В работе были выполнены экспериментальные исследования по разработке рецептур керамзитобетона для транспортного строительства марки по средней плотности D1500-D1700, класса по прочности В25-В30 с использованием керамзитового гравия и модифицирующих добавок. С использованием недорогого сырья получены легкие бетоны, изготовленные из высокоподвижных смесей с маркой по осадке конуса П4-П5, которые эффективно применять в строительстве транспортных сооружений. Такие бетоны позволяют более чем на 30% уменьшить нагрузку на конструкционные элементы сооружения, сохранить несущие характеристики, уменьшить стоимость строительства и улучшить теплофизические свойства конструкции.

УДК 666.973

Ю.Ю. КУРЯТНИКОВ, канд. техн. наук, доцент, М.А. СМИРНОВ, канд. техн. наук, доцент, Ф.Г. ФЕДОРОВ, магистрант,
Тверской государственный технический университет

Ключевые слова: керамзитобетон, керамзитовый гравий, гиперпластификаторы, водоредуцирующий эффект, оптимизация состава
Keywords: claydite-concrete, expanded clay gravel, hyper-plasticizers, water-reducing effect, optimizing of the composition

В строительстве существует проблема снижения веса зданий и сооружений, которую можно решить путем замены тяжелых строительных материалов и конструкций на менее плотные. Например, на легкие и ячеистые бетоны, которые существенно уменьшают нагрузку на несущие элементы, обеспечивают хорошую тепло- и звукоизоляцию [1, 2]. Обычно применение легких и ячеистых бетонов из-за невысокой прочности ограничивается строительством самонесущих ограждающих конструкций. Однако сочетание низкой средней плотности, характерной для легких бетонов, и высокой прочности, присущей тяжелым бетонам, позволяет значительно расширить область применения легких бетонов. Применение такого материала обеспечивает здания и сооружения, с одной стороны, требуемыми прочностными свойствами, а с другой, позволяет существенно экономить на общем весе. Такой материал эффективен при строительстве транспортных сооружений: мостов, путепроводов, эстакад и т.д.

Разработку состава и технологии получения композиционного облегченного бетона с высокими показателями физико-механических свойств, трещиностойкости и водостойкости для применения в мостостроении в работе [3] осуществляли путем решения комплекса задач, обеспечивающих:

– приготовление удобоукладываемой формовочной смеси с ограниченным количеством воды (до В/Ц=0,22) за счет введения в состав цементного бетона гиперпластификатора, акрилового полимерного связующего, обладающего пластифицирующими свойствами, и использования практической методики по подбору рациональных составов бетона;

– получение материала с пониженной плотностью за счет воздухововлекающего действия акрилового сополимера, применения в составе бетона тонкомолотого компонента, повышенного содержания рубленого базальтового волокна (до 3% и более) и возможного применения микросферы;

– повышение прочности композитного бетона за счет активации цемента и песка с помощью помольного вихревого комплекса, возможного использования коллоидного кремнегеля и применения специально разработанных смесителей: смесителя-дезинтегратора для дополнительной активации цементно-песчаной смеси с минеральными добавками и смесителя-активатора для интенсивного перемешивания и равномерного распределения по объему смеси дисперсно-армирующих волокон;

– получение требуемых показателей разрабатываемого композита по водопоглощению, водостойкости и морозостойкости за счет применения в качестве полимерного связующего водостойкого акрилового сополимера и формирования структуры материала с закрытой пористостью. Разрабатываемый высокопрочный легкий бетон для строительства мостов с технологическими и физико-механическими свойствами, приведенными в табл. 1, позволил минимум на треть уменьшить нагрузку на пролетные строения мостов при сохранении их несущих характеристик. Приведенные в работе [3] рецептуры высокопрочных легких бетонов соответствуют поставленным требованиям по плотности и прочности, но имеют максимальную марку смеси по осадке конуса П3.

Таблица 1. Показатели высокопрочных легких бетонов

Наименование показателей	Значения показателей
	Легкий бетон ООО «НТЦ ЭМИТ»	Нанобетон «Петроконсалт-сервис»	Легкий бетон МГСУ
Подвижность бетонной смеси, см	8-10	10	–
Средняя плотность, кг/м3	1600-1650	1450-1600	1300-1500
Прочность при сжатии, МПа	70-85	45-60	40-65
Прочность на растяжение при изгибе, МПа	13,3	6-8	–
Водопоглощение, %	1-2	–	2,5
Снижение прочности при водонасыщении, %	3-5	–	–
Коэффициент конструктивного качества	0,51	0,375	0,433

Авторами [4] разработан и испытан легкий наноструктурированный бетон, который был успешно апробирован при реконструкции моста через р. Волга в г. Кимры. Использование в составе алюмосиликатных микросфер, базальтового микроволокна (длина 500 мкм, диаметр 10 мкм), модифицирование полиэдральными многослойными углеродными наноструктурами фуллероидного типа позволило получить составы бетона со средней плотностью 1500-1600 кг/м³, пределом прочности при сжатии 45-55 МПа, прочностью на растяжение при изгибе 6-8 МПа, водонепроницаемость не менее W14, морозостойкость не менее F350, марку смеси по осадке конуса П4. Недостатком данной разработки является очень высокая стоимость бетона.

В лабораториях НОЦ «Нанотехнологии» МГСУ разработаны составы энергоэффективных наномодифицированных высокопрочных легких бетонов [5]. Состав предлагаемого бетона включает вяжущее, минеральную часть, наномодифицированный наполнитель, пластифицирующую добавку и воду. В минеральную часть входит: фракционированный кварцевый песок фр. 0,16-0,63 мм, каменная мука (продукт измельчения кварцевого песка или другой горной породы, содержащей кремнезем) с удельной поверхности 700-800 м²/кг и микрокремнезем, имеющий средний размер частиц 0,01-1 мкм. Наполнителем, определяющим плотность бетонной смеси, являются полые стеклянные или алюмосиликатные микросферы, поверхность которых модифицирована добавкой, содержащей наноразмерный комплекс. Получены составы высокопрочных легких бетонов со средней плотностью 1300-1400 кг/м³ и определены базовые показатели прочности при сжатии с использованием стеклянных и алюмосиликатных полых микросфер, которые составили значения в диапазоне 40-65 МПа.

Нами была поставлена задача получить легкий бетон с керамзитовым заполнителем со средней плотностью 1500-1600 кг/м³, маркой смеси по осадке конуса П4-П5 с использованием недорогого сырья для использования его в строительстве транспортных сооружений. Тенденции в создании современных высококачественных бетонов опираются на достижения в практике пластифицирования бетонных смесей, на применении дисперсных составляющих, в первую очередь аморфного микрокремнезема и разнообразных минеральных добавок. Использование высокодисперсных компонентов позволяет значительно уменьшить пустот­ность цементных композиций, что повышает прочность, трещиностойкость, коррозионную стойкость и другие технические параметры бетонов. Следует отметить, что одной высокодисперсности компонентов недостаточно для того, чтобы приготовить высококачественный бетон. Надо подобрать оптимальную упаковку компонентов, добившись минимальной пустотности бетонной смеси.

Для получения легкого бетона в качестве вяжущего применяли 3 вида портландцемента: ПЦ 500Д0-Н, ЦЕМ I 52,5Н и ПЦ 600Д0. В качестве мелкого заполнителя взят кварцевый песок с модулем крупности 2,0. В качестве легкого заполнителя – керамзитовый гравий фракции 0-4 мм (рис. 1). В качестве микронаполнителя – микрокремнезем конденсированный. В качестве добавок: суперпластификатор «Линамикс СП-180», гиперпластификатор Pentaflow AC/2. Керамзитовый гравий имел насыпную плотность 500-600 кг/м³, прочность при сдавливании в цилиндре 3,0-3,2 МПа, марку по прочности П125. Микрокремнезем конденсированный имел насыпную плотность 165-175 кг/м³, массовая доля диоксида кремния (SiO2) не менее 88%, массовая доля оксида кальция (СаО) не более 1,27%. «Линамикс СП-180» – суперпластификатор, представляющий собой смесь поверхностно-активных веществ (натриевые соли конденсированных сульфокислот нафталина и лигносульфоновых кислот) с комплексообразователем, повышающим сохраняемость подвижности бетонной смеси. Pentaflow AC/2 – гиперпластификатор, представляющий собой смесь эфиров поликарбоксилатов.

Таблица 2. Варианты составов легкого модифицированного бетона

№ п/п	Вариант состава	Осадка конуса, см	Средняя плотность, кг/м3	Прочность на сжатие, МПа
				7 суток	28 суток
1	ПЦ 500Д0-Н – 550 кг Микрокремнезем – 10% Pentaflow – 0,3%	24	1408	28,4	36,4
2	ПЦ 500Д0-Н – 550 кг Микрокремнезем – 10% Pentaflow – 0,4%	25	1595	37,9	42,1
3	ПЦ 500Д0-Н – 550 кг Микрокремнезем – 10% «Линамикс СП-180» – 0,4%	20	1600	33,4	38,0
4	ПЦ 600Д0 – 550 кг Микрокремнезем – 10% «Линамикс СП-180» – 0,4%	21	1622	34,1	39,5
5	ЦЕМ I 52,5 Н – 550 кг Микрокремнезем – 10% «Линамикс СП-180» – 0,5%	21	1644	35,3	41,4

Для выполнения поставленной задачи был проведен ряд экспериментов, где варьировались вид цемента, его количество, содержание микрокремнезема и добавок. Некоторые составы представлены в табл. 2.

Определяющим фактором, влияющим на среднюю плотность легкого бетона, является количество керамзитового гравия, которое варьировали от 300 до 400 кг на 1 м³. С увеличением содержания керамзита средняя плотность уменьшается. Для увеличения прочности легкого бетона в него вводили микрокремнезем от 5 до 15% и водоредуцирующие добавки в количестве от 0,3 до 0,6%. Наибольший водоредуцирующий эффект обеспечивает гиперпластификатор Pentaflow AC/2 на основе эфиров поликарбоксилатов в количестве 0,4%. При этом В/Ц-отношение составило 0,35. Дальнейшее увеличение расхода гиперпластификатора не оказывает существенное влияние на прочность бетона. Оптимальное количество микрокремензема составило 10%. Прочность бетона в возрасте 7 и 28 суток с применением суперпластификатора «Линамикс СП-180» в количестве 0,4% несколько ниже по сравнению с Pentaflow AC/2, а средняя плотность выше. График набора прочности керамзитобетона представлен на рис. 3. Набор прочности осуществлялся достаточно быстро. Через 7 суток прочность на сжатие достигала около 85% от прочности в возрасте 28 суток. На сколе образца керамзитобетона видно, что керамзит распределен достаточно однородно (рис. 2). Всплытия на поверхность при перемешивании керамзитобетона не наблюдалось.

Таким образом, разработаны составы керамзитобетона для транспортного строительства со средней плотностью 1408-1644 кг/м³, прочностью на сжатие 36,4-42,1 МПа, что соответствует марке по плотности D1500-D1700, классу по прочности В25-В30. С использованием недорогого сырья получены легкие бетоны, изготовленные из высокоподвижных смесей с маркой по осадке конуса П4-П5, которые эффективно применять в строительстве транспортных сооружений. Такие бетоны позволяют более чем на 30% уменьшить нагрузку на конструкционные элементы сооружения, сохранить несущие характеристики, уменьшить стоимость строительства и улучшить теплофизические свойства конструкции.

Библиографический список

1. Курятников Ю.Ю. Неавтоклавный газобетон с применением гиперпластификаторов / Ю.Ю. Курятников, Р.В. Коновалов // Материалы Международной заочной научно-технической конференции. Инновации и моделирование в строительном материаловедении и образовании. – Тверь: ТвГТУ, 2014, с. 59-61.

2. Белов В.В. Сухие готовые смеси для получения газозолобетона с оптимизированной структурой связующей матрицы / В.В. Белов, Ю.Ю. Курятников, И.В. Образцов // Строительные материалы, № 7, 2012, с. 94-97.

3. Баранов И.М. Инновационные материалы для строительства и ремонта мостов / И.М. Баранов // Строительные материалы, № 3, 2013, с. 82-87.

4. Фиговский О.Л. Успехи применения нанотехнологий в строительстве / О.Л. Фиговский, Д.А. Бейлин, А.Н. Пономарев // Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал. – М.: ЦНТ «НаноСтроительство», № 3, 2012, с. 6-22.

5. Иноземцев А.С. Экономические предпосылки внедрения высокопрочных легких бетонов / А.С. Иноземцев, Е.В. Королев // Научно-технический вестник Поволжья. – Казань: ООО «Научно-технический вестник Поволжья», № 5, 2012, с. 198-205.