Физико-химические исследования микро- и макроструктуры бетонов жесткого прессования с демпфирующей добавкой зольных микросфер

Аннотация

Е.О. Лотошникова

Дата поступления статьи: 28.11.2013

В работе представлены результаты физико-химические исследования микро- и макроструктуры мелкозернистых  бетонов жесткого прессования , используемых для изготовления мелкоштучных изделий для дорожных покрытий. Для повышения показателей качества (изгибающих моментов) в состав мелкозернистых бетонных смесей вводились демпфирующие добавки, в частности зольные микросферы – компонент золошлаковых смесей. Суть заключается в замене части плотных зерен минеральной смеси эквивалентным объемом добавки. Зольные микросферы имеют пониженную прочность и модуль упругости. Представляют интерес сохранившиеся частицы полых сфер используемой добавки, именно они обусловливают эффект разветвления трещин. Для проведения экспериментальных исследований автором разработан специальные метод для определения сохраняемости частиц зольных микросфер после воздействия давления прессования.  Количественное соотношение между фазами и фазово-минеральный состав определены методами рентгенофазового анализа и оптической микроскопии.

Ключевые слова: мелкозернистые бетоны, жесткое прессование, компоненты золошлаковых смесей, зольные микросферы, петрографический анализ, демпфирующие добавки, дериватограмма, дифрактограмма, образцы цилиндры

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Наиболее экономичными и эффективными с точки зрения использования цемента и получения оптимальной структуры являются составы 1:2-1:3. Однако, оптимальное соотношение зависит от качества песка и применяемых добавок. При использовании суперпластификаторов и низких В/Ц для получения заданной прочности бетона достаточно соотношения 1:4 и выше. Однако эти бетоны содержат значительные объемы воздушных пор и не отличаются высокой долговечностью. Поэтому целесообразно вводить в мелкозернистый бетон тонкодисперсные минеральные наполнители (золу, тонкомолотые шлаки и др.). Суть заключается в замене части плотных зерен минеральной смеси эквивалентным объемом добавки, в частности зольное микросферы имеют пониженную прочность и модуль упругости, т.е. зольную частицу на ранних стадиях твердения можно рассматривать как постороннее включение, помещенное в пору цементного камня. Количество добавок определяется требованием к бетонной смеси и качеством песка. Отходы (продукты сжигания) Новочеркасской ГРЭС, используются в качестве добавок, т.е. компоненты золошлаковых смесей и соответствуют требованиям нормативной документации по данной тематике.
Для определения содержания компонентов (зольных микросфер) золошлаковых смесей использовался комплекс физических и химических методов исследования. Количественные соотношения между фазами и фазово-минеральный состав определены методами рентгенофазового анализа (рис.1), ДТА (рис.2) и оптической микроскопии.
Исследования Е.В. Мальцева  экспериментально подтвердили, что с течением времени зольные микросферы с толщиной оболочки менее 20 мкм на глубине до 2 мкм могут вступать в реакцию с гидрооксидом кальция.
Этот вывод  подтверждают срезы на границах раскола в образцах, изготовленных методом жесткого прессования с добавкой зольных микросфер.
Таблица 1
Содержание золошлаковых смесей

Рис.1 Дифрактограмма компонента золошлаковых смесей

Рис. 2  Дериватограмма компонента золошлаковых смесей

С течением времени повышается сцепление зольных частиц с цементным камнем. Экспериментальные опыты показали, что в течение продолжительного времени границы частиц компонентов золошлаковых смесей (зольных микросфер) остаются четко выраженными. Это свидетельствует о взаимодействие между продуктами гидратации и компонентами золошлаковых смесей (зольными частицами)  происходит только на  их поверхности. В первые 14 суток твердения частицы добавки, введенной в состав бетонной смеси практически не затронуты процессами коррозии,  к 28 суткам твердения была отмечена незначительная поверхностная реакция, а к трем - шести месяцам коррозия компонентов золошлаковых смесей (зольных микросфер) была выражена четко. Изучение контактной зоны между частицами введенной добавки и цементным камнем показало, что она длительное время остается четко выраженной. Испытания подтвердили значительное повышение прочностных свойств бетона.
Петрографические исследования бетонов жесткого прессования с добавкой зольных микросфер показали, что они в большинстве случаев сохраняют свою форму и характер пористости (рис. 3). После изготовления образцов-цилиндров из мелкозернистого бетона методом жесткого прессования важно определить массу частиц компонента золошлаковых смесей (зольных микросфер), сохранивших свою первоначальную форму.

а)  при увеличении в 60 раз

 )  при увеличении в 100 раз 
     

Рис. 3  Срезы на границах раскола в образцах из жесткопрессованного бетона с добавкой зольных микросфер 1 – зерно микросферы; 2 – зерно микросферы, покрытое цементным камнем

Автором был разработан специальный метод для определения сохраняемости частиц компонента золошлаковых смесей (зольных микросфер) после воздействия давления прессования. Образцы-цилиндры изготавливались методом жесткого прессования (при давлении 20 – 60 МПа), затем подвергались декомпозиции путем легкого разминания на лабораторных смесительных бегунах.  Полученная масса доводилась до жидкого состояния. После перемешивания частицы золошлаковых смесей (зольных микросфер) перемещались на поверхность воды. Сбор и высушивание их позволило определить массу частиц, сохранивших свою начальную форму. В результате при давлении 60 МПа примерно 30 % части зольных микросфер сохраняют свою форму, с уменьшением давления прессования – она увеличивается вдвое, таким образом можно говорить о проявлении демпфирующей роли зольных микросфер при структурообразовании и показателях качества готового продукта, что положительно отразится на эксплуатационной надежности изделий из мелкозернистого бетона.

Литература:

1.Лотошникова Е.О. Мелкозернистые жесткопрессованные бетоны с демпфирующими добавками / кд. – Ростов н/Д: Рост. гос. строит. ун-т, 2006.
2. Мальцев Е.В. Структура и свойствах  легких бетонов на микросферическом заполнителе / кд. – Ростов н/Д: Рост. гос. строит. ун-т, 2000.
3. Несветаев Г.В.  Бетоны [Текст]:  – Учебно-справочное пособие. Ростов н/Д. Феникс, 2011. – 381.
4. Невский В.А.   Усталость и деформативность бетона регионе [Текст]: – Монография / Невский В.А. – Москва, Вузовская книга, 2012. – 264.
5. Строительное материаловедение [Текст]:  // Учебное пособие для студентов строительных специальностей под общей редакцией В.А. Невского. – Ростов-на-Дону. Феникс, 2010 – 588.
6. Рамачандран В.С., Фельдман Р.Ф., Коллепарди М., и др. Добавки в бетон [Текст]: – Справочное пособие. США. Noyes Publications, 1988 – 575.
7. Turriziani R. The calcium aluminate hydrates and related compounds/ In: Taylor H.F.W. (ed.) The Chemistry of  Cements. Academic Press, London, 1964, Vol. 1, p. 233 - 286
8. Бабков В.В., Попов А.В., Мохов В.Н., Колесник Г.С., Якушин В.А. Бетоны повышенной ударной стойкости на основе демпфирующих компонентов // Бетон и железобетон, 1985, - №2.
9. Шляхова Е.А., Акопян А.Ф., Акопян В.Ф. Применение метода рентгенофазового анализа для изучения свойств модифицированного шлакощелочного вяжущего [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, №4 (ч. 2). – Режим доступа:  http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4p2y2012/1395 (доступ свободный) –   Загл. с экрана. – Яз. рус.
10. Шляхова Е.А., Акопян А.Ф., Акопян В.Ф. Применение метода дифференциально-термического анализа для изучения свойств модифицированного шлакощелочного вяжущего [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, №4 (часть 2). – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4p2y2012/1396 (доступ свободный) –
Загл. с экрана. – Яз. рус.