Важным условием обеспечения качества работ является употребление рас­твора до начала его схватывания и запрещение перемешивания загу­с­тев­шего, вследствие схватывания, раствора с добавлением воды. Исклю­че­нием является известковый раствор, который не твердеет без контакта с воздухом. Поэтому такой раствор достаточно покрыть водой, и он может храниться так несколько дней.

Во избежание появления усадочных трещин в штукатурке, составляю­щие ее слои делают толщиной не более 5–7 мм. Наносят их по­сле­до­вательно лишь после схватывания предыдущего слоя. Свежую штукатурку до ее упрочнения (около 1,5 МПа) выдерживают 3–4 дня от пересуши­вания, не допуская сквозняков. Для этого необходимо остеклить и закрыть окна и двери отделываемых помещений. Штукатурное выровненное осно­вание (грунт) под декоративный слой (накрывку) при отделке фасадов зданий должно приобрести прочность не менее 5 МПа (10–12 суток вы­держки). Толщину растворной прослойки под облицовочными плитками, тол­щину слоя штукатурки, во избежание растрескивания раствора и сни­жения прочности его сцепления с плитками или основанием, делают не более 15–20 мм. При необходимости укладки раствора более толстым слоем нужно делать предварительное выравнивание или армирование по­верх­ности [1,2].

Исходя из сроков твердения раствора, назначают сроки его обработки в пластичном полутвердом или твердом состоянии. Так, при отделке по­верх­ностей декоративной крошкой через 2–3 часа после ее нанесения нуж­но смыть с крошки распыленной водой цементную пленку.

По штукатурному раствору в пластичном состоянии, т.е. в процессе его схватывания, наносят (формуют) тот или иной декоративный рельеф. Цветную штукатурку циклюют (скоблят) для вскрытия декоративной фак­туры в слабозатвердевшем состоянии (0,2–0,4 МПа), т.е. через 4–6 часов после нанесения. Каменную штукатурку (смесь цемента и мраморной крош­ки) обрабатывают бучардой или скарпелью после ее полного за­твер­девания.

Мозаичные полы подвергают шлифовке при прочности цементно-мра­морной смеси около 10 МПа (через 5–7 суток после укладки). Цементные полы железнят на конечной стадии схватывания цементного раствора, т.е. через 8–10 часов после его укладки [3,4,5].

При небольшой сменной потребности раствора, например при об­ли­цов­ке поверхностей глазурованной плиткой, применение готового строи­тель­­­ного раствора, доставленного с центрального растворного узла, не­це­лесообразно. В таких случаях удобнее пользоваться сухими цементно-пес­чаными смесями с дозированными составляющими. Рабочий, затворяя су­хую смесь с водой, получает нужную порцию всегда свежеприго­тов­ленного раствора.

При введении в строительные растворы и бетонные смеси химических до­бавок, замедляющих или ускоряющих процессы схватывания и набора проч­ности, нужно соответствующим образом корректировать и ход строи­тель­ных процессов. Так, при введении в гипсовый раствор животного клея начало схватывания отодвигается по времени и жизнеспособность рас­тво­ра с 5–7 минут увеличивается до 20 минут в зависимости от концентрации клея. Применение в составе цементных растворов поташа, наоборот, по­зволяет ускорить начало схватывания и процесс твердения. Эту спо­соб­ность добавки используют при применении растворных и бетонных сме­сей в зимних условиях [6,7,8].

Для правильной организации строительных процессов, исходя из кине­ти­ки структурообразования раствора и бетона, приходится делать некото­рые несложные расчеты.

Наиболее важные технологические операции, на которые влияют про­цессы схватывания и твердения раствора или бетона, приведены в таблице.

Таблица. Зависимость технологических процессов от кинетики структурообразования и набора прочности строительного раствора и бетона

Прочность в начале формирования структуры весьма незначительна и поэтому она не имеет существенного значения для технологии строи­тель­ных процессов. На этом этапе о физических изменениях в смесях судят по пластической прочности, замеряемой пластометром. Прочность же при сжатии приобретает полезный для организации технологии смысл через одни – двое суток. Становится важным знание кинетики нарастания проч­ности до 28-суточного возраста, когда она сравнивается с марочной. На­глядно рост прочности представляется на графиках для данной марки рас­твора или бетона. Графики (рисунок) строят по результатам испытания на сжа­тие образцов, которые все время, от закладки до испытания (от 2 до 28 су­ток), содержат в стандартных условиях окружающей среды (температура +18…22 °С и влажность не менее 90 %). Эти условия близки к обычным летним (кривая a). При повышении температуры интенсивность нараста­ния прочности увеличивается и марочная прочность (100 %) достигается раньше чем через 28 суток (кривые б, в). При понижении температуры интенсивность нарастания прочности уменьшается, а марочная прочность за 28 суток не достигается (кривые г, д, е). При температуре ниже 0 °С схватывание и рост прочности прекращается, т.к. вода в смеси замерзает, т.е. переходит в твердую фазу, и процесс гидратации цементных зерен при­останавливается.

Нарастание прочности бетона класса В-15 в зависимости от температуры выдерживания

Наиболее интенсивно прочность цементных композиций увеличи­ва­ет­ся в первые 7 суток. Ориентировочно их средняя относительная прочность в процентах в возрасте 3-х суток составляет 0,25 от марочной 28-суточной проч­ности, в возрасте 7 суток – 0,5; 14 суток – 0,75 (кривая а).

Для того чтобы иметь представление о кинетике нарастания проч­ности в бетонных, каменных и иных конструкциях, что позволяет своевременно и качественно выполнять те или иные строительные процессы, мастер на стройке обязан заносить в журнал работ данные о температуре наружного воздуха или температуру, измеренную внутри конструкции. Темпе­ра­тур­ный журнал, при посредстве графиков или таблиц  нарастания прочности бетона и раствора позволяет определить и возможность рас­па­лубливания конструкции, и момент отключения искусственного прогрева бетона или кладки зимой, и возможность производства дальнейшей кир­пичной кладки в верхних этажах здания и т.п.

НАРАСТАНИЕ ПРОЧНОСТИ БЕТОНА И РАСТВОРА

Таблица 1. Нарастание прочности бетона на портландцементе марок 400 и 500 (в % к марочной прочности)

Таблица 2. Нарастание прочности раствора (в % к марочной прочности)

Примечания:

1. При применении растворов, изготовленных на шлакопортландцементе и пуц­цолановом портландцементе, следует учитывать замедление нарастания их прочности при температуре твер­дения ниже 15 °С. Величина относительной прочности этих растворов опре­де­ля­ется умножением значений, приведенных в табл. 2, на коэффициенты: 0,3 – при тем­пе­ратуре твердения 0 °С; 0,7 – при температуре 5 °С; 0,9 – при температуре 0 °С; 1 – при 15 °С и выше.

2. Для промежуточных значений температуры твердения и возраста раствора прочность его определяется интерполяцией.

Далее мы рассмотрим ряд примеров, где будет показана прямая связь раз­личных технологических процессов с кинетикой схватывания и нарас­та­ния прочности в строительных растворах и бетонных смесях.

При проектировании опалубки и всего процесса бетонирования учи­ты­вают схватывание и твердение бетона по мере укладки бетонной смеси. При схватывании бетона сила его воздействия на боковые поверхности опа­лубки ослабевает. Это особенно важно при бетонировании высоких кон­струкций. Давление бетонной смеси на стенки опалубки как тяжелой жид­кости учитывают лишь на высоту заполнения опалубки в течение двух смен подряд. Ускорение темпа заполнения опалубки бетонной сме­сью мо­жет привести к перегрузке ее конструкций и разрушению.

Смесь в опалубку укладывают горизонтальными слоями одинаковой тол­щины, уплотняя ее вибраторами. При этом направление укладки в смеж­­ных слоях не меняют. Очевидно, верхний,  или соседние слои можно виб­рировать, если в нижнем или соседствующих слоях смесь не начала схва­­тываться, т.е. по прошествии не более 3-х часов с момента её при­го­товления. Если же схватывание произошло, т.е. процесс  структуро­обра­зо­вания начался, то новые порции смеси можно укладывать только пос­ле окончания формирования в ранее уложенных слоях структуры бе­то­на и приобретения им прочности, способной выдержать воздействие виб­ратора (около 2 МПа). Это, примерно, через двое суток твердения в летних условиях для бетона класса В 12,5–15.

Если же требуется бетонировать конструкцию, например перекрытие, без таких длинных перерывов в 2-3 дня, то следует сделать разрыв в ней шириной 0,4–0,5 м, установив временную опалубку. Разрывы бетонируют не ранее чем через 2–3 дня. По этим же причинам полы и подготовки под них бетонируют полосами через одну, а через 2–3 дня – пропущенные. Такие технологические перерывы в бетонировании конструкции приводят к образованию в ней рабочих швов. Рабочие швы снижают несущую спо­собность бетонной конструкции. Поэтому в ответственных конструкциях, например работающих в сейсмических условиях, устройство рабочих швов не допускается. В этом случае применяют способ непрерывного бе­то­нирования. В ряде несущих конструкций (колонны, балки, плиты и др.) допускают устройство рабочих швов, но в местах, где значение попе­реч­ной силы (по эпюрам изгибающих моментов и поперечных сил) мини­мально. Так, в плитах и балках перекрытий рабочие швы делают в преде­лах средней трети пролета. Это объясняется тем, что воздействие попе­реч­ных сил в железобетонных конструкциях воспринимает бетон, а изгибаю­щих моментов – арматура.

Для исключения дефектов, возникающих в результате усадки бетона, при бетонировании стен, перегородок и колонн смесь укладывают участ­ками по высоте (ярусами): для стен и перегородок не более 3м, а при их толщине менее 15 см–2 м; для колонн принимают высоту участков по5 м, а в колонне с перекрещивающимися хомутами или с наименьшей сто­ро­ной до 0,4 мвысота участка должна быть не более2 м. После бетонирования участ­ка делают перерыв не менее 40 минут и не более 2 ч (до начала схваты­вания уложенной смеси), а затем продолжают бетонирование. Это по­зволяет значительно уменьшить вредное воздействие усадки в высоких ко­лоннах, которая достигает 2 мм на 1 мвысоты.

Целью данной работы является исследование эффективности применения некоторых химических добавок для снижения усадки цементного камня.

Для исследований использовались противусадочные добавки Metolat P860, Metolat Р861 и Metolat Р871 производства немецкой фирмы Munzing Chemie GmbH. Эти добавки представляют собой органические соединения в виде гликолей или диолов, в результате чего не происходит адсорбции воды, расширения системы, а также снижения прочности и ухудшения реологических характеристик [3]. Дозировка добавки составляла 0,5, 1, 2 и 5% от веса вяжущего.

Исследования проводилась на цементно-песчаном растворе 1:1 при В/Ц=0,35, приготовленном на Сурском речном песке, просеянным через сито 0,63. Принятое значение В/Ц было подобрано таким образом, чтобы цементное тесто обладало такой пластичностью, которая могла бы обеспечить его укладку в форму без применения механического воздействия; при этом в смеси не должно появляться расслоения. Для эксперимента в качестве вяжущего был использован портландцемент ПЦ 500 ДО производства ОАО «Осколцемент» с S_yд=280 м²/кг.

Влияние добавок на консистенцию смеси производилось по ее расплыву на встряхивающем столике. Для сокращения объемов смеси применялся уменьшенный конус высотой 33 мм, диаметром нижней и верхней части 63 и 47 мм соответственно [4].

Для определения усадки были заформованы образцы-призмы размерами 2×2×10 см, а для оценки прочности – образцы-кубики размерами 2×2×2 см. Хранение образцов осуществлялось в эксикаторе над слоем воды. Оценка эффективности действия добавки производилась по расплыву конуса, прочности и усадке. Испытания для определения прочности при сжатии проводились через 1, 3, 7 и 28 суток.

Измерения усадочных деформаций начинали проводиться через несколько минут после укладки смеси и продолжались после распалубливания образцов до стабилизации усадочных деформаций. Измерение усадки образца до извлечения его из формы производилось на компараторе оптического типа, позволяющем определять изменение расстояния с погрешностью 0,001 мм между двумя реперными точками в образце. После извлечения образцов из форм для измерения их линейных размеров применялся индикатор часового типа с ценой деления 0,01 мм. Результаты проведенных исследований представлены на рис.1, 2 и 3.

Рисунок 1 – Влияние дозировок добавок Metolat P860, Metolat Р861и Metolat Р871

на подвижность растворной смеси

Рисунок 2 – Влияние вида и дозировки добавки на деформации усадки – набухания:

а) Metolat P861, б) Metolat Р860, в) Metolat Р871

Применение добавок приводит к небольшому изменению подвижности растворной смеси. При использовании добавки Metolat Р860 с увеличением дозировки подвижность растворной смеси равномерно возрастает (рис. 1). Большую подвижность позволяет получить небольшая концентрация добавки Metolat Р861 (0,5%). Добавка Metolat Р871 улучшает консистенцию смеси при всех дозировках.

Анализ данных рис. 2 показывает существенное влияние вида и дозировки добавки на деформации усадки-набухания. С целью регулирования усадочных деформаций может применяться любая из трех типов противоусадочных добавок в определенной дозировке. Например, для добавки Metolat Р861 и Metolat Р871 оптимальной считается дозировка 0,5 %. В результате введения подобных добавок в указанной дозировке величина усадки составляет в среднем от 0,16 до 0,35 % во все сроки твердения. Стабилизация усадочных деформаций происходит на 2-е сутки с небольшими колебаниями при последующем твердении в указанных пределах. Существенного расширения позволяет добиться добавка Metolat Р861 в дозировке 1% и добавка Metolat Р860 в дозировке 2%.

а)
б)
в)

Рисунок 3 – Влияние вида и дозировки добавки на кинетику набора прочности: а) Metolat P861, б) Metolat Р860, в) Metolat Р871

Зависимости на рис. 3 показывают, что наибольшей эффективностью по прочности при сжатии обладает добавка Metolat P861. Наибольшая прочность в возрасте 28 суток получена при ее дозировке, составляющей 1%, которая даже превысила прочность контрольного состава на 7 МПа. Прирост прочности при дозировке 0,5 % добавки Metolat P861 в таком же возрасте составляет чуть больше 6 МПа. Отрицательным свойством, обнаруженным при введении всех указанных добавок, является замедление сроков схватывания на всех этапах твердения, за исключением случая с добавкой Metolat P861 в возрасте 28 суток. Кроме того, при введении добавок P860 и Р871 не зависимо от их дозировки было установлено снижение прочности по сравнению с контрольным составом.

Проведенные исследования показали, что исследованные противоусадочные добавки позволяют значительно снизить деформации усадки, а при повышенных дозировках – добиться эффекта расширения. Эффективной химической противоусадочной добавкой с позиций формирования прочности и подвижности является добавка Metolat Р861 при дозировке 0,5%. Добавка Metolat Р861 в количестве 1% может привести к расширению системы без снижения прочности.

Усадка вяжущего, протекающая в стесненных условиях, под которыми понимается наличие в матрице цементного камня практически недеформируемых зерен заполнителя и арматуры, приводит в возникновению в материале напряжений и трещин. Образование таких макродефектов структуры обусловливает снижение прочности материала и повышение его проницаемости для коррозионно-активных агентов. В связи с этим усадка является одним из важных факторов, определяющих долговечность строительного материала.

Усадочные деформации геополимеров могут происходить на всех этапах его структурообразования [2]. На ранних стадиях, до наступления схватывания бетонной смеси в ней может наблюдаться пластическая усадка. Причинами этого вида усадки являются высыхание смеси и химические реакции, которые обеспечивают образование микроструктуры и заканчиваются схватыванием смеси. Если смесь сохраняет пластичность, то есть способность деформироваться без нарушения сплошности и образования трещин, то этот вид усадки не приводит к образованию дефектов структуры. Однако, если усадка продолжается после схватывания смеси, это может привести к образованию трещин на поверхности материала. Риск этих явлений возрастает в смесях с повышением расхода вяжущего и воды. Для предотвращения образования трещин в материале на ранних этапах структурообразования необходимо снизить испарение воды с поверхности бетонной смеси за счет использования водонепроницаемых пленок или полимерных покрытий поверхности смеси.

Аутогенная усадка протекает в вяжущем камне при отсутствии массообмена с окружающей средой. Она обусловлена химическими превращениями, при которых объем продуктов реакции меньше объема компонентов. Для некоторых геополимерных материалов пластическая усадка аутогенного характера может быть велика. В частности, для вяжущих на основе магматических горных пород она составляет несколько десятых мм/м [3]. Наиболее интенсивно эта усадка развивается в течение нескольких десятков минут и до момента схватывания значительно замедляется, но не прекращается. Экспериментально установлено, что при воздушно-влажностном твердении с 1 до 28 суток значения аутогенной усадки, в зависимости от параметров состава вяжущего, могут составлять от 0,3 до 0,4 мм/м (рис. 1а), причем 90…95 % усадки вяжущего происходит в период до 14 суток. Повышение аутогенной усадки вяжущего на основе горных пород практически прекращается через 10-15 суток твердения в нормальных условиях. Затем рост этого вида усадки многократно снижается и в течение 1 года усадочные деформации увеличиваются не более чем на 0,08 мм/м. В дальнейшем это процесс замедляется и значения усадки за 1 год в несколько раз меньше, что за 28 суток (рис. 1б). В неблагоприятных условиях, таких, как высыхание поверхности смеси, или при нерациональном составе вяжущего в процессе схватывания аутогенная усадка может привести к образованию трещин. В связи с этим вопросу усадочных деформаций геополимерного вяжущего на начальном этапе структурообразования следует уделять особое внимание.

Рис. 1. Влияние силикатного модуля и удельной поверхности шлака на усадку, мм/м, в период с 1 по 28 сут (а) и с 28 сут до 1 года (б)

Установлено, что для снижения усадки необходимо минимизировать расход воды и использовать в качестве активатора твердения низкомодульное жидкое стекло с силикатным модулем в интервале от 1,4 до 1,5 (рис. 2.6). Использование такого активатора позволяет минимизировать усадочные деформации вяжущего для различных сроков твердения.

Усадка высыхания обусловлена обезвоживанием пор геля и капиллярных пор вяжущего теста. Суммарные значения аутогенной усадки и усадки при высушивании бетона могут достигать 0,4…0,7 мм/м. Суммарная усадка возрастает при увеличении расхода воды и активатора твердения. Как видно из графиков (см. рис. 2), основной прирост усадочных деформаций происходит в течение первых 15-20 суток высушивания.

Как показывает практика, усадка геополимерных вяжущих может вызвать образование трещин в бетоне. Причина этих явлений – хрупкость вяжущего камня, который подвергается неоднородной усадке из-за неравномерности высыхания материала по толщине и влияния заполнителя. Для уменьшения вероятности возникновения этих негативных явлений необходимо контролировать условия твердения.

а)
б)

Рис. 2. Усадочные деформации бетона в зависимости от расхода воды
при дозировке активатора – 12,5 (а) и 16,5 % от веса вяжущего (б)

Усадка геополимерного бетона на основе золы-уноса, по различным данным, имеет очень низкие значения [4, 5]. Через год окончательная усадка таких бетонов независимо от состава и условий твердения и прочности бетона не превышает 0,1 мм/м. При высыхании геополимерного бетона на основе золы фиксируются небольшие колебания усадки. Это может быть связано с миграцией воды из окружающей среды в бетон или наоборот, что вызывает усадку или набухание бетона. Кроме того, имеются некоторые различия в значениях усадки при высыхании бетонов, твердевших в сухих условиях и при пропарке [3-5].

Усадка при высыхании геополимерного бетона на основе золы-уноса, твердеющего при тепловой обработке, существенно меньше усадки портландцементного бетона, твердеющего при аналогичных условиях [4].

Экспериментальные исследования геополимерного бетона на основе низкокальциевой золы-уноса после твердения при 60 °C в течение 24 часов показали, что такие бетоны характеризуются усадкой менее 0,1 мм/м, которая в несколько раз меньше усадки портландцементного бетона [4, 5].

Усадка при высыхании геополимерного бетона, твердеющего в нормальных условиях, гораздо больше, чем усадка термообработанного геополимерного бетона, что связано с водой, испарившейся в результате реакции геополимеризации [5]. Основной рост усадки при высыхании у образцов, твердеющих в нормальных условиях, и у термообработанных происходит в течение первых 2-х недель.

Более низкую усадку геополимерного вяжущего на основе золы-уноса, по сравнению с портландцементом, можно объяснить образованием в результате химических реакций цеолитной фазы в структуре геополимера.

При синтезе цеолита не происходит испарения воды, а геополимерное вяжущее, наоборот, впитывает ее из атмосферы. Этим объясняется отсутствие развития усадочных деформаций при длительном твердении.

На образование усадочных трещин в материале влияние оказывает не только величина усадки. Большое значение имеют прочность при растяжении, модуль упругости, а также ползучесть, развитие которой обеспечивает снижение напряжений, возникающих при стесненной усадке.

Коэффициент ползучести геополимерного бетона – отношение деформаций ползучести к упругим деформациям при прочности материала от 40 до 67 MПa, находится в интервале 0,7…0,4 [4]. Геополимерный бетон на основе золы-уноса обладает низкой ползучестью, что снижает возможность релаксации неоднородных напряжений и увеличивает риск образования трещин.

Небольшая усадка при высыхании и низкая ползучесть геополимерного бетона позволяет прогнозировать его высокую долговечность и эксплуатационную надежность.

Как показывают исследования на основе отсевов дробления щебня из магматических алюмосиликатных горных пород (гранит, перидотит, базальт и др.) могут быть получены геополимерные вяжущие с прочностью 40-80 МПа [4]. Целью настоящей работы является оптимизация расхода геополимерного вяжущего при использовании для производства бетона мелкого песка.

В исследовании применялось геополимерное вяжущее на основе смеси измельченных до дисперсности 350 м²/кг доменного гранулированного шлака Новолипецкого металлургического комбината и гранита Павловского месторождения (Воронежская область). Соотношение этих компонентов в вяжущем составляло 1:3,2. Для активации твердения применялся раствор низкоосновного жидкого стекала. В качестве крупного заполнителя использовался гранитный щебень фракций 5-10 мм, а в качестве мелкого – песок Сурского месторождения с М_кр = 1,52. В некоторых составах часть мелкого кварцевого песка была заменена на отсев дробления гранитного щебня фракции 5-0,63 мм.

Были изготовлены образцы с размерами 40×40×160 мм, которые твердели при тепловой обработке с температурой изотермии 85±5°С. Продолжительность подъема температуры – 3 часа, изотермической выдержки – 7 часов, остывания – 8 часов.

В табл. 1 и 2 представлены составы и свойства исследованных геополимерных бетонов. Данные табл. 1, показывают, что увеличение расхода вяжущего и пропорциональное повышение расхода активатора дает небольшой прирост прочности при сжатии и снижение прочности при изгибе. Разнонаправленное изменение прочностных характеристик при изменении расхода геополимерного вяжущего можно объяснить негативным влиянием увеличения усадочных деформаций на трещинообразование в матрице геополимерного камня. При этом в геополимерном камне увеличивается количество микротрещин, которые снижают прочность при растяжении, но не сказываются негативно на прочности при сжатии. С другой стороны, увеличение объема цементной матрицы бетона повышает плотность бетона и снижает количество макродефектов, что позитивно сказывается на пределе прочности бетона при сжатии. Анализ данных в табл. 1 и 2 показывает, что прочность бетона зависит от дозировки активатора твердения, а не расхода вяжущего.

Таблица 1 – Составы и свойства бетона при замене части кварцевого песка на отсев дробления щебня

Таблица 2 – Составы бетона при использовании тонкого песка

Использование отсева дробления для замещения части мелкого песка обеспечивает более оптимальный зерновой состав с точки зрения межзерновой пустотности заполнителя, что, как известно из технологии цементного бетона, позволяет получить более высокую прочность при заданной удобоукладываемости [5]. Составы геополимерного бетона без отсева дробления (табл. 1) и с отсевом дробления (табл. 2) отличаются расходом вяжущего и активатора твердения. В связи с этим их сложно сравнивать, однако сопоставление графика зависимость прочности от расхода вяжущего для бетонов с различным заполнителем (см. рис.) показывает, что замещение части мелкого песка на более крупный отсев дробления практически не дает никакого эффекта. В вязи с этим для приготовления геополимерного бетона можно использовать широко распространенные мелкие пески, малопригодные для производства портландцементных бетонов.

Рисунок – Влияние расхода вяжущего на прочность геополимерного бетона, приготовленного с применением в качестве мелкого заполнителя песка (1) и смеси песка и отсева дробления щебня (2)

Отличительной особенностью геополимерного бетона является повышенная усадка, которая может достигать значений 0,9 мм/м (табл. 2). Усадка зависит от двух факторов – расхода вяжущего и активатора (табл. 1 и 2). С учетом того, что долговечность геополимерных материалов в значительной степени зависит от усадки [6], необходимо уделять повышенное внимание этой особенности материала при подборе состава бетона.

Выводы

Проведенные исследования позволили установить влияние состава на свойства бетона, изготовленного с применением геополимерного вяжущего на основе измельченного гранита с добавкой доменного гранулированного шлака. Выявлено, что прочность такого бетона в незначительной степени зависит от расхода вяжущего в широком диапазоне дозировки этого компонента. Наибольшее влияние на свойства бетона оказывает дозировка активатора твердения на основе низкомодульного жидкого стекла.

Важной особенностью исследованного геополимерного бетона является повышенная усадка, которая зависит как от расхода вяжущего, так и от дозировки активатора твердения.

В результате исследований были разработаны и исследованы составы геополимерных бетонов классов от B20 до В40 с низким расходом вяжущего на основе промышленных отходов и доступными и недорогими заполнителями. После исследования деформативных характеристик могут быть даны рекомендации по использованию этих бетонов взамен портландцементных бетонов для производства железобетонных конструкций.

Развитие технологии геополимерных вяжущих строительного назначения [1, 2] открывает широкие перспективы в области снижения потребности строительной индустрии в природных минеральных ресурсах за счет их замены на многотоннажные отходы, в частности пылевидные фракции отсевов дробления щебня и обогащения руды, золы сжигания угля на тепловых электростанциях. В производстве геополимерных материалов отсутствует операция обжига, а в качестве сырья могут быть использованы дисперсные промышленные отходы, требующие незначительного доизмельчения, благодаря чему энергопотребление таких технологий в несколько раз ниже, чем традиционных технологий строительных материалов [1-5]. Однако развитие технологии геополимерных материалов сдерживается отсутствием достоверных данных о влиянии технологических факторов на свойства вяжущих. К числу важнейших свойств вяжущих материалов, кроме прочности, относится усадка, так как она в значительной степени определяет долговечность материала [4].

Исследованиями [4] установлено, что для получения вяжущего на основе магматических горных пород необходимо использовать добавку шлака, которая обеспечивает водостойкость вяжущего, а также значительно повышает прочность.

Настоящая работа посвящена сравнительным исследованиям свойств геополимерных вяжущих на основе промышленных отходов.

Методы и материалы

Геополимерные вяжущие были изготовлены с использованием золы-унос Томь-Усинской ГРЭС, а также отсевов дробления щебня из магматических горных пород – гранита, дацита и габбро-диабаза. Сырьевые материалы измельчались в шаровой мельнице: зола-унос до удельной поверхности 600 м²/кг, горные породы – до 400 м²/кг. В качестве основного компонента геополимерных вяжущих на основе горных пород использовались гранит Павловского месторождения, гранит Хребетского месторождения, дацит и габбро-диабаз. Во все составы вяжущего вводилась добавка доменного гранулированного шлака, измельченного до дисперсности 380 м²/кг в количестве 8 %. В качестве активатора твердения использовалось жидкое натриевое стекло с М_с=2,84 в количестве 13 % по сухому веществу от веса вяжущего, а также известь строительная в количестве 2-6 %. Процедура приготовления вяжущего была следующей: измельченная горная порода или зола-унос перемешивались с добавкой шлака и извести. Подготовленный порошок затворялся раствором щелочного активатора на основе силиката натрия и воды до обеспечения отношения активирующего раствора к вяжущему 0,42.

Оценка консистенции вяжущего теста производилась по распыву смеси из цилиндрического вискозиметра диаметром 16 и высотой 15 мм через 5 минут после начала приготовления смеси.

Для определения прочности и усадки вяжущего были изготовлены образцы, которые твердели в нормальных условиях и в условиях тепловой обработки при температуре изотермической выдержки 60, 80 и 105°С в течение 10 часов. Прочностные свойства вяжущего оценивались на образцах размером 20×20×20 мм, а усадка – на образцах размером 20×20×100 мм.

Результаты и обсуждение результатов

Данные на графиках (рис.1 и 2) свидетельствуют о том, что технологические факторы – количество добавки извести и температура тепловой обработки оказывают значительное влияние на свойства геополимерных вяжущих. Увеличение доли извести в вяжущем на основе золы-унос более 4 % приводит к снижению удобоукладываемости (см. рис.1). По данным рис.4 введение в геополимерные вяжущие на основе магматических горных пород извести в количестве до 4 % практически не отражается на удобоукладываемости смеси.

Рисунок 2 – Прочность геополимерного вяжущего на основе золы-унос в зависимости от расхода извести в различных условиях твердения: 1 – 3 сут при 20^оС; 2 – при 60^оС; 3 – при 80^оС; 4 – при 105^оС

Исследования зависимостей прочности от температуры твердения и количества извести показали, что оптимальная дозировка 2 %. Такая дозировка почти у всех видов вяжущего – как на золе-унос (см. рис. 2), так и на горных породах (см. таблицу), твердеющих при различных условиях, обеспечивает прирост прочности. Для вяжущих на основе золы-унос наибольшая величина прироста прочности (15 МПа) при введении 2 % извести достигается при температуре тепловой обработки 60 °С (рис.2). Твердение вяжущего на основе золы-унос при 105 °С обеспечивает наибольшую прочность вяжущего – 54 МПа. Повышение дозировки извести более 2 % дает снижение прочности.

Таблица – Свойства геополимерных вяжущих на основе некоторых видов магматических горных пород

Из таблицы видно, что активность геополимерных вяжущих на основе различных горных пород также в значительной степени зависит от температуры твердения. Эффективность введения добавки извести в количестве 2 % возрастает с увеличением температуры твердения до 80°С. При данной температуре твердения и указанной дозировке добавки у вяжущих на основе гранита Павловского, гранита Хребетского и дацита прочность составляет соответственно 28,0; 34,0; 29,3 МПа. С введением добавки извести прочность геополимерных вяжущих на основе гранитов при тепловой обработке при 105°С снижается.

Рисунок 3 –Усадка геополимерного вяжущего на основе золы-унос при выдержке в различных условиях в зависимости от расхода извести: 1 – 0 %, 2 – 2 %, 3 – 4 %, 4 – 6 %

Рисунок 4 – Подвижность смеси геополимерного вяжущего по распыву уменьшенного цилиндра при использовании в качестве основы: 1 – гранит Хребетский, 2 – гранит Павловский, 3 – дацит, 4 – габбро-диабаз

Результаты исследования усадки геополимерных вяжущих на основе золы-уноса (рис.3) и горных пород (см. таблицу) показывают, что увеличение дозировки извести приводит к повышению усадки. Интенсивный рост усадочных деформаций вяжущих происходит при их твердении в условиях тепловой обработки вследствие обезвоживания. При этом наибольшая усадка отмечается у вяжущего на основе золы-унос, что можно объяснить более высокой удельной поверхностью золы в сравнении с горными породами. Среди исследованных геополимерных вяжущих на основе горных пород наименьшей усадкой характеризуются вяжущие на основе Павловского гранита и габбро-диабаза, усадка которых не превышает 1,13 и 1,53 мм/м соответственно.

Выводы и заключения

Проведенные исследования показали, что в качестве основного компонента геополимерного вяжущего могут использоваться как зола-унос, так и отходы добычи магматических горных пород. Введение извести в качестве частичной замены активатора твердения – силиката натрия – малоэффективно, поскольку способствует увеличению усадочных деформаций, а в ряде случаях – снижению прочности.