Belgorod, Russian Federation
Belgorod, Russian Federation
Belarus
GRNTI 67.09 Строительные материалы и изделия
BBK 383 Строительные материалы и изделия
An important task of the construction materials industry is the development of domestic production of effective building materials and products, providing reduction of the mass of buildings, environmental safety and comfort of housing, reducing its cost, etc. Such materials include gypsum materials and products, in particular ceramsite concrete based on composite gypsum binders. But, unfortunately, currently this type of concrete has limited use in construction, not corresponding to their potential. One of the reasons for this situation is the lack of research to determine the operational characteristics of gypsum concrete. In this article, the authors present the results of the study of atmospheric stability of samples of expanded clay on the basis of composite gypsum binders with multicomponent fine mineral additive, including waste magnetic separation of ferrous quartzites, nanodispersed silica powder (NDP), chalk and superplasticizer SikaPlast 2135.
concrete, composite gypsum binder, phase structure
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. Gypsum in low-rise construction. Under the General editorship of A.V. Ferronsky. M.: Publishing house of DIA, 2008, 240 p.
2. Handbook. Gypsum materials and products (production and application). A.V. Ferronsky. M.: Publishing house ABC, 2004, 485 p.
3. Mirsaev R.N., Babkov V.V., Nedoseka I.V., Pechenkina T.V., Mirsaev R.N. Gypsum wall products. Construction materials, 2008, no. 3, pp. 78-80.
4. Korovyakov V.F., Buryanov A.F. Scientific and technical prerequisites for the effective use of gypsum materials in construction. Housing construction, 2015, no. 12, pp. 38-40.
5. Goncharov A.Yu., Dubrovin G.G., Gubsky A.G., Buryanov A.F. Gypsum materials and products of the new generation. Energy efficiency assessment. Minsk: Colored, 2016, 336 p.
6. Gordina A.F., Yakovlev G.I., Polyansky I.S. [etc.] Gypsum compositions with complex structure modifiers. Stroitel'nye materialy, 2016, no. 1-2, pp. 90-95.
7. Babkov V.V., Latypov V.M., Lomakin L.N., Shigapov R.I. Modified gypsum binders of high water resistance and gipsokartonnye wall blocks for low-rise housing construction on their basis. Stroitel'nye materialy, 2012, no. 7, pp. 4-7.
8. Lesovik V.S. Increase of efficiency of production of construction materials taking into account the Genesis of rocks. M.: Ed. DIA, 2006, 526 p.
9. Potapov V.V., Serdan A.A. Deposition of silica from hydrothermal heat carrier by electrocoagulation. Chemical technology, 2002, no. 9, pp. 2-9.
10. Drebezova M.Y. Features of the micro-structure of hardened HC with the Wi-component mineral admixtures. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov, 2017, no. 12, pp. 136-140.
11. Lesovik V.S., Tschernyschova N.W., Drebezova M.Y. Nanodispresse silica-containing raw materials for improving the efficiency of fast-hardening composite binders (Nanodisperse kiesel säure haltige Rohstoffe zur Verbesserung der Effizienz schneller härten der Bindemittel mischungen). 2. Weimar Gypsum Conference. Weimar, 26-27 März, 2014, pp. 259-266.
12. Chernysheva N.V., Lesovik V.S., Drebezova M.Y. water-resistant gypsum composite materials using technogenic raw materials. Belgorod: BSTU publishing House, 2015, 321 p.
13. Drebezova M.Yu., Chernysheva N.V. Shatalov S.V. Composite gypsum binder with multi-component minerals of different Genesis. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov, 2017, no. 10, pp. 27-34.
