Белгородская область, Россия
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
Белгородская область, Россия
Беларусь
ГРНТИ 67.09 Строительные материалы и изделия
ББК 383 Строительные материалы и изделия
Важной задачей промышленности строительных материалов является развитие отечественного производства эффективных строительных материалов и изделий, обеспечивающих снижение массы возводимых зданий, экологическую безопасность и комфортность жилья, снижение его стоимости и др. К таким материалам относятся гипсовые материалы и изделия, в частности керамзитобетоны на основе композиционных гипсовых вяжущих. Но, к сожалению, в настоящее время данный вид бетонов имеет ограниченное применение в строительстве, не соответствующее их потенциальным возможностям. Одной из причин такого положения является недостаточность проведенных исследований по определению эксплуатационных характеристик гипсобетонов. В данной статье авторами приводятся результаты исследования атмосферостойкости образцов керамзитобетона на основе композиционных гипсовых вяжущих с многокомпонентной тонкодисперсной минеральной добавкой, включающей отходы мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов (отходы ММС), нанодисперсный порошок кремнезема (НДП), мел и суперпластификатор SikaPlast 2135.
керамзитобетон, композиционное гипсовое вяжущее, фазавый состав
Введение. По мнению многих исследователей [1–10], долговечность ограждающих конструкций зависит от условий их эксплуатации, а также влажностного состояния и свойств материала, из которого они созданы. Считается, что в результате чередующихся атмосферных воздействий (увлажнения, высушивания, замораживания и оттаивания) структура бетона расшатывается, возрастает трещинообразование, снижается стойкость к агрессивным воздействиям.
Методология. Атмосферостойкость образцов керамзитобетона размером 10×10×10 см, находящихся на открытом стенде и подвергающихся атмосферным воздействиям, определяли по изменению показателей предела прочности при сжатии.
Основная часть. Решающим фактором в обеспечении атмосферостойкости бетонов является их прочность и способность структуры материала воспринимать без разрушения знакопеременные деформации. Результаты исследования стойкости образцов из керамзитобетона на КГВ при их твердении в атмосферных условиях могут дать определенную оценку их долговечности.
Для определения средней плотности и требуемой прочности керамзитобетона из бетонной смеси изготавливали образцы-кубы размером 10×10×10 см. Пользуясь существующими методиками по подбору состава керамзитобетона, исходя из заданной средней плотности бетона и его структуры, был рассчитан расход КГВ, воды (для требуемой жесткости или подвижности), заполнителей (крупного и мелкого).
В исследованиях применяли КГВ, включающее: гипсовое вяжущие – β-модификации Г-5БII (Г-5) и α-модификации ГВВС-16 (Г-16), портландцемент ЦЕМ I 42,5Н (ПЦ), многокомпонентные тонкодисперсные минеральные добавки (отходы ММС, нанодисперсный порошок кремнезема (НДП) и мел) и суперпластификатор SikaPlast 2135. Состав КГВ (% по массе): гипсовое вяжущее – 68,05, портландцемент – 15,
тонкомолотые отходы ММС – 15, НДП кремнезема – 0,45, мел – 1,5.
При приготовлении бетонных смесей с водой затворения вводили 0,3 % суперпластификатора SikaPlast 2135 (от массы КГВ). В качестве заполнителя применяли керамзитовый гравий с маркой по прочности П125, по насыпной плотности 500, средней насыпной плотностью
460 кг/м3, наибольшей крупностью 20 мм.
По результатам испытаний шести образцов-кубов с ребром
Составы и показатели физико-механических свойств керамзитобетона приведены в табл. 1.
Натурные наблюдения и лабораторные исследования подтвердили достаточно высокую долговечность образцов керамзитобетона на КГВ при длительном атмосферном воздействии. Исследованиями установлено, что у образцов, находящихся на открытом стенде 4 года, наблюдается прирост прочности на 18 % (с 11 до 13 МПа) с высокими показателями водостойкости 0,9 и морозостойкости F70, что согласуется с результатами исследований других авторов [2].
Высокие показатели физико-механических свойств образцов керамзитобетона свидетельствуют о стабильности сформировавшейся структуры, что подтверждается поэлементным химическим анализом (табл. 2), электронной микроскопией (рис. 1), проведенными на растровом электронном микроскопе TeckanMIRA 3, и результатами РФА (рис. 2).
Таблица 1
Показатели свойств керамзитобетона на КГВ
|
Класс бетона |
Расход материалов, кг /м3 |
В/В |
ОК, см |
ρср, кг/м 3, в сроки |
Rсж, МПа в сроки |
Кр |
F, циклы |
|||||
|
В7,5 |
КГВ |
керамзит |
вода |
СП, % от массы КГВ |
28 суток |
4.5 года |
28 суток |
4 года |
||||
|
420 |
555 |
290 |
0,3 |
0,7 |
4-6 |
1135 |
1175 |
11 |
13 |
09 |
70 |
|
Таблица 2
Состав продуктов гидратации в точках микрозондирования
|
Название спектра |
Содержание элементов, масс %, в точках микрозондирования |
||||||||||
|
C |
O |
Na |
Mg |
Al |
Si |
S |
K |
Ca |
Ti |
Fe |
|
|
Спект 1 |
6.52 |
50.94 |
41.85 |
0.68 |
|||||||
|
Спект 2 |
6.30 |
40.02 |
1.17 |
6.79 |
13.65 |
1.43 |
1.20 |
4.95 |
0.72 |
23.74 |
|
|
Спект 3 |
6.85 |
32.65 |
0.33 |
2.56 |
0.92 |
4.25 |
52.44 |
||||
|
Спект 4 |
6.20 |
53.76 |
0.28 |
0.86 |
16.34 |
22.22 |
0.35 |
||||
|
Спект 5 |
4.07 |
52.38 |
18.05 |
25.49 |
|||||||
|
Спект 6 |
5.54 |
62.10 |
14.67 |
17.69 |
|||||||
|
Спект 7 |
5.25 |
47.45 |
0.42 |
1.36 |
9.47 |
24.12 |
0.22 |
2.14 |
2.23 |
0.46 |
6.87 |
|
Спект 8 |
9.39 |
51.86 |
2.41 |
13.77 |
22.57 |
||||||
|
Спект 9 |
7.93 |
50.58 |
0.82 |
5.86 |
15.75 |
1.83 |
0.87 |
7.95 |
0.71 |
7.70 |
|
|
Спект 10 |
12.23 |
50.30 |
0.22 |
0.19 |
1.91 |
5.02 |
0.48 |
0.35 |
28.51 |
0.78 |
|
|
Спект 11 |
5.73 |
52.91 |
0.30 |
0.77 |
7.03 |
25.09 |
0.91 |
1.00 |
3.36 |
0.23 |
2.66 |
|
Спектр 12 |
4.38 |
54.85 |
0.23 |
0.45 |
4.51 |
32.69 |
0.94 |
0.54 |
1.41 |
||
|
Спектр 13 |
7.96 |
53.02 |
0.20 |
0.59 |
3.69 |
10.06 |
1.86 |
0.67 |
19.88 |
2.06 |
|
|
Спектр 14 |
11.25 |
54.57 |
0.24 |
1.33 |
4.75 |
0.74 |
0.32 |
26.40 |
0.40 |
||
|
Спектр 15 |
8.76 |
51.50 |
0.46 |
0.88 |
9.30 |
20.09 |
1.80 |
2.42 |
4.79 |
||
|
Спектр 16 |
12.50 |
50.71 |
0.22 |
0.35 |
2.73 |
5.13 |
0.18 |
0.42 |
26.64 |
1.13 |
|
|
Спектр 17 |
6.74 |
58.80 |
32.74 |
0.45 |
0.87 |
0.40 |
|||||
|
Спектр 18 |
6.73 |
40.84 |
0.89 |
4.40 |
9.93 |
0.38 |
0.40 |
1.38 |
35.06 |
||
|
Спектр 19 |
6.91 |
50.58 |
0.44 |
1.16 |
9.54 |
18.78 |
1.42 |
1.77 |
4.19 |
0.23 |
4.98 |
|
Спектр 20 |
6.84 |
49.03 |
0.35 |
0.99 |
6.53 |
17.43 |
1.08 |
1.15 |
11.38 |
0.33 |
4.89 |
|
Спектр 21 |
10.74 |
51.10 |
0.43 |
0.88 |
7.63 |
20.57 |
0.21 |
1.41 |
2.72 |
0.30 |
3.99 |
|
Спектр 22 |
16.95 |
52.36 |
0.19 |
0.17 |
1.75 |
3.80 |
0.28 |
0.33 |
23.41 |
0.76 |
|
|
Спектр 23 |
9.47 |
52.91 |
0.42 |
1.27 |
9.68 |
16.70 |
0.21 |
1.54 |
2.15 |
0.78 |
4.85 |
|
Спектр 25 |
10.82 |
55.47 |
0.18 |
0.34 |
12.25 |
4.11 |
16.22 |
0.62 |
|||
|
Спектр 26 |
5.46 |
56.28 |
0.26 |
16.87 |
21.12 |
||||||
|
Спектр 27 |
4.40 |
52.38 |
0.20 |
18.81 |
24.21 |
||||||
|
Спектр 28 |
7.14 |
52.63 |
0.52 |
2.69 |
32.45 |
0.44 |
1.57 |
2.56 |
|||
|
Спектр 29 |
3.31 |
48.19 |
1.64 |
11.45 |
25.63 |
2.94 |
1.19 |
5.65 |
|||
|
Спектр 30 |
10.57 |
48.88 |
7.74 |
12.43 |
20.37 |
||||||
|
Спектр 32 |
14.53 |
56.02 |
6.79 |
3.66 |
19.00 |
||||||
Было установлено, что исследуемый образец характеризуется мелкокристаллической структурой новообразований разной морфологии и размеров, которые, судя по данным микроанализа, предположительно относятся к двуводному гипсу (спектр 27), к гидросиликатам кальция, гидроалюмосиликатам и гидроалюмоферритам кальция (спектры 28, 29), с упрочненными связями между кристаллами (табл. 2, рис. 1-г). Наблюдаются участки с более плотной структурой и отдельные блоки из прямых параллельных слоев.
На поверхности зерна заполнителя (керамзита) наблюдается слой продуктов гидратации КГВ, что характеризует хорошее сцепление с ним затвердевшей матрицы (рис. 1-б).
|
|
|
|
а |
б |
|
|
|
|
в |
г |
|
Рис. 1. Микроструктура образца керамзитобетона на КГВ, подвергшегося атмосферным воздействиям на открытом стенде в течение 4 лет: а) спектры 1–8; б) спектры 9–18; в) спектры 19–23; г) спектры 25–32 |
|
На рис. 1-в видны кристаллы гипса (спектры 21, 23) и поры заполнителя (спектр 20), зарастающие, предположительно, гидросиликатами кальция и др. новообразованиями (спектр 22).
При рассмотрении рентгенограмм (рис. 2): было выявлено, что основным цементирующими веществами исследуемой пробы являются:
СаSO4 2H2O (d=7,62; 4,29; 3,81; 3,073; 2,877; 1,880 ٴǺ);
СаСО3 (d=3,029; 2,49; 2,277; 2,093; 1,912; 1,869; ٴǺ);
SiO2 (d=3,35; 2,55; 2,46; 2,29; 2,133; 1,85; 1,813; 1,662 Ǻ);
CSH(B) (d=12,55; 3,07; 2,82; 1,83; 3,35;2,46; 2,29; 2,133; 1,813; 1,662 Ǻ);
3СаО ·Al2O3 ·CaCO3·12H2O (d=7,6; 3,80; 2,86; 1,66 Ǻ).
Пики (d=7,6; 3,80; 2,86; 1,66 Ǻ,)
видимо, принадлежат четырехкальциевому
монокарбонатному гидроалюминату
(3СаО·Al2O3 ·CaCO3·12H2O), образующемуся при гидратации С3А с добавкой СаСО3.
Пики эттрингита (d=9,73; 5,61; 3,88; 2,564; 2,209 Ǻ) и Са(ОН)2 (d=4,93; 2,63; 1,93; ٴǺ) на рентгенограмме не обнаружены, имеются лишь их следы, что свидетельствует о наличии достаточного количества активных минеральных добавок в составе КГВ, содержащих кремнезем в химически активной форме и интенсивно связывающих Са(ОН)2 в гидросиликаты кальция типа CSH(В) и другие комплексные малорастворимые соединения, обеспечивающие прочность и водостойкость композита.
Рис. 2. РФА затвердевшего КГВ из образца керамзитобетона подвергшегося атмосферным воздействиям на открытом стенде в течение 4,5 лет
Выводы. Таким образом, длительные натурные наблюдения и исследования показали, что образцы керамзитобетона на основе КГВ, подвергающихся атмосферным воздействиям 4 года показали удовлетворительную эксплуатационную стойкость. Прочность бетона не снижается.
Источник финансирования. Программа развития опорного университета на базе БГТУ им. В.Г. Шухова с использованием оборудования Центра Высоких Технологий БГТУ им. В.Г. Шухова.
1. Гипс в малоэтажном строительстве. Под общей ред. А.В. Ферронской. М.: Изд-во АСВ, 2008. 240 с.
2. Справочник. Гипсовые материалы и изделия (производство и применение). Под общ. ред. проф., д-ра техн. наук А.В. Ферронской. М.: Изд-во ABC, 2004. 485 с.
3. Мирсаев Р.Н., Бабков В.В., Недосека И.В., Печенкина Т.В., Мирсаев, Р.Н. гипсовых стеновых изделий // Строительные мате-риалы. 2008. № 3. С. 78-80.
4. Коровяков В.Ф, Бурьянов А.Ф. Науч-но-технические предпосылки эффективного использования гипсовых материалов в строительстве // Жилищное строительство. 2015. № 12. С. 38- 40.
5. Гончаров Ю.А., Дубровина Г.Г., Губская А.Г., Бурьянов А.Ф. Гипсовые материалы и изделия нового поколения. Оценка энергоэффективности. Минск: Колоград, 2016. 336 с.
6. Гордина А.Ф., Яковлев Г.И., Полянских И.С. [и др.] Гипсовые композиции с комплексными модификаторами структуры // Строительные материалы. 2016. № 1-2. С. 90-95.
7. Бабков В.В., Латыпов В.М., Ломакина Л.Н., Шигапов Р.И. Модифицированные гипсовые вяжущие повышенной водостойкости и гипсокерамзитобетонные стеновые блоки для малоэтажного жилищного строительства на их основе // Строительные материалы. 2012. № 7. С. 4-7.
8. Лесовик В.С. Повышение эффективности производства строительных материалов с учетом генезиса горных пород. М.: Изд. АСВ, 2006. 526 с.
9. Потапов В.В., Сердан А.А. Осаждение кремнезема из гидротермального теплоносителя электрокоагуляцией // Химическая технология. 2002. № 9. С. 2-9.
10. Дребезгова М.Ю. Особенности микростроения затвердевшего КГВ с многокомпонентными минеральными добавками // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2017. №12. С. 136-140.
11. Lesovik V.S., Tschernyschova N.W., Drebezova M.Y. Нанодиспресное кремне-ёмсодержащее сырьё для повышения эффективности быстротвердеющих композиционных вяжущих (Nanodisperse kiesel säure haltige Rohstoffe zur Verbesserung der Effizienz schneller härten der Bindemittel mischungen) // 2. Weimar Gypsum Conference.Weimar, 26-27 März, 2014. P. 259-266.
12. Чернышева Н.В., Лесовик В.С., Дребезгова М.Ю. Водостойкие гипсовые композиционные материалы с применением техногенного сырья. Белгород: Изд-во БГТУ, 2015. 321 с.
13. Дребезгова М.Ю., Чернышева Н.В., Шаталова С.В. Композиционное гипсовое вяжущее с многокомпонентными минеральными добавками разного генезиса // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2017. №10. С.27-34.
