Effect of Ultrafine Additives on Mechanical Properties of Concrete

Full Text

1. Введение Для улучшения эксплуатационных характеристик бетона в его состав вводят различного рода добавки. Как отмечают многие исследователи, использование частиц ультрадисперсных размеров для модифицирования бетонной смеси существенно улучшает ее механические свойства. Это связано с высокой реакционной активностью ультрадисперсных частиц, которая обусловлена значительной удельной площадью их поверхности [1-5]. Все большее внимание в технологиях изготовления бетона уделяется использованию наноматериалов. В производстве наноразмерных материалов используются оксиды металлов, углеродные нанотрубки и волокна. Популярной и эффективной минеральной добавкой для изготовления бетона с высокими эксплуатационными характеристиками является нанокремнезем, способный значительно улучшить механические свойства бетона благодаря своей пуццолановой активности и сверхтонкому размеру частиц [6-8]. Как показывают различные научные исследования, введение нанокремнезема в бетон приводит к повышению прочности на сжатие [9-11], увеличению прочности при растяжении и изгибе [5; 12-13] по сравнению с традиционными бетонными смесями. В [14] установлено, что оптимальное содержание нанокремнезема в бетоне зависит от размера удельной поверхности его частиц. Увеличение размера удельной поверхности приводит к улучшению характеристик бетона благодаря заполнению имеющихся в бетоне пустот и повышению его плотности. Исследователи [15] доказали, что уменьшение размера наночастиц способствует увеличению прочности бетона с нанодобавками. Однако вопрос оптимального процентного содержания наноразмерных частиц при замене цемента в бетоне остается открытым и требует дальнейшего изучения. В случае традиционных бетонов авторы [16] сообщили, что добавление 0,25 % наночастиц SiO2 увеличило прочность бетона на сжатие и изгиб после 28 дней твердения на 10 и 25 % соответственно. Исследователи [17] изучали влияние нанокремнезема на прочность самоуплотняющихся бетонов. Нанокремнезем использовался для частичной замены цемента в концентрациях 0,5; 0,7 и 1 %. Результаты испытаний на прочность при сжатии в возрасте 7, 28, 90 и 365 дней показали, что наилучшие показатели достигаются при замене 0,5 % цемента нанокремнеземом, независимо от возраста испытуемых образцов. Исследование [18] показало, что введение 4 % нанокремнезема от массы цемента обеспечивает оптимальное улучшение механических свойств самоуплотняющихся бетонов. Несмотря на положительные результаты, полученные при использовании наноматериалов в строительстве, ряд исследований выявил, что их применение в производстве бетона не всегда приводит к значительному улучшению механических свойств. Согласно [19], использование nano-SiO2 и nanoTiO2 при изготовлении цементных паст и строительных растворов не продемонстрировало существенного повышения прочности при сжатии. Кроме того, некоторые авторы [20] отметили негативное влияние высоких доз нанокремнезема на прочность бетона, что объяснялось проблемами диспергирования и агрегатированием частиц. Многие исследователи отмечают, что применение большого количества наночастиц SiO2 (более 5 % заменителя цемента) может привести к негативному воздействию на механические свойства цементных материалов [21-22]. Это может быть обусловлено высокой удельной поверхностью наночастиц SiO2, что способствует их агломерации и ухудшает диспергирование в цементной матрице [23- 24]. Для равномерного распределения наночастиц могут потребоваться специальные методы диспергирования, такие как ультразвуковое перемешивание, что значительно увеличивает затраты на изготовление нанодисперсных модификаторов [25-26]. В целях повышения экономической эффективности бетона в его состав вводят минеральные добавки, полученные из промышленных отходов [27]. Отходы тепловых электростанций, такие как золошлаковые отходы и зола-унос, являются одними из наиболее массовых видов вторичного сырья. В [28-29] обоснована техническая возможность и экономическая целесообразность использования золы-уноса в качестве добавки к цементу, а также возможность повышения ее активности за счет процесса механоактивации. В последнее время было проведено значительное количество исследований по изучению возможностей использования отходов и побочных продуктов металлургической промышленности в качестве добавок к цементу [30]. Металлургические шлаки обладают пуццолановыми свойствами, что делает их перспективными материалами для использования в производстве цемента или бетона. Многими авторами изучены возможности применения гранулированныех доменных шлаков в качестве тонкомолотой активной минеральной добавки к бетону [31-33]. Между тем различные виды строительных отходов, такие как бой кирпича, представляют собой ценное сырье, которое может быть эффективно использовано в производстве бетона. Большинство строительных кирпичей содержат в своем составе диоксид кремния и глинозем, что позволяет отнести их к пуццолановым материалам, которые при взаимодействии с водой в процессе гидратации проявляют связующий эффект и способствуют образованию геля C-S-H. Использование порошков пуццолановых материалов в производстве бетона повышает его прочностные характеристики. Рациональное использование подобного рода материалов способствует снижению истощения природных минеральных ресурсов и уменьшению объемов отходов, направляемых на полигоны. Разработка новых составов бетона с применением ультрадисперсных армирующих добавок, полученных из строительных отходов, позволит уменьшить расход цемента, при этом в значительной степени защитив окружающую среду, снизив общую стоимость конструкции и повысив ее долговечность. Анализ литературных источников показал, что введение в состав бетонной смеси дисперсных армирующих добавок позволяет создавать новые виды высокопрочных бетонов с улучшенными эксплуатационными свойствами. Механические характеристики модифицированных бетонных смесей зависят от химического состава, структуры, размера и объемной доли этих компонентов в общей массе бетона. При этом более высокие результаты демонстрируют тонкодисперсные добавки, способствующие достижению максимальной плотности упаковки смеси. Такая оптимизированная упаковка частиц приводит к формированию более плотной структуры бетона, что, в свою очередь, улучшает его механические свойства. На основании анализа научной литературы сделан вывод о целесообразности использования дисперсных добавок, полученных из отходов строительной промышленности, в частности кирпичного боя, в качестве модификаторов бетонной смеси. Для подтверждения этой гипотезы проведены комплексные исследования, направленные на изучение влияния данных добавок на механические характеристики бетонов. Цель исследования - изучение механических характеристик бетонов, модифицированных ультрадисперсными порошками строительных отходов. В рамках исследования рассмотрены строительные отходы, представляющие собой бой кирпичей, формирующийся при демонтаже жилых и промышленных зданий и сооружений. 2. Методы В качестве модификатора бетона был выбран ультрадисперсный порошок (УДП), полученный путем тонкого измельчения образцов строительных отходов. Для проведения исследований битый кирпич (брак производства) подвергался дроблению в шаровой мельнице и последовательному просеиванию через ряд лабораторных сит с ячейками размером 1,5; 0,63; 0,315; 0,08; 0,045 и 0,026 мм на вибростоле. Для измельчения строительных отходов применялась мельница шаровая двухпозиционная WiseMix BML-2 (производства фирмы Daihan Scientific), предназначенная для получения мелких фракций обрабатываемого материала. Таблица 1 / Table 1 Материал для получения модификаторов бетонной смеси Material for obtaining concrete mix modifiers Облицовочный кирпич гладкий Браер 0,7 NF (образец № 1) OOO «ТД БРАЕР» (Российская Федерация) / Braer 0.7 NF smooth facing brick (sample No. 1) “TD BRAER” LLC (Russian Federation) Шамотный кирпич ШБ-5 (образец № 2) Богдановическое ОАО «Огнеупоры» (Российская Федерация) / SB-5 fireclay brick (sample No. 2) Bogdanovich “Ogneupory” JSC (Russian Federation) Облицовочный кирпич М 200 1NF (образец № 3) Железногорский кирпичный завод (Российская Федерация) / M 200 1NF facing brick (sample No. 3) Zheleznogorsk Brick Factory (Russian Federation) И с т о ч н и к: выполнено М.Ю. Мальковой, А.С. Горшковым, А.Н. Задирановым, Е.А. Ларионовым S o u r c e: made by M.Yu. Malkova, A.S. Gorshkov, A.N. Zadiranov, E.A. Larionov В лабораторных условиях было разработано и протестировано несколько составов бетонных смесей, полученных путем частичной замены цемента на различные процентные доли УДП, полученных путем измельчения отходов кирпичей разных марок (табл. 1). Для модифицирования цементной смеси был выбран УДП самой мелкой из полученных фракций (-0,045+0,026 мм). Этот выбор обусловлен наибольшей площадью реакционной поверхности данной фракции, что потенциально улучшает характеристики конечного материала. Для оценки влияния УДП строительных отходов на механические свойства цементных растворов были изготовлены и испытаны на прочность образцы кубической формы с длиной ребер 70 мм. Образцы изготавливали и испытывали сериями по 5 штук в каждой. Бетонная смесь для приготовления контрольного образца была составлена без добавления УДП. В остальных образцах цемент был частично заменен на различные доли УДП для получения наномодифицированных составов бетона. С целью корректной оценки влияния добавок УДП на механические свойства бетона все смеси были приготовлены с одинаковым соотношением воды, вяжущего и заполнителей (табл. 2). Таблица 2 / Table 2 Состав бетонной смеси в пересчете на 343 см3 (объем образца кубической формы с длиной ребра 70 мм) Composition of the concrete mix in terms of 343 cm3 (volume of a cubic sample with edge length of 70 mm) Состав бетонной смеси / Composition of the concrete mix Бетон без добавок УДП (В22,5) - контрольный образец / Concrete without UDP additives (B22.5) - control sample Бетонсдобавлением УДП, % от массыцемента / Concrete with the addition of ultradisperse powder (UDP), % by weight of cement 10 20 30 35 50 УДП / UDP, % 0 14,4 28 42,8 50,4 72,0 Цемент (ПЦ 500), г / Portland cement (grade 500), g 144,0 129,6 115,2 101,0 93,6 72,0 Песок, г / Sand, g 236,7 235,6 224 218,0 223,6 240,0 Щебень 5-20 мм, г / Crushed aggregate 5-20 mm, g 378,0 381,2 386,6 391,0 383,0 360,0 Вода, г / Water, g 58,0 58,0 58,0 58,0 58,0 58,0 И с т о ч н и к: выполнено М.Ю. Мальковой, А.С. Горшковым, А.Н. Задирановым, Е.А. Ларионовым S o u r c e: made by M.Yu. Malkova, A.S. Gorshkov, A.N. Zadiranov, E.A. Larionov Для определения механических свойств затвердевшего бетона были проведены исследования прочности образцов на сжатие. Прочность при сжатии является ключевым параметром, отражающим механические свойства бетона, поскольку она тесно связана с показателями прочности на изгиб и растяжение [34]. Испытания осуществлялись на образцах, выдержанных в течение 7, 14, 21 и 28 сут в трех параллельных сериях. В ходе анализа использовались средние значения из трех измерений. 3. Результаты и обсуждение Результаты исследования прочности бетона на сжатие в сравнении с контрольной смесью в различные возрастные периоды представлены в табл. 3 и на рисунке. Анализ полученных данных показывает, что прочность бетона на сжатие повышается с увеличением времени выдержки при любом содержании модифицирующих добавок УДП. Эта тенденция наблюдается во всех возрастных группах, что свидетельствует о стабильном повышении прочности бетона. В возрасте 28 дней прочность на сжатие достигает своего максимального значения при испытании всех образцов. Улучшение механических свойств бетонных образцов можно объяснить высокой плотностью упаковки ультрадисперсных частиц в структуре бетона, что способствует увеличению компактности и прочности материала. Кроме того, большая площадь поверхности ультрадисперсных частиц способствует интенсификации химических реакций, что приводит к образованию дополнительного количества C-S-H геля. Этот гель уплотняет и укрепляет границу раздела между заполнителем и цементным тестом, что также способствует повышению прочности бетона. Таблица 3 / Table 3 Результаты испытаний образцов бетона на сжатие через 7, 14, 21 и 28 сут Results of compression testing of concrete samples after 7, 14, 21 and 28 days Время выдержки образца, сут / Sample curing time, days 7 14 21 28 Образцы бетона / Concrete Samples Напряжение, МПа / Stress, MPa Контрольный образец, № 0 / Control sample, No. 0 14,4 17,9 19,2 25,101 № 1 10 % УДП № 1 / UDP No.1 31,888 37,676 39,776 43,332 № 1 20 % УДП № 1 / UDP No. 1 36,869 39,048 41, 742 46,112 № 1 30 % УДП № 1 / UDP No. 1 34,332 38,894 41,231 45,759 № 1 35 % УДП № 1 / UDP No. 1 15,686 19,881 22,226 24,665 № 1 50 % УДП № 1 / UDP No. 1 15,421 19,001 21,042 23,215 № 2 10 % УДП № 2 / UDP No. 2 19,688 27,62 29,433 32,540 № 2 20 % УДП № 2 / UDP No. 2 27,531 32,32 36,06 39,400 № 2 30 % УДП № 2 / UDP No. 2 19,433 23,98 29,14 32,261 № 2 35 % УДП № 2 / UDP No. 2 19,674 25,09 29,32 32,531 № 2 50 % УДП № 2 / UDP No. 2 15,441 20,012 23,22 25,078 № 3 10 % УДП № 3 / UDP No. 3 19,995 25,02 27,34 29,021 № 3 20 % УДП № 3 / UDP No. 3 24,606 30,01 32,98 36,615 № 3 30 % УДП № 3 / UDP No. 3 18,872 23,87 26,44 28,595 № 3 35 % УДП № 3 / UDP No. 3 17,331 22,30 25,21 27,078 № 3 50 % УДП № 3 / UDP No. 3 11,24 14,36 16,02 17,225 И с т о ч н и к: выполнено М.Ю. Мальковой, А.С. Горшковым, А.Н. Задирановым, Е.А. Ларионовым S o u r c e: made by M.Yu. Malkova, A.S. Gorshkov, A.N. Zadiranov, E.A. Larionov Сравнительная диаграмма прочности на сжатие образцов бетона с добавлением 10, 20, 30, 35 и 50 % УДП № 1, УДП № 2 и УДП № 3 по сравнению с контрольным образцом № 0 / Comparative diagram of compressive strength of concrete samples with the addition of 10, 20, 30, 35 and 50% UDP No. 1, UDP No. 2 and UDP No. 3 compared to control sample No. 0 И с т о ч н и к: выполнено М.Ю. Мальковой, А.С. Горшковым, А.Н. Задирановым, Е.А. Ларионовым S o u r c e: made by M.Yu. Malkova, A.S. Gorshkov, A.N. Zadiranov, E.A. Larionov В результате анализа данных испытаний бетонных образцов на прочность, проведенных в возрасте 28 суток и представленных в сводной табл. 3, было установлено, что ключевым фактором, определяющим прочность бетона при сжатии, является концентрация УДП в составе бетонной смеси. Максимальные показатели прочности были достигнуты при введении УДП в количестве 20 % от массы цемента. При дальнейшем повышении содержания УДП в бетоне было отмечено менее значительное увеличение прочности бетонных образцов на сжатие по сравнению с контрольным образцом, а в случае превышения содержания УДП более 50 % от массы цемента прочностные характеристики на сжатие снижаются относительно контрольного образца. Такое снижение эксплуатационных характеристик может быть объяснено избытком УДП, которое приводит к агломерации и недостаточному диспергированию частиц УДП в цементной матрице, что способствует образованию в матрице слабых зон, приводящих к снижению прочности бетона [35]. Снижение прочности также может быть вызвано осаждением C-S-H геля на поверхности агломерированных частиц, что препятствует взаимодействию частиц внутри агломерата с зернами цемента и возможности вступать с ним в химическую реакцию. Следовательно, при увеличении коэффициента замещения цемента на УДП свыше 20 % наблюдается уменьшение эффекта увеличения прочности бетона вплоть до отрицательного значения. Для проверки гипотезы о влиянии размеров УДП на прочность бетона провели исследование образцов с добавлением 20 % УДП более крупной фракции (-0,08+0,045 мм). С этой целью были залиты и испытаны на прочность образцы кубической формы с длиной ребер 70 мм, объединенные в серии по 5 штук. Результаты испытаний продемонстрировали, что введение в состав цементной смеси УДП крупной фракции (-0,08+0,045 мм) не только не обеспечивает повышения прочностных характеристик бетонных образцов, но, наоборот, приводит к снижению их прочности по сравнению с контрольным образцом. Снижение эксплуатационных характеристик, вероятно, обусловлено крупным размером частиц микроармирующего наполнителя (УДП), что препятствует их проникновению в мелкие поры бетона. Кроме того, порошки более крупной фракции уменьшают площадь реакционной поверхности, теряя свою реакционную способность и превращаясь в инертные заполнители [36]. Это способствует увеличению пористости бетона и снижению его прочности на сжатие. Эта тенденция свидетельствует о том, что при прочих равных параметрах мелкодисперсные УДП, обеспечивая более развитую площадь поверхности при заданной массе, индуцируют образование большего числа зародышей, способных участвовать в химических реакциях, что приводит к снижению концентрации пор в бетоне и повышению его плотности. 4. Заключение Разработаны составы бетонных смесей, содержащих в качестве специальной добавки ультрадисперсные порошки строительных кирпичей фракции (-0,045+0,026 мм). 1. Установлено, что применение УДП в составе бетонной смеси обусловливает значительное качественное улучшение их физико-механических свойств по сравнению с традиционными составами, обеспечивая достижение бетонными образцами показателей прочности на сжатие в диапазоне 36,615-46,112 МПа, коэффициента упругости - в диапазоне 47,84-51,70 ГПа. 2. Наилучшие механические показатели бетона обеспечивает добавка к цементу 20 % УДП. Прочность на сжатие бетонных образцов, содержащих 20 % УДП, через 28 дней выдержки превышает контрольные значения на 46 %. 3. Использование более высоких дозировок УДП (более 35 % заменителя цемента) приводит к негативному воздействию на механические свойства бетона, что может быть связано с агломерацией ультрадисперсных частиц, препятствующей их равномерному распределению в цементной матрице. Ультрадисперсные порошки строительных отходов обладают значительным потенциалом для улучшения эксплуатационных свойств бетонных конструкций. Их применение направлено на повышение механических свойств бетона. Кроме того, использование данных порошковых материалов способствует сокращению производственных издержек на изготовление строительных изделий, что обусловливает их экономическую целесообразность.

About the authors

Marianna Yu. Malkova

RUDN University

Author for correspondence.
Email: marianna300@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-6939-1658
SPIN-code: 2680-1505

Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Mechanical Engineering Technologies, Engineering Academy

6 Miklukho-Maklaya St, Moscow, 117198, Russian Federation

Alexander S. Gorshkov

RUDN University

Email: gorshkov_as@pfur.ru
ORCID iD: 0000-0002-8844-7397
SPIN-code: 3987-3902

Assistant of the Department of Architecture, Restoration and Design, Engineering Academy

6 Miklukho-Maklaya St, Moscow, 117198, Russian Federation

Alexander N. Zadiranov

Academy of State Fire Service EMERCOM of Russia

Email: zadiranov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7787-8290
SPIN-code: 2873-6465

Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Combustion Processes and Environmental Safety, Educational and Scientific Complex of Combustion Processes and Environmental Safety

4 Boris Galushkin St, Moscow, 129366, Russian Federation

Evgeny A. Larionov

RUDN University

Email: evgenylarionov39@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-4906-5919

Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Construction Technology and Structural Materials, Engineering Academy

6 Miklukho-Maklaya St, Moscow, 117198, Russian Federation

References

Supplementary files