ГЛАВА 4. СОСТАВЫ И ТЕХНОЛОГИЯ
ВЫСОКОМОРОЗОСТОЙКОГО И ВОДОСТОЙКОГО
МЕЛКОЗЕРНИСТОГО ШЛАКОЗОЛОБЕТОНА

В этом разделе работы ставилась задача снова из тех же исходных материалов создать бетон с супервысокими показателями по морозостойкости для строительства дорог, изготовления дорожных плит, тротуаров, водосборных туннелей и каналов, изделий кровли, аэродромных покрытий и т.д., находящихся в крайне неблагоприятных атмосферных и эксплуатационных условиях.

Указанная работа проводилась в 3 этапа. На первом этапе совместно с Пензенским ИСИ (проф. И.А. Иванов) было изучено влияние гранулометрического состава шлакового песка на прочность и морозостойкость мелкозернистого бетона обычных марок и разработаны рекомендации по этой проблеме [71, 72]. На втором этапе, с учетом первого, были разработаны новые составы мелкозернистых бетонов высокой морозостойкости и водостойкости по заказу Минэнерго СССР и проведены совместно с НИ-ИЖБ (в их лабораториях) исследования на морозостойкость в климатической камере "Nema" [70, 71]. И на третьем этапе по заказу и совместно с ТУ ЗЖБК был разработан состав и технология мелкозернистого шлакобетона для кровельных конструкций жилья без специального водозащитного покрытия, поскольку сам бетон, как показали испытания, обладал необходимыми защитными свойствами [73, 74, 75].

Работа защищена патентом № 2008293 [76].

4.1. Исследование влияния гранулометрического состава
шлакового песка на водоротребность, прочность и
морозостойкость мелкозернистого бетона

Зависимость свойств бетона и бетонной смеси от гранулометрии заполнителя достаточно освещена в литературе. Имеется значительное количество работ, посвященных этому разделу бетоноведения. Однако, до сих пор не сформулирована общая теория этого вопроса и особенно для мелкозернистых бетонов. Результаты исследований распространяются только на конкретный заполнитель бетона и имеют в основном прикладное значение.

Как известно, гранулометрию мелкозернистого заполнителя принято характеризовать относительным содержанием зерен

73

различной крупности (семи стандартных фракций на ситах: 5; 2,5; 1,25; 0,63; 0,315; 0,14 и < 0,14 мм), модулем крупности (М_кр), медианным размером зерна (d_s), показателем неоднородности (d). Полные и частные остатки на ситах достаточно полно характеризуют зерновой состав мелкого заполнителя, но оптимизировать соотношение 7 стандартных фракций, найдя зависимость основных свойств бетона и бетонной смеси от гранулометрии, очень трудоемкая задача. Параметры же М_кр, d_s и d недостаточно полно отражают гранулометрический состав. Поэтому в своих исследованиях мы сократили количество фракций с 7 до 3-х.

Исследования проводились по методике [72]. Задачей исследований являлось нахождение математических зависимостей свойств мелкозернистого бетона от зернового состава золошлакового заполнителя и нахождения по ним оптимального гранулометрического состава заполнителя. В соответствии с методом "трех фракций" И.А. Иванова готовились составы заполнителя при различных их соотношениях: крупная фракция - зерна размером более 0,6 мм (0,6-5 мм), средняя - 0,6-0,14 мм и мелкая - менее 0,14 мм.

Определялось влияние зернового состава заполнителя на: 1) водопотребность бетонной смеси при постоянной ее подвижности (осадке конуса); 2) предел прочности на изгиб и сжатие в возрасте 28 и 180 суток и 3) морозостойкость бетона.

По результатам экспериментов методом наименьших квадратов находились математические зависимости свойств бетона от процентного содержания трех фракций:

где Y - значение водопотребности бетонной смеси, предел прочности на изгиб, сжатие, морозостойкость бетона;
к, с, м - процентное содержание крупной, средней и мелкой фракций;
а - эмпирические коэффициенты.

По полученным эмпирическим зависимостям на треугольных диаграммах (рис. 4.1) строились изопараметрические линии свойств бетона, по которым производилась оптимизация. Наилучшим гранулометрическим составом шлакозольного заполнителя считалась область на треугольной диаграмме, которой соответствовали оптимальные свойства бетона.

74

Рис. 4.1. Характеристики расположения произвольной точки в поле треугольной диаграммы

Было проведено 4 серии опытов: 1) 7 составов бетона при постоянной подвижности смеси (ОК = 20-22 см) и отношении заполнителя к цементу = 3,0 (рис. 4.2 и 4.3); 2) 7 составов бетона при ОК = 10-12 см и отношении заполнителя к цементу = 3,5 (рис. 4.4; 4,5; 4.6 и 4.7); 3) 7 составов бетона при ОК = 10-12 и отношении заполнителя к цементу = 3,0 (рис. 4.8; 4.9; 4.10; 4.11); 4) 14 составов бетона при ОК = 10-12 см и отношении заполнителя к цементу = 4,0 (рис. 4.12 и 4.13).

Заполнитель составлялся из золы и нефракционированного шлакового песка, для получения необходимого соотношения фракций в смесь вводился шлак с размером более 0,6 мм или шлак с размером зерен менее 0,6 мм. В результате получали заполнитель с различным содержанием трех фракций.

В результате исследований были установлены эмпирические математические зависимости водопотребности бетонной смеси, прочности и морозостойкости бетона от гранулометрии заполнителя.

При осадке конуса 20-22 см и отношении 3/Ц = 3.5:

75

Рис. 4.2. Зависимость В/Т смеси от грансостава заполнителя при
ОК = 20-22 см и 3/Ц = 3,5

Рис. 4.3. Зависимость Я²⁸ _СЖ бетона от грансостава заполнителя
при ОК. = 20-22 см и 3/Ц = 3,5

76

Рис. 4.4. Зависимость В/Т смеси от грансостава заполнителя при
ОК = 10-12 см и 3/Ц = 3,5

Рис. 4.5. Зависимость К²⁸ _СЖ бетона от грансостава заполнителя при
ОК = 10-12 см и 3/Ц = 3,5

77

Рис. 4.6. Зависимость R¹⁸⁰ _C5K бетона от грансостава заполнителя
при ОК = 10-12 см и 3/Ц = 3,5

Рис. 4.7. Зависимость М_рз от грансостава заполнителя
при ОК = 10-12 см и 3/Ц = 3,5

78

Рис. 4.8. Зависимость В/Т смеси от грансостава заполнителя
при ОК = 10-12 см и 3/Ц = 3,0

Рис. 4.9. Зависимость R²⁸ _CX бетона от грансостава заполнителя
при ОК = 10-12 см и 3/Ц = 3,0

79

Рис. 4.10. Зависимость К¹⁸⁰ _СЖ бетона от грансостава заполнителя
при ОК = 10-12 см и 3/Ц = 3,0

Рис. 4.11. Зависимость М_рз от грансостава заполнителя
при ОК = 10-12 см и 3/Ц = 3,0

80

Рис. 4.12. Зависимость В/Т смеси от грансостава заполнителя
при ОК = 10-12 см и 3/Ц = 4,0

Рис. 4.13. Зависимость К²⁸СЖ бетона от грансостава заполнителя
при ОК = 10-12 см и 3/Ц = 4,0

81

При осадке конуса 10-12 см и отношении 3/Ц = 3.0:

При осадке конуса 10-12 см и отношении 3/Ц = 3.5:

При осадке конуса 10-12 см и отношении 3/Ц = 4.0:

82

Анализ изолиний рис. 4.2 - 4.13 указывает, что оптимальная гранулометрия при отношении 3/Ц до 3,5, находится за пределами исследованной области и ограничена следующими значениями: мелкая фракция - не более 10%, средняя - 0 - 20%, крупная - более 60 - 90%. При отношении 3/Ц равном 4,0 оптимальная гранулометрия находится в области: крупная - 80 - 90%, средняя -0 - 5%, мелкая - 10 - 20%.

В результате исследований установлено, что несмотря на соблюдение общей закономерности зависимости прочности бетона от цементно-водного отношения эта связь для разработанных бетонов не является прямопропорциональной. При сравнении изолиний прочности и водопотребности отмечено, что они имеют различный характер. Это свидетельствует о влиянии зернового состава заполнителя, наряду с Ц/В - отношением, на прочность и морозостойкость. Но это влияние может быть объяснено двумя следующими причинами: - различием физико-химических свойств золы и шлака; - особенностями распределения усадочных напряжений, возникающих при твердении бетона, а следовательно и характере деструктивных процессов.

При анализе результатов проведенных исследований трудно установить, какой из факторов - различие физико-химических свойств или гранулометрии золы и шлакового песка оказывает определяющее влияние на изменение свойств бетона. Поэтому в дальнейших исследованиях зола рассматривалась как компонент золоцементного вяжущего, а шлаковый песок как заполнитель.

Было исследовано влияние гранулометрии заполнителя на свойства бетона при различных соотношениях трех фракций: крупной - размер зерен 5 - 1,2 мм, средней -. 1,2 - 0,315 мм, мелкой -менее 0,315 мм. По ГОСТу 8736 - 85 зерновой состав песка для перечисленных фракций должен быть ограничен следующими значениями: крупная - 5 - 45%, средняя - 0 - 85%, мелкая - 10 - 65%. После анализа предыдущих экспериментов и рекомендаций ГОСТа был запланирован 21 состав заполнителя с отношением 3/Ц = 3,5 и ОК смеси 10 - 12 см (таблица 4.1 и рис. 4.14).

Наилучший зерновой состав в последнем эксперименте находится в области: крупная фракция - 60-80%, средняя - 0 - 10%, мелкая - 20 - 40% (рис. 4.15).

Оптимальные грансоставы заполнителя для мелкозернистых шлакозолобетонов отличаются от рекомендаций ГОСТа и позволяют снизить водопотребность бетонных смесей и за счет этого повысить прочность на 20 и более процентов.

83

Таблица 4.1.

Влияние зернового состава шлакового песка на прочность бетона и В/Ц смеси при 3/Ц = 3,5 и ОК = 10-12 см

Исходя из проведенных исследований рекомендуется производить гранулирование и дробление шлака на ТЭС таким образом, чтобы шлаковый песок состоял из 2-х фракций: крупной, с размером зерен более 1,2 мм (до 5 мм) - 60 - 80% и мелкой - с размером менее 0,315 мм - 20 - 40%.

84