Литоидная пемза – материал для водонепроницаемых бетонов

В статье приведены сведения о литоидной пемзе, особенностях ее применения в качестве заполнителей и активной минеральной добавки при производстве цемента. Показаны сравнительные результаты водонепроницаемости бетонов на пемзовых заполнителях и традиционных плотных, обычно используемых при возведении водонепроницаемых конструкций. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют об эффективности применения литоидной пемзы в качестве заполнителя, а также минеральной добавки для получения водонепроницаемых бетонов.

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: литоидная пемза, водонепроницаемость, легкий бетон, микронаполнитель, цемент
Keywords: lithium pumice, watertightness, lightweight concrete, microfiller, cement

Повышение водонепроницаемости бетона как основной функции его долговечности является одной из актуальных задач современного бетоноведения. Постоянно ведется работа по улучшению структуры бетона и изысканию новых материалов и технологий, которые повышают его непроницаемость.

Увеличение водонепроницаемости бетона достигается повышением плотности всех составляющих: цементного камня и заполнителей. В основном для водонепроницаемых бетонов используется заполнитель из плотных горных пород, таких как базальт, гранит, диабаз и т.д. Идея использования пористой литоиднопемзовой породы в качестве заполнителя для водонепроницаемых бетонов, на первый взгляд, может показаться нецелесообразной, но более глубокий подход к вопросу применения делает очевидным преимущество пемзовых заполнителей по сравнению с плотными.

Пемза является продуктом вуканической активности и представляет собой пористую сыпучую и кусковую породу в виде изверженного застывшего кислого вулканического стекла. Пористость пемзы обусловливается содержанием растворенного и зажатого газа в расплавленном стекле, высвобождающегося при извержении. В зависимости от вязкости расплавленного вулканического стекла и количества растворенного в нем газа, в широких пределах меняется характер и количество пор в пемзе: от губчатой до волокнистой, от крупнопористой до мелкопористой [1].

В зависимости от петрографических и физико-механических данных, пемзы бывают нормального типа (или анийского) и литоидные.

В отличие от нормального типа, литоидные пемзы характеризуются меньшей пористостью и, соответственно, большей прочностью. Они различаются также по геологическому возрасту: анийского типа – четвертичные, а литоидные пемзы – третичные.

Пемзы встречаются во многих районах проявления вулканизма. Большие их залежи находятся в Армении, Италии (на Липарских островах) и на Cеверном Кавказе (в районе Нальчика). В Армении насчитывается более 70 месторождений пемз.

Литоидная пемза встречается в природе в коренном заложении и в виде вторичных отложений. В первом случае наблюдаются сплошные покровы, во втором – слои кусковой пемзы, орешка и песка [2]. В большинстве случаев в залежах литоидной пемзы наблюдаются обломки обсидиана. По химическому составу обсидиан идентичен с литоидной пемзой – с тем лишь отличием, что он не успел вспучиться перед охлаждением.

В зависимости от содержания и валентности железа, цвет литоидных пемз бывает белый с розовым оттенком, светло-серый, желтый, бурый, а также черный.

Химический состав литоидной пемзы (в сравнении с нормальной) приведен в табл. 1. Основные физико-механические свойства кусковой пемзы – в табл. 2.

Таблица 1. Химический состав пемз

Тип пемзы	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	Na2O+K2O	п.п.п.
Литоидная	69,82-70,20	16,90-17,68	1,91-2,14	1,63-1,70	0,38-0,45	4,35-5,30	3,80-3,97
Нормальная	68,84-70,08	13,33-15,19	1,44-3,77	1,48-2,35	0,21-0,71	6,83-7,84	3,99-4,54

Таблица 2. Основные физико-механические свойства кусковой литоидной пемзы

Свойства	Промежуток значений / в среднем
Средняя плотность, кг/м3 Истинная плотность, г/см3 Пористость, % Водопоглощение по массе, % Прочность на сжатие, МПа Коэффициент размягчения	1310-1473 / 1409 2,36-2,39 / 2,38 37,9-44,6 / 40,6 8,1-18,1 / 12,5 18,9-20,8 / 20,0 0,91

Применение литоидной пемзы в бетоне может быть в качестве крупного и мелкого заполнителя после дробления кусковой породы и обогащения зернового состава, в качестве активной минеральной добавки – при производстве цемента и бетона.

Использование литоидной пемзы в качестве заполнителя. О применении литоидных заполнителей в конструкционных легких бетонах известно давно. Подтверждение тому – огромный опыт использования данных бетонов в гражданском и промышленном строительствах. В Армении литоидная пемза применялась с древних времен. Главным образом в кладочных растворах. Большой интерес представляет применение впервые в мировой практике литоидных заполнителей в гидротехническом бетоне и при возведении Гюмушской ГЭС (Армения), а также в тоннелестроении.

Современными методами нами была исследована водонепроницаемость бетона на литоидных заполнителях в сравнении с тяжелым бетоном на базальтовом щебне и речном песке. Испытания были осуществлены по EN 12390-8 «Глубина проникновения воды под давлением» и по определению скорости проникновения воды на установке Germann GWT-4000. Особенности данного стандарта и метода определения скорости проникновения приведены в работах [3, 4]. Составы исследованных бетонов приведены в табл. 3, физико-механические свойства заполнителей – в табл. 4 и на рис. 1. Количество цемента для легкого и тяжелого бетонов было принято 360 кг/м³, исходя из оптимальности по водонепроницаемости, по данным работы [3]. Класс подвижности бетонных смесей во всех случаях соответствовал П4.

Таблица 3. Составы исследуемых бетонов

Легкий бетон на литоидном щебне и песке	Тяжелый бетон на базальтовом щебне и речном песке
Щ=640 кг/м3 (Джраберское месторождение, Армения) П=640 кг/м3 (Джраберское месторождение, Армения) Ц=360 кг/м3 (CEM II A 42,5 N – Араратский завод, ­Армения) В=270 кг/м3	Щ=1020 кг/м3 (Ехегийское месторождение, Армения) П=850 кг/м3 (Эчмиадзинское месторождение, Армения) Ц=360 кг/м3 (CEM II A 42,5 N – Араратский завод, ­Армения) В=215 кг/м3

Таблица 4. Физико-механические свойства заполнителей

Свойство	Литоидная пемза		Базальтовый щебень	Речной песок
	Щебень	Песок
Насыпная плотность в сухом состоянии, кг/м3	865	1173	1286	1738
Истинная плотность, г/см3	2,31	2,31	2,70	2,72
Средняя плотность, кг/м3	1405	—	2534	—
Пустотность, %	38,4	49,2	52,3	36
Количество обсидиана, %	16	7	—	—
Количество пылистых частиц, %	1,0	22,0	1,10	1,28
Количество частиц меньше 0,16 мм, %	—	21,5	—	1,34
Модуль крупности	—	2,67	—	2,68

С целью испытаний формировались образцы-цилиндры 15×15 см для определения водонепроницаемости и образцы-кубы 15×15×15 см для определения прочности. Твердение бетона осуществлялось в разных условиях:

• в нормальных, средняя температура T=20±2°C, влажность ϕ=95±5%,

• в воде, T=20±2°C, ϕ=100%,

• в воздушно-сухих (в лабораторном помещении), T=24±2°C, ϕ=65±5%,

• в воздушно-сухих (в условиях сухого и жаркого климата), T= 32°C, ϕ=30%.

Образцы подвергались испытанию после 28 суток твердения в соответствующих условиях. Образцы, твердеющие в воде до испытания, подвергались естественной сушке в течение 4-5 дней.

Рассмотрение водонепроницаемости бетона при твердении в условиях сухого и жаркого климата вызвано проверкой утверждения некоторых специалистов возможностью удержания воды пористыми заполнителями при недостаточном влажностном уходе.

Результаты испытаний бетона (среднее значение для 3 образцов) приведены в табл. 5. Они показывают, что независимо от типа заполнителя водонепроницаемость бетона сильно зависит от условия хранения образцов. Наименьшую проницаемость имеет бетон водного твердения, что предопределяет более полную гидратацию цемента и наличие капиллярных пор меньшего размера. Причем если сравнивать результаты водонепроницаемости бетона на литоидной пемзе с обычным тяжелым, то оказывается, что они находятся на одном уровне (36 мм и 25 мм соответственно).

Таблица 5. Результаты испытаний бетона

Тип заполнителя	Бетонная смесь				Бетон
	Расход цемента, кг/м3	Осадка конуса, см	В/Ц	Плотность бетонной смеси, кг/м3	Условия хранения	Плотность, кг/м3	Глубина проникновения воды, мм	Скорость проникновения, мм/с	Марка по водонепроницаемости*	Прочность, МПа на 28 сут.
Базальтовый щебень + речной песок	360 360 360 360	18 18 18 18	0,60 0,60 0,60 0,60	2452	Нормальные T=20±2°C ϕ=95±5% В воде T=20±2°C ϕ=100% Воздушно-сухие T=24±2°C ϕ=65±5% Воздушно-сухие T=32°C ϕ=30%	2378 2396 2370 2318	89 25 130 >150	3,94×10-4 2,87×10-4 2,11×10-3 2,61×10-3	W8 W18 W2 <W2	29,4 31,3 24,5 23,2
Щебень и песок из литоидной пемзы	360 360 360 360	17 17 17 17	0,76 0,76 0,76 0,76	1826	Нормальные T=20±2°C ϕ=95±5% В воде T=20±2°C ϕ=100% Воздушно-сухие T=24±2°C ϕ=65±5% Воздушно-сухие T=32°C ϕ=30%	1786 1805 1748 1670	46 36 137 >150	1,10×10-3 8,34×10-4 3,46×10-3 4,47×10-3	W14 W16 W2 <W2	25,1 22,1 23,4 22,6

*По данным работы [4]

Для образцов, твердеющих в нормальных условиях, характерно следующее: литоиднопемзовый бетон имеет более низкую проницаемость по сравнению с тяжелым, притом что В/Ц отношение легкого бетона значительно выше, что вызвано необходимостью иметь бетонную смесь с равной подвижностью. Так, проницаемость легкого бетона составляет 46 мм, т.е. на 52% меньше, чем у тяжелого.

Данный феномен объясняется так называемым самовакуумированием воды легким заполнителем. Так как литоидная пемза характеризуется мелкой пористостью, после приготовления и укладки бетона начинается всасывание воды из цементного теста заполнителем силами капиллярного подсоса. Получается, что В/Ц отношение в контактной зоне цементного камня с заполнителем в значительной мере меньше, чем в общей системе, что определяет более плотную структуру. В дальнейшем, по мере твердения цемента, заполнитель начинает подпитывать его всосанной водой, предопределяя оптимальные влажностные условия для твердения цементного камня, прилегающего к заполнителю. Контактная зона и близлежащие слои получаются более плотными, чем общая система. Вода под давлением не проникает в пористый заполнитель, она как бы огибает его, тем самым увеличивая свой путь. Этим и объясняется высокая водонепроницаемость бетона на литоидной пемзе.

По сравнению с легким бетоном, контактная зона заполнителя для тяжелого бетона является ослабленным местом, характеризуясь высокой пористостью и концентрацией минерала портландита (СН).

Надо отметить, что данный эффект самовакуумирования наблюдается только в том случае, когда используемый литоидный заполнитель находится в сухом состоянии. В случае использования водонасыщенного заполнителя увеличение водонепроницаемости бетона по сравнению с тяжелым не наблюдается.

В табл. 5 результаты скорости проникновения воды, полученные на установке Germann GWT-4000, для легкого бетона оказываются несколько выше, чем для тяжелого. Это объясняется тем, что нижняя торцевая часть образцов-цилиндров, которая подвергалась непосредственному контакту с водой, перед испытанием была срезана на 2-4 мм для удаления зоны с большой концентрацией пылевидных частиц цемента и песка, а также остатков замасливателя от форм. Так что поверхность заполнителя в нижней торцевой стороне образца была оголена. Поскольку установка Germann GWT-4000 испытывает поверхностные слои бетона, основной поток воды проходит по порам заполнителя, а не по цементному камню, поэтому скорость проникновения воды для легкого бетона получается выше. Данный эффект наблюдается только для первого ряда заполнителя и в структуре существующей конструкции не замечен.

Рассматривая водонепроницаемость бетона, твердеющего в условиях повышенных температур и пониженной влажности (в лабораторных и натурных условиях), имеет место резкое увеличение проницаемости как легкого, так и тяжелого бетона. Так, глубина проникновения воды для легкого литоиднопемзового бетона составила 137 мм, для тяжелого 130 мм, т.е. по сравнению с твердением в нормальных условиях увеличилась на 198% и 46% соответственно.

Кинетика потери влаги цилиндрических образцов показана на рис. 2.

Из рис. 2 видно, что кинетика потери массы образцов легкого и тяжелого бетона идентична. При расчете потери свободной воды (а’ и б’) был принят во внимание тот факт, что цемент химически связывает 15% воды по массе, т.е. разница между общим количеством воды и химически связанным считается свободной. И это несмотря на то, что потеря массы образцов для литоиднопемзового бетона больше, чем для обычного (к 28 суткам потеря массы составляет 352 г и 400 г против 290 г и 330 г для обычного бетона). Перерасчет на потерю свободной воды показывает иную картину (рис. 2а’, б’). После 28 суток образцы литоиднопемзового бетона, твердеющие в воздушно-сухих условиях в лабораторном помещении, потеряли 50% свободной воды, тогда как для тяжелого бетона потеря свободной воды составила 70%. Для образцов, твердеющих в условиях сухого и жаркого климата, данные показатели составляют 55% и 80% соответственно. Следовательно, потеря свободной воды для бетона с литоидной пемзой значительно меньше, что определяет более благоприятные условия для протекания реакции гидратации.

Анализируя результаты испытаний, можно сделать следующие выводы. Независимо от типа бетона, условия твердения играют первоочередную роль в формировании оптимальной структуры, ответственной за водонепроницаемость. При обеспечении же нормальных условий твердения (или условий, близких к нормальным) бетон на литоидных заполнителях менее проницаем, чем аналогичный бетон на плотных заполнителях.

Также был рассмотрен вопрос применения литоиднопемзовых заполнителей в высокофункциональных бетонах с содержанием суперпластификатора и повышенного количества микрокремнезема. В исследовании использовалась комплексная добавка Полипласт 3МБ в количестве 20% от массы цемента. Так же как и в первом случае, свойства литоиднопемзового бетона сравнивались с тяжелым бетоном на базальтовом щебне и речном песке. Составы бетонов приведены в табл. 6.

Таблица 6. Составы высокофункциональных бетонов

Легкий бетон на литоидном щебне и песке	Тяжелый бетон на базальтовом щебне и речном песке
Щ=600 кг/м3 (Джраберское месторождение, Армения) П=560 кг/м3 (Джраберское месторождение, Армения) Ц=420 кг/м3 (CEM II A 42,5 N – Араратский завод, ­Армения) 3МБ=84 кг/м3 В=244 кг/м3	Щ=940 кг/м3 (Киликийское месторождение, Армения) П=845 кг/м3 (Эчмиадзинское месторождение, Армения) Ц=420 кг/м3 (CEM II A 42,5 N – Араратский завод, ­Армения) 3МБ=84 кг/м3 В=199 кг/м3

Из бетонной смеси формовались образцы-цилиндры 15×15 см и образцы-кубы 10×10×10 см, которые подвергались испытаниям после 28 суток нормального твердения. Результаты испытаний приведены в табл. 7.

Таблица 7. Результаты испытаний высокофункциональных бетонов

Тип заполнителя	Бетонная смесь				Бетон
	Осадка конуса, см	В/Ц		Плотность смеси, кг/м3	Плотность, кг/м3	Глубина проникновения, мм	Прочность, МПа
Литоидный щебень и песок	25	0,58	0,48	1923	1902	11	39,4
Базальтовый щебень, речной песок	26	0,47	0,39	2485	2452	23	57,4

Результаты табл. 7 показывают, что, как и в предыдущем случае, бетон на литоидных заполнителях, несмотря на большее В/Ц отношение, имеет значительно большую (в 2 раза) водонепроницаемость, что позволит эффективно использовать данный бетон при возведении долговечных сооружений.

Обращаясь к вопросу прочности, вполне закономерно иметь более низкие значения для бетона с легкими заполнителями по сравнению с тяжелыми, но абсолютные величины прочности литоиднопемзового бетона позволяют применять его в несущих конструкциях и в системе «белая ванна».

Использование литоидной пемзы в качестве минеральной добавки при производстве цемента. В качестве минеральной добавки литоидная пемза активно применяется в Армении для производства цемента CEM II. Вводимое количество литоидной пемзы находится в пределах 10,2%, что объясняется химической активностью данного материала и проявлением пуццоланического эффекта при достаточной степени помола.

Нами была рассмотрена водонепроницаемость бетона на разных цементах как I, так и II типа: «Арарат цемент» (Армения) CEM II/A-P 42,5N, CEM II/A-P 52,5N; Heidelberg Cement (Грузия) CEM II 32,5N, CEM I 42,5N; Urumieh (Иран) CEM I 32,5N. Бетонные смеси с каждым из цементов готовились при одинаковом В/Ц отношении. В качестве заполнителей использовался базальтовый щебень Ехегийского месторождения и речной песок. Результаты испытаний приведены в табл. 8.

Таблица 8. Результаты испытаний бетонов на разных цементах

Тип цемента	Завод изготовитель (страна)	Минеральная добавка, %	Бетонная смесь			Бетон
			Осадка конуса, см	В/Ц	Плотность смеси, кг/м3	Плотность, кг/м3	Глубина проникновения воды, мм	Марка по водонепроницаемости	Скорость проникновения, см/с	Прочность, МПа в 28 сут.*
CEMII/ A-P 42,5N	«Арарат цемент» (Армения)	Литоидная пемза, 10,8	18	0,60	2423	2399	78	10	4,22×10-4	28,6 28,7
CEMII/ A-P 52,5N	«Арарат цемент» (Армения)	Литоидная пемза, 10,8	18	0,60	2401	2361	77	10	4,11×10-4	32,5 35,9
CEM II 32,5N	Heidelberg Cement (Грузия)	Информация отсутствует	23	0,60	2452	2419	133	2	7,17×10-4	29,6 32,0
CEM I 42,5N	Heidelberg Cement (Грузия)	0	21	0,60	2457	2403	109	4	5,37×10-4	42,9 47,5
CEM I 32,5N	Urumieh (Иран)	0	21	0,60	2436	2380	116	4	7,29×10-4	27,6 30,8
			18	0,58	2439	2375	99	6	6,54×10-4	31,0 35,3

Примечания: *в числителе – прочность бетона, 28 суток твердеющего в нормальных условиях, в знаменателе – твердеющего в воде. Материалы: щебень базальтовый 5-20 мм Ехегийского месторождения. Песок речной мытый Мкр=2,6 (фр.>5 мм – 10%). Состав бетона: Щ=1010 кг/м³, П=840 кг/м³, Ц=360 кг/м³, В/Ц=0,60. Гидрофизические свойства определялись на образцах-цилиндрах 15×15 см, твердеющих 28 суток в нормальных условиях, прочность на образцах-кубах 10×10×10 см, твердеющих в воде и в нормальных условиях

Из результатов табл. 7 следует, что цемент с литоидной пемзой (Араратского завода) имеет самую высокую водопотребность. При неизменном В/Ц отношении подвижность бетонных смесей на данном цементе меньше других на 3-5 см. Однако проницаемость данных бетонов наименьшая. Так, глубина проникновения воды под давлением составляет 77 и 78 мм против 109-133 мм для цементов, произведенных в Грузии и Иране, т.е. марка по водонепроницаемости для бетонов на цементе с литоидной пемзой получается на 3-4 ступени выше.

Также с использованием цемента завода Urumieh был приготовлен бетон с той же подвижностью, что и для Араратского завода. Так как водопотребность первого оказалась значительно ниже, подвижность смеси, равная 18 см, была получена при В/Ц=0,58. Результаты испытаний показывают, что даже в этом случае, при большем В/Ц отношении, водонепроницаемость бетона с Араратским цементом оказывается выше (на 2 ступени марки).

Высокая водонепроницаемость данных цементов объясняется не только пуццоланическим эффектом, но и возможным блокированием капиллярных пор частицами литоидной пемзы. Так как количество общей пористости (в т.ч. капиллярной) для всех приведенных в табл. 7 случаях одинаково (кроме последней строки) и зависит от В/Ц отношения, соответственно, характер пор для разных цементов разный. Для араратского цемента с литоидной пемзой капилляры, видимо, получаются не сообщающимися, а дискретными, препятствуя фильтрации воды.

Выводы:

Из вышесказанного можно сделать вывод, что применение литоидной пемзы в качестве минеральной добавки в цемент оказывается крайне эффективным с точки зрения водонепроницаемости бетона, несмотря на значительно увеличивающуюся водопотребность цемента.

Применение литоидной пемзы в качестве крупного и мелкого заполнителя позволяет получать бетоны повышенной водонепроницаемости. При нормальных условиях твердения водонепроницаемость литоиднопемзового бетона значительно превышает значение для тяжелого бетона с аналогичным расходом цемента и подвижностью бетонной смеси.

Литоидные заполнители можно применять в высокофункциональном бетоне. Прочность такого бетона получается достаточно высокой для легкого бетона, позволяя возводить облегченные конструкции повышенной долговечности.

Применение литоидной пемзы в качестве минеральной добавки для получения цемента CEM II оказывается крайне эффективным с точки зрения водонепроницаемости бетона. Несмотря на высокую водопотребность данных цементов, гидрофизические свойства бетонов с данными цементами имеют высокие значения.

Крайне целесообразны дальнейшие исследования применения литоидной пемзы в качестве микронаполнителя для бетона. Перспективно будет применение литоидного микронаполнителя в самоуплотняющихся и высокопрочных бетонах.

Библиографический список

1. Ацагорцян З.А. Природные каменные материалы Армении. – Москва: Издательство литературы по строительству, 1967, – 240 с.

2. Гидротехнический бетон на литоидной пемзе. Под редакцией Симонова М.З. и Худавердяна В.М. – Ереван: Издательство Академии наук, 1958, – 296 с.

3. Антонян А.А. Сравнительная оценка методов определения водонепроницаемости бетонов на примере исследования влияния содержания цемента // Бетон и железобетон. – СПб: Славутич, №2, 2015, с. 44-47.

4. Антонян А.А. О некоторых особенностях современных методов определения водонепроницаемости бетона // Технологии бетонов, 2017, №9-10, с. 29-33.

5. Шугуан Х., Чжоу В.Ф. Легкие бетоны. – Москва: АСВ, 2016, – 304 с.

6. Rinker M.E. Determination of Acceptance Permeability Characteristics for Performance-Related Specifications for Portland Cement Concrete / Report Submitted to Florida Department of Transportation, University of Florida, July 2013.

7. Technical manual. Concrete for watertight structures. Mapei SpA. – Milan, 2017, – 32 p.