Способ борьбы со смерзаемостью песков для бетонов

 Разгрузка смерзшихся сыпучих материалов из транспортных средств на заводах железобетонных изделий требует высоких трудозатрат, расходов электроэнергии, приводит к простоям вагонов.

И если разгрузка смерзшегося щебня еще может быть произведена без специальных механизмов, то разгрузка смерзшегося песка не только требует оборудования — бурорыхлительных машин и др., но и в дальнейшем выгруженный песок не может быть сразу использован в технологическом процессе.

В целях борьбы со смерзаемостью в песок в местах его добычи или погрузки рекомендуется вводить добавку ЩСПК (адипинат натрия по ТУ 6-03-26-7-77 Минхимпрома), являющуюся отходом производства капролактама.

С позиций физико-химической механики материалов несмерзаемость песка с введенной добавкой ЩСПК объясняется тем, что чистый кварцевый песок практически не адсорбирует воду на своей поверхности, ее адсорбируют загрязняющие песок примеси, преимущественно глина, причем чем «грязнее» песок, тем большей влагоудерживающей способностью он обладает. Введение в песок поверхностно-активного вещества существенно изменяет его водоудерживающие свойства — теперь уже ЩСПК, адсорбируясь на поверхности песка, снижает сцепление его с примесями, препятствуя, тем самым, смерзанию. Кроме того, введение натриевых солей понижает температуру замерзания растворов. Сама добавка ЩСПК не замерзает при температуре –30 °C.

Были проведены две серии параллельных экспериментов, оценивающих влияние добавки ЩСПК на смерзаемость песка по данным испытаний на прочность. Кубы, изготавливались из влажного песка, уплотненного на стандартной виброплощадке с пригрузом, и замораживались в формах при температуре –20 °C.

Влажность песка устанавливалась как его максимальная водоудерживающая способность. Для ее определения навеску песка помещали на сито с тканевой основой и заливали избыточным количеством воды. Воде позволяли стечь и устанавливали сито на стандартную виброплощадку. После вибрирования в течение 1 мин стандартным методом определяли влажность песка.

Анализ результатов испытаний показывает, что при введении в песок добавки ЩПСК в количестве 0,2 % от массы песка примерно в 25 раз снижается прочность смерзшегося конгломерата.

анализ результатов испытаний показывает, что при введении в песок добавки ЩПСК в количестве 0,2 % от массы песка примерно в 25 раз снижается прочность смерзшегося конгломерата

Традиционно ЩСПК рекомендуется в качестве пластифицирующей добавки, введение которой в бетонную смесь позволяет либо сократить расход цемента, либо увеличить подвижность смеси. Рекомендуемое к введению количество ЩСПК составляет 0,5–0,9 % (в среднем 0,7 %) от массы цемента. Предполагая, в первую очередь, использовать песок, обработанный добавкой ЩСПК, в изделиях из песчаного бетона, в которых расход песка в 3–4 раза превосходит расход цемента, в пересчете на песок рекомендуемый расход добавки составляет около 0,2 % его массы. Указанная цифра совпадает с оптимальным количеством добавки, полученным в эксперименте по предотвращению смерзаемости.

Эксперимент, оценивающий эффективность предлагаемого метода борьбы со смерзанием песков, был проведен в условиях открытого полигона при температуре воздуха –20 и –28 °C. Отсыпаны три массива размерами 1,5×1,0×0,6 м каждый. Песок представлял собой сыпучую массу без комьев. Влажность песка, определенная стандартным методом, составляла 4,2 %. Первая партия с поверхности была равномерно залита водой через сито с отверстиями 0,63 мм . Расход воды 24 л или 1,8 % от массы песка. Суммарная влажность, таким образом, составила 6 % — максимум для испытываемого песка Вяземского ГОК. Вторая партия песка была залита 24 л раствора добавки ЩСПК. Введенное количество добавки составило 2,7 л или 0,2 % от массы песка. Третья партия была разделена на два слоя по 0,3 м и залита двумя порциями аналогичного раствора по 12 л в каждой.

Через 2 сут. первая партия представляла единый смерзшийся монолит, при ударе о который лопатой откалывались только лещадки, то есть песок был совершенно непригоден для использования при изготовлении железобетонных конструкций.

Вторая и третья партии представляли собой сыпучую массу без смерзшихся комьев, использование которой не требовало какой-либо переработки.

Одновременно с отсыпкой указанных партий были изготовлены и испытаны образцы-кубы из влажного песка, отобранного из указанных партий и уплотненного в формах на виброплощадке с пригрузом. Образцы также хранились на открытом воздухе (рис. 1).

Рис. 1. Влияние добавки ЩСПК на смерзаемость песка

Результаты испытаний показали техническую возможность борьбы со смерзанием песков путем введения в них добавки ЩСПК (табл. 1).

Таблица 1

Проведены эксперименты, оценивающие прочность образцов, изготовленных из песчаного бетона с использованием песков, обработанных добавкой ЩСПК (состав 1, кг/м3: Ц=510, П=1570, В=217, ЩСПК=3,1), и песков без обработки (состав 2, кг/м3: Ц=510, П=1550, В=230).

Приведенные составы цементно-песчаных смесей обладают одинаковой удобоукладываемостью — около 3 см ОК по ГОСТ 10181.

Результаты испытаний на прочность двух серий образцов каждого состава в возрасте 7 и 28 сут., не подвергавшихся термообработке, приведены в табл. 2.

Таблица 2

Разработаны две технологические схемы обработки песка водным раствором ЩСПК для разной технологии погрузки с высокой степенью механизации процесса.

Применение добавки для предотвращения смерзания 1 тыс. м3 песка позволяет сократить трудозатраты на 14 человеко-дней, снизить расход электроэнергии на 500 кВт∙ч. Дополнительный эффект от использования обработанного песка в песчаном бетоне — 120 руб. на 1 м3 песка, или 130 тыс. руб. на 1 тыс. м3 бетона.

По существу, в результате обработки песка водным раствором ЩСПК получается новый продукт — пластифицированный, несмерзающийся песок, использование которого позволяет одновременно решить две задачи — облегчить разгрузку песка в зимнее время и улучшить качественные и экономические показатели бетона.

применение добавки для предотвращения смерзания 1 тыс. м3 песка позволяет сократить трудозатраты на 14 человеко-дней, снизить расход электроэнергии на 500 кВт∙ч

Автор: К. И. Львович, д. т. н., проф.

Влияние активных минеральных добавок на свойства цемента и бетона

Рассматривается проблема влияния различных видов активных минеральных добавок на свойства портландцемента.

Основным компонентом вещественного состава портландцемента является портландцементный клинкер.

В соответствии с требованиями приложения А ГОСТ 30515-97 «Цементы. Общие технические условия» активной минеральной добавкой к цементу считают такую минеральную добавку, которая в тонкоизмельченном состоянии обладает гидравлическими или пуццоланическими свойствами.

Портландцементный клинкер — продукт, получаемый обжигом до спекания или плавления сырьевой смеси надлежащего состава и содержащий, главным образом, высокоосновные силикаты и (или) высоко- или низкоосновные алюминаты кальция.

Сырьем для производства портландцемента служит известняк или мергель и глина.

Химическое взаимодействие цемента с водой сопровождается образованием кристаллогидратов различной формы, которые труднорастворимы в пресной и минерализованной воде и устойчивы к воздействию атмосферных факторов. В результате гидратации клинкерных минералов образуется цементный камень с уникальными свойствами, который позволяет из разрушенных горных пород (песок, щебень, галька) оптимизированного зернового состава [1–4] получить высококачественный искусственный камень заданной формы и размеров, то есть бетонное изделие.

Взаимодействие зерен портландцемента с водой начинается немедленно после затворения. Некоторое количество кристаллогидратов, образующихся в начальный период гидратации, позволяет получать пластичное и удобоукладываемое цементное тесто, что обеспечивает возможность формования бетонных изделий.

В результате продолжающейся реакции гидратации постепенно формируется плотный и прочный цементный камень. Основным и наиболее полезным компонентом камня являются волокнистые чешуйчатые или мелкозернистые гидросиликаты камня с общей формулой CxSyHz.

В цементной науке приняты следующие обозначения: С — СаО, S — SiO2, H — H2O, A — Al2O3.

Чем меньше основность гидросиликатов, тем более полно использована их потенциальная химическая энергия, заложенная в клинкере, тем долговечнее и прочнее сформировавшийся цементный камень. При гидратации силикатов кальция образуется также Са(ОН)2 — наиболее растворимый и химически активный, а следовательно, уязвимый компонент цементного камня.

Гидратация кальциевых алюминатов и алюмоферритов в присутствии гипса ведет к образованию эттрингита, который при последующем твердении переходит в моносульфатную форму С4АSН12. Образующиеся гидроалюминаты и гидросульфоалюминаты кальция способствуют быстрому формированию структуры прочного искусственного камня в начальный период твердения цемента. Гидроалюминаты претерпевают и другие фазовые превращения с образованием кубических гидрогранатов, ослабляющих структуру камня.

После химического связывания, испарения и осмотического отсоса воды в цементном, а, следовательно, и в бетонном камне, образуется развитая система пор. Основные эксплуатационные свойства созданного искусственного камня, такие как долговечность, морозостойкость, коррозионная стойкость, прочность, определяют структура камня и его поровое пространство: размеры и форма пор, их количество и форма связи между собой. В крупных порах вода замерзает при температуре до –20 °С, в мелких порах — до –50 °С или не замерзает вообще в климатических условиях эксплуатации России. Это явление обусловлено различными значениями давления внутри пор искусственного камня. Чем меньше пор, тем плотнее и прочнее создаваемый камень. В свою очередь, размер и количество пор зависят от минералогического состава клинкера, водоцементного отношения и поверхностного натяжения на границе раздела фаз.

В портландцементе обычно содержится до 1 % щелочных оксидов.

Их миграция к поверхности бетонов и дальнейшая карбонизация являются одной из основных причин образования высолов на поверхности затвердевшего бетона. Однако определяющим фактором образования высолов является плотность структуры бетонного камня.

определяющим фактором образования высолов является плотность структуры бетонного камня

Именно формирование плотной упаковки за счет оптимизации соотношения крупного и мелкого заполнителя определяет свойства структуры формируемого искусственного камня при учете: насыпной и средней плотности заполнителей, коэффициента раздвижки зерен крупного заполнителя раствором, пустотности крупного заполнителя, поверхностных свойств конкретных видов сырьевых компонентов бетонной смеси.

Проще говоря: высыпаем в емкость максимально возможное количество относительно крупных (с бильярдный шар) камней, сверху насыпаем щебень, утрясаем — щебень заполнил пустоты между камнями. Насыпаем кварцевый песок, утрясаем — песок заполнил пустоты между щебнем. Насыпаем цемент, утрясаем — цемент заполнил пустоты между зернами песка. Насыпаем пигмент, утрясаем — пигмент заполнил пустоты между зернами цемента. То есть компоненты насыпаются начиная от крупной фракции и кончая мелкой. При этом все компоненты должны быть сухими. При наличии воды более 0,3 % не произойдет максимально полное проникновение более мелких компонентов сырьевой смеси в пустотное пространство между более крупных, так как кроме процесса гидратации цемента, который начнется сразу после контакта цемента и воды, силы поверхностного скольжения материалов будут нивелированы силами трения. Именно поэтому на бетонных заводах получают бетонную смесь невысокого качества.

Правильный процесс приготовления бетонной смеси основан на оптимальном соотношении компонентов бетонной смеси при точном соблюдении физической закономерности упаковки зерен и частиц при условии заполнения межзернового объема и раздвижки всех зерен большего размера зернами или частицами меньшего размера, а также раздвижки всех зерен и частиц водными прослойками.

На бетонных заводах порой в грязную бетономешалку засыпают влажный песок, затем щебень, цемент и заливают воду, то есть всё делается неправильно. А правильно сделать нельзя, потому что лопасти для принудительного перемешивания бетонной смеси не достают дна мешалки и сухого песка и щебня не покупают — экономически невыгодно. Выгодно делать неправильную бетонную смесь. Фактически в любой заводской технологической схеме приготовления бетонной смеси не хватает скоростного смесителя для перемешивания сухих компонентов смеси перед смачиванием ее водой.

Пластичные бетоны следует перемешивать в обратном порядке: вода, цемент, песок, щебень. При этом бетономешалка должна быть герметичной. При изготовлении декоративной бетонной смеси в воду можно вводить растворимую форму щелоче- и светостойких красящих веществ, то есть производить окрашивание бетонной смеси «цветными чернилами». Такая практика существует при изготовлении цветной тротуарной плитки.

Нерастворимую форму красящего вещества, пигмент, целесообразнее вводить в виде колеровочной пасты в готовую бетонную смесь при дополнительном перемешивании.

При изготовлении бетонной смеси наиболее важным и значимым с экономической точки зрения является фактор недоиспользования химической энергии портландцемента, что выражается в его перерасходе на единицу прочности бетона.

при изготовлении бетонной смеси наиболее важным и значимым с экономической точки зрения является фактор недоиспользования химической энергии портландцемента, что выражается в его перерасходе на единицу прочности бетона

Общим благотворным свойством химических реакций является более полное их протекание. Например, если одно из образующихся новых веществ выводится из сферы реакции вследствие его связывания в труднорастворимое соединение, как Ca(ОН)2, образующийся в результате реакции гидратации С3S, связывается активным кремнеземом или алюмосиликатным стеклом минеральной добавки. Активные минеральные добавки обладают общим свойством — способностью к кислотно-основному взаимодействию с гидроксидом кальция с образованием практически нерастворимых гидратов, это способствует увеличению количества гидросиликатов и понижению их основности, что крайне важно для образования плотного и долговечного камня, придания ему способности к длительному росту прочности.

Благодаря рассмотренным процессам портландцемент, содержащий в своем составе, кроме портландцементного клинкера и гипса, активную минеральную добавку, постепенно сравнивается по прочности с бездобавочным портландцементом, а затем даже обгоняет его по этому показателю. При этом устраняется высолообразование и щелочная коррозия бетона, а также увеличивается его сульфатостойкость.

Литература:
1. ГОСТ 27006-86. Бетон. Правила подбора состава.
2. Пат. 2005699 РФ, С 1, 5 С 04 В 28/00. Способ проектирования состава смеси песчаного бетона.
3. Пат. 2005700 РФ, С 1, 5 С 04 В 28/00. Способ проектирования состава смеси легкого бетона.
4. Пат. 2014305 РФ, С 1, 5 С 04 В 28/00. Способ определения расхода мелкого и крупного заполнителя в бетонной смеси. 

Автор: В. П. Кузьмина, к. т. н.