Высокопрочные керамзитобетоны, модифицированные добавками «Полипласт Северо-запад»

Высокопрочные керамзитобетоны, модифицированные добавками «Полипласт Северо-запад»

И.В. КОВАЛЬ, канд. техн. наук, руководитель Научно-технического центра ООО «Полипласт Северо-запад»,
В.А. ВОРОБЬЕВ
, вед. специалист службы технической поддержки клиентов СЗФО ООО «Полипласт Северо-запад», г. Санкт-Петербург

Ключевые слова: легкий бетон, керамзит, высокая прочность, плотность, морозостойкость, добавки, технологичность
Keywords: lightweight concrete, expanded clay, high strength, density, frost resistance, additives, manufacturability

В статье говорится о результатах подборов керамзитобетонов, полученных на материалах и добавках отечественного производства. Приводятся эмпирические зависимости по расчету композиций модифицированных керамзитобетонов с нормируемыми характеристиками по плотности, прочности и морозостойкости.

Работы по легкому бетону класса В55 с нормируемой плотностью 1920±20 кг/м3 и морозостойкостью F2450 выполнялись под конструкции понтонов по проекту «Артик СПГ-2», реализуемому компанией «Новатэк» в Арктической зоне Российской Федерации. Технические требования к материалу понтонов сформулированы в табл. 1.

Таблица 1. Технические требования к бетону В55П4F2450 (LC50/55)

Базовые показатели бетона конструкций понтоновВеличинаТребуемое значение
Прочность легкого бетона класса В55 (LC50/55)Предел прочности бетона на сжатие, Rb28 с коэф. вариации Vп=13,5%В возрасте 28 суток не менее 70,4 МПа
Марка легкого бетона класса LC50/55 по плотности (LC2,0)Плотность бетона марки LC 2,0от 1800 до 2000 кг/м3 (p=1920±20 кг/м3)
Классы эксплуатации конструкции понтонов по СП28.13.330-2012XS2, XS3 – коррозия от действия морской воды XF3, XF4 – попеременное замораживание и оттаиваниеМинимальные классы бетонов В45 и показатели морозостойкости (F2450)
Показатели подвижности бетонной смеси по ГОСТ 7473-2010марка П4…П5 по величине осадки конусаВ пределах ОК = 22…25 см
Показатели сохраняемостиСохранение заданной марки по подвижности смесейМарка П5 за период 60 минут
Содержание воздуха в бетонной смесиОбщее содержание воздуха в бетонной смеси5…7%


Сложность заключалась в наличии следующих технических и производственных факторов:
• предела прочности бетона класса LC50/55 на сжатие в возрасте 28 суток не ниже 70,4 МПа;
• плотности для марки LC2,0 не более 1940 кг/м3 при условии прочности бетона 70,4 МПа;
• морозостойкости F2450 (среды XF3, XF4, XS2, XS3 – сложные климатические условия);
• отсутствия опыта в Российской Федерации изготовления и применения легкого бетона при указанных показателях;
• морозостойкость для тяжелых бетонов в производственных условиях не превышает F2300.

В ГОСТ 25820-2014 «Бетоны легкие. Технические условия» [1] приведен максимальный класс легкого бетона В40 при предельной плотности в 2000 кг/м3. В нормативной базе РФ бетоны с подобными характеристиками указаны только в ГОСТ Р57345-2016/EN206-1:2013 [2] как классы LC45/50 и LC50/55. Согласно ГОСТ 25820, параметры заполнителя по дробимости должны соответствовать марке П300.

01.tif
Рис. 1. Оценка воздухововлечения и удобоукладываемости легкобетонной смеси класса В50 марки П5 (площадка «Ремстройдеталь» «Ренейссанс Констракшн», г. Долгопрудный)

Согласно ГОСТ 32496-2013 «Заполнители пористые для легких бетонов. Технические условия» [3], приемлемыми материалами для данного легкого бетона являлись аглопоритовые или керамзитовые заполнители с маркой по дробимости П300 и насыпной плотностью 850 кг/м3 и более. Производство аглопоритовых заполнителей в РФ было прекращено, и альтернатив, подходящих по характеристикам керамзитовым заполнителям, практически не нашлось.

Плотность материала в 1920±20кг/м3 назначалась из условия обеспечения «необходимой плавучести» конструкций понтонов. Морозостойкость бетона в F2450 принималась из требований в СП28.13.330-2012 «Защита строительных конструкций от коррозии» [4] к среде эксплуатации плавучего сооружения: низкой температуры в холодный период ниже минус 40°С, циклического увлажнения и последующего замораживания морской воды в порах цементного камня среды, содержащей набор солей кальция, натрия и сульфатов, плюс возможное действие кавитации при штормовых явлениях. Имеющиеся требования F2450 по ГОСТ 26633-2015 [5] для тяжелого бетона с технических позиций диктовали исключение или количественное ограничение активных минеральных пуццолановых вяжущих: молотого шлака доменного, микрокременезема (microsilica) или золы-уноса. Известно, что для получения высоких параметров морозостойкости бетонов в цементе необходимо контролировать величину щелочных оксидов. В этой связи предусматривали вяжущие с ограничением по содержанию щелочей в цементе до 0,8% в пересчете на R2O, а также трехкальциевого алюмината C3A не более 7%. В целом указанные ограничения по минералогии используются для обеспечения долговечности бетона дорожных, аэродромных и мостовых конструкций в ряде нормативных документов [5].

Установлено в ряде экспериментов, что наиболее предпочтительными вяжущими являлись портландцементы марок ЦЕМ 1-52,5 Новогуровского и Воронежского цементных заводов с показателями активности цемента Ra=58…60 МПа. Среди заполнителей отметим керамзитовый гравий фракции 5…10 мм с насыпной плотностью 850…900 кг/м3 и марками по дробимости П250…П300 производства заводов в Чебоксарах и Астрахани, согласно требованиям ГОСТ 32496. Для получения керамзитобетонов в пределах классов В40…В45 считаем возможным использование керамзитового гравия фракции 5…10 мм с насыпной плотностью 500…600 кг/м3 и относительно небольшими значениями марки по дробимости П75…П100. Однако данные композиции могут быть реализованы только в смеси с «прочным» керамзитовым наполнителем или в смеси с тяжелым заполнителем.

Использование бетонных смесей с маркой по подвижности П4 на керамзитовом гравии фракции 5…20 мм или 10…20 мм не рекомендуется ввиду появления сегрегации смеси. Это приводит к неоднородности распределения заполнителя по сечению образцов и вызывает не только разброс по плотности в серии образцов, но и, соответственно, недопустимый размах значений прочностных показателей в легком бетоне.

Базовые показатели используемого керамзитового гравия фракции 5…10 мм производства «Астрахань» и «Чебоксары» следующие: марка по прочности П250…П300, плотность гравия насыпная ρ=850кг/м3 – «Чебоксары»; ρ=900 кг/м3 – «Астрахань»; водопоглощение материала по массе для «Чебоксары» через 1 час W 9-10%, через 24 часа W=17-20%, более 48 часов до W=22%. Значение плотности керамзитового гравия в цементном тесте – 1600 кг/м3. Учитывая необходимость обеспечения прочности на сжатие в легком бетоне, использовался песок рядовой карьерный с модулем крупности Мк2,2-2,4 и со значением истинной плотности заполнителя 2650 кг/м3.

В качестве активной минеральной добавки использовали микрокремнезем конденсированный производства Новокузнецкого металлургического завода марки МКУ-85 с величиной истинной плотности 2400кг/м3. Помимо влияния на активность комбинированного вяжущего, микрокремнезем повышает вязкость бетонной смеси. Вязкость, в свою очередь, играет важную роль для однородности распределения крупного заполнителя в смеси и предотвращения расслоения.

Результаты подборов отдельных составов керамзитобетона в лабораториях НТЦ ППСЗ, а также компании «Ренейссанс Констракшн» (Renaissance Construction), г. Санкт-Петербург, представлены в табл. 2-5. В композициях табл. 2 применено ограниченное количество минеральной добавки МКУ 85 пуццоланового типа в пределах 7…10% от массы вяжущего. Использовали керамзитовый гравий «Астрахань» с плотностью 900 кг/м3 (D900) смеси двух фракций 5…10 и 5…20 мм. Отмечалось расслоение смеси после укладки в формы, например, в составе №603. Эффект проявлялся после укладки смеси в формы по верхней поверхности заглаженных образцов в период до 30 минут. В качестве химических добавок использовали суперпластификаторы «Линамикс ПК» тип 2 мод. 742 и «Полипласт Таргет» мод. 908.1 производства ППСЗ.

Таблица 2. Бетоны классов В50…В60П5 c керамзитовым гравием марки D900 «Астрахань» (лаборатория НТЦ ППСЗ)

Номер состава Расход материалов, кг/м3 (на сухие материалы) Осадка конуса, плотность смеси, кг/м3 В/Вяж Прочность бетона на сжатие, Rb (МПа) в возрасте … суток (плотность, кг/м3)
Цемент МКУ-85 Заполнители (керамзит D9005…10 + песок Мк 2,3) Добавка, расход, % Вода, л
1 7 28
589 480 (Цесла 42,5) 40 1400 Линамикс ПК №742 2,4% от МВяж по товарному 190 ОК=23 см (рассл. и в/о нет) 2130 0,36 37,51
2070
68,87
2085
82,628
2075
603 450 (Стерлитамак 42,5 ВШ) 50 1340 Линамикс ПК №742 2% от МВяж по товарному 230 ОК=23 см 1945 (ср. рассл есть, в/о нет) 0,49 10,31
1960
50,07
1957
63,928
1965

По результатам экспериментов ранних серий отметим бетон состава №603 с прочностью на сжатие Rb28 = 63,9 МПа при плотности в образцах 1965 кг/м3. Бетон состава №603 протестирован на соответствие показателю F2450 по третьему методу испытаний ГОСТ 10060-2012 [6]. Обеспечить данный показатель по морозостойкости не удалось. Бетон состава №603 выдержал критерий по ГОСТ 10060, соответствующий марке F2200, но при продолжении оценки до уровня F2300 началось активное разрушение структуры бетона. Опасения по влиянию активных добавок на долговечность подтвердились. Приведены также данные по бетону состава №589, показывающие возможности получения керамзитобетона класса В60 c маркой смеси П5 по ГОСТ 7473-2010 [7] на цементе «Хайдельберг» ЦЕСЛА марки ЦЕМ 1-42,5 с Rb28=82,6 МПа. Плотность материала при этом существенно выше 2075 кг/м3. В табл. 3 представлен бетон класса В50 П5 (LC45/50) с заданной плотностью 1900 кг/м3, полученный на базе лаборатории «Ренейссанс Констракшн». Следует отметить на данном составе смеси высокий уровень сохраняемости (ОК=23…25 см) – до 180 минут включительно при уровне плотности в 1900…1930 кг/м3. При этом расслоения смеси не наблюдается. Уровень прочности керамзитобетона на сжатие в составе d1667 достигает значений Rb28 = 63,2 МПа при плотности образцов 1900 кг/м3 с содержанием МКУ-85 до 12% от массы вяжущего.

Таблица 3. Бетон (LC) класса В50П5 (1900 кг/м3) на керамзите фракции 5…10 мм с плотностью гравия D900 «Астрахань» (лаборатория «Ренессанс Констракшн») с прочностью заполнителя П250…П300

Номер состава Расход материалов (на сухие заполнители) в кг/м3 ОК конуса через … минут; плотность смеси, кг/м3 В/Вяж Прочность бетона, Rb МПа, с коэф. 0,95 (плотность кубов)
Цемент МКУ-85 Заполнители (керамзит 5…10мм + песок тяж.) Добавки Вода, л
3 7 28
D1667 450 (Цесла 42,5Н) Хайдельберг 60 1320 Линамикс ПК №742 2% от МВяж по товарному 205 ОК0=24 см, p0=1896 ОК120=23 см, p120=1931 ОК180=21 см, p180=1917 (расслоения и в/о нет) 0,40 32,8
1928
48,1 63,2
1900


Таблица 4. Бетон В45…В50 на цементе ПЦ500-Д0Н «Новогуровский» (лаборатория «Ренейссанс Констракшн», июль 2019 г.)

Номер состава Расход материалов (на сухие заполнители) в кг/м3 Удобоукладываемость смеси ОК, через … минут В/Вяж Предел прочности бетона Rb МПа, (сутки) (плотность кубов)
Цемент ПЦ500-Д0Н Заполнители (керамзит D9005..10 +песок тяж.Мк2,3) Добавки Вода, л
ОК, (см) AIR, % (плотность) 1 сут. 3 сут. 7 сут.
№2 480 60 МКУ 1260 «Полипласт Таргет» 908.1 -2,2% от МВяж по тов. или 11,8 кг -р-ра «Полипласт ВВ тип 2» 0,03% от МЦ по товарному 5% р-ра 0,160 кг/м3 245 2010
2260
192515(8л) 190560(8л) не вязкий Air15=8% Air60=8,2% 0,45 19801
26,8
20253
57,93
19807
65,27
№5 480 80 МКУ 12405…10 (д900+д600+песок) «Полипласт Таргет» 908.1 – 2,2% от МВяж по тов. или 12,3 кг – р-ра «Полипласт ВВ тип 2» 0,015% от МЦ по товарному 5% р-ра 0,084 кг/м3 225 2510
2560
193015(8л) 191560(8л) не вязкий Air15=6% Air60=6,2% 0,40 19601
28,51
19353
40,53
19407
59,97

В табл. 4 приведены результаты экспериментов на новогуровском цементе ПЦ500-Д0Н и керамзитовом гравии фракции 5…10 мм марки D900 (состав №2) и на смеси двух видов керамзитового гравия: прочного D900 и относительно слабого D500 «Никольское» (состав №5). Во всех составах применяли воздухововлекающую добавку «Полипласт ВВ» для повышения морозостойкости согласно действующих нормам для тяжелого бетона по ГОСТ 26633-2015.

Фрагменты работ при оценке технологических характеристик смесей показаны на рис. 1. Кроме параметров по сохраняемости, проверяли содержание воздуха в бетонной смеси на приборе «Тестинг» объемом 8 литров. Содержание воздуха планировалось на уровне 5…6%. Содержание химической добавки «Полипласт Таргет» – 2,2% от МВяж.

Таблица 5. Бетоны В55 на цементе ПЦ500-Д0Н «Новогуровский» (НТЦ ППСЗ, июль 2019 г.)

Номер состава (дата изг.) Расход материалов (на сухие заполнители) в кг/м3 Вода, л Удобоукладываемость смеси
через … минут
В/Вяж Предел прочности бетона Rb МПа, (сутки) (плотность кубов)
Цемент ПЦ500-Д0Н (ЦЕМ1-52,5) Заполнители (керамзит 5…10 мм Чебоксары + песок Мк 2,8) Добавки
ОК, см AIR, % (плотность) 1 сут. 7 сут. 28 сут.
№705 (26.07.19) 490 Новогур. 80 МКУ 1300 (д850 + песок) «Полипласт Таргет» 908.1 (40%) 2,2% от МЦ по товар. или 12,5 кг – р-ра «Полипласт ВВ тип 2» 0,04% от МЦ по товарному 5% р-ра 0,228 кг/м3 220 2210
2060
186015(8л)
194960(8л)
1960(ф)
Air15=10,5%
Air60=6,2%
0,38 19351
43,31
19357
66,77
194528
72,728
№730
(30.07.19)
490 Новогур. 60 МКУ 1290 (д850 + песок) «Полипласт Таргет» 908.1 (40%) 2,3% от МЦ по товар. или 13,1 кг – р-ра «Полипласт ВВ тип 2» 0,03% от МЦ по товарному 5% р-ра 0,171 кг/м3 230 2510
2560
196015(8л) 198060(8л) Air60=6,0% 0,42 19551
15,81
19557
62,97
195528
70,728

Приемлемые технические результаты получены на некоторых составах керамзитобетона:

№5 (смесь из двух видов керамзита D900 и D500), прочность на сжатие Rb=59,9 МПа при плотности 1940 кг/м3. При этом сохраняемость бетонной смеси с начальных ОК=25 до ОК60=25 см за 60 минут при общем изменении содержания воздуха по прибору «Тестинг» с 6,0 до 6,2% за период измерений 60 минут.

№2 (один керамзит D900), прочность на сжатие Rb7=65,2 МПа при плотности 1980 кг/м3. Показатели сохраняемости смеси с ОК=20 до ОК60=22 см за время измерений 60 минут, общее содержание воздуха по прибору «Тестинг» составило с 8,0 до 8,2% за период 60 минут.

В табл. 5 приведены данные по составам керамзитобетона класса В55 П5 (LC50/55), разработанным в лаборатории НТЦ ППСЗ. Итоговые результаты с параметрами, соответствующими техническому заданию, получены на композициях:

№705 (керамзит D850), прочность на сжатие Rb28=72,7 МПа при плотности 1945 кг/м3, что соответствует классу В55 с требуемой прочностью не менее Rb28=70,4 МПа. Показатели сохраняемости бетонной смеси с ОК=22 до ОК60=20 за 60 минут. Содержание воздуха составило с начальных 10,5 до 6,2% за период 60 минут. Плотность в бетонной смеси при контроле в формах 1960 кг/м3 при В/Вяж=0,42. Содержание МКУ-85 – 14% от общей массы вяжущего. Расход воздухововлекающей добавки «Полипласт ВВ» тип 2 принимали 0,04% от МВяж, расход химической добавки «Полипласт Таргет» мод. 908.1 (40% концентрации) – 2,2% от МВяж.

№730 (керамзит D850), предел прочности бетона на сжатие Rb28=70,7 МПа при плотности 1955 кг/м3, что соответствует классу В55 с требуемой прочностью не менее Rb28=70,4 МПа. Показатели сохраняемости бетонной смеси марки П5 составили с ОК=25 до ОК60=25 за 60 минут. Содержание воздуха по прибору «Тестинг» составило 6,0% в период 60 минут. Содержание МКУ-85 – 11% от общей массы вяжущего. Величина суточной прочности 15,8 МПа. Расход воздухово-
влекающей добавки «Полипласт ВВ» тип 2 – 0,03% от МВяж, расход химической добавки пластификатора «Полипласт Таргет» мод. 908.1 (40% концентрации) – 2,3% от МВяж.

02.tif
Рис. 2. Кинетика набора прочности керамзитобетонов ЦЕМ1-52,5 и ССЦ500-Д0
03.tif
Рис. 3. Кинетика набора прочности керамзитобетонов на двух видах заполнителей и ЦЕМ1-52,5
04.tif
Рис. 4. Кинетика набора прочности керамзитобетонов на одном виде заполнителя и марках цементов ЦЕМ1-52,5, ЦЕМ1-42,5
05.tif
Рис. 5. Сохраняемость керамзитобетонных смесей марки П5 (при водонасыщенном заполнителе)

На рис. 2…4 показана кинетика набора прочности различных составов керамзитобетонов (в том числе частично не вошедших в таблицы), а также на рис. 5 – изменение сохраняемости удобоукладываемости смесей. Необходимо также уточнить, что показатели по подвижности и сохраняемости смеси приведены для водонасыщенного крупного заполнителя. Общий вид образцов керамзитобетонов различных серий приведен на рис. 6-10.

06.tif
Рис. 6. Образцы керамзитобетона класса В50…В55 с расчетной плотностью 1920 кг/м3 (слева №5 «Полипласт СЗ», справа керамзитобетон от конкурента). Слева – более плотная упаковка керамзита. Шереметьево
07.tif
Рис. 7. Образцы керамзитобетона класса В50…В55 различных серий (лаборатория НТЦ «Полипласт-СЗ», Грузовой проезд, г. Санкт-Петербург)
08.tif
08-1.tif
Рис. 8. Образец керамзитобетона класса В55 с плотностью 1945 кг/м3 (состав №705)
09.tif
09-1.tif
Рис. 9. Образец керамзитобетона класса В50 с плотностью 1955 кг/м3 (№570) с Rb28=68МПа. На разломе равномерная и плотная упаковка заполнителя. Разрушение зерен по структуре заполнителя практически полное

В целом следует признать, что, за исключением показателя в F2450, все другие нормируемые технические показатели обеспечиваются. При необходимости получения F2300 или более марок по морозостойкости рекомендуем применение вторичной защиты бетона путем пропитки поверхности специальным средством типа «Полипласт Барьер», например, как на рис. 11.

Граничные условия проектирования композиций керамзитобетона классов B45…B55

Наименование показателя, процессаВлияние показателя (зависимость)Значение
Объемное содержание цементного теста в составе mт.в.Для создания необходимых условий по раздвижке зерен заполнителя и объему несущей матрицы0,39…0,43
Объемное содержание крупного заполнителя в составе mаlc.Для создания необходимых условий по массе материала и контролю прочности матрицыне более 0,44
Истинное В/Вяж (без учета поглощенной воды)(В-Вполг)/(Ц+ТН)не выше 0,22…0,23
Расчет объема керамзитобетонаVкер =[Ц/pц+ТН/pтн+П/pп+К/pк.ц.т+ +(В-Впогл)+Vair]для всех видов керамзитобетонов
Керамзитовый гравийФракция не более 10 мм, марка по насыпной плотности не ниже D800…D900П250…П300

На основании массива данных определены граничные условия и некоторые базовые функциональные зависимости, приведенные в виде блок-схем, позволяющие осуществить проектирование композиций высокопрочных керамзитобетонов, включающие расчеты по трем базовым характеристикам: плотности, объему и прочности в проектном возрасте.

Разработанные композиции легких бетонов класса В55 марки П5 с нормируемым уровнем плотности в 1940 кг/м3 технологичны для адаптации в производственных условиях и отличаются относительно невысокой стоимостью на материалах и добавках исключительно отечественного производства.

10.tif
10-1.tif
Рис. 10. Образец керамзитобетона класса В55 с плотностью 1955 кг/м3 (№730) с прочностью в возрасте 7 суток Rb=63,0 и на 28-е сутки Rb28=70,7 МПа. На разломе – равномерная, плотная упаковка зерен заполнителя и несколько среднего размера пустот. Разрушение бетона по структуре крупного заполнителя
shema.eps
11.tif
Рис. 11. Пример работы вторичной защиты бетона. Образцы после 37 циклов F2300 по ГОСТ 100.060, слева обработанные продуктом «Полипласт Барьер», справа – без обработки.

Библиографический список

1. ГОСТ 25820-2014 «Бетоны легкие. Технические условия».

2. ГОСТ Р 57345-2016/EN206-1:2013 «Бетон. Общие технические условия».

3. ГОСТ 32496-2013 «Заполнители пористые для легких бетонов. Технические условия».

4. СП 28.13.330-2012 «Защита строительных конструкций от коррозии».

5. ГОСТ 26633-2015 «Бетоны тяжелые и мелкозернистые». Общие технические условия.

6. ГОСТ7473-2010. «Смеси бетонные. Технические условия».

7. ГОСТ10060-2012 «Бетоны. Методы определения морозостойкости».