Введение

В условиях непрерывного развития индустрии строительства особое значение приобретает разработка эффективных, ресурсосберегающих и энергоэффективных строительных материалов. Одним из перспективных направлений в данной области является производство лёгких бетонов, обладающих высокими механическими свойствами и высокой прочностью, что допускает их применения в различных видах строительства.

Легкий бетон — это смесь на цементном вяжущем, состоящая из легких крупнозернистых заполнителей, с показателем средней плотности от 200 кг/м ³ до 2000 кг/м ³ , широко используемая в промышленном, гидротехническом и дорожном строительстве. По назначению он подразделяется на теплоизоляционные, конструкционно-теплоизоляционные, конструкционные бетоны [1].

Важную роль при производстве любого строительного материала играет правильный и рациональный подбор состава легкого бетона, а также сырьевые компоненты. С целью улучшения физико-химических свойств и снижения себестоимости в данной статье рассматривается использование микрокремнезёма, являющегося отходом производства кремнийсодержащих сплавов, отличающегося своей ультрадисперсностью и состоящего из оксидов кремния, алюминия, железа, кальция, магния и калия [2]. Микрокремнезём также обладает высокими эксплуатационными свойствами и ничем не уступает традиционным заполнителям, таким как керамзит, аглопорит, вулканический туф.

В данной работе всесторонне изучены свойства и структура микрокремнезёма, а также подробно рассмотрены процессы лабораторных испытаний, включая определение насыпной плотности, дробимости заполнителей и проверка прочности конечного бетона.

Цель статьи

Цель данного исследования — определение оптимальных технологических параметров, обеспечивающих требуемые эксплуатационные характеристики материала.

Основные задачи работы

1. Определить оптимальное соотношение сырьевых компонентов смеси;
2. Провести испытания гранул на прочность с последующим установлением их марки;
3. Выполнить расчёт состава бетонной смеси;
4. Получить бетон с требуемыми прочностными характеристиками и провести его испытания на прочность.

Процесс научного исследования

На начальном этапе исследования были изучены физические характеристики используемого сырья. В частности, определена насыпная плотность микрокремнезёмного порошка, которая составила 316 кг/м³. Данный показатель свидетельствует о высокой дисперсности микрокремнезёма и его пригодности для применения в составах лёгкого бетона. Насыпная плотность глины составляет 1500 кг/м ³ .

Рис. 1. Микрокремнезем

Рис. 2. Глина

Рис. 3. Сырье в порошкообразном состоянии

Для проведения экспериментальных исследований были разработаны три состава с различным соотношением микрокремнезёма и глины. В первом составе соотношение компонентов составило 65:35, использовано 325 г микрокремнезёма, 175 г глины и 250 мл воды. Второй состав включал 375 г микрокремнезёма, 125 г глины и 125 мл воды. В третьем составе доля микрокремнезёма была увеличена и составила 425 г микрокремнезёма, 75 г глины и 100 мл воды.

Рис. 4. Процесс подготовки экспериментальной смеси и формирование гранул

Разработанные составы были высушены как при комнатной температуре, так и в сушильном шкафу при температуре (105 ± 10) °C в течение 1,5 ч.

Рис. 5. Затвердевание гранул в естественном состоянии

Рис. 6. Сушка образцов в сушильной камере при температуре (105±10)°C, время — 1,5 ч.

После этого гранулы подвергались обжигу при температурах 950 и 1000 °C с выдержкой 1 ч.

Рис. 7. Обжиг гранул в печи при температурах 950, 1000 °C, время выдержки 1 ч.

По завершении обжига были определены такие показатели, как насыпная плотность гранул и прочность заполнителей для лёгкого бетона.

Рис. 8. Определение насыпной плотности гранул

Было проведено испытание дробимости гранул трёх образцов заполнителей в соответствии с требованиями ГОСТ 8269.0–97. Дробимость определяли с точностью по формуле (1). [3]

(1)

где Д _{р —} дробимость, %;

m — масса испытываемой пробы, г;

m _{1 —} масса остатка на контрольном сите после просеивания разробленной в цилиндре пробы.

В результате испытаний, согласно данным, представленным в таблице 1 [3. c. 3], была определена марка дробимости щебня — 400 [3], при этом потеря массы при испытании составила 20,9 %. Процесс испытаний представлен на рис. 9. и 10.

Таблица 1

Процесс испытаний представлен на рис. 9.

Рис. 9. Определение марки гранул при дроблении

Итоговые результаты и физические характеристики исследуемых образцов представлены в таблице 2.

Таблица 2

Расчет состава легкого бетона с применением легкого заполнителя на основе микрокремнезема

Для расчета состава легкого бетона необходимо выбрать легкий заполнитель, составы и свойства которых приведены в таблице 2. Для изготовления легкого бетона в качестве крупного заполнителя принимаем обжиговый легкий заполнитель. Состав легкого заполнителя включает: микрокремнезем — 75–80 %, глина — 25–30 %. Насыпная плотность легкого заполнителя 716 кг/м ³ , прочность при раздавливании в цилиндре 1,2 МПа. В качестве мелкого заполнителя используем смесь строительного песка и легкого заполнителя, прошедшего через сито 2,5 мм. Соотношение в смеси строительного песка и песка на основе микрокремнезема 3:1.

Исходные данные для расчета состава бетона:

– плотность бетона 1700 кг/м ³ ;

– мелкий заполнитель с насыпной плотностью 1180 кг/м ³ ;

– наибольшая крупность зерен заполнителя 20–25 мм;

Расчет состава бетона проводили по методике, приведенной в литературе [4].

По приложению принимаем расход цемента 370 кг на м ³ легкого бетона.

1. Определяем расход цемента по формуле 2:

Ц = Р _ц ∙k ₁ ∙k ₂ (2)

где Р _ц — расход цемента, кг/м ³ ; k ₁ — поправочный коэффициент, принимается в зависимости от плотности заполнителя (k ₁ =0,9); k ₂ – поправочный коэффициент, принимается в зависимости от марки цемента (k ₂ = 1).

Ц = 370∙0,9∙1= 333 кг

2. Определяем расход воды.

Расход воды определяем по данным, приведенным в приложении (для бетона с подвижностью 3…5 см и марки 200 расход воды 225 л/м ³ ).

В/Ц = = 0,67 (3)

3. Определяем суммарный расход крупного и мелкого заполнителя на 1 м ³ легкого бетона:

З = ρ _{л.б. —} 1,15Ц (4)

где, ρ _л.б. — плотность легкого бетона, кг/м ³ ; Ц — расход цемента, кг/м ³ ; 1,15 — коэффициент, учитывающий, что в реакцию с цементом вступает 15 % воды.

З = 1700–1,15∙333 = 1700–383 = 1317 кг

4. Определяем расход кварцевого песка:

(5)

где, ρ _{н.п. —} насыпная плотность песка, кг/м ³ ; ρ _{н.з. —} насыпная плотность заполнителя, кг/м ³ ; r — доля песка в общем расходе заполнителей, принимается по данным, приведенным в приложении (r = 0,5).

= 819,7 кг

Объем песка определяем:

V _п . = = 0,69 м ³ .

5. Определяем расход легкого заполнителя:

З _л. = 1317–819,7 = 497,3 кг

Объем легкого заполнителя определяем:

V _л.з. = = 0,69 м ³

Расход легкого заполнителя не должен превышать 0,9 м ³ на 1 м ³ бетона, а суммарный объем заполнителей не должен превышать 1,4 м ³ (для керамзитового бетона с максимальной средней плотностью 1800 кг/м ³ , при ρ _н.з = 400…800 кг/м ³ и расходе цемента 250…400 кг/м ³ ).

Таким образом:

V _л.з. = 0,69 м ³ ˂ 0,9 м ³ ; V _л.з. + V _п. = 0,69 +0,69 = 1,38 м ³ ˂1,4 м ³ .

Расчет состава легкого бетона выполнен в соответствии с нормативными требованиями. Таким образом, для получения 1 м3 легкого бетона требуется:

– портландцемент — 333 кг;

– микрокремнеземистый заполнитель — 497,3 кг;

– мелкий заполнитель (песок + микрокремнезём) — 819,7 кг;

– вода — 230 л;

Плотность бетонной смеси

ρ _б.см. = 333 + 497,3 + 819,7 + 225 = 1875 кг/м ³

Изготовление образцов легкого бетона в лабораторных условиях

Образцы легкого бетона готовились на основе выполненного расчета состава на 1 м ³ бетона, в виде кубиков стандартных размеров 10х10х10 см, объемом 1000 см ³ . Для подготовки бетонной смеси на такой объем был выполнен перерасчет сырьевых компонентов. Расход сырьевых материалов на изготовление одного образца-куба с песком составил: цемент — 333 г, песок — 819,7 г, легкий заполнитель — 497,3 г и вода 225 мл. После взвешивания сырьевые материалы перемешивались в сухом виде в течении 1,5…2 мин., затем добавляли воду и снова перемешивали до получения однородной смеси. Полученную смесь укладывали в предварительно смазанные маслом металлические формы и подвергали вибрированию на лабораторном вибростоле в течение 5–10 сек. Образцы бетона выдерживали в металлической форме в течении 10…12 часов, затем освобождали из форм. Дальнейшее твердение изделий осуществлялось при комнатной температуре в течении 7…28 суток, затем определяли среднюю плотность и прочность бетона. На рис. 11. представлены образцы-кубы легкого бетона после 28 суточного твердения.

Рис. 10. Приготовление бетонной смеси

Рис. 11. Кубики-образцы для проверки прочности

Рис. 12. Взвешивание и определение плотности легкого бетона

Рис. 13. Определение прочности бетона при гидравлическом прессе

Таким образом, как продемонстрировано на рис. 13, были достигнуты требуемые показатели прочности бетона. В результате испытаний установлено, что прочность образцов на сжатие в возрасте 28 суток составила 200 кгс/см², что свидетельствует о хорошем наборе прочности. При этом на 7-е сутки бетон достиг прочности 138,97 кгс/см², что подтверждает интенсивный ранний набор прочности и соответствие исследуемого состава предъявляемым требованиям.

Заключение

В ходе проведённого исследования поставленные цели были полностью достигнуты. Основной целью работы являлась разработка составов лёгкого бетона и технологических параметров его приготовления с использованием кремнеземсодержащего сырья, а также определение оптимальных условий, обеспечивающих требуемые эксплуатационные характеристики материала.

В рамках исследования были успешно решены все поставленные задачи: определено оптимальное соотношение сырьевых компонентов смеси, проведены испытания гранул на прочность с установлением их марки, выполнен расчёт состава бетонной смеси, а также получен лёгкий бетон с заданными прочностными характеристиками и проведены его испытания.

Результаты экспериментальных исследований показали, что разработанный состав обеспечивает необходимый уровень прочности: при испытании в возрасте 28 суток прочность бетона составила 200 кгс/см², а на 7-е сутки — 138,97 кгс/см², что свидетельствует о хорошем наборе прочности и соответствии предъявляемым требованиям.

Кроме того, установлена целесообразность использования микрокремнезёма в составе лёгкого бетона, так как его введение способствует улучшению структуры материала, повышению прочности и долговечности за счёт уплотнения цементного камня и протекания пуццолановых реакций.

Полученные результаты подтверждают эффективность разработанных составов и технологических решений и обосновывают возможность их практического применения при производстве лёгких бетонов с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Литература:

1. ГОСТ 25820— 2021. Бетоны легкие. Технические условия, 2021.

2. Кахаров З. В., Исломов А. С., Применение микрокремнезёма на бетонных производствах. — Статья, 2023.

3. ГОСТ 8269.0–97. Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ,.

4. ГОСТ 27006–2019, Бетоны. Правила подбора состава, 2019.