Эффективные мелкозернистые карбонатные бетоны

 
 
В. В. Белов, П. В. Куляев 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ЭФФЕКТИВНЫЕ МЕЛКОЗЕРНИСТЫЕ 
КАРБОНАТНЫЕ БЕТОНЫ 
 
Монография 
 
 
 
Под общей редакцией профессора В. В. Белова 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2022 
 
 

УДК 691.3 
ББК 38.5 
Б43 
 
 
Рецензенты: 
член-корреспондент РААСН доктор технических наук, профессор,  
заведующий кафедрой строительства, строительных материалов и конструкций 
Тульского государственного университета Трещев А. А.;  
доктор технических наук, профессор кафедры конструкций и сооружений 
Тверского государственного технического университета Субботин С. Л. 
 
 
Белов, В. В.  
Б43  
Эффективные мелкозернистые карбонатные бетоны : монография / 
В. В. Белов, П. В. Куляев ; под общ. ред. проф. В. В. Белова. – Москва ; 
Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. – 136 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-0885-1 
 
Описаны способы создания эффективного мелкозернистого карбонатного 
бетона с повышенной трещиностойкостью и эффективностью на основе 
отходов дробления карбонатных пород. Описаны математические модели 
зависимостей коэффициента трещиностойкости, предела прочности на сжатие и 
мгновенных деформаций от соотношения наполнителя к цементу, расхода 
суперпластификатора СП-1 и тонкого наполнителя. Показано решение 
проблемы повышенного расхода цемента путем использования отсевов 
дробления известняка, подвергнутых совместному помолу с суперпластификатором.  
Для специалистов строительного профиля, преподавателей вузов, студентов строительных специальностей. 
 
УДК 691.3 
ББК 38.5 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0885-1 
” Белов В. В., Куляев П. В., 2022 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
 
2 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
В настоящее время все более широкое применение находят МЗКБ, получаемые на основе отходов дробления карбонатных пород при производстве щебня, ввиду их повышенных экономических и экологических показателей. На повестке дня – создание композитов, свойства которых диктуются конкретной областью их применения, и научное обоснование способов и приемов получения 
этих свойств в виде конкретных технологических решений. Сфера сверхтонких 
технологий – одна из перспективных областей материаловедения, предлагающая широкий ряд технологических решений с до настоящего времени неизвестными и уникальными возможностями. Разработка порошковых технологий – 
наиболее бурно развивающаяся область науки о строительных материалах, позволяющая создавать материалы с недостижимыми ранее свойствами посредством модифицирования данных свойств. Это и управление качеством монолитного бетона, и создание сверхпрочного композита с высоким уровнем трещиностойкости, морозостойкости и сопротивления износу – критерию долговечности и надежности строительных материалов и конструкций.  В связи  
с этим возникает задача поиска наиболее экономически обоснованных и экологически безопасных способов создания таких ультрадисперсных систем с использованием местных материалов (известняка) и разработки методов активации компонентов композитов. Применение ультрадисперсных карбонатных 
комплексных модификаторов позволяет эффективно управлять физикомеханическими характеристиками и через них технологическим качеством создаваемых композитов, с адаптацией к тем или иным условиям их применения 
на практике.  
Высокое качество карбонатных бетонов обеспечивается стабильностью и 
оптимальностью гранулометрического состава заполнителей, и их физикомеханическими и химическими свойствами. Важнейшую роль играют различные добавки, модифицирующие технологические составляющие смеси карбонатных бетонов. Следует отметить, что за рубежом, в том числе в Германии, 
Франции, странах Азии (Палестина, Ливан, Алжир, Сирия и др.), технологии 
комплексного применения местных минеральных компонентов для создания 
бетонов с заданными свойствами за последние двадцать лет существенно продвинулись вперед. Примером может служить дозированное использование тонкодисперсного известнякового компонента совместными алжиро-французскими 
технологическими лабораториями для создания кислотостойких композитов, 
применяющихся в подводном морском строительстве, с высокими эксплуатационными свойствами, такими как долговечность. Вместе с тем на многих со3 
 

временных производствах задача улучшения технико-эксплуатационных и экономических показателей используемых бетонов за счет применения более дешевого местного карбонатного сырья представляется практически нереализуемой. Причина тому – тенденции к консервативному использованию традиционных технологий и устаревание действующих производственных мощностей,  
не говоря уже о необходимости увеличения объема выпуска аналогичных и более доступных и дешевых материалов в глобальном масштабе. 
Для решения данных проблем необходимо совершенствовать существующие технологии и внедрять новые, проектировать современные составы карбонатных бетонов с улучшенными эксплуатационными характеристиками. Этого 
можно достичь за счет применения модифицирующих добавок и оптимальной 
гранулометрии, а также путем использования более дешевого вторичного сырья.  
Проблеме разработки составов бетонов с карбонатными заполнителями и 
наполнителями посвящены работы многих исследователей [98, 99]. Разработаны 
составы композитов на основе цементов низкой водопотребности с высокими физико-механическими характеристиками, включающие карбонатный тонкодисперсный наполнитель. Было показано, что добавление его в смесь выполняет  
как структурно-реологическую функцию, так и матрично-наполняющую [99].  
Выявлены достоинства таких композитов: высокая технологичность, связанная  
с наличием в составе суперпластификатора и функционального наполнителя; 
нерасслаиваемость; длительные сроки хранения и ускоренное твердение. Изучались вопросы повышения эксплуатационных свойств цементных бетонов. Установлено, что эксплуатационная надежность – это комплексное понятие, обозначающее сочетание критериев прочности, надежности и долговечности [112]. Совместное использование тонкодисперсного известнякового наполнителя и суперпластификатора аккумулирует воду, интенсифицируя процесс гидратации, способствуя формированию более однородной и прочной структуры контактного 
слоя между заполнителем и связующим МЗКБ, способной сопротивляться образованию и развитию трещин, что ведет к повышению трещиностойкости и снижению деформаций ползучести МЗКБ и повышает его эффективность.  
Целью монографии является описание способов создания эффективного 
МЗКБ с повышенной трещиностойкостью и эффективностью на основе отходов 
дробления карбонатных пород.  
Обоснована возможность повышения эффективности МЗКБ за счет использования отсева дробления карбонатных пород, подвергнутых механической активации с целью получения тонкодисперсного известнякового наполнителя. При введении в бетонную смесь совместно с суперпластификатором СП-1 
наполнитель способствует уплотнению цементного камня и упрочнению кон4 
 

тактной зоны между цементным камнем и заполнителем, аккумулирует часть 
воды затворения, увеличивая степень гидратации цемента и способствуя образованию гидро-карбоалюминатов кальция. Для оценки способности МЗКБ сопротивляться трещинообразованию предложен новый коэффициент, получаемый как соотношение квадратов напряжения начала трещинообразования и 
предела прочности на сжатие. Описаны математические модели зависимостей 
коэффициента трещиностойкости, предела прочности на сжатие и мгновенных 
деформаций от соотношения наполнителя к цементу, расхода суперпластификатора СП-1 (в процентах от массы цемента) и тонкого наполнителя (в процентах). Данные модели позволяют оптимизировать расходы наполнителя и суперпластификатора по технологическим и эксплуатационным свойствам, повысить 
трещиностойкость и снизить уровень деформаций. Это подтверждает эффективность использования отсевов дробления карбонатных пород. 
Предложен эффективный МЗКБ с улучшенными эксплуатационными 
свойствами на основе отходов дробления известняка, включающий тонкодисперсный известняковый наполнитель в количестве от 10 до 50 % и суперпластификатор СП-1 в количестве 0,75 % от массы цемента. Значения коэффициента трещиностойкости Кт повышаются в среднем на 30-50 %, а уровень деформаций ползучести снижается на 30-60 %.  
Обоснована возможность снижения себестоимости производства МЗКБ  
на 15-30 % за счет использования отходов дробления карбонатных пород. 
Авторы выражают искреннюю признательность члену-корреспонденту 
РААСН, доктору технических наук, профессору, заведующему кафедрой 
«Строительство, строительные материалы и конструкции» Тульского государственного университета А. А. Трещеву и доктору технических наук, профессору кафедры «Конструкции и сооружения» Тверского государственного технического университета С. Л. Субботину за полезные замечания по содержанию 
данного издания. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
5 
 

ГЛАВА 1 
 
 СПОСОБЫ ФОРМИРОВАНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ 
СТРУКТУР И СВОЙСТВ МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ 
КАРБОНАТНЫХ БЕТОНОВ 
 
1.1. Применение карбонатного сырья в технологии бетона 
 
Карбонатные породы широко распространены в природе и используются  
в качестве местного сырья, что способствует развитию на их основе производства активных минеральных добавок бетона. В настоящее время расширяется 
производство местных строительных материалов и изучаются пути улучшения 
свойств бетонов. Кроме того, в последнее время все большее внимание в строительном материаловедении уделяется так называемым многокомпонентным, полиморфным системам, при проектировании которых основная задача заключается в выборе недорогого и доступного сырья. Известняковые заполнители и 
наполнители, тонкодисперсные порошки-модификаторы являются незаменимыми компонентами карбонатного бетона на всех стадиях его получения. Карбонатные породы содержат в основном углекислый кальций (кальцит). Известняки 
состоят из кристаллов кальцита различных размеров: это крупные включения, 
грубодисперсные, ультра- и нанодисперсные порошки. Для наполнителя бетона 
в качестве минеральной добавки предпочтительны породы с постоянным химическим составом и однородной мелкокристаллической структурой. Ввиду полидисперсности карбонатных пород известняк применяют и как крупный заполнитель, и как средний и мелкий наполнитель в производстве МЗКБ. 
Использование карбонатных тонкодисперсных наполнителей в составе 
мелкозернистого бетона приводит к улучшению его физико-механических 
свойств, поскольку тонкомолотые минеральные известняковые добавки повышают прочность, морозостойкость, водонепроницаемость, химическую стойкость бетона [1, 3]. Функциональное использование известняка в карбонатном 
композите схематично можно представить следующим образом (рис. 1.1). 
6 
 

 
Рис. 1.1. Три вида функционального использования известняка   
в карбонатном композите 
 
Каждый из трех случаев (см. рис. 1.1) использования известнякового 
наполнителя характеризуется своим специфическим набором свойств [4]: предполагается, что известняковый наполнитель как наполнитель в цемент не повышает водопотребность, если не используется совместно с водоредуцирующими добавками, и не оказывает негативного влияния на долговременную 
прочность и деформативность. Последний эффект на данный момент мало 
изучен. В качестве наполнителя – добавки в цемент известняковый мелкодисперсный компонент призван удовлетворить техническим, экономическим и 
экологическим требованиям, таким, например, как повышение ранней прочности, регулирование подвижности теста при пониженном содержании цемента  
в вяжущей части и низкая чувствительность к технологическим способам ухода 
в период набора прочности. Следует отметить, что в европейских нормах 
ENV197-1 установлено предельное процентное содержание известнякового 
компонента в вяжущей части (до 5 %), хотя они позволяют повышать это число 
до 35 % при условии, что оставшаяся часть вяжущего – исключительно портландцемент. Европейская кодификация известнякового портландцемента – 
CEM II/B-L и CEM II/B-LL. 
При повышенном содержании известняка в вяжущей части оговаривается 
также и чистота самого известнякового компонента, который, согласно указанным нормам, должен состоять не менее чем на 75 % от общей массы  
из карбоната кальция (CaCO3). В качестве добавки в бетонную смесь известняковый порошок выполняет роль микро-наполнителя, замещающего частицы 
цемента, что не сказывается отрицательно на ранней прочности при содержании известняка от 10 до 30 % по массе. В целом применение тонкомолотого известняка в качестве добавки в бетон не только экономически обосновано,  
7 
 

но и, как показали работы Nehdi [5], повышает вязкость и снижает текучесть 
бетона, действуя как замещающая тонкий наполнитель по массе фракция. 
В целях анализа и исследования роли известнякового компонента как части вышеуказанных фаз карбонатного композита были проведены независимо 
друг от друга исследования согласно программам, в которых известняк выступал в качестве:  
а) компонента вяжущего,  
б) компонента МЗКБ,  
в) регулятора трещиностойкости, деформативных и прочностных свойств 
карбонатного бетона, результаты которых изложены ниже. 
В работе [1] повышение физико-механических и эксплуатационных 
свойств мелкозернистых бетонов отмечается в том случае, если суммарная поверхность клинкерных частиц вяжущего в единице массы смеси соответствует 
суммарной поверхности частиц портландцемента без тонкомолотых добавок, 
где тонкомолотая добавка представлена более крупными частицами, а клинкерная часть – более мелкими. Но эту слишком тонкую пропорцию сложно оценить без соответствующих опытов. Рост прочности в контактной зоне клинкерного зерна и минеральной частицы может объясняться по-разному: и адгезионным сцеплением карбонатных заполнителей, и эпитаксиальным срастанием, наиболее интенсивным при наличии химического сродства как по катиону, 
так и по аниону. Согласно [2] прочность на отрыв цементного камня  
от различных известковых пород колеблется в пределах от 0,2 до 2,5 МПа. 
Наименьшая прочность сцепления цементного камня отмечается с кварцем,  
а наибольшая – с карбонатными породами при хранении в воде (без автоклавной обработки). Последнее говорит в пользу частичного взаимодействия  
на ионном уровне микрочастиц кальцита, с элементами адсорбции, хемосорбции и поликонденсации, в отличие от более инертных и твердых силикатных пород. Данное химическое взаимодействие происходит между карбонатным заполнителем и продуктами гидратации цемента, что обусловливает самоуплотнение контактной зоны при использовании карбонатных добавок и песков.  
Таким образом, контактная зона выступает как самостоятельный элемент 
структуры бетона и играет существенную роль в повышении трещиностойкости, прочности, водонепроницаемости, морозостойкости и химической стойкости бетона, а карбонатный наполнитель выполняет функцию регулятора микропроцессов коагуляции в контактной зоне. Следующая диаграмма (рис. 1.2) увязывает макро-, мезо- и микроструктуры карбонатного компонента бетона и показывает разнообразие методов и форм использования известняка в производстве бетонов нового поколения. 
8 
 

Диаграмма иллюстрирует широкий спектр использования известнякового 
компонента, свойства которого, через влияние на показатели качества создаваемого на его основе монолита, во многом определяются степенью дисперсности 
и вариантами технологии, наряду с комбинацией с другими составляющими 
связующего бетона, тем самым давая возможность оценить уровень модификации конечных свойств карбонатного бетона. При применении карбонатного 
тонкодисперсного порошка реализуются физико-химические процессы взаимодействия последнего с клинкером. В частности, С. С. Гордоном и Р. С. Чехо- 
вым [6] установлено, что адгезионное сцепление со срастанием цементного 
камня обнаружено только с карбонатными заполнителями из семи исследованных минералов. С. С. Гордон указывает на четыре составляющих сопротивления выдергивания зерна заполнителя из своего ложа в цементном камне: отрыв 
в контакте, сдвиг в контакте, срез раствора и срез заполнителя. Отрыв и 
сдвиг в контакте относятся к адгезионному сцеплению, а срез раствора и заполнителя – к механическому разрушению. 
 
Рис. 1.2. Диаграмма использования известняка в промышленности                       
и строительстве (производство бетонов)  
в зависимости от степени дисперсности 
9 
 

А. А. Плугин [7, 8] отмечает большую роль минеральных добавок в работах по замоноличиванию стыков при реставрации и реконструкции зданий и 
сооружений в свете влияния данных добавок на процесс твердения композита, 
снижения усадки и уровня развития контракционных трещин и повышения 
трещиностойкости мелкозернистых бетонов с минеральными (известняковыми) 
добавками. П. П. Будниковым, А. С. Пантелеевым, В. М. Колбасовым [9] установлено, что образование карбоалюмината кальция на поверхности карбонатных заполнителей способствует интенсификации процесса твердения за счет 
алюмосодержащих клинкерных минералов, при этом с поверхностью карбонатных зерен образуется прочный кристаллический конгломерат с гексагональными кристаллами карбоалюмината кальция. Авторы отмечают определяющую роль адсорбционных или активных центров на поверхности твердой 
фазы в адсорбции и гидратации вяжущих. Так, в [10] отмечается, что кислотные центры адсорбции определяют диссоциативную адсорбцию воды и являются активаторами процесса гидратации. Существует мнение о поверхностном процессе адгезии, обусловленном взаимодействием сил Ван-дер-Ваальса. 
Б. В. Дерягин, Н. А. Кротова, А. Н. Плугин, В. И. Бабушкин и другие авторы [11] 
объясняют адгезию наличием сил электрического взаимодействия между ионами, молекулами на границах раздела фаз. Эти силы реализуются за счет потенциалопределяющих ионов (ПОИ) или активных центров (АЦ). Если представить АЦ в виде локализованных электростатических зарядов соответствующих знаков на поверхности дисперсной фазы, определяющих ее электроповерхностные свойства, т. е. ПОИ, то наличие АЦ с противоположными знаками 
зарядов обусловливает способность к образованию электрических гетерогенных контактов между дисперсными частицами системы. Показано, что в цементном камне и растворе для обеспечения наибольшей структурной прочности должен быть соблюден баланс между положительно и отрицательно заряженными поверхностями дисперсных частиц [7]. В работах С. П. Сивкова и 
В. И. Калашникова [12, 14] исследовались процессы адсорбции – десорбции 
гидрофобизирующих добавок – полиметилсиликоната (ПМСК) и полиэтилгидроксилоксана (ПЭГС), суперпластификаторов на тонкодисперсных минеральных носителях, обладающих различными кислотно-основными свойствами поверхности. Установлено, что рассматриваемые добавки по их способности адсорбировать ПМСК и ПЭГС можно расположить следующим образом: тальк < микрокремнезем < опока < < микрокальцит. При этом наибольшая величина адсорбции гидрофобизирующих добавок наблюдается при использовании микрокальцита, что объясняется возможным протеканием химических 
реакций на поверхности частиц и образованием поверхностного химического 
соединения полиметилсиликоната кальция. Модифицирование гидрофобизи10