УДК 691.32
А.А. АНТОНЯН, канд. техн. наук, ведущий специалист организации технического надзора по строительству бетонной дороги в рамках проекта «Север-Юг» в Армении
Ключевые слова: микронаполнитель, литоидная пемза, водонепроницаемость, бетон, долговечность
Keywords: microfiller, lithoid pumice stone, water resistance, concrete, durability
В статье рассматривается влияние литоиднопемзового микронаполнителя на водонепроницаемость и прочность бетона в сравнении с другими микронаполнителями: микрокремнеземом и бентонитом. Показано, что при условии соответствующей удельной поверхности литоиднопемзовый микронаполнитель качественно (с точки зрения влияния на свойства бетона) превосходит бентонит, а при повышенных дозировках сравним с микрокремнеземом.
В современном бетоне микронаполнители (либо минеральные добавки) являются одним из основных компонентов и играют структурообразующую роль. На территории постсоветского пространства их применяют в основном при производстве высокофункциональных бетонов, однако в развитых странах добавки вводят во всех случаях независимо от прочности и других требований, предъявляемых к конструкциям. Более того, введение микронаполнителей здесь предусматривается даже на законодательном уровне, а транспортные издержки (от места отвала до бетонного производства) субсидируются государством.
Эффективность микронаполнителей зависит от их адгезионной способности с цементным камнем, что, в свою очередь, обусловлено поверхностной энергией наполнителя. Для создания прочной адгезионной связи необходимо, чтобы поверхностная энергия микронаполнителя превосходила таковую цементного камня [1]. Повышение поверхностной энергии возможно активацией микронаполнителя механическим, физическим и химическим путем. В ходе активации происходит разрыв межатомных связей материала, раскрытие новых поверхностей и создание дефектов в кристаллической решетке минералов. В этом случае возможна активная реакция между продуктами гидратации цемента и микронаполнителем. Адгезионная возможность микронаполнителя зависит от его размера, увеличиваясь с уменьшением последнего.
В качестве микронаполнителя активно используется зола-унос – побочный продукт металлургии и микрокремнезем – побочный продукт производства ферросплавов. В основном данные микронаполнители не нуждаются в активации (за исключением залежания в течение долгого времени), так как характеризуются высокой химической активностью.
В технической литературе довольно детально рассматриваются вопросы применения данных добавок в бетоне и их влияние на свойства последнего. В частности, указывается, что введение микронаполнителя уменьшает капиллярную пористость цементного камня благодаря протеканию реакции между аморфным кремнеземом микронаполнителя с продуктом гидролиза клинкерных минералов – гидроксидом кальция (Ca(OH)2) и последующим образованием низкоосновных гидросиликатов кальция типа C-S-H(I). После введения микронаполнителя изменяется также распределение пор по размерам в сторону увеличения количества мелких пор. Все это приводит к кардинальному увеличению плотности цементного камня, следовательно, увеличению водонепроницаемости и долговечности бетона.
Применение микрокремнезема и золы-уноса в районах, отдаленных от металлургического, а также производства ферросплавов либо при отсутствии таковых, приводит к удорожанию стоимости бетона. Поэтому для данных регионов актуальна проблема использования природных химически активных горных пород в качестве микронаполнителей. Химическая активность их предопределяется, как правило, содержанием аморфного реакционноспособного SiO2.
В работе [2] показана эффективность применения литоидной пемзы в качестве заполнителя и минеральной добавки к цементам благодаря содержанию в своем составе 70-80% аморфного SiO2. Следовательно, рассмотрение и использование литоидной пемзы в качестве микронаполнителя в бетон оправданно. Так как последняя залегает в основном в кусковом виде, также возникает вопрос измельчения данной породы.
Получение микронаполнителей связано с диспергацией (измельчением) материала(или породы в данном случае). Причем при диспергации имеет место не только физическое измельчение материала, а также его активация за счет появления дефектов в кристаллической решетке и разрыва связей. Измельчение приводит к увеличению внутренней потенциальной энергии измельчаемого материала. В зависимости от степени измельчения возможно также изменение химического состояния, например переход кристаллического SiO2 в аморфную фазу.
Измельчение материалов возможно в разных мельницах: валковых, планетарных, центробежных и т.д. Всех их объединяют затраты большой энергии. Каждый метод характеризуется своим пределом измельчения, т.е. моментом, когда наступает равновесие между процессом измельчения материала и его агломерацией в более крупные частицы.
Получение же микронаполнителя из литоидной пемзы нами было организовано по оригинальному методу, предложенному профессором Асиряном А.М. [3]. Сущность метода заключается в измельчении породы посредством трения зерен с размером 10-20 мм между собою в полом вращающемся барабане с последующим вакуумированием полученного порошка (рис. 1). Данный метод нацелен на производство обогащенного заполнителя, но полученный по ходу микронаполнитель является ценным продуктом для использования в бетоне.
Литоиднопемзовый микронаполнитель был получен в лабораторных условиях следующим образом. Пемзовый щебень фракции 5-20 мм засыпался в горизонтально вращающийся барабан, который закрывался со всех сторон и присоединялся к системе вакуумирования. Барабан вращался в течение 30-60 минут. Полученный измельченный порошок характеризовался удельной поверхностью 5415 см2/г по Блейну.
Зерна применяемого щебня литоидной пемзы характеризуются шероховатостью и ослабленным поверхностным слоем. Экспериментально было выявлено, что по прошествии 60 минут зерна щебня приобретают окатность и эффективность измельчения уменьшается, так как происходит агломерация порошка на поверхности щебня (рис. 2).
Влияние полученного данным методом микронаполнителя на свойства бетона было рассмотрено в двух вариантах: в бетонах с малым содержанием цемента (Ц=200 кг/м3) и с его средним содержанием (Ц=400 кг/м3).
В качестве материалов для бетонов были использованы: базальтовый щебень Киликийского месторождения (5-20 мм), мытый речной песок (Мкр=2,2), портландцемент Араратского завода CEMIIA/P-42.5N, суперпластификатор Mapefluid N200 (на основе NSF).
Контрольные составы бетона следующие.
Контрольный 1: Щ =950 кг/м3, П =1000 кг/м3, Ц=200 кг/м3, СП-0,5% от массы цемента, В/Ц=1.
Рис. 2. Вид литоиднопемзового щебня: а) до обкатки; б) после обкатки в полом барабане
Контрольный 2: Щ=960 кг/м3, П =840 кг/м3, Ц=400 кг/м3, СП-1,5% от массы цемента, В/Ц=0,54.
Эффект активации литоиднопемзовой породы был оценен следующим образом. Используя контрольный состав N1, вместо части речного песка вводились 300 кг/м3 литоидной пемзы в следующих вариациях:
– в первом случае указанное выше количество литоиднопемзового песка фракции 0-10 мм;
– во втором случае в качестве микронаполнителя использовалась литоиднопемзовая пыль с фракцией <0,14 мм;
– в третьем случае вводился литоиднопемзовый микронаполнитель, полученный по методу проф. А.М. Асиряна.
Отформованные бетонные образцы далее были испытаны на водонепроницаемость по методу определения глубины проникновения воды и на прочность после 28 суток твердения в нормальных условиях. Результаты приведены в табл. 1.
Таблица 1. Результаты испытаний бетонов с литоидной пемзой, вводимой в разных вариациях
| Вид литоидной пемзы | Удельная поверхность по Блейну, см2/г | Свойства бетона | |
| Глубина проникновения воды, мм | Прочность, МПа | ||
| Песок 0-10 мм | — | 76 | 14,0 |
| Пыль <0,14 мм | 2166 | 48 | 21,7 |
| Микронаполнитель | 5415 | 22 | 32,4 |
Полученные результаты показывают, что увеличение удельной поверхности литоидной пемзы приводит к увеличению ее реакционной способности или активации. Так, по сравнению с литоиднопемзовым песком прочность бетона с микронаполнителем той же породы увеличивается в 2,3 раза, а по сравнению с бетоном с литоидной пылью – на 49%.
Кардинально уменьшается также проницаемость, составляя для бетона с микронаполнителем 22 мм вместо 48 мм и 76 мм для бетонов с литоиднопемзовой пылью и литоиднопемзовым песком соответственно.
В качестве микронаполнителей в бетоне, кроме литоидной пемзы, для сравнения использовались также бентонит и микрокремнезем. Химический состав данных материалов и их характеристики приведены в табл. 2 и на рис. 3.
Таблица 2. Химический состав (содержание в %) и удельная поверхность микронаполнителей
| SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | Удельная поверхность, см2/г (по Блейну) | |
| Литоидная пемза* | 69,82-70,20 | 16,90-17,68 | 1,91-2,14 | 1,63-1,70 | 0,38-0,45 | 5415 |
| Микрокремнезем | 80-99 | 0,5-3 | 0,1-5 | 0,7-2,5 | — | 160000-220000 |
| Бентонит | 57,73 | 21,11 | 8,86 | 0,36 | 1,77 | 5150 |
*Имеется в виду микронаполнитель, полученный методом обкатывания заполнителя с вакуумированием порошка
В каждом случае микронаполнители в бетонную смесь добавлялись взамен части песка, так, чтобы В/Т (водотвердое отношение) было постоянным в сравнении с контрольным составом. Постоянной во всех случаях была также подвижность бетонной смеси (21-22 см). Это достигалось путем увеличения дозировки суперпластификатора с увеличением количества вводимого микронаполнителя.
Принимая во внимание тот факт, что для оптимальной структуры бетона (а также во избежание величины повышенной усадки свежеуложенного бетона) расход дисперсных частиц не должен превышать 550-600 кг/м3, количество литоидного микронаполнителя увеличивалось с 0 до 300 кг/м3 для контрольного бетона с содержанием цемента 200 кг/м3 и с 0 до 150 кг/м3 – для контрольного бетона с содержанием цемента 400 кг/м3.
Бентонит вводился в меньшем по сравнению с литоидной пемзой количестве, так как он сильно влияет на подвижность и сохраняемость реологии бетонной смеси, сильно абсорбируя воду, начиная с момента затворения. Поэтому бентонит вводился с 0,5 до 10% от массы цемента. Микрокремнезем использовался в качестве комплексной добавки 3МБ с дозировкой 20% от массы цемента.
Образцы бетона (цилиндры 150×150 мм для определения водонепроницаемости и кубы 100×100×100 мм для определения прочности) твердели в нормальных условиях и подвергались испытанию на 28-е сутки после изготовления. Водонепроницаемость бетона оценивалась глубиной проникновения воды по EN 12390-8. Результаты испытаний приведены на рис. 4 и рис. 5, а также в табл. 3.
Вышеприведенные результаты показывают следующее. Применение литоидной пемзы в качестве микронаполнителя позволяет кардинально увеличить водонепроницаемость бетона. Так, в малоцементном бетоне (Ц=200 кг/м3) при введении литоидной пемзы в количестве 300 кг/м3 глубина проникновения воды уменьшается в 6,8 раз: с 150 мм до 22 мм, что соответствует увеличению марки по водонепроницаемости на 9 ступеней: с W2 до W20. Такое увеличение водонепроницаемости наблюдается благодаря возможности введения микронаполнителя в большом количестве в малоцементных бетонах, удерживая количество дисперсных частиц в районе 500 кг/м3.
Таблица 3. Результаты испытаний бетонов на водонепроницаемость с использованием разных микронаполнителей
| Микронаполнитель | Водонепроницаемость бетона (глубина проникновения воды(мм)/марка по водонепроницаемости) при содержании микронаполнителя, кг/м3 | ||
| Ц=200 кг/м3 | Ц=400 кг/м3 | ||
| Литоидная пемза | 0 | 150/W2 | 100/W6 |
| 50 | 74/W12 | 63/W12 | |
| 100 | 70/W12 | 70/W12 | |
| 150 | 80/W10 | 34/W18 | |
| 200 | 52/W14 | — | |
| 300 | 22/W20 | — | |
| Бентонит | 0 | 150/W2 | 100/W6 |
| 10 | 137/W2 | 39/W16 | |
| 20 | 70/W12 | 35/W18 | |
| 50 | 68/W12 | — | |
| 100 | 81/W8 | — | |
| Микрокремнезем | 0 | 150/W2 | 100/W6 |
| 40 | 38/W16 | — | |
| 80 | — | 36/W18 | |
Примечания:
– каждый результат глубины проникновения воды является средним значением испытания 3-х образцов,
– соответствующая конкретной глубине марка по водонепроницаемости принята по результатам работы [4]
В бетоне со средним содержанием цемента (Ц=400 кг/м3) введение литоиднопемзового микронаполнителя также дает положительный эффект, однако в меньшем по сравнению с малоцементным бетоном количестве. При введении 150 кг/м3 микронаполнителя глубина проникновения воды уменьшается с 100 мм до 34 мм, что соответствует увеличению на 6 марок по водонепроницаемости. Еще одним преимуществом литоиднопемзового микронаполнителя является то, что он не влияет негативно на подвижность бетонной смеси и увеличением дозировки суперпластификатора можно удерживать подвижность на одном уровне (табл. 3).
Введение бентонита в количестве, эквивалентном литоиднопемзовому микронаполнителю, невозможно, так как он сильно влияет на реологию смеси. Так, подвижность бетонной смеси (Ц=200 кг/м3) уменьшилась с 20 см до 0 см при введении 100 кг/м3 бентонита (табл. 3). Если же рассматривать результаты водонепроницаемости, то наблюдается следующее. При введении до 50 кг бентонита глубина проникновения постепенно уменьшается с 150 мм до 68 мм, что соответствует повышению марки по водонепроницаемости на 5 ступеней, однако введение 100 кг/м3 приводит к тому, что проницаемость увеличивается до 81 мм в силу невозможности нормального уплотнения смеси из-за увеличения остаточной пористости (плотность затвердевшего бетона составляет 2237 кг/м3, тогда как плотность бетонной смеси – 2364 кг/м3).
Благодаря высокой удельной поверхности (220000 см2/г), микрокремнезем оказывется наиболее активным и эффективным микронаполнителем. Для малоцементного бетона введение всего 40 кг/м3 (20% от массы цемента) микрокремнезема уменьшает глубину проникновения с 150 мм до 38 мм, а для бетона с содержанием цемента 400 кг/м3 та же дозировка уменьшает проницаемость с 100 мм до 36 мм. Очевидно, что эффективность его выше в малоцементных бетонах, однако это утверждение распространяется также на все рассмотренные микронаполнители.
Количественно равное уменьшение глубины проникновения воды, имеющее место при введении 40 кг и 80 кг микрокремнезема, можно наблюдать в случае использования литоидной пемзы при ее расходе 250 кг/м3 для малоцементного бетона и 150 кг/м3 для бетона со средним расходом (рис. 4 и рис. 5). Принимая во внимание факт высокой себестоимости микрокремнезема, микронаполнитель из литоидной пемзы может быть альтернативным местным материалом.
Увеличение водонепроницаемости бетонов с микронаполнителями объясняется в основном их пуццоланической активностью, вследствие чего генерируется дополнительное количество низкоосновного гидросиликата кальция C-S-H(I), который заполняет поры, а также уменьшает средний диаметр капилляров. Сказанное подтверждается также приведенными ниже результатами испытаний бетона на прочность (рис. 6 и рис. 7, табл. 4).
Таблица 4. Результаты испытаний прочности бетонов с использованием разных микронаполнителей
| Микронаполнитель | Расход, кг/м3 | Бетонная смесь | Бетон | |||||
| ОК см | В/Ц | В/Т | Плотность, кг/м3 | Плотность, кг/м3 | Прочность в 28 сут., МПа | |||
| Ц=200 кг/м3 | Литоидная пемза | 0 | 20 | 1 | 1 | 2355 | 2312 | 12,1 |
| 50 | 20 | 1 | 0,80 | 2380 | 2327 | 15,2 | ||
| 100 | 21 | 1 | 0,66 | 2385 | 2325 | 17,6 | ||
| 150 | 23 | 1 | 0,57 | 2400 | 2370 | 23,4 | ||
| 200 | 21 | 1 | 0,50 | 2405 | 2343 | 25,1 | ||
| 300 | 21 | 1 | 0,41 | 2385 | 2345 | 32,4 | ||
| Бентонит | 0 | 20 | 1 | 1 | 2355 | 2312 | 12,1 | |
| 10 | 14 | 1 | 0,95 | 2375 | 2353 | 13,8 | ||
| 20 | 8 | 1 | 0,91 | 2328 | 2285 | 11,7 | ||
| 50 | 3 | 1 | 0,80 | 2393 | 2354 | 13,9 | ||
| 100 | <0 | 1 | 0,66 | 2364 | 2237 | 11,3 | ||
| Микрокремнезем | 0 | 20 | 1 | 1 | 2355 | 2312 | 12,1 | |
| 40 | 21 | 1 | 0,84 | 2402 | 2380 | 19,6 | ||
| Ц=400 кг/м3 | Литоидная пемза | 0 | 20 | 0,54 | 0,54 | 2365 | 2315 | 35,1 |
| 50 | 21 | 0,54 | 0,49 | 2325 | 2287 | 30,0 | ||
| 100 | 21 | 0,54 | 0,44 | 2385 | 2324 | 36,2 | ||
| 150 | 22 | 0,54 | 0,41 | 2378 | 2317 | 35,2 | ||
| Бентонит | 0 | 20 | 0,54 | 0,54 | 2365 | 2315 | 35,1 | |
| 10 | 11 | 0,54 | 0,48 | 2405 | 2368 | 34,2 | ||
| 20 | 7 | 0,54 | 0,43 | 2398 | 2381 | 36,9 | ||
| Микрокремнезем | 0 | 20 | 0,54 | 0,54 | 2365 | 2315 | 35,1 | |
| 80 | 23 | 0,54 | 0,46 | 2455 | 2424 | 49,3 | ||
Из результатов следует, что в малоцементном бетоне с добавлением до 300 кг/м3 литоиднопемзового микронаполнителя прочность почти линейно увеличивается с 12,1 МПа до 32,4 МПа, что говорит о высокой активности последнего. Однако в бетоне со средним расходом цемента увеличение прочности не наблюдается.
Увеличение прочности во всех случаях также не отмечается при введении в качестве микронаполнителя бентонита. Это означает, что увеличение водонепроницаемости бетона обусловлено лишь набухающим при контакте с водой эффектом бентонита (вследствие чего капилляры забиваются увеличенным объемом, перекрывая путь для дальнейшей фильтрации воды) и пуццолановая реакция в данном случае отсутствует.
Однако объяснить увеличение водонепроницаемости бетонов с микронаполнителями одним лишь образованием гидросиликата кальция недостаточно, так как, например, в случае с бетоном с содержанием цемента 400 кг/м3 добавление литоиднопемзового микронаполнителя не привело к увеличению его прочности, хотя наблюдался явный эффект уменьшения проницаемости. Возможно, введение микронаполнителей ведет также к механической закупорке капилляров и микроканалов.
Для подтверждения вышесказанного были испытаны бетоны с тем же составом и с тем же количеством дисперсных частиц, что и в случае использования литоиднопемзового микронаполнителя, однако в качестве дисперсной фазы был введен лишь цемент. Как и в серии предыдущих испытаний, было рассмотрено 2 случая, когда содержание цемента в контрольном составе составляло 200 кг/м3 и 400 кг/м3. Результаты испытаний водонепроницаемости и прочности таких бетонов после 28 суток твердения в нормальных условиях показаны на рис. 8-11.
Результаты рис. 7 и рис. 8 показывают, что в большинстве случаев использования литоиднопемзового микронаполнителя водонепроницаемость бетона зависит от общего количества дисперсных частиц, а не от активности, при условии, что размерность их находится на одном порядке.
Выводы:
1. Микронаполнитель из литоидной пемзы позволяет понижать проницаемость бетона до 6,8 раза.
2. Химическая активность литоиднопемзового микронаполнителя растет с увеличением его удельной поверхности.
3. Эффективность применения микронаполнителей (в том числе литоиднопемзового) с точки зрения увеличения водонепроницаемости и прочности бетона в большей мере наблюдается в малоцементных бетонах.
4. Увеличение водонепроницаемости бетона при введении микронаполнителя связано не только с пуццолановой реакцией, но в большей мере с механической закупоркой пор и капилляров.
Библиографический список
1. Баженов Ю.М. и др. Структура и свойства бетонов с наномодификаторами на основе техногенных отходов. – Москва: МГСУ, 2013, – 204 с.
2. Антонян А.А. Литоидная пемза – материал для водонепроницаемых бетонов // Технологии бетонов, №3-4, 2018, с. 18-23.
3. Асирян А.М., Торгомян А.Р. Совмещенная технология обогащения легких пористых заполнителей // Научные труды НУАС. Т. III (66), – Ереван, 2017, с. 18-24.
4. Антонян А.А. О некоторых особенностях современных методов определения водонепроницаемости бетона // Технологии бетонов, №9-10, 2017, с. 29-33.
5. Химические и минеральные добавки в бетон / Под редакцией Ушерова-Маршака. – Харьков: Колорит, 2005. – 250 с.
