УДК 691.3

Комплексное модифицирование тяжелого бетона для конструкций тоннелей

Шусев Георгий Александрович – аспирант специальности «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей» Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета

Научный руководитель Ткач Евгения Владимировна – доктор технических наук, профессор Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета

Аннотация: В статье рассмотрено применение послеспиртовой барды и микрокремнезема в качестве добавок к бетону. В отношении любого типа добавок, в частности послеспиртовой барды и микрокремнезема, актуальны вопросы об их влиянии на физико-механические характеристики бетона. Современные исследования в области компонентов природного и техногенного происхождения позволяют по-новому взглянуть на проблемы, связанные с совершенствованием технологии получения высококачественного бетона для конструкций тоннелей.

Ключевые слова: добавки к бетону, послеспиртовая барда, микрокремнезем, пластификатор, модификатор.

Введение

Дорожно-строительные материалы в период эксплуатации в сооружении, в частности в туннелях подвергаются воздействию ударных и статические наг­рузок транспортных средств, а также физико-химических факторов, связанных с колеба­ниями температуры воздуха, инсоляцией, атмосферными осадками, поверхностными и грунтовыми водами и др.

Развитие строительства предъявляет ряд новых требований к строительным материалам, в которых ведущую роль играет тяжелый бетон. Основной задачей в современном строительстве тоннелей является сокращение сроков изготовления бетона и железобетонных изделий и ускорение достижения нормативной прочности бетона [8]. В ряде статей [5, 11] эти проблемы подробно обсуждаются и анализируются существующие решения. Тем не менее, проблема ускорения решения стандартной задачи повышения прочности, долговечности тяжелого бетона и сооружений на его основе является актуальной [2]. Правильно и по назначению используя добавки к бетону, инженеры бетонных заводов могут модифицировать свойства свежего бетона и монолитного бетона тоннельной обделки в соответствии с различными задачами строительной отрасли. При этом качественный и прочный бетон можно производить в различных климатических условиях [6]. По этой причине использование добавок в бетоне важно, и этот метод стал незаменимым для всей технологии бетона [7]. Из-за обилия отечественных и импортных добавок сделать выбор сложно. Производители бетона стремятся снизить расход цемента, снизить энергозатраты при производстве бетона и улучшить его свойства путем модификации при минимизации затрат на добавки при стабильном качестве. Это достаточно сложная задача, которую можно решить, используя в качестве минеральных и химических модификаторов бетона различные отходы и побочные продукты многих производств [12, 4].

Основная часть

Одной из важных задач для достижения функциональности и безопасности тоннелей является его обделка при его строительстве и реконструкции.  Анализ научно-технической литературы показал, что одним из эффективных способов повышения качества бетона является его комплексное модифицирование. Для улучшения удобоукладываемости за счет снижения водоцементного соотношения, сохраняя при этом подвижность смеси рекомендуется вводить в состав в качестве пластификатора отход спиртового производства – послеспиртовую барду – может использоваться в качестве комплексной добавки в количестве 2,5 - 10%. обеспечивая более высокую прочность от 27,9 до 54,8 МПа  при нормальном твердении в возрасте 28сут. Интерес представляет опыт  применения  послеспиртовой  барды в составе комплексной добавки для растворных и бетонных смесей. Она получается путем смешения смеси балластных солей сероочистки кокосового газа на основе тиосульфата и роданида натрия, мелассной упаренной послеспиртовой барды и сульфата натрия. Расход добавки составляет 0,15...0,5% от массы цемента. Применение такой добавки позволяет снизить расход цемента на 5...10%; повысить прочность и морозостойкость бетонов. При этом водопоглощение снижается в 2-4 раза, что свидетельствует об уменьшении пористости цементного камня. Такой показатель достигнут за счет пластифицирующего действия послеспиртовой барды.

Разработка технологии получения бетонов нового поколения заключается в правильном подборе составов и применении комплексных модифицирующих добавок. Для получения высококачественных модифицированных бетонов используются в т.ч. микрокремнезем и метакаолин 3, 9].

В качестве сырья для производства минеральных добавок может эффективно использоваться сырье как природного, так и техногенного происхождения, в частности побочные продукты энергетического производства (зольная пыль и шлаковые отходы); черной и цветной металлургии (формовочные пески, шлаки, вторичные шлаки); отходы производства кристаллического кремния и др. Следует отметить, что некристаллический (аморфный) кремнезем химически более активен, чем кристаллический кремнезем. Кремнезем в аморфной форме производят из природного (перлит, обсидиан, диатомит, кизельгур, нефелин, трепел) и техногенного силикатного сырья, кварцевого песка в основной форме «белой сажи» и пирогенного кремнезема (аэросил).

Наиболее целесообразным, по мнению многих ученых, является использование тройных систем «Суперпластификатор – микрокремнезем – минеральный наполнитель». Взаимодействие гидроксида кальция в цементе с активными минеральными добавками в присутствии воды и пластификатора при обычных температурах приводит к образованию соединений, обладающих вяжущими свойствами. Вид и количество добавок в смеси определяются требованиями к бетону и бетонной смеси [10].

Для получения высококачественных модифицированных бетонов для конструкции тоннелей используются в т.ч. микрокремнезем. Более перспективным с точки зрения ресурсоэффективности является использование модификаторов, содержащих аморфный микрокремнезем, который является более доступным и экологически безопасным отходом ферросплавного производства. Использование микрокремнезема в составе вяжущего позволяет снизить расход цемента в мелкозернистом бетоне.

Микрокремнезем оказывает неоднозначное влияние на скорость гидратации цемента, образование и осаждение кристаллогидратов. Микрокремнезем представляет собой мельчайшие сферические частицы аморфного кремнезема. Средняя удельная поверхность микрокремнезема составляет 20 м2/г, а гранулометрический состав составляет 0,1 мкм, что в 100 раз меньше среднего размера зерен цемента. Добавление микрокремнезема в оптимальных количествах приводит к изменению сроков схватывания.

Добавление 20% микрокремнезема от массы цемента в фибробетоне увеличивает прочность на сжатие при естественном твердении в нормальных условиях в среднем на 60% в сравнении с контрольным. Снижение расхода цемента за счет замены его микрокремнеземом положительно влияет на физико-механические характеристики фибробетона.

Основным недостатком мелкозернистого бетона на многокомпонентном вяжущем является его высокая удельная поверхность, что вызывает повышенный расход цемента и воды, затворения на этапе приготовления смеси и усадку цементного камня при твердении. Именно повышенный расход цемента и воды ухудшает реологические свойства и качество затвердевшего бетона. Эти факторы наряду со свойствами применяемых материалов и параметрами режима твердения оказывают огромное влияние на влажность, карбонизацию и контракционную усадку мелкозернистого бетона, что в конечном итоге влияет на прочностные и эксплуатационные показатели качества бетона. При использовании микрокремнезема в бетонной смеси необходимо учитывать, что из-за высокой дисперсности и аморфной структуры наличие микрокремнезема вызывает увеличение расхода воды, поэтому его следует сочетать с суперпластификатором или в составе комплексной добавки.

Заключение

Большая часть процесса преобразования бетона как строительного материала для конструкции тоннелей приходится на разработку и применение добавок, улучшающих эксплуатационные качества бетона. Разработка технологии получения бетонов нового поколения заключается в правильном подборе составов и применении комплексных модифицирующих добавок. Основным назначением пластифицирующих добавок является улучшение удобоукладываемости и снижение энерго- и трудозатрат на укладку. С другой стороны, использование таких добавок позволяет существенно повысить прочность и долговечность изделия за счет снижения водоцементного соотношения, сохраняя при этом подвижность смеси.

Отход спиртового производства – послеспиртовая барда – может использоваться в качестве комплексной добавки в количестве 2,5 - 10%. Модифицированный бетон при этом обладает технической эффективностью по следующим показателям: прочность на сжатие, водопоглощение и морозостойкость. Добавление барды в состав тяжелого бетона позволяет повысить прочность на 28 сутки твердения на 4,56-39,08 %. Внесение добавки приводит к снижению водопоглощения в 2-4 раза, что свидетельствует об уменьшении пористости. Использование добавки дает более высокий эффект, так как послеспиртовая барда в своей структуре имеет пластифицирующие компоненты, снижающие водопоглощение образцов, тем самым создавая гидрофобную оболочку в структуре бетона, образующую барьер для проникновения воды в бетон. поры. Морозостойкость бетона с данной добавкой по сравнению с обычным бетоном увеличивается в 1,5 раза.

Перспективным с точки зрения ресурсоэффективности является использование модификаторов, содержащих аморфный микрокремнезем, который является более доступным и экологически безопасным отходом ферросплавного производства. Добавление микрокремнезема в оптимальных количествах приводит к изменению сроков схватывания.  Добавление 20% микрокремнезема к массе цемента в фибробетоне увеличивает прочность на сжатие при естественном твердении в нормальных условиях в среднем на 60%. Добавление 20% микрокремнезема в фибробетоне увеличивает прочность на изгиб при 28 сутках твердения на 16,5 МПа. Снижение расхода цемента, за счет замены его микрокремнеземом положительно влияет на физико-механические характеристики фибробетона в конструкции тоннелей.

Список литературы

  1. Алтынбекова А., Лукпанов Р., Дюсембинов. Д., Аскербекова А., Ткач Е. комплексная модифицированная добавка для регулирования времени схватывания цементной смеси // Комплексное использование минерального сырья. 2022, № 325 (2), с. 29-38.
  2. Баранников М.В., Виноградова Л.А., Поляков В.С., Многофункциональная добавка для тяжелых бетонов // Вестник МГСУ, 2022, Том. 17, № 6, с. 720-726.
  3. Ван З., Гао Д., Чжу Х., Чжан Ц., Свойства разрушения высокопрочного бетона, армированного полипропиленовым волокном // Журнал Китайского керамического общества, 2007, № 35, с. 1347-1352.
  4. Гавликова И., Билек В., Тополяр Л., Симонова Х., Шмид П. и Керснер З., Модифицированные растворы на основе цемента: зарождение трещин и изменение объема // Материалы в технологии, 2015, № 49, стр. 557–561.
  5. Гора Дж. и Пиаста В., Влияние механического сопротивления заполнителя на свойства бетона // Тематические исследования строительных материалов, 2020, Том 13, стр. 200-215
  6. К. Юи Ву, Г. Фам и А. Шоньер, Влияние различных климатических условий на устойчивость бетона к естественной карбонизации // Строительство и строительные материалы, 2019, № 216, стр. 450-467.
  7. Нагроцкене Д., Гирскас Г. и Скрипкюнас. Г. Свойства бетона, модифицированного минеральными добавками // Строительство и строительные материалы. 2017, № 35, стр. 37-42.
  8. Нгуги Х.Н., Мутуку Р.Н. и Гарий З.А., Влияние качества песка на сжатие. Прочность бетона: пример округа Найроби и его окрестностей, Кения // Открытый журнал гражданского строительства, 2014, № 04(03), стр. 255-273.
  9. Раза С.С., Куреши Л.А., Али Б., Раза А., Хан М.М., Влияние различных волокон (стальных, стеклянных и углеродных волокон) на механические свойства реактивного порошкового бетона // Конструкционный бетон, 2021, Том 22, стр. 334–346.
  10. Сайед С.Р., Мухаммад Т.А., Марк А., Бабар А., Мирват А., Мохамед Х.О., Ахмед Б.Е., Влияние микрокремнезема на физические характеристики, характеристики растяжения и отклонения от нагрузки высокопроизводительного бетона, армированного микроволокном (HPC) // Практические примеры строительных материалов, 2022, № 17. С 69-74.
  11. Хун Л., Гу С. и Линь Ф., Влияние совокупной шероховатости поверхности на механические свойства поверхности раздела и бетона // Строительство и строительные материалы, 2014, № 65, стр. 338-349.
  12. Цзинцзин Ф., Шухуа Л. и Чжиган В., Влияние ультрамелкой золы на свойства высокопрочного бетона // Журнал термического анализа и калориметрии, 2015, № 121, стр. 1213–1223

Интересная статья? Поделись ей с другими: