2.2. Подбор состава дорожного бетона

Рецептуры мелкозернистых бетонов модифицированного и не содержащего добавок подбирали по ГОСТ 27006-86 «Бетоны. Правила подбора состава.» Состав мелкозернистого дорожного бетона, модифицированных молотым сталеплавильным шлаком, подбирали согласно [1,2,3]. Основные требования, предъявляемые к цементу, заполнителю, минеральным и химическим добавкам, определялись по [1,2,3,4,5,6]. Цемент для дорожного бетона удовлетворял требованиям [1,2]. Заполнитель – песок для приготовления мелкозернистого бетона удовлетворял требованиям [1,2,3,4]. Минеральная добавка – молотый сталеплавильный шлак для модификации структуры и свойств бетона удовлетворял требованиям [1, 12, 16].

Расчет состава бетона начинали с п. 10 норм [2]. Минеральная добавка была использована как самостоятельный компонент в бетоне (не в составе вяжущего). Расчёт выполняли с определения исходного состава, который включал: мелкий песок с М_к = 1,25; молотый сталеплавильный шлак; цемент (п. 10.2). Для обеспечения требуемой марочной прочности при заданной подвижности бетонной смеси (1,0 – 2,0 см по осадке конуса Абрамса) для дорожного бетона, определялся количественный состав компонентов (п. 10.3). Подробный расчет состава находится в приложении 1.

2.3. Исследование физико-механических свойств дорожного бетона

Для достижения высоких физико-механических характеристик мелкозернистых бетонов необходимым условием является обретение смесями требуемых технологических свойств, в первую очередь подвижности. Это заставляет в бетонных смесях использовать СП и ГП.

В качестве варьируемых технологических свойств выступали подвижность (не менее П2) водоудерживающая способность. Последнее свойство было необходимо для оценки сохранения однородности смеси при введении тонкомолотого доломитизированного известняка. Требовалось при введении добавки увеличивать водоцементное отношение и количество СП для достижения необходимой подвижности и обрабатываемости мелкозернистых бетонных смесей перед укладкой их в форму. Расчётные составы с процентным содержанием СП, воды и варьируемыми свойствами представлены в таблице 7.

Таблица 7.Расчетные составы мелкозернистых бетонов и их технологические свойства

Расходы	Составы мелкозернистых бетонов
	С1(Ц+5 %Д)	С2 (Ц+10%Д)	С3 (Ц+15 %Д)	Контрольный
Цемент, кг	650,10	638,84	625,17	661,77
Песок, кг	1300,20	1277,68	1250,34	1323,54
Вода, л	263,94	263,20	261,95	264,71
Добавка, кг	35,76	70,27	112,53	-
МД/Ц	0,055	0,110	0,180	-
Ц/В	2,464	2,428	2,385	2,500
В/Ц	0,406	0,412	0,419	0,400
ρсм°	2250 кг/м3

Примечание: средняя плотность бетонной смеси определялась по таблице 15 в зависимости от удобоукладываемости. Для мелкого песка её значение уменьшалось на 70 кг/м³.

Анализ табличных данных по расходу пластифицирующей добавки показывает снижение её количества при повышении концентрации добавки молотого сталеплавильного шлака соответственно на: 20 % и 25 %. Данное понижение можно объяснить сокращением количества цемента (вяжущего), как пластифицируемого компонента в мелкозернистом бетоне в связи с частичной его заменой (5 %, 10 %, 15 %) на молотый сталеплавильный шлак, при практически одинаковом водоцементном отношении (В/Ц=0,29-0,31) в составах С1, С2, С3.

Установлено, что принятое в составах С1-С3 расчётное количество добавки СП не снижало технологических характеристик мелкозернистых бетонных смесей. Смеси обладали требуемой подвижностью без наличия расслоения и водоотделения.

Благотворно на качество мелкозернистой бетонной смеси влияла и сама добавка тонкомолотого сталеплавильного шлака. Смеси легко обрабатывались и укладывались в форму, а при уплотнении не давали расслоения, сопровождающееся выделением «цементного молока» на поверхности опытных модифицированных образцов. Связано это с хорошей адсорбционной способностью среднедисперсного наполнителя молекул воды на своей поверхности. Избыток катионов Са²⁺ на её поверхности позволяет удерживать водную плёнку, а при использовании СП легко пластифицироваться в системе «цемент-песок-вода».

Необходимо отметить, что в качестве пластифицирующей добавки был выбран пластификатор «Melflux 1641 F», как наилучший, позволяющий снижать количество воды затворения для цементного теста без заметного снижения его нормальной густоты рисунок 9.

а) б)

Рисунок 9. Влияние супер- и гиперпластификаторов на нормальную густоту цементного теста: (а) – снижение количества воды в цементном тесте, %; (б) – виды используемых супер- и гиперпластификаторов

Анализ влияния пластификаторов на нормальную густоту цементного теста показал, что «Реламикс» меньше всего способствует снижению воды 30 % в цементном тесте для сохранения его нормальной густоты в исследуемом интервале концентраций – от 0,55 – 0,65 %. Жидкий гиперпластификатор «MC-Power Flow-2290» применяемый в интервале концентраций показал неудовлетворительный результат. Его использование в интервале концентраций от 0,2 до 0,5 % показало меньшую величину сниженного количества воды в цементном тесте по сравнению с суперпластификатором «Melflux 1641 F» при концентрациях 0,05-0,5 %. Снижение количества воды с сохранением нормальной густоты в первом случае составило 33 %, а во втором – 37 % при расходе 0,2 % от массы вяжущего.

Таким образом, введение добавки тонкомолотого сталеплавильного шлака позволяет сохранять водоцементное отношение в мелкозернистом бетоне без потери смесями подвижности и одновременно снижать количество пластифицирующей добавки и цемента.

Эффективной пластифицирующей добавкой является «Melflux 1641 F». Его оптимальная концентрация для мелкозернистых бетонных смесей, модифицированных тонкомолотым известняком составляет 0,05-0,2 % от массы вяжущего. Концентрация пластификатора тем меньше, чем больше количество молотого шлака в составе мелкозернистого бетона.

Исследование плотности образцов показало её уменьшение при повышении концентрации добавки с 5 до 15 %, что связано с уплотнением цементной матрицы образцов при совместном действии пластификатора и молотого сталеплавильного шлака, как более лёгкого компонента. С другой стороны, сравнительные данные модифицированных образцов с 5 %, 10 %, 15 % по сравнению с контрольным составом показал повышение средней плотности соответственно на 3,3 %; 1,53 % и 2,19 %.

Подвижность. Оценка подвижности мелкозернистых бетонных смесей на встряхивающем столике без содержания пластификатора и молотого сталеплавильного шлака показала увеличение растекаемости смеси при введении пластификатора, однако 10 %-ое и 15 %-ое содержание молотой добавки снизило этот показатель в среднем на 16-20 %. Подобное снижение обусловлено наличием и ростом микроскопических дефектов на поверхности частиц по плоскости спаивания, возникающих при помоле сталеплавильного шлака. Было установлено, что добавка хорошо принимает воду, однако о хорошей растворимости речи идти не может, ибо она у карбоната кальция – 0,00015 г/100 мл, а у карбоната магния – 0,0012 г/100 мл. Значит вода удерживается за счёт дефектов структуры – избыточных поверхностных зарядов, возникающих в результате накопления дефектов. Увеличение воды в этом случае для сохранения подвижности мелкозернистыми бетонными смесями объясняет характер неизменности водоцементного отношения.

Таким образом, анализ данных о технологических свойствах модифицированных мелкозернистых бетонов сталеплавильным шлаком показал, что добавка обладает хорошими адсорбционными свойствами в сочетании с пластификатором «Melflux 1641 F». Она позволяет экономить вяжущее без заметного снижения технологических свойств.

Для оценки эффективности применения молотого сталеплавильного шлака в составе мелкозернистого бетона необходимо исследовать прочностные характеристики разработанных составов.

На данном этапе исследования предстояло выяснить, как модуль крупности песка влияет на прочность мелкозернистых бетонов без содержания молотого сталеплавильного шлака.

Для этого были изготовлены образцы-кубики с ребром 20×20×20 мм, состава 1:3 (цемент : песок) которые испытали на 28 сутки после хранения в естественных сухих условиях (рис. 10).