The impact of the amount of sand in the aggregate mixture on the properties of self-compacting concrete mixtures

Full Text

Введение

Проблема повышения качества строительных материалов и конструкций, а также внедрения в строительный комплекс ресурсо- и энергосберегающих технологий является актуальной в современном строительстве. Так, в последние годы в современном монолитном строительстве находят широкое применение самоуплотняющиеся бетоны. Обладая повышенной удобоукладываемостью и текучестью, самоуплотняющиеся бетонные смеси способны растекаться под действием собственного веса и заполнять густоармированные конструкции без каких-либо внешних механических воздействий. Использование данных бетонных смесей позволяет существенно сократить трудо- и энергозатраты на укладку бетонных смесей, повысить производительность бетонирования железобетонных конструкций и ускорить темпы строительства.

К преимуществам самоуплотняющихся бетонов также относят:

• высокое качество поверхности изготавливаемых конструкций после их распалубки;
• улучшение сцепления бетона с арматурой и контактной зоны цементного камня с заполнителем;
• снижение проницаемости бетонов и повышение их долговечности.

Однако самоуплотняющиеся бетонные смеси отличаются от других видов бетонных смесей особыми требованиями к подбору состава бетона, повышенным расходом цемента и высокой стоимостью бетонных смесей [1–3].

Основные идеи исследования

Концепция самоуплотняющихся бетонов была впервые разработана в Японии в 1988 году учёными Токийского университета H. Okamura, K. Ozawa, M. Ouchi. Согласно данной концепции, большое влияние на подвижность бетонной смеси оказывает расход крупного заполнителя, который повышает трение между её составляющими и увеличивает сопротивление текучести. В связи с этим для достижения самоуплотняемости бетонных смесей требуется уменьшение расхода крупного заполнителя с соответствующим увеличением количества песка и растворной части. Так, содержание крупного заполнителя в бетонной смеси должно составлять 50 % от объёма твердых частиц, а расход песка должен равняться 40 % от объёма раствора. При этом высокая удобоукладываемость бетонной смеси может быть достигнута только при использовании эффективных суперпластификаторов, обеспечивающих снижение отношения объёма воды к объёму тонкодисперсных компонентов до 0,9…1,0 [2–6].

На данный момент наибольшей эффективностью среди пластифицирующих добавок в цементных системах обладают суперпластификаторы на основе поликарбоксилатных эфиров, позволяющие снижать водопотребность бетонных смесей до 40 %.

Поликарбоксилатные суперпластификаторы нашли распространение в нашей стране относительно недавно. В отличие от суперпластификаторов на основе нафталиновых и меламиновых сульфонатов, поликарбоксилатные суперпластификаторы характеризуются пространственным строением молекул с разветвленными боковыми цепями, что способствует более эффективной диспергации цементных флокул за счет стерического эффекта. Данные суперпластификаторы имеют значительную водоредуцирующую и пластифицирующую способность и обеспечивают получение высокоподвижных и самоуплотняющихся бетонных смесей с высокой сохраняемостью реологических свойств [7–9].

Однако применение суперпластификаторов не обеспечивает достаточной раздвижки зёрен заполнителей, при которой самоуплотняющаяся бетонная смесь будет стойкой к расслоению. Высокая вязкость и стойкость самоуплотняющихся бетонных смесей к расслоению чаще всего достигаются за счет увеличения расхода вяжущих материалов, что приводит к удорожанию бетонных смесей, а также к повышенной экзотермии и усадке бетонов. Для снижения расхода цемента в составе самоуплотняющихся бетонных смесей целесообразно применять тонкодисперсные минеральные наполнители. В качестве минеральных добавок обычно используются побочные продукты промышленности, такие как зола-унос, доменный гранулированный шлак, микрокремнезём, а также некоторые тонкоизмельченные горные породы, например известняковый порошок [10–12].

Одной из основных задач подбора рациональных составов бетонных смесей является определение соотношения компонентов, обеспечивающего минимальный расход цемента при достижении требуемых физико-механических и эксплуатационных характеристик бетонов.

Для получения высокоподвижных самоуплотняющихся бетонных смесей важно учитывать, чтобы объём цементного теста превышал объём пустот между зёрнами заполнителей для обеспечения необходимой раздвижки зёрен и снижения трения между ними. С целью минимизации расхода цементного теста и достижения наибольшей удобоукладываемости самоуплотняющейся бетонной смеси требуется, чтобы гранулометрический состав заполнителей обеспечивал их максимальную плотность упаковки как самых дешёвых компонентов бетонной смеси. В таком случае пустоты между зёрнами заполнителей будут заполняться портландцементом и тонкодисперсными добавками, а вода станет играть роль смазки между твердыми компонентами бетонной смеси. Самоуплотняющиеся бетонные смеси, разработанные по методу плотной упаковки заполнителей, отличаются высокой удобоукладываемостью и экономичностью [13–17].

Целью исследования являлось определение наиболее эффективного соотношения мелкого и крупного заполнителей в составе самоуплотняющихся бетонных смесей, при котором достигаются минимальная пустотность заполнителей, наилучшая удобоукладываемость бетонных смесей и наибольшая прочность бетонов.

Материалы и методы исследования

Для приготовления самоуплотняющихся бетонных смесей в качестве вяжущего применялся портландцемент ЦЕМ I 52,5H производства ООО «Аккерманн цемент» (г. Новотроицк). Клинкер данного цемента имел следующий минералогический состав: C₃S – 62,1 %; C₂S – 15,8 %; C₃A – 5,0 %; C₄AF – 13,2 %. В качестве пластифицирующей добавки использовался суперпластификатор на основе поликарбоксилатных эфиров Sika ViscoCrete 25 HE-C в виде водного раствора плотностью 1,08 г/см³. В качестве крупного заполнителя применялся щебень из плотных горных пород фракции 5-20 мм с маркой по дробимости 1400, истинной плотностью 3,0 г/см³, насыпной плотностью 1,56 г/см³, пустотностью 48 %. В качестве мелкого заполнителя использовался природный кварцевый песок с модулем крупности 1,9, истинной плотностью 2,65 г/см³, насыпной плотностью 1,51 г/см³, пустотностью 43 %. Гранулометрический состав заполнителей показан в таблице 1.

 

Таблица 1. Гранулометрический состав заполнителей

Table 1. Granulometric composition of aggregate mixture

Показатель	Щебень	Песок
Частные остатки на ситах, %:
20 мм	2,1	–
10 мм	58,7	–
5 мм	35,3	–
2,5 мм	3,8	1,2
1,25 мм	1,1	2,7
0,63 мм	–	20,4
0,315 мм	–	40,4
0,16 мм	–	32,1
< 0,16 мм	–	3,2

 

Составы самоуплотняющихся бетонных смесей подбирались из условия получения смесей с маркой по удобоукладываемости РК2 (расплыв стандартного конуса 66…75 см) с учетом требований ГОСТ Р 59714-2021 [18]. Удобоукладываемость бетонных смесей определялась по расплыву конуса в соответствии с ГОСТ Р 59715-2022. По времени расплыва бетонных смесей до диаметра 500 мм характеризовалась вязкость самоуплотняющихся бетонных смесей. Расслаиваемость самоуплотняющихся бетонных смесей оценивалась по визуальным индексам стабильности смесей VSI в соответствии с приложением А ГОСТ Р 59715-2022.

Из бетонных смесей изготавливались образцы-кубы размером 100×100×100 мм. В возрасте 28 суток твердения в нормальных условиях образцы подвергались механическим испытаниям. Прочность образцов определялась в соответствии с ГОСТ 10180-2012, плотность – по ГОСТ 12730.1-2020, водопоглощение – по ГОСТ 12730.3-2020.

Результаты исследования

С целью минимизации расхода цемента в составе самоуплотняющихся бетонных смесей на первом этапе определялось наиболее рациональное соотношение мелкого и крупного заполнителей из условия достижения их минимальной пустотности. Соотношение песка и щебня в смеси заполнителей варьировалось в диапазоне от 30:70 до 60:40 массовых %.

Пустотность смеси заполнителей  определялась по формуле

$V_{п}=\left(1-\frac{{\rho }_{н}}{{\rho }_{и}}\right)\cdot \mathrm{100,}$

где

${\rho }_{н}$ – насыпная плотность смеси заполнителей, г/см³;

${\rho }_{и}$ – истинная плотность смеси заполнителей, г/см³.

Насыпная плотность смеси заполнителей определялась как отношение массы заполнителей к их объему в стандартном неуплотнённом состоянии. Истинная плотность смеси заполнителей определялась расчетным путем с учетом значений истинной плотности песка 2,65 г/см³ и щебня 3,0 г/см³ и их долей в смеси заполнителей.

Результаты определения пустотности смеси заполнителей в зависимости от содержания песка и щебня показаны в таблице 2 и на рисунке 1.

 

Таблица 2. Пустотность смеси заполнителей в зависимости от содержания песка и щебня

Table 2. Voidness in aggregate mixture depending on the content of sand and crushed rock

Доля песка	Доля щебня	Насыпная плотность, г/см3	Истинная плотность, г/см3	Пустотность, %
0,30	0,70	1,954	2,895	32,5
0,35	0,65	1,995	2,878	30,7
0,40	0,60	2,005	2,860	29,9
0,45	0,55	2,000	2,843	29,7
0,50	0,50	1,974	2,825	30,1
0,55	0,45	1,936	2808	31,0
0,60	0,40	1,897	2,790	32,0

 

Рис. 1. Пустотность смеси заполнителей в зависимости от содержания песка и щебня

Fig. 1. Voidness in aggregate mixture depending on the content of sand and crushed rock

 

По результатам исследования установлено, что для применяемых заполнителей (песок с модулем крупности 1,9 и щебень фракции 5-20 мм) максимальная плотность упаковки и минимальная пустотность смеси заполнителей достигаются при массовой доле песка r = П/(П+Щ) = = 0,45. При этом минимальный объём пустот смеси заполнителей составляет V_пуст = 297 л/м³. При изменении доли песка до значений r = 0,40 и r = 0,50 наблюдается увеличение пустотности заполнителей на 0,7 и 1,6 % соответственно. Повышение пустотности заполнителей будет приводить к перерасходу цементного теста в составе самоуплотняющихся бетонных смесей и увеличению их стоимости.

На следующем этапе исследовано влияние доли песка в наиболее рациональном диапазоне 0,4…0,5 на удобоукладываемость самоуплотняющихся бетонных смесей и физико-механические свойства бетонов.

Составы самоуплотняющихся бетонных смесей подбирались с учетом требований ГОСТ Р 59714-2021. Расход вяжущего составлял 550 кг/м³. Дозировка суперпластификатора была принята на основании ранее проведенных исследований и составляла 1 % от массы вяжущего [19, 20]. Расход воды был принят 170 кг/м³ из условия получения самоуплотняющихся бетонных смесей с маркой по удобоукладываемости РК2 (расплыв нормального конуса 66…75 см).

Общий объём цементного теста в составе бетонных смесей составлял 350 л/м³. Данного объёма цементного теста достаточно для заполнения пустот между зёрнами заполнителей (V_пуст = 297 л/м³), а также для формирования необходимой прослойки цементного теста на их поверхности, повышающей способность бетонной смеси к самоуплотнению. Снижение объема цементного теста менее 350 л/м³ приведет к уменьшению раздвижки зерен заполнителей и увеличению трения между ними. При этом подвижность системы будет недостаточной для получения самоуплотняющихся бетонных смесей.

Исследуемые составы самоуплотняющихся бетонных смесей приведены в таблице 3. Соотношение песка и щебня в бетонных смесях варьировалось в диапазоне от 40:60 до 50:50 массовых %.

 

Таблица 3. Составы бетонных смесей с различным соотношением песка и щебня

Table 3. Composition of concrete mixtures with different ratios of sand and crushed rock

Доля песка	Состав бетонной смеси, кг/м3					В/Ц
	Ц	П	Щ	В	ПКЭ
0,40	550	736	1104	170	5,5	0,31
0,45		828	1012
0,50		920	920

 

Результаты определения технологических свойств самоуплотняющихся бетонных смесей и физико-механических характеристик бетонов с различным соотношением заполнителей показаны в таблице 4 и на рисунке 2.

 

Таблица 4. Свойства самоуплотняющихся бетонных смесей и бетонов с различным соотношением заполнителей

Table 4. Properties of self-compacting concrete mixtures and concretes with different aggregate ratios

Доля песка	Свойства бетонных смесей			Свойства бетонов
	Расплыв конуса, мм	Вязкость t500, с	Индекс стабильности VSI	Прочность, МПа	Плотность, кг/м3	Капиллярная пористость, %
0,40	725	7,9	2	74,1	2515	9,6
0,45	730	8,1	1	74,9	2495	9,2
0,50	680	9,2	1	70,0	2463	9,1

 

Рис. 2. Свойства самоуплотняющихся бетонных смесей и бетонов с различным соотношением заполнителей: а – расплыв бетонных смесей; б – вязкость бетонных смесей; в – прочность бетонов; г – капиллярная пористость бетонов

Fig. 2. Properties of self–compacting concrete mixtures and concretes with different aggregate ratios: a – spreading of concrete mixtures; b – viscosity of concrete mixtures; c – strength of concrete; d – capillary porosity of concrete

 

По результатам определения удобоукладываемости бетонных смесей установлено, что полученные смеси обладают высокой текучестью с расплывом конуса 680…730 мм, соответствующей марке РК2 и не требующей виброуплотнения бетонных смесей. Наилучшая удобоукладываемость бетонных смесей наблюдается при доле песка 0,45 (см. рис. 2а), что согласуется с результатами определения минимальной пустотности смеси заполнителей.

Уменьшение доли песка до значения 0,40, несмотря на снижение удельной поверхности и водопотребности заполнителей, не приводит к повышению подвижности бетонных смесей. Это связано с уменьшением объёма растворной составляющей бетонной смеси, снижением раздвижки зёрен щебня и увеличением трения между ними. При этом уменьшение количества песчаной фракции приводит к снижению стабильности бетонных смесей, появлению признаков их расслоения и водоотделения (VSI = 2, табл. 4).

При увеличении доли песка до значения 0,50 наблюдается повышение стабильности бетонных смесей, однако вместе с тем происходит резкое увеличение вязкости бетонных смесей на 14 % (см. рис. 2б) и снижение их удобоукладываемости на 7 %. Это связано с увеличением удельной поверхности заполнителей и снижением толщины прослойки цементного геля между ними.

По результатам определения физико-механических свойств самоуплотняющихся бетонов установлено, что наибольшая прочность бетонов в возрасте 28 суток также достигается при доле песка 0,45 (см. рис. 2в). Уменьшение доли песка до значения 0,40 приводит лишь к незначительному снижению прочности бетонов на 1 %. Также по результатам определения объёмного водопоглощения бетонов установлено, что снижение доли песка приводит к ухудшению структуры самоуплотняющихся бетонов и повышению их капиллярной пористости на 4 % (см. рис. 2г). Увеличение доли песка с 0,45 до 0,50 позволяет снизить капиллярную пористость бетонов на 1 %, в то же время вместе с этим наблюдается уменьшение прочности бетонов на 7 %.

На основе анализа полученных результатов можно сделать следующие выводы:

1. Установлены закономерности влияния доли песка в смеси заполнителей на свойства самоуплотняющихся бетонных смесей и бетонов.
2. Выявлено, что наиболее эффективным соотношением мелкого и крупного заполнителей в составе самоуплотняющихся бетонных смесей (при использовании песка с модулем крупности 1,9 и щебня фракции 5-20 мм), при котором достигаются минимальная пустотность заполнителей, наилучшая удобоукладываемость бетонных смесей и наибольшая прочность бетонов, является соотношение r = 0,45.
3. Уменьшение количества песка приводит к появлению признаков расслоения и водоотделения самоуплотняющихся бетонных смесей, ухудшению структуры, снижению прочности бетонов и повышению их капиллярной пористости.
4. Увеличение доли песка позволяет повысить стабильность, увеличить вязкость самоуплотняющихся бетонных смесей при снижении их удобоукладываемости, что приводит к уменьшению капиллярной пористости бетонов, но снижает их прочность.

About the authors

Alexandr O. Smirnov

Volga State University of Technology

Author for correspondence.
Email: SmirnovAO@volgatech.net

Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor of the Department of Construction Technologies and Roads. Research interests – development of modified self-compacting concrete with reduced cement consumption. Author of more than 40 publications.

Russian Federation, Yoshkar-Ola

Lev M. Dobshits

Russian University of Transport (MIIT)

Email: levdobshits@yandex.ru

Doctor of Engineering Sciences, Professor of the Department of Building Materials and Technologies. Research interests – durability of reinforced concrete structures, frost resistance of concrete, special additives. Author of more than 110 publications.

Russian Federation, Moscow

Sergei N. Anisimov

Volga State University of Technology

Email: AnisimovSN@volgatech.net

Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor of the Department of Construction Technologies and Roads. Research interests – development of modified concretes for winter concrete pouring. Author of more than 70 publications.

Russian Federation, Yoshkar-Ola

Andrei I. Leshkanov

Volga State University of Technology

Email: LeshkanovAI@volgatech.net

Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor of the Department of Construction Technologies and Roads. Research interests – development of complex modified concretes; heat and moisture treatment of plasticized concrete. Author of more than 40 publications.

Russian Federation, Yoshkar-Ola

References

Supplementary files