда,поскольку Ц=В•(Ц/В), можно найти значение К:

. (6)

Определениеэмпирических значений k1, k2, и k3 и параметраК желательно выполнять в результате обобщения опытных данных предприятий-поставщикови потребителей цемента и учитывать их при проектировании составов бетона.

Экономическаяэффективность применения цементов с минеральными добавками в бетонах сприемлемым уровнем качества достигается лишь тогда, когда выполняется условие:

  , (7)

гдеС и С0 — стоимость соответственно цемента с минеральными добавками ибездобавочного цемента.

Можнотакже утверждать, что относительное уменьшение стоимости цемента с минеральнымидобавками должно быть выше его перерасхода в бетоне по отношению к расходубездобавочного цемента:

. (8)

Такимобразом, формирование цены на цемент с минеральными добавками цементный заводдолжен выполнять не только с учетом конъюнктурных соображений и затрат наизготовление, но и основываясь на реальной эффективности этих цементов вбетонах. С другой стороны, потребитель цемента при решении вопроса опредпочтительности применения цементов с минеральными добавками долженучитывать наряду с их стоимостью и результаты экспериментальных подборов илирасчетного проектирования составов соответствующих бетонных смесей.

Широкоизвестным технологическим приемом экономии цемента и снижения стоимости бетонаявляется введение активных минеральных добавок (активных наполнителей) в бетоннуюсмесь. Для расчетной оценки возможной экономии цемента при введении минеральныхдобавок можно использовать модифицированную зависимость прочности бетона Rбот Ц/В:

, (9)

гдеД — расход добавки,

Кц.э.— коэффициент «цементирующей эффективности» добавки, то есть ее условный цементныйэквивалент.

Параметрможно считатьнекоторым приведенным Ц/В — (Ц/В)пр, то есть таким Ц/В, при которомпрочность бетона без минеральной добавки (ненаполненного бетона) равнапрочности бетона с минеральной добавкой.

«Цементирующаяэффективность» активных минеральных добавок является функцией многих факторов,характеризующих их состав, структуру, дисперсность, условия твердения, возрастбетона и др.

В табл. 3 приведены экспериментальнополученные средние значения Кц.э. для золы Ладыженской ГРЭС (Украина)при оптимальном содержании ее в бетонной смеси (100–150 кг/м3).

Класс бетона по прочности	Кц.э. для бетона
	пропаренного по режиму 2+3+6+2 при 80 °C	нормального твердения при марке цемента
		400	500
В12	0,45	0,35	0,30
В15	0,42	0,33	0,28
В20	0,40	0,30	0,25
В25	0,37	0,26	0,23
В30	0,35	0,25	0,20

Таблица 3. Значения Кц.э.для золы Ладыженской ГРЭС

Дляравнопрочных бетонов с одинаковой удобоукладываемостью экономия цемента Ц засчет введения минеральной добавки может быть найдена из уравнения:

Ц=Кц.э.Д- (Ц/В)прВ, (10)

где В — изменение водопотребности бетонных смесей при введении минеральнойдобавки.

Спозиций экономии цемента и цементного клинкера минеральную добавку можноприменять лишь в том случае, если (Ц/В)пр больше Ц/В бетона сдобавкой. Из выражения (Ц/В)пр следует:

(Ц/В)пр- Ц/В= Кц.э.Д/В. (11)

Приотклонении значения Д от оптимального величина Кц.э. снижается, онаможет приобретать нулевое и даже отрицательное значение.

Критериемэффективности использования цементного клинкера в бетонах может служитьпрочность бетона на 1 кг израсходованного клинкера:

L=Rсж/Кл, (12)

гдеКл — расход клинкера в кг на 1 м3 бетонной смеси.

В табл. 4 приведены значения прочности икритерия L для экспериментальных составов бетонных смесей с добавкамиизвестково-карбонатной пыли (ИКП) и микрокремнезема (МК). Из них следует, чтовведение оптимального количества как ИКП, так и МК позволяет увеличитьэффективность использования клинкера в 1,2–2 раза.

Таблица 4. Значения прочности бетона икритерия L

Значениякритерия L, рассчитанные по типовым нормам расхода, колеблются в зависимости отвида цемента, удобоукладываемости, проектной марки и отпускной прочностибетона. При использовании, например, портландцемента и его разновидностей итвердения в нормальных условиях для М400 L=0,094–0,156; для М500 — L=0,106–0,16;для М600 — L=0,133–0,179 (при расчетах условно принято, что цементы содержат 80% клинкера). Наиболее высокие значения критерия L достигаются для бетоновконтактной структуры при пустотности заполнителей, приближающейся к минимальновозможной. Практический опыт показывает, что для таких бетонов объем цементноготеста может быть уменьшен до 12–15 % от объема бетона. В гидротехническомстроительстве имеется опыт получения и применения бетонов из особо жесткихсмесей с расходом цементно-зольного вяжущего 100–120 кг/м3 и расходомводы 70–80 кг/м3, уплотняемых с помощью специальных виброкатков. Утаких бетонов достигается значение критерия L=0,25–0,3.

Дляполучения плотных бетонов при рядовой гранулометрии смеси заполнителей измалоподвижных и подвижных смесей необходимый объем цементного теста находится впределах 24–40 %. При этом минимальный расход вяжущего, независимо от его активности,обычно нельзя сделать менее 200 кг/м3. Сохранение необходимогорасхода вяжущего при снижении доли его клинкерной части и соответствующемувеличении критерия L возможно при введении активных минеральных добавок впроцессе изготовления вяжущего или бетонной смеси без увеличения ихводопотребности. Эффективные способы введения значительного количества минеральныхдобавок в бетонные смеси могут быть реализованы через технологию вяжущих низкойводопотребности (ВНВ), тонкомолотых многокомпонентных цементов (ТМЦ),интенсивной раздельной технологии (ИРТ) [3, 4]. Если, например, при обычномспособе введения золы-уноса в бетонные смеси достигается экономия клинкера до20 %, то введение ее с ТМЦ при изготовлении бетонов с суперпластификаторамипозволяет сэкономить клинкер и, соответственно, увеличивать L в 1,5 раза.

Из формулыкритерия L можно заключить, что его увеличение возможно за счет повышения Ц/Вбез увеличения расхода клинкера, а также роста активности цемента. Дляповышения Ц/В могут применятся все технологические приемы уменьшенияводопотребности бетонных смесей, из которых особенно эффективным являетсявведение суперпластификаторов.

Нарядус применением минеральных добавок всё более широкое применение для достижениянеобходимых свойств гидротехнического бетона, снижения расхода материальных иэнергетических ресурсов при изготовлении этого материала и при применении егодля производства конструкций, возведения зданий и сооружений находят химическиедобавки, количество которых обычно не превышает 1 % от массы цемента. Внастоящее время предприятия по изготовлению бетона, изделий и конструкций наего основе наряду со сравнительно дешевыми добавками, получаемыми часто изпромышленных отходов, применяют специально синтезируемые добавки на основедорогого химического сырья [1]. Такие добавки-модификаторы позволяют обеспечитьвысокое качество бетона и в широком диапазоне регулировать его свойства, однакопри оценке целесообразности их введения, замены ими традиционных дешевыхдобавок приходится соизмерять достигаемый технический эффект с дополнительнымизатратами.

Эффективностьлюбых технических решений, в том числе и введения химических добавок в бетон,должна определяться экономическим эффектом Э и коэффициентом эффективностизатрат Кэ. Последний представляет собой отношение экономическогоэффекта к затратам, необходимым для его получения. Удельные затраты на добавкуЗд при получении бетона рассчитываются по формуле:

Зд=СдД + Зддоп, (13)

где Сд— стоимость добавки на 1 м3 бетона с учетом необходимых транспортныхрасходов;

Д —удельный расход добавки;

Зддоп— удельные расходы, связанные с дополнительной обработкой добавки, еехранением, дозированием, изменением состава бетонной смеси и др.

Достигаемыйэкономический эффект от введения добавки Эд может быть реализованкак при производстве бетона, изделий, конструкций и сооружений на его основе,так и при их эксплуатации в соответствии с проектом. Полный экономическийэффект от введения добавки в бетоны является смешанным, расчет его достаточносложен и на практике обычно не выполняется.

Затратына добавку Зд при производстве бетонной смеси оказываются оправданными,если соблюдается условие:

Зд< Зм + Зпр - З'м – З'пр, (14)

где Зми З'м — затраты на исходные материалы бетонной смеси без добавки и сней соответственно;

Зпри З'пр — прочие затраты на производство бетонной смеси без добавки ис ней соответственно.

Аналогичноможно рассчитать допустимые затраты при производстве изделий, конструкций ивозведении сооружений, учтя дополнительно стоимость арматуры, тепловой энергии,строительных работ.

Эффективностьзатрат на добавку с позиций экономии ресурсов можно выразить коэффициентом Кэр:

Кэр=(сумма Рi>или= сумма Рin), (15)

гдеСэ.р. — стоимость сэкономленных ресурсов,

суммаРi>или= суммаРin— достигаемые при введении добавки и нормируемые показатели свойств бетона.

Качественныепреимущества гидротехнических бетонов с добавками в конкретных условияхприменения бетона могут использоваться с различной целью. Так, повышениепрочности бетона может быть использовано для изменения сечения конструкций,уменьшения расхода арматуры, ускорения ввода строительных объектов вэксплуатацию и т. д. Соответственно изменяется стоимость сэкономленных ресурсови величина коэффициента эффективности.

Длянепосредственной оценки эффективности изменения тех или иных свойств бетона спомощью добавки при постоянных показателях других свойств или параметров составаможет служить соотношение:

, (16)

гдеР'i и Рi—сравниваемое свойство бетона с добавкой и без добавки.

Коэффициентэффективности качественных показателей бетона Кэ0позволяет не просто указать на определенный технический эффект введения добавки(пластифицирующий, ускоряющий твердение, противоморозный и т. д.) но иопределить «цену» такого эффекта. В некоторых случаях она может быть такой, чтотрадиционные сравнительно дешевые добавки могут оказаться эффективнее, чемновейшие «супердобавки». Такой вывод является справедливым обычно, лишь когдане обязательна при сравнении различных добавок примерная одинаковость величиныдостигаемого технического эффекта. В противном случае, то есть при Р?i–Рi? const, оценочным критерием при сравнении различных добавокявляются необходимые удельные затраты на них.

Литература:

1. БатраковВ. Г. Модифицированные бетоны. — М.: Стройиздат, 1990.

2. БуттЮ. М. и др. Технология вяжущих веществ. — М., 1965.

3. ДворкинЛ. И., Дворкин О. Л. Эффективность цементов с минеральными добавками в бетонах// Цемент и его применение. — 2002. — № 2. — С. 41–43.

4. ДворкинЛ. И. Снижение расхода цемента и топлива в производстве сборного железобетона. —Киев: Вища школа, 1985.

5. Типовыенормы расхода цемента для приготовления бетонов сборных и монолитных бетонных ижелезобетонных изделий и конструкций. — М.: Стройиздат, 1985.