Повышение прочности самоуплотняющихся цементных систем

1. МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ (СИБСТРИН)
XVIII МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ
КОНФЕРЕНЦИЯ
«АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ АРХИТЕКТУРЫ И СТРОИТЕЛЬСТВА»
ПОВЫШЕНИЕ ПРОЧНОСТИ САМОУПЛОТНЯЮЩИХСЯ
ЦЕМЕНТНЫХ СИСТЕМ
Аспирант: Вишняков Н.С.
Научный руководитель: Ильина Л.В.
Новосибирск 2025

2. Актуальность

В последнее время для производства бетонных
работ возрождается интерес к применению
самоуплотняющихся бетонных смесей. Ранее
высокая подвижность в таких бетонах достигалась
введением большого количества воды и цемента,
что приводило к высокой расслаиваемости бетонной
смеси и, как следствие, низкому качеству готовой
продукции. На сегодняшний день взамен обычным
бетонным смесям с марками по
удобоукладываемости от П1 до П4 (рис. 1) все чаще
применяют высокоподвижные бетонные смеси
марок Р4, Р5, Р6 (рис. 2), подвижность которых
достигается путем использования современных
комплексных модификаторов.
Рис. 1
Рис. 2

3. Тема диссертации: «Моделирование технологических и эксплуатационных характеристик высокоподвижного бетона»

Цель работы – разработка научно обоснованного технологического решения, обеспечивающего получение
высокоподвижного цементного бетона стойкого к расслаиванию, обладающего повышенными физико-механическими
свойствами, путем введения полифункциональной добавки, состоящей из микродисперсных минеральных компонентов
(тестообразующей составляющей выступающей центрами кристаллизации и пуццолановой добавки снижающей
количество портландита) способных упрочнять и уплотнять цементный композит и органического компонента
увеличивающего подвижность смеси.
Задачи исследования:
проведение анализа воздействия различных видов, количества
химических? добавок на подвижность бетонной смеси и
прочность бетона;
проведение анализа воздействия различных количества и
дисперсности тестообразующих минеральных добавок на
технологические свойства цементных смесей;
проведение анализа воздействия различных количества и
дисперсности тестообразующих минеральных добавок на
физико-механические свойства цементных композитов, таких
как цементный камень, раствор и тяжелый бетон;
проведение анализа воздействия различных видов, количества и
дисперсности пуццолановых минеральных добавок на
технологические свойства цементных смесей;
проведение анализа воздействия различных видов, количества
и дисперсности пуццолановых минеральных добавок на
физико-механические свойства цементных композитов, таких
как цементный камень, раствор и тяжелый бетон
разработка широкой номенклатуры модифицированных
высокоподвижных бетонных смесей, способных стать
основой для высокоэффективных цементных композитов;
теоретическое обоснование и эмпирическое подтверждение
повышения комплекса эксплуатационных свойств (прочность
при
сжатии,
водопоглощение,
водонепроницаемость,
морозостойкость) разработанных бетонов; разработка
технологической схемы производства смеси для тяжелого
бетона.
Научной гипотезой стало предположение о том, что повышение связности высокоподвижной бетонной смеси и увеличение
комплекса физико-механических свойств тяжелого бетона, полученного из этой смеси, возможно обеспечить введением
полифункциональной добавки, состоящей из:
микродисперсного минерального тестообразующего компонента (доломита), способного выступать центрами кристаллизации,
уплотнять цементный композит вследствие закона подобия (химическое сродство, близость термодинамических характеристик,
близость коэффициентов температурного расширения) с клинкерными минералами;
дисперсной пуццолановой добавки (диатомит) способной снижать количество портландита;
органического компонента (поликарбоксилатный пластификатор) увеличивающего подвижность смеси.

4. Выбор и характеристика сырья

1. Цемент ООО «СЛК Цемент» г. Сухой лог
ЦЕМ I 42,5Б ГОСТ 31108-2020
• класс прочности – 42,5;
• нормальная густота цементного теста – 29,25 %;
• начало схватывания – 140 минут;
• конец схватывания – 225 минут;
• тонкость помола (остаток на сите № 009) – 1 %;
2. Суперпластификатор:
Реламикс ПК производства кампании ООО «Полипласт»
ρ, г/см3
pH
≥ 1,090
5-7
Содержание Содержание сухого
хлоридов, %
вещества, %
≤ 0,1
≥ 30
Граничная
дозировка, %
Оптимальная
дозировка, %
0,3 – 2,5
0,6 – 0,9

5.

3. Мелкий заполнитель:
• Песок 1 класса, добываемый в карьере «Кучино», г. Новосибирск.
Наименование
месторождения
Насыпная
плотность,
кг/м3
Модуль
крупности
Карьер «Кучино»
1550
2,2
Содержание Содержание
глинистых
глины в
примесей, % комках, %
1,5
0
4. Крупный заполнитель:
• Мраморизированный известняк, фракции 5-15 мм, добываемый на
месторождении «Шипуновское», Новосибирская область.
ρИст,
кг/м3
ρНас,
кг/м3
F,
циклов
Содержание
глинистых
примесей, %
Содержание
глины в
комках, %
Содержание
зерен лещадной
формы, %
Марка по
дробимости
2690
1370
200
Не более 1
0
12,9
1000

6.

5. Минеральные добавки:
• Мелкодисперсный доломит - ООО Завод минеральных порошков «Базис».
Содержание доли
суммы
СаСО3+MgCO3, %
Содержание доли Массовая доля Дисперсность,
MgCO3, %
Fe2O3, %
мкм
99,26
0,18
0,17
20; 40; 60
Мелкодисперсный диатомит - ООО «Производственная компания Квант».
Насыпная
плотность,
кг/м3
Массовая
доля SiO2,
%
Массовая
доля
Al2O3, %
Массовая
доля
Fe2O3, %
Дисперсность,
мкм
183
86,5
6,8
2,9
5

7. Влияние минеральных добавок на прочность цементных образцов что за образцы? Из чего?

Наименование фактора
Количество доломита,
мас. % от
портландцемента
Дисперсность
доломита, мкм
Количество диатомита,
мас. % от
портландцемента
Условное
обозначение
Уровень варьирования
факторов
-1
0
+1
Х1
3
Х2
20
Х3
4
6
40
8
9
60
12
№ состава
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
X1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
Матрица планирования
X2
X3
-1
-1
-1
0
-1
+1
0
-1
0
0
0
+1
+1
-1
+1
0
+1
+1
-1
-1
-1
0
-1
+1
0
-1
0
0
0
+1
+1
-1
+1
0
+1
+1
-1
-1
-1
0
-1
+1
0
-1
0
0
0
+1
+1
-1
+1
0
+1
+1

8. Результаты испытаний цементных образцов (1 сутки)

№ п/п
контрольный
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
Факторы варьирования
Отклики
Количество
Количество
Дисперсность
доломита, мас. %
диатомита, мас. % от
доломита, мкм
от цемента
цемента
Прочность при изгибе, Прочность при сжатии,
МПа
МПа
3
3
3
3
3
3
3
3
3
6
6
6
6
6
6
6
6
6
9
9
9
9
9
9
9
9
9
20
20
20
40
40
40
60
60
60
20
20
20
40
40
40
60
60
60
20
20
20
40
40
40
60
60
60
1 сутки
4
8
12
4
8
12
4
8
12
4
8
12
4
8
12
4
8
12
4
8
12
4
8
12
4
8
12
2,3
3,5
3,7
3,5
3,4
3,6
3,4
3,4
3,5
3,3
3,0
3,1
2,9
2,9
2,9
2,8
2,7
2,8
2,7
2,4
2,6
2,5
2,3
2,3
2,2
2,1
2,1
2,0
11,5
20,7
27,3
24,5
18,6
21,8
20,7
17,9
20,6
19,8
17,2
21,7
19,2
16,5
19,7
17,1
15,5
17,9
16,0
12,4
13,7
12,1
11,1
12,2
10,8
9,6
10,1
9,3

9. Результаты испытаний цементных образцов (3 сутки)

Факторы варьирования
№ п/п
контрольный
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
Количество
доломита, мас. %
от цемента
3
3
3
3
3
3
3
3
3
6
6
6
6
6
6
6
6
6
9
9
9
9
9
9
9
9
9
Дисперсность
доломита, мкм
20
20
20
40
40
40
60
60
60
20
20
20
40
40
40
60
60
60
20
20
20
40
40
40
60
60
60
Отклики
Количество диатомита, Прочность при изгибе,
мас. % от цемента
МПа
3 суток
4
8
12
4
8
12
4
8
12
4
8
12
4
8
12
4
8
12
4
8
12
4
8
12
4
8
12
3,6
4,5
5,6
5,1
4,3
5,0
4,8
4,1
4,7
4,6
4,0
4,7
4,5
3,8
4,6
3,9
3,6
4,1
3,7
3,5
3,6
3,4
3,1
3,4
3,0
2,9
3,1
2,9
Прочность при сжатии,
МПа
21,4
26,6
33,4
30,3
25,5
29,8
28,5
24,6
28,4
27,6
23,7
29,8
26,5
22,7
27,1
23,4
21,3
24,6
21,9
19,5
21,5
19,0
18,5
20,4
18,0
17,3
18,5
16,9

10. Результаты испытаний цементных образцов (7 сутки)

Факторы варьирования
№ п/п
Количество
доломита, мас. % от
цемента
Дисперсность
доломита, мкм
3
3
3
3
3
3
3
3
3
6
6
6
6
6
6
6
6
6
9
9
9
9
9
9
9
9
9
20
20
20
40
40
40
60
60
60
20
20
20
40
40
40
60
60
60
20
20
20
40
40
40
60
60
60
Отклики
Количество диатомита,
мас. % от цемента
Прочность при изгибе, Прочность при сжатии,
МПа
МПа
7 суток
контрольный
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
4
8
12
4
8
12
4
8
12
4
8
12
4
8
12
4
8
12
4
8
12
4
8
12
4
8
12
5,40
6,4
6,6
6,2
6,0
6,3
5,9
6,0
6,1
5,7
6,1
6,2
5,8
5,7
5,9
5,6
5,5
5,6
5,4
5,7
6,0
5,7
5,2
5,5
5,2
4,9
5,0
4,8
27,40
34,8
43,5
39,6
32,6
37,9
36,3
32,0
36,1
34,8
30,1
38,0
33,7
29,0
34,5
29,8
27,5
31,4
27,9
24,8
27,4
24,1
23,5
26,0
23,0
22,1
23,6
21,5

11. Результаты испытаний цементных образцов (28 сутки)

№ п/п
контрольный
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
Факторы варьирования
Количество
Дисперсность Количество
доломита,
доломита, диатомита, мас.
мас. % от
мкм
% от цемента
цемента
28 суток
3
20
4
3
20
8
3
20
12
3
40
4
3
40
8
3
40
12
3
60
4
3
60
8
3
60
12
6
20
4
6
20
8
6
20
12
6
40
4
6
40
8
6
40
12
6
60
4
6
60
8
6
60
12
9
20
4
9
20
8
9
20
12
9
40
4
9
40
8
9
40
12
9
60
4
9
60
8
9
60
12
Отклики
Прочность при изгибе,
МПа
Прочность при сжатии,
МПа
7,8
8,8
9,1
8,7
8,6
8,9
8,4
8,5
8,8
8,2
8,7
8,8
8,3
8,2
8,4
7,9
7,9
8,0
7,7
8,1
8,6
8,2
7,5
7,8
7,5
7,1
7,2
6,9
39,2
48,3
60,8
55,1
46,3
54,2
51,8
44,5
51,6
49,7
43,1
54,3
48,1
41,3
49,2
42,5
38,7
44,8
39,9
35,4
39,2
34,5
33,6
37,1
32,8
31,5
33,6
33,7

12. Математическая обработка результатов испытаний цементных образцов

Первые сутки твердения
Изгиб
Сжатие

13.

Третьи сутки твердения
Изгиб
Сжатие

14.

Седьмые сутки твердения
Изгиб
Сжатие

15.

Двадцать восьмые сутки твердения
Изгиб
Сжатие

16. Определение оптимальной дозировки СП

Расход материалов, кг
№
п/п
0
1
2
3
4
5
В/Ц
ПЦ
Песок Щебень Вода
470
470
470
470
470
470
790
790
790
790
790
790
980
980
980
980
980
980
228
165
165
159
149
147
СП,
% от
ПЦ
0
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
Прочность при
сжатии бетона,
твердевшего в
нормальных
РК, см условиях, МПа,
в течение
1
сут
3
сут
28
сут
0,49 ОК=21 27,5 42,3 53,9
0,35
57
48,5 61,1 70,2
0,35
69
48,1 58,3 72,2
0,34
64
44,6 72,3 75,7
0,31
65
43,9 71,7 74,0
0,31
68
32,0 67,5 69,4

17. Апробация разработанной упрочняющей добавки на самоуплотняющихся бетонных смесях

Состав самоуплотняющейся тяжелой бетонной смеси
Компонент
Портландцемент (ЦЕМI 42,5Б)
Песок (Мк = 2,2)
Щебень (фр. 5-15 мм)
Суперпластификатор «Реламикс ПК»
Доломит (20 мкм)
Диатомит (5 мкм)
Вода
Содержание компонентов, масс. %
19,1
32,2
39,9
0,2
0,6
1,5
6,5
Состав самоуплотняющейся мелкозернистой бетонной смеси
Компонент
Портландцемент (ЦЕМI 42,5Б)
Песок (Мк = 2,2)
Суперпластификатор «Реламикс ПК»
Доломит (20 мкм)
Диатомит (5 мкм)
Вода
Содержание компонентов, масс. %
21,2
63,7
0,2
0,6
1,7
12,5

18. Результаты испытаний тяжелого и мелкозернистого бетона

Тяжелый бетон
Показатель
Расплыв конуса, мм
Прочность при сжатии в
возрасте, 1 сут., МПа
Прочность при сжатии в
возрасте, 3 сут., МПа
Прочность при сжатии в
возрасте, 7 сут., МПа
Прочность при сжатии в
возрасте, 28 сут., МПа
Состав
Контрольный
Модифицированный
320
740
27,0
53,7
42,3
62,5
49,6
75,4
53,9
91,6
Мелкозернистый бетон
Показатель
Расплыв конуса, мм
Прочность при сжатии в
возрасте, 1 сут., МПа
Прочность при сжатии в
возрасте, 3 сут., МПа
Прочность при сжатии в
возрасте, 7 сут., МПа
Прочность при сжатии в
возрасте, 28 сут., МПа
Состав
Контрольный
Модифицированный
410
700
20,9
39,0
36,6
51,8
45,3
64,4
49,9
83,1

19. Результаты и заключение

Результаты испытаний цементных образцов
70
60
50
40
30
20
10
0
Контрольный
Модифицированный
Нужно сделать 2 рисунка.
Отдельно изгиб и отдельно
сжатие. И в таблице тоже так не
делают, нужно столбик по изгибу
и столбик по сжатию
Значения процентов увеличения прочности цементных образцов
Состав
Характеристика
Контрольный
Модифицированный
Прочность на первые
Изгиб
2,3
3,7
сутки, МПа
Сжатие
11,5
27,3
Прочность на третьи
Изгиб
3,6
5,6
сутки, МПа
Сжатие
21,4
33,4
Прочность на седьмые
Изгиб
5,4
6,6
сутки, МПа
Сжатие
27,4
43,5
Прочность на двадцать
Изгиб
7,8
9,1
восьмые сутки,МПа
Сжатие
39,2
60,8
Процент упрочнения
60,9
137,4
55,6
56,1
22,2
58,8
16,7
55,1

20.

Результаты испытаний тяжелого
бетона
100
80
60
Контрольный
40
Модифицированный
20
0
1 сутки
3 сутки
7 сутки
28 сутки
Чтобы слайды читались – шрифт
ВЕЗДЕ должен быть не менее 16
Значения процентов увеличения прочности тяжелого бетона
Прочность при сжатии, МПа Состав
Характеристика
Контрольный
Модифицированный
Процент упрочнения
состав
состав
Прочность при сжатии на
27,0
53,7
98,9
первые сутки, МПа
Прочность при сжатии на
42,3
62,5
47,8
третьи сутки, МПа
Прочность при сжатии на
49,6
75,4
52
седьмые сутки, МПа
Прочность при сжатии на
53,9
91,6
69,9
двадцать восьмые сутки, МПа

21.

Результаты испытаний
мелкозернистого бетона
100
80
60
Контрольный
40
Модифицированный
20
0
1 сутки
3 сутки
7 сутки 28 сутки
Значения процентов увеличения прочности мелкозернистого бетона
Состав
Характеристика
Модифицированны
Процент упрочнения
Контрольный
й
Прочность при сжатии на
20,9
39,0
86,6
первые сутки, МПа
Прочность при сжатии на
36,6
51,8
41,5
третьи сутки, МПа
Прочность при сжатии на
45,3
64,4
42,2
седьмые сутки, МПа
Прочность при сжатии на
49,9
83,1
66,5
двадцать восьмые сутки, МПа

22.

Где выводы?