Условность границы между заполнителем и вяжущим

РЕФЕРАТ. Производителям бетона хорошо известно, что оптими­зация гранулометрического состава заполнителей позволяет получить бетон с более высокой прочностью и способствует сокращению свободного пространства вокруг частиц запол­нителя, а следовательно, уменьшению расхода цементного теста. Большинство производителей бетона используют песок в качестве мелкого заполнителя. Размер его частиц составляет 100—1000 мкм и более. То, насколько мелким является доступ­ный песок, обычно определяет характер гранулометрического состава тонких фракций заполнителя для производства бетона.

В настоящее время цементы часто представляют собой различ­ные типы комбинаций портландцемента и минеральных доба­вок. Такие цементы состоят преимущественно из частиц разме­рами менее 45 мкм. Более крупные частицы реагируют при гид­ратации медленнее, причем частицы размерами более 45 мкм могут никогда не прореагировать полностью. Исследования по оптимизации составов бетонных смесей приводят к выводу, что бетон можно производить более экономично, если принцип со­ здания плотной упаковки частиц распространить на весь диапазон размеров частиц, т. е. и на частицы цемента. Установлено, что замещение крупных частиц вяжущего менее реакционноспо­собными или инертными наполнителями позволяет производить бетон с аналогичной прочностью, но с меньшими затратами и меньшими экологическими последствиями.

Ключевые слова: заполнитель, бетон, портландцемент, плотность упаковки частиц, пустотность, минеральные добавки.

Keywords: aggregate, concrete, Portland cement, particle packing density, void volume, supplemental cementitious materials.

Введение

Бетон — ​один из наиболее используемых материалов в современном мире. Согласно оценкам, ежегодно в мире производится до 20 млрд т бетона. В его состав входят заполнители, вяжущее и вода. Заполнители являются инертными компонентами бетона. Часть воды вступает в реакцию с вяжущим, следствием чего является затвердевание бетона. Вода также требуется для обеспечения необходимой подвижности и удобоукладываемости бетонной смеси. Затвердевший бетон может содержать некоторое количество воздушных пузырьков («захваченный» воздух).

Портландцемент — ​основное вяжущее, используемое для изготовления бетона и выпускаемое практически во всех странах. Портландцемент вступает в реакцию с водой с образованием связующего теста, которое склеивает частицы заполнителя с образованием твердой массы. Минеральные добавки (МД) придают цементу дополнительные ценные качества и могут частично замещать портландцемент в составе вяжущего. Наиболее распространенными МД являются доменный шлак (ДШ) и зола-унос: обе добавки относятся к промышленным отходам. Добавки можно использовать для улучшения свойств бетона, а также для снижения его себестоимости и негативного воздействия его производства на окружающую среду.

Производителям бетона известно, что хорошо подобранный гранулометрический состав заполнителей обеспечивает бетону более высокую прочность при меньшем содержании вяжущего. Тот же принцип можно применить к частицам более тонким по сравнению с мелким заполнителем, используемым при производстве бетона. Как правило, мелкие заполнители представляют собой природные и/или промышленные пес­ки со средним размером частиц от 100 мкм (мелкий песок) до 1000 мкм и более (крупный песок). Существующий промежуток в размерах между мелкими заполнителями и вяжущим создает возможность оптимизации на основе принципа упаковки частиц.

Плотность упаковки частиц

Принцип плотной упаковки частиц уже много лет используется в производстве товарных бетонных смесей для оптимизации их состава. Он направлен на максимальное заполнение заданного пространства частицами заполнителя. Плотность упаковки последних можно рассчитать путем измерения объема воды, необходимого для заполнения пустот между частицами заполнителя в смеси. Данный объем воды соответствует объему пустот и обычно выражается в процентах общего объема. Разница между объемом емкости и измеренным объемом воды соответствует объему заполнителей. Например, 20-литровое ведро доверху наполнено заполнителем определенного фракционного состава. Допустим, требуется 5 л воды, чтобы заполнить оставшиеся пустоты. Тогда объем пустот будет равен 5 л, а пустотность — ​25 %; объем­ное содержание заполнителя составит при этом 75 %.

Расчеты упаковки частиц направлены на получение такого оптимального сочетания разноразмерных частиц заполнителя, при котором пустотность окажется минимальной (рис. 1). Пустоты необходимо заполнить смесью вяжущего и воды (т. е. тестом). Больший объем пустот требует большего расхода теста в бетонной смеси. Вяжущее является самым дорогим компонентом бетонной смеси и к тому же имеет самый значительный «углеродный след».

Рис. 1. Уменьшение объема пустот за счет увеличения плотности упаковки частиц

Прочность бетона зависит от прочности тонких слоев теста между частицами заполнителя, а не от количества теста в пустотах. Таким образом, большой объем теста в пус­тотах вовсе не обязательно способствует достижению более высокой прочности бетона, но увеличивает его стоимость и «углеродный след».

В работе [1] отмечаются следующие преимущества оптимальной плотности упаковки частиц:

⋅ сокращение расхода цементного теста,

⋅ снижение водопотребности,

⋅ увеличение прочности в результате заполнения всех имеющихся пустот,

⋅ сокращение усадки и ползучести,

⋅ сокращение теплоты гидратации.

В настоящее время упаковка частиц в готовой бетонной смеси оптимизируется в диа­пазоне от наиболее крупных частиц заполнителя до частиц используемого пес­ка. Существует несколько моделей оптимизации упаковки час­тиц заполнителей в бетоне. Двумя наиболее популярными моделями являются распределение частиц по размерам, предложенное Фуллером (уравнение 1), и модель, разработанная Функом и Дингером (уравнение 2) [2]. В обеих моделях используется максимальная крупность заполнителя. Основное различие между этими двумя моделями состоит в том, что в модели Функа и Дингера минимальный размер частиц мелкозернистого заполнителя должен иметь конечное значение. Между тем кривая Фуллера продолжается в область бесконечно малых размеров частиц. На рис. 2 сравниваются обе модели. Для оптимизации гранулометрического состава вяжущего кривая Фуллера представ­ляет больший интерес.

Рис. 2. Сравнение кривых распределения частиц по размерам, предложенных в разных моделях

Уравнение Фуллера выглядит следующим образом:

где d — ​размер частиц, P(d) — ​совокупное содержание (в процентах) частиц с размерами меньше d, d_max — ​максимальный размер (крупность) частиц в смеси, q — ​коэффициент распределения.

Уравнение Функа и Дингера имеет вид:

где d_min — ​минимальный размер частиц в смеси.

Коэффициент распределения варьирует­ся в пределах 0,33—0,50 [1]. Оптимальное его значение в конкретном случае будет зависеть от характеристик частиц используемых заполнителей. Изначально для оптимизации фракционного состава заполнителя с помощью кривой Фуллера использовался коэффициент 0,5. Андреасен впоследствии модифицировал кривую Фуллера, изменив коэффициент на 0,37, который, как оказалось, обеспечивал более плотную упаковку для бетона.

Кривые Фуллера продолжаются в область частиц размерами менее 10 мкм в левой час­ти рис. 2. Кривая Функа и Дингера достигает нуля при значении 100 мкм, что соответ­ствует наименьшему размеру час­тиц мелкого заполнителя. Размер частиц вяжущего обычно меньше 50 мкм (0,05 мм). Следовательно, существует разрыв в оптимальном распределении, задаваемом уравнением Фуллера, между наименьшей частицей заполнителя и наибольшей частицей вяжущего (красная зона на рис. 2). В большинстве случаев этот вид пустот будет заполнен цемент­ным тес­том.

Заполнение разрыва

Эксперименты показали, что если учитывать размер частиц вяжущего, можно получить бетон с меньшим содержанием портландцемента, но имеющий аналогичные свойства и прочность. На рис. 3 представлены значения прочности при сжатии различных вяжущих композиций с фракцио­нированным составом, содержащих 25 % обыч­ного портландцемента (ПЦ), по сравнению с аналогичными показателями для контрольного состава (100 % ПЦ) [3]. Три образца с тонкоизмельченным ДШ имели сопоставимую 28-суточную прочность, несмот­ря на разницу в компонентах, составляющих наиболее крупную фракцию вяжущего. Четвертый образец, подготовленный с использованием 39 % известняка, который, по существу, является инертным материалом, также имеет весьма высокую 28-суточную прочность, если учесть низкое содержание реакционноспособного вяжущего. Это подтверждает, что наиболее крупные фракции вяжущего не вносят существенного вклада в прочность бетона.

Рис. 3. Прочность фракционированных вяжущих композиций, содержащих тонко- и грубодисперсный гранулированный доменный шлак (ТГДШ и ГГДШ), цемент с узким распределением частиц по размерам (ЦУРР), грубодисперсную золу-унос (ГЗУ), грубо- и тонкодисперсный шлак сталелитейного производства (ГСШ и ТСШ) и грубодисперсный известняк (ГИ) [2]

Согласно [4], при гидратации частица портландцемента размером 1 мкм полностью прореагирует в течение 1 сут; 10 мкм — ​в течение 28 сут; частица порт­ландцемента 50 мкм, вероятно, никогда полностью не прореагирует. То, что более крупные частицы не реагируют полностью, объясняет, почему их можно заменить инертными материалами без значительной потери в прочности при сжатии или других свойствах бетона. Следовательно, добавление к вяжущему крупных частиц (размером 50—100 мкм), состоящих из инертного материа­ла, позволяет уменьшить количество вяжущего, требуемое для достижения заданной проч­ности.

По данным исследования, проведенного компанией Roman Cement (США), обычные цемент­ные вяжущие можно усовершенствовать, если учитывать принципы плотной упаковки частиц. Теоретически для обеспечения проч­ности бетона достаточна минимальная толщина слоя цементного теста; вместе с тем большие промежутки между частицами песка необходимо заполнить тестом. Однако эти же промежутки можно частично заполнить меньшими по размеру частицами или микронаполнителями (например, 25—100 мкм), чтобы сократить расход вяжущего. Эти микронаполнители можно ввести в состав вяжущего перед затворением водой. Соответственно, на такое же количество можно сократить содержание вяжущего без ухудшения рабочих характеристик.

Заполнение пустот между наиболее мелкими частицами заполнителя при сокращении дорогостоящего вяжущего в композиции обеспечит поддержание прочности бетона на прежнем уровне. То, что вяжущее может содержать инертные материалы, используе­мые в качестве ультратонкого заполните­ля, позволяет оптимизировать водопотребность, поскольку инертный материал потребляет воду только для смачивания. Точное соотношение воды и вяжущего (В/В) будет зависеть от природы и количества наполнителя в составе вяжущего, а также желаемой подвижности бетонной смеси. Снижение водопотребности может повысить прочность бетона. Замещение вяжущего наполнителем повысит прочность бетона при одновременном снижении затрат и выбросов CO₂.

Проверка теории

На основе изложенных выше принципов была разработана серия лабораторных бетонных смесей, в которых цемент замещали другими материалами (табл. 1, рис. 4).

Рис. 4. Состав вяжущих композиций и прочность бетона на их основе по результатам испытаний цилиндрических образцов

Зависимость прочности от времени для исследуемых композиций представлена на рис. 5. Видно, что все смеси с пониженным содержанием ПЦ имеют более высокую позднюю прочность, чем контрольный образец с наибольшим содержанием ПЦ.

Рис. 5. Зависимость прочности от времени для бетонов с различным содержанием цемента (по результатам испытаний цилиндрических образцов)

Экономические и экологические показатели для исследуемых композиций приведены на рис. 6. Экономический эффект основан на разнице в стоимости различных компонентов вяжущего (с учетом доставки) и будет варьироваться в зависимости от стои­мости материалов в месте расположения бетонного производства. Сокращение выбросов CO₂ обусловлено сокращением количества цемента в бетоне в соответ­ствии с экологической декларацией продукции (Environmental Product Declaration, EPD) Ассоциации производителей цемента (Portland Cement Association) для ПЦ [5].

Рис. 6. Стоимость бетона и выбросы CO₂ в зависимости от содержания ПЦ в бетонной смеси

Дополнительные испытания были проведены американской бетонной компанией. Составы испытывавшихся бетонов приведены в табл. 2. Замещали 15 % цемента, содержавшегося в соответствующих контрольных составах, обозначенных буквой К (53—72 кг/м³). Кроме того, в смеси дополнительно вводили 32,6 кг/м³ известняковой пыли.

Данные о прочности испытанных композиций в зависимости от возраста представлены на рис. 7.

Рис. 7. Прочность бетонов, составы которых приведены в табл. 2

Лабораторные и полевые испытания продемонстрировали, что использование частиц, размеры которых находятся в диапазоне между вяжущим и заполнителем, может снизить стои­мость бетона и снизить его «углеродный след».

Выводы

Принцип плотной упаковки частиц десятилетиями использовался для оптимизации размеров частиц заполнителя в бетонных смесях. Результаты исследования компании Roman Cement показывают, что те же принципы плотной упаковки можно использовать для частиц, лежащих в диапазоне между наименьшим размером частиц заполнителя и наибольшим размером частиц вяжущего. Замещение цемента инертными материалами с размерами частиц в диапазоне 50—100 мкм позволяет получить бетон с аналогичной прочностью, но с меньшими затратами и меньшим воздей­ствием на окружающую среду. Эти материалы могут иметь самое различное происхождение, поскольку размер частиц важнее, чем их состав.

Производители бетона должны учитывать фракционный состав своих заполнителей и оптимизировать коэффициент распределения в зависимости от характеристик конкретных заполнителей. Также необходимо определить гранулометрический состав вяжущего и доступных наполнителей. Затем можно оптимизировать состав смеси для достижения желаемых свойств бетона и минимизировать расход вяжущего.

ЛИТЕРАТУРА

1. Fennis S., Walraven J. C. Using particle packing technology for sustainable concrete mixture design // Heron. 2012. Vol. 57, N 2. P. 73—101.

2. Guynn J., Kline J. Maximizing SCM content of blended cements // IEEE Transactions on Industry Applications. 2015. Vol. 51, N 6. P. 4824—4832.

3. Zhang, et al. A new gap-graded particle size distribution and resulting consequences on properties of blended cement // Cement and Concrete Composites. 2011. Vol. 33. P. 543—550.

4. Thomas J. J. The science of concrete. P. 28 [Электронный ресурс]. URL: https://arch.library.northwestern.edu/concern/file_sets/tt44pm891?locale=en. (дата обращения 14.08.2020).

5. Environmental Product Declaration. Portland Cements (per ASTM C1157, AASHTO M 85 or CSA A3001) [Электронный ресурс]. URL: https://www.cement.org/docs/default-source/sustainabilty2/pca-portland-cement-epd‑062716.pdf?sfvrsn=... (дата обращения 10.08.2020).