Цементы для морозостойкого бетона

РЕФЕРАТ. В климатических условиях Польши морозостойкость бетона является одним из наиболее важных свойств, характеризующих его долговечность. На это свойство бетона влияют многие факторы, однако модифицирование структуры цементной матрицы при помощи воздухововлекающих добавок (ВВД) представляет собой наиболее эффективное решение. В данной статье представлено инновационное решение, направленное на производство цемента с ВВД. В исследовании использовали портландцемент CEM II/B-V с добавкой золы-уноса, соответствующий требованиям стандарта EN 197—1. Цемент, содержащий золу и ВВД, получен в полупромышленных условиях. Исследовано влияние такого цемента на аэрацию раствора и бетона, а также на их физико-механические свойства. На основании проведенных исследований показана возможность получения цементов с ВВД, которые соответствуют требованиям к ВВД для обычных цементов и могут эффективно аэрировать растворную и бетонную смесь.

Ключевые слова: бетон, раствор, цемент с воздухововлекающей добавкой, морозостойкость.

Keywords: concrete, mortar, air entraining cement, frost resistance.

1. Введение

В климатических условиях Польши морозостойкость бетона — одно из важнейших свойств, характеризующих его долговечность. Данные многочисленных литературных источников и обширные исследования доказывают, что бетон, изготовленный из цементов, содержащих большие количества минеральных добавок (доменный шлак и/или кислую золу-унос), несмотря на высокую непроницаемость, может быть неморозостойким [3—9]. Согласно рекомендациям Американского института бетона [10], можно обеспечить морозостойкость такого бетона, однако для этого необходима правильная аэрация бетонной смеси. Эта проблема рассматривается в Европейском стандарте EN 206-1:2003 «Бетон — Ч. 1: Спецификация, характеристики, производство и соответствие», который рекомендует аэрировать бетонную смесь для класса экспозиции XF, т. е. в случае воздействия циклов замораживания/оттаивания. Надлежащей аэрации бетона на основе цемента с высоким содержанием минеральных добавок сложно добиться, и этот процесс требует соответствующего количества воздухововлекающей добавки (ВВД), которое зависит от вида и содержания минеральной добавки в цементе [1—3, 5, 10].

Американские стандарты ASTM C150 (для портландцемента [11]) и ASTM C595 (для цементов с добавками [12]) предусматривают применение ВВД, смешиваемых с цементами, в технологии аэрированного бетона.

Изучение морозостойкости бетона на основе цемента с минеральными добавками включено в исследовательский проект «Инновационные цементы с воздухововлекающими добавками в составе бетона», реализованный при содействии Польского национального научно-исследовательского центра. Общая цель проекта заключалась в разработке инновационного производства цементов с ВВД, которые могут надлежащим образом аэрировать бетон: это обычные портландцементы и цементы, содержащие минеральные добавки в больших количествах. Основная задача состояла в правильном выборе типа и количества ВВД, обеспечивающих требуемое воздухововлечение и высокую степень морозостойкости бетона. В результате выполнения проекта разработаны рекомендации и условия применения ВВД в технологии бетона с заданными характерис­тиками воздушных пор.

В статье приведены результаты испытаний свойств цемента с ВВД, обеспечивающего содержание вовлеченного воздуха в бетоне на уровне 4—6 %, и полученного на его основе бетона. Кроме того, представлены такие характеристики бетона, как морозостойкость и размер содержащихся в нем воздушных пор.

2. Методы и образцы

Предметом исследования был портланд­цемент CEM II/B-V с добавкой кислой золы-уноса и ВВД. Программа работ включала в себя решение двух задач:

1) добиться соответствия свойств цементов стандарту EN 197—1;

2) обеспечить необходимые свойства бетона, изготовленного из исследуемого цемента.

Для последнего определялись следующие характеристики:

• водопотребность, время схватывания и равномерность изменения объема по EN 196—3+A1:2009;

• консистенция по EN 1015—3:2000;

• прочность при сжатии по PN-EN 196—1:2006;

• теплота гидратации полуадиабатическим методом по PN-EN 196-9:2010;

• содержание воздуха в растворе по EN 1015—7:1999.

Были определены следующие свойства бетона, изготовленного из исследуемого цемента:

• содержание воздуха в бетонной смеси по EN 12350:2011;

• характеристики воздушных пор в затвердевшем бетоне по EN 480—11:2008;

• прочность при сжатии по EN 12390—3:2011;

• морозостойкость по PN-88/B-06250.

Цемент получали путем смешивания компонентов: портландцемента CEM I 52.5R — 67 %; золы — 33 %; ВВД — в количестве, обеспечивающем объемное содержание вовлеченного воздуха в бетонной смеси на уровне 4—6 об. % (содержание ВВД подбирали исходя из результатов предварительных измерений содержания воздуха в растворных смесях). Контрольный цемент имел то же соотношение компонентов, но не содержал ВВД.

3. Результаты и обсуждение

3.1. Свойства цементов

Результаты испытаний цементов и растворов приведены в табл. 1.

Цемент с ВВД имеет более низкую водопотребность для получения теста нормальной гус­тоты. Отметим, что ВВД обеспечивает очень хорошую консистенцию раствора; при этом никаких проблем с равномерностью изменения объема у испытанных цементов не возникло.

Цемент с ВВД имел более низкую (примерно на 25 %) раннюю и 28-суточную проч­ность при сжатии по сравнению с контрольным CEM II/B-V. Согласно классификации EN 197— 1:2012, цемент с ВВД имеет на одну ступень более низкий класс прочности при сжатии, чем контрольный цемент.

3.2. Свойства бетона

Бетонные смеси были произведены с использованием портландцементов CEM II/B-V (с ВВД) и контрольного (без ВВД). Их состав соответствовал стандартному бетону по EN 480—1 [13] и EN 934 [14]. Соотношение компонентов бетонных смесей (табл. 2) определено экспериментально, при постоянном значении В/Ц = 0,45 и консистенции V2.

Образцы бетона в виде кубов с длиной реб­ра 150 мм были изготовлены в соответствии со стандартом EN 480—1. Данные о прочности при сжатии бетона в возрасте 7 и 28 сут и о морозостойкости, определявшейся по снижению проч­ности и потере массы после 75 циклов замораживания и оттаивания, приведены в табл. 3.

Микроструктуру воздушных пор исследовали в соответствии со стандартом EN 480—11 при помощи микроскопа с цифровым анализом изображения [13, 14]. Образцы бетона после определения морозостойкости служили объектами для исследования характеристик пор (табл. 4). На рис. 1 показаны результаты цифрового анализа изображений отшлифованных образцов. Распределение воздушных пор по размерам показано на рис. 2.

Рис. 1. Результаты цифрового анализа изображений отшлифованных образцов бетона на основе контрольного цемента (а) и цемента с ВВД (б)

Рис. 2. Распределение воздушных пор по размерам в затвердевшем бетоне из контрольного цемента (а) и цемента с ВВД (б)

Согласно данным табл. 4, общее содержание воздуха (4,86 %) в образце бетона с ВВД соответствовало стандартным требованиям для затвердевшего бетона [15]. На рис. 2 видно, что по сравнению с распределением воздушных пузырей в образце бетона без ВВД их распределение в образце с ВВД значительно лучше: в нем существенно больше доля воздуха в мелких пузырьках (размером менее 300 мкм) и пузырьки более равномерно распределены в матрице раствора. Согласно данным табл. 4, в этом образце доля воздуха в пузырьках диаметром менее 300 мкм (A300) равна 2,67 %, что значительно больше требуемого значения (1,8 %) для бетона высшего класса среды эксплуатации при действии замораживания—оттаивания XF4 [16]. Пространственный фактор L также соответствовал требованиям стандарта (менее 0,2 мм). Эти параметры очень важны для проектирования и производства морозостойкого бетона.

Результаты, приведенные в табл. 3, свидетельствуют о снижении прочности при сжатии бетона с ВВД. Влияние ВВД на механическую прочность бетона должно учитываться при проектировании бетонных конструкций.

4. Выводы

Представленные и обсужденные в статье свойства цемента с ВВД позволяют заключить, что эти цементы отвечают требованиям EN 197—1 и в то же время проявляют особые свойства, относящиеся к вовлечению воздуха в бетонную смесь. Введение ВВД в цемент приводит к снижению его класса прочности при сжатии на одну ступень.

Согласно результатам, полученным в данной работе, цемент с ВВД позволяет получить заданное содержание вовлеченного воздуха в бетонной смеси, обеспечить требуемые размеры пор и параметры распределения воздуха по порам различных размеров, что необходимо для производства морозостойкого бетона.

Благодарность

Данная работа выполнена в рамках исследовательского проекта № PBS1/A2/4/2012 «Инновационные цементы с вовлеченным воздухом в бетоне», реализованного при содействии Польского национального научно-исследовательского центра.

ЛИТЕРАТУРА

1. Neville A. Właściwości betonu / V edycja. Kraków: Wydawnictwo Polski Cement, 2012.931 s.

2. Rusin Z. Technologia betonów mrozoodpornych. Kraków: Wydawnictwo Polski Cement, 2002. 182 s.

3. Glinicki M.A. Trwałość betonu w nawierzchniach drogowych. Wpływ mikrostruktury, projektowanie materiałowe, diagnostyka. Warszawa: Wydawnictwo Instytutu Badawczego Dróg i Mostów, 2011. 286 s.

4. Kjellsen K., Atlassi E. Pore structure of cement silica fume system — Presence of hollow-shell pores // Cement and Concrete Res. 1999. Vol. 29. P. 133—142.

5. Chłądzyński S., Garbacik A. Cementy wieloskładnikowe w budownictwie. Stowarzyszenie Producentów Cementu: Kraków, 2008. 125 s.

6. Jasiczak J., Mikołajczyk P. Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami. Przegląd tendencji krajowych i zagranicz­nych. Poznań: Politechnika Poznańska, 1997.

7. Persson B. Internal frost resistance and salt frost scaling of self-compacting concrete // Cement and Concrete Res. 2003. Vol. 33. P. 373—379.

8. Wawrzeńczyk J. Diagnostyka mrozoodporności betonu cementowego. Kielce: Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej w Kielcach, 2002.

9. Giergiczny Z. Popiół lotny w składzie cementu i betonu. Gliwice: Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, 2013. 189 s.

10. Guide to durable concrete. Reported by ACI Committee 201 // ACI Journal. 1979. Vol. 74, N 12. P. 573—582.

11. ASTM C 150–04 Standard Specification for Portland Cement.

12. ASTM C 595–03 Standard Specification for Blended Hydraulic Cements.

13. EN 480–11:2008 Admixtures for concrete, mortar and grout. Test methods. Determination of air void characteristics in hardened concrete.

14. Jakobsen U.H., Pade C., Thaulow N., Brown D., et al. Automated air void analysis of hardened concrete — a Round Robin study // Cement and Concrete Res. 2006. Vol. 36. P. 1444—1452.

15. Danish standard DS2426 Concrete — Materials — Rules for application of EN 206–1 in Denmark.

16. Beton-Teil 1: Festlegung, Herstellung, Verwendung und Konformitätsnachweis (Regeln zur Umsetzung der ÖNORM EN 206—1).