Применение топливо-содержащих отходов для получения трещиностойких монолитных бетонов

О. А. Игнатова, А.Т. Пименов, Е.А. Полянская

Применение в строительстве технологии монолитного бетонирования связано с существенными проблемами: в процессе структурообразования может происходить значительная усадка бетона. Бетонная смесь содержит гораздо больше воды, чем требуется для гидратации цемента, что ведет к образованию пор, дефектам структуры из-за выхода несвязанной воды и появлению трещин при усадке.

Основная сложность проблемы получения трещиностойких бетонов состоит в выявлении природы процессов, приводящих к растрескиванию материала. Причинами появления трещин являются:

-температурные и усадочные напряжения, возникающие в процессе тепло- и массообмена с окружающей средой;

собственные напряжения в твердеющем цементном камне в результате фазовых превращений, а также кристаллизационного и осмотического давления.

Для снижения усадки и предотвращения возникновения трещин обычно придерживаются следующих основных направлений:

применение бетонных смесей с пониженным содержанием цемента;

уход за твердеющим бетоном;

использование добавок, компенсирующих усадку;

применение расширяющихся цементов.

Влажностная усадка до схватывания бетона

протекает в первые 2-4 часа после приготовления бетонной смеси, когда вода находится в свободном состоянии и минералы цементного камня не вступили с ней во взаимодействие. Для предупреждения возникновения трещин, вызванных первичной усадкой, необходим комплекс мероприятий по ограничению содержания воды и предотвращению ее испарения.

Снижение расхода цемента на единицу объема бетона может быть достигнуто путем уменьшения водоцементного отношения введением различных пластифицирующих добавок.

Уход за бетоном предполагает защиту поверхности от испарения, укрытие пленкой, распыление пленкообразующих веществ, например акриловых составов («юоринг»). Указанные меры позволяют удерживать внутри бетона необходимую для гидратации цемента воду, поддерживать температурные условия при твердении и создавать гидроизоляцию поверхности.

Метод ухода за бетоном, не требующий внешней обработки поверхности и ее дополнительного увлажнения, основан на введении в бетонную смесь химических соединений, уменьшающих испарение воды при твердении бетона в сухих условиях, а также ее миграцию в нижерасположенные слои. Применение кремнийорганиче- ских жидкостей для объемной гидрофобизации способствует удержанию воды в бетоне и повышению степени гидратации цемента.

Компенсация усадки и ее перевод в расширение может быть достигнут применением расширяющихся и напрягаемых цементов. Их отличительной особенностью является объемное расширение в процессе твердения. При ограничении деформаций расширения (твердение в стесненных условиях) в напрягающемся бетоне появляются

а)б)

Сравнение эффективности разработанного (№ 1) и традиционного (№ 2) составов монолитного бетона; а) относительные деформации, б) потеря массы при твердении собственные напряжения сжатия (самонапряже- ния). Безусадочными считаются цементы, у которых линейное расширение незначительно - г = 0,2-0,3 %, расширяющимися - до 0,7 %, само- напрягающими - свыше 0,7 %. Расширяющиеся цементы и добавки увеличивают объём твердеющей смеси после схватывания и на ранних этапах твердения (до 7 суток). При применении напрягающегося бетона в монолитной конструкции формируется напряженно-деформированное состояние, противоположное тому, что имеет место при усадке в традиционных конструкциях.

Практическое применение получили гидросуль- фоалюминатное или оксидное типы расширения цементов. Условием расширения первого типа является образование эттрингита (3CaOAl203-3CaS04-31Н20) при использовании глиноземистого цемента или алюминатов и гипса. Существенным недостатком напрягаемых цементов, полученных при гидро- сульфоалюминатном расширении, является быстрое схватывание цементного теста, что затрудняет их применение в монолитном строительстве. Основой оксидного расширения является применение добавок-оксидов MgO и СаО. Эффект расширения может достигать от 0,13 до 0,4 %.

Проведены исследования по получению напрягающего цемента на основе высококальциевой золы канско-ачинских бурых углей. В данной золе общее содержание СаО составляет 26,5-47,55 %, при этом часть окиси кальция находится в свободном состоянии. Известно, что такая зола обладает гидравлической активностью, но при взаимодействии с водой возникают объемные деформации. Поскольку зола содержит 3,8-12,7 % СаОСВОб и 1,8-5,8 % S03, расширение может происходить в результате гашения СаОСЮб и образования эттрингита.

Влажностная усадка после схватывания протекает в затвердевшем материале и связана с уплотнением цементного геля. Снижение усадки бетона будет более эффективным, если при приготовлении бетонной смеси использовать активные минеральные добавки (микрокремнезем, кислую золу уноса или тонкомолотые легкие заполнители) для «внутреннего ухода». Активные минеральные добавки в процессе твердения бетона позволят связать гидратированную СаОсвоб высококальциевой золы.

Предложен комплексный подход к повышению трещиностойкости монолитных бетонов - совместное введение расширяющегося компонента, пуццолановой добавки и химических соединений, предотвращающих испарение воды и компенсирующих усадочные деформации монолитных бетонов. В качестве расширяющегося компонента применена высококальциевая зола канско-ачинских бурых углей, кислая зола кузнецких углей как активная минеральная добавка для «внутреннего ухода», в качестве гидрофобизатора - гидрофобизирующая кремнийорганическая жидкость с эффектом воздухововлечения.

Как критерий для оценки эффективности предлагаемых методов может быть использован коэффициент трещиностойкости.

Известно, что для цементного камня ~ 0,1, для растворов и бетонов - 0,5-0,8. При получении трещиностойких материалов достигает 0,9.

На рисунке приведены деформации растворной части монолитного бетона. Предлагаемый состав № 1 позволяет снизить усадочные деформации практически в два раза по сравнению с традиционным № 2.

Таким образом, установлено, что совместное применение топливосодержащих отходов (расширяющейся высококальциевой и кислой зол) и химических соединений, предотвращающих испарение воды, компенсирует усадочные деформации монолитных бетонов и позволяет повысить их трещиностойкость.