Использование сульфатно-содовой смеси в качестве ускорителя твердения в технологии тяжелого бетона

УДК 691.33

Р. А. Ибрагимов, В. С. Изотов, Р. Х. Хузиахметов

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СУЛЬФАТНО-СОДОВОЙ СМЕСИ

В КАЧЕСТВЕ УСКОРИТЕЛЯ ТВЕРДЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ ТЯЖЕЛОГО БЕТОНА

Ключевые слова: тяжелый бетон, сульфатно-содовая смесь, ускоритель твердения, прочность бетона, тепловыделение,

контракция.

Представлены результаты исследования влияния сульфатно-содовой смеси (ССС), являющейся отходом производства глинозема, на основные физико-химические свойства тяжелого бетона. Показано, что применение ССС в составе комплексной добавки совместно с пластификатором позволяет повысить скорость твердения, а также марочную прочность бетона.

Keywords: The keywords: heavy-aggregate concrete, sulfate- soda mixture, hardener, the strength of concrete, heat emission, the contraction.

Are represented the results of investigating the influence of the sulfate- soda mixture (SS^), which is appeared by production waste of alumina, on the basic physical chemistry properties of heavy-aggregate concrete. It is shown that the application оf SSS in the composition of complex additive together with the plasticizer makes it possible to increase the speed of hardening, and also the stamp strength of concrete.

Введение

Получение высокопрочных бетонов, обладающих высокими темпами твердения, невозможно без применения модификаторов-ускорителей различной химической основы. В настоящее время известно большое количество применяемых для этих целей добавок: СаС12, N82804 и др. Однако в большинстве случаев производители химических добавок скрывают или предоставляют не полную информацию об их составе [1]. Это в значительной степени затрудняет проведение исследований, т.к. при выборе ускорителей твердения необходимо учитывать побочное действие добавок, оказывающих влияние на арматуру, закладные детали и бетон. Так, например, в случае присутствия в ускорителях различных хлоридов (СаС12, №С!) возможна значительная коррозия стальной арматуры. Не допускается использование хлоридсодержащих ускорителей в конструкциях с тонкой и предварительно напряженной арматурой [2-5].

Перспективным является применение в технологии бетона в качестве модификаторов различных дешевых отходов производств. Одним из таких модификаторов является сульфатно-содовая смесь -ССС (№2804+№2С03+примеси) - отход производства глинозема (А1203) из боксита комбинированным способом. При этом в результате взаимодействия примеси серы исходного боксита часть добавляемой соды переходит в №2804, а на последующих стадиях переработки (выщелачивание, фильтрация и т.д.) образуется ССС, содержащая также некоторое количество глинозема.

Целью данной работы является разработка рецептуры комплексной добавки на основе ССС и оценка основных физико-химических свойств бетонов, полученных путем затворения портландцемента с предлагаемой добавкой.

Экспериментальная часть

В работе использовали портландцемент марки ПЦ400-Д20 Ульяновского и Вольского це-

ментных заводов: C3S - 57 и 54 %, C2S - 21 и 20 %, C3A - 4,6 и 11 %, C4AF - 14 и 12 %, соответственно.

Для приготовления бетонной смеси производственного состава использовали также обогащенный песок Камского месторождения - ПКам (модуль крупности 2,7) и щебень из гравия Камского месторождения (ЩКам) с размерами 5-20мм.

В качестве ускорителей твердения использовали известные модификаторы различных марок и производителей: Al2(SO4)3 (СА), Na2SO4 (СН), «Rapid» (Австрия, компания «Sika»), «Мобет-1» (ООО «Бийскхимстройматериалы»). Предлагаемая в качестве альтернативной добавки сульфатно-содовая смесь Богословского алюминиевого завода (г. Краснотурьинск Свердловской обл.) имела следующий химический состав: Na2SO4 - 69,6%, Na2CO3 - 21%, Al2O3 -1,9%, H2O - остальное. На ее основе было получена также комплексная добавка (КД) путем смешения с карбоксилатным полиэфиром (марка «Одолит-К»). Комплексную добавку вводили в бетонную смесь с водой затворения (Мкд = 2,5-3,5% от массы цемента). При этом воду добавляли до достижения подвижности класса П2 по ГОСТ 7473-94 (в контрольном опыте соотношение «вода:цемент = 0,46 мас, при введении КД - «во-да:цемент = 0,33 мас.).

Из бетонных смесей изготавливали стандартные образцы - кубы (10х10х10 см). Прочность образцов бетонов определяли в возрасте 1-28 сут. в соответствии с ГОСТ 30459-2008 [6]. Эффективность комплексной добавки оценивали в соответствии с ГОСТ 30459-2008 [7] по повышению прочности бетона в возрасте 1 сут. Кроме того определяли также физико-химические свойства бетонов (нормальная густота, срок схватывания, тепловыделение). Контракцию цемента (уменьшение абсолютного объема цементного материала в результате его гидратации) оценивали с помощью контракциометрического тестера активности цемента «Цемент-прогноз» (масса цемента - 800 г) по методике [8].

Обсуждение результатов

На первом этапе определяли влияние исследуемых добавок на нормальную густоту и сроки схватывания цементного теста. В опытах с Вольским портландцементом было установлено, что в присутствии добавок сроки схватывания значительно уменьшаются (начало схватывания - на 70-110 мин, конец схватывания - на 140-230 мин). При этом по эффективности влияния на начало схватывания добавки располагаются в следующей последовательности:

СА > «Мобет-1» > «Rapid» > ССС > СН. По эффективности влияния на конец схватывания они располагаются в несколько иной последовательности:

СА > «Rapid» > «Мобет-1» > ССС > СН. В случае с портландцементом Ульяновского завода получены практически аналогичные результаты: уменьшение начало схватывания - на 60-100 мин, конца схватывания - на 145-230 мин. По эффективности влияния на сроки схватывания результаты также идентичны.

В дальнейших опытах исследовали влияние известных добавок модификаторов на скорость твердения тяжелого бетона производственного состава ПЦ:ПКам:Щкам = 1:1,33:2,52 мас. (табл. 1).

Таблица 1 - Кинетика твердения бетона на основе Вольского портландцемента с различными добавками-ускорителями

Добавка Прочность бетона при сжатии

в возрасте, сут:

Вид масса, % 1 3 7 28

7,5 18,1 29,4 36,8

1.5 8,2 19,5 30 36,8

«Мобет-1»

2 8,4 19,7 30 36,8

1.5 10,1 21,8 33,8 37,5

СН

2 10,5 24,4 37,0 37,5

1.5 10,2 19,3 30,6 37,2

СА

2 10,8 19,5 30,6 37,2

1.5 9,9 22,4 33,8 41,2

«Rapid»

2 10,7 24,9 38,2 41,2

1.5 10,2 20,6 33,2 40,1

ССС

2 10,4 21,5 34,5 40,5

В соответствии с методикой оценки эффективности [7], добавки-ускорители твердения должны обеспечивать повышение прочности бетона на 30% и более в возрасте 1 суток нормального твердения. Как видно из табл. 1, этим условиям не удовлетворяет лишь добавка «Мобет-1». Наиболее эффективным ускорителем в первые сутки твердения является А12(804)3 (повышение прочности бетона в

возрасте 1 сут составляет +44%), однако при этом марочная прочность бетона практически не отличается от контрольного образца. Добавка «Rapid» является наиболее эффективным ускорителем в первые 7 суток твердения бетона, кроме того при этом существенно возрастает и марочная прочность (+12%). Однако он является весьма дорогим импортным модификатором.

Сульфатно-содовая смесь также может использоваться в качестве ускорителя твердения, при этом марочная прочность бетона соизмерима с действием модификатора «Rapid» (прибавка +10 %).

В дальнейших опытах с целью увеличения марочной прочности бетона ССС использовали в составе комплексной добавки с карбоксилатным полиэфиром марки «Одолит-К» (табл. 2).

Таблица 2 - Кинетика твердения бетона с предложенной КД

Массовое отношение «ССС: Мкд, % Рср, кг/м3 Прочность бетона при сжатии (МПа) в возрасте, сут:

Одолит К» 1 3 7 28

2370 7,8 18,6 30,4 38,9

0:100 1,0 2450 8,6 22.1 38,1 52,1

20:80 2,5 2475 13,2 29,9 46,2 56,4

40:60 3,5 2475 13,7 30,9 47,1 57,9

60:40 2,5 2475 14,7

80:20 2,5 2475 15,3 33,7 51,4 62,6

100:0 2,0 2370 11,3 24,2 36,2 43,2

Как видно из табл. 2, карбоксилатный полиэфир марки «Одолит-К» является не только ускорителем твердения бетона (повышение прочности в возрасте 1 сут составляет +10%), но одновременно способствует повышению марочной прочности (+34%). В смеси с ССС его эффективность возрастает в 2-3 раза: в первые сутки твердения повышение прочности составляет +70-96%, при этом значительно увеличивается и марочная прочность (+60%).

Возможность использования тех или иных добавок в качестве ускорителей твердения можно оценивать также экспресс-методом по количеству тепловыделения с использованием измерительного комплекса «Термохрон» (методом термосной калориметрии) (рис. 1, 2).

Как видно из рис. 1, в случае гидратации Ульяновского портландцемента минимальное время достижения максимальной температуры (650С за 8 час) наблюдается в присутствии Al2(SO4)3. Эффективность добавки «Rapid» также высокая, однако скорость достижения максимальной температуры значительно ниже. Добавка чистой сульфатно-содовой смеси при этом лишь незначительно превышает температуру в контрольном образце, что согласуется с данными опытов по оценке прочности.

20 _ „40 „„

X гидратации, час

Рис. 1 - Тепловыделение при гидратации Ульяновского портландцемента: 1 - контроль; 2 -Na2SO4; 3 - A^SO^; 4 - «Rapid»; 5 - ССС

В опытах с Вольским портландцементом (рис. 2) Al2(SO4)3. также показывает максимальное ускорение гидратации, однако при этом максимальная температура наблюдается в присутствии добавок Na2SO4 и «Rapid». Добавка ССС в данном случае оказывает лишь незначительный эффект. L 4

Т гидратации, час

Рис. 2 - Тепловыделение при гидратации Вольского портландцемента: 1 - контроль; 2 -Na2SO4; 3 - Al2(SO4)3; 4 - «Rapid»; 5 - ССС

Для оценки качества портландцемента и получаемых на их основе бетонов одним из наиболее важных показателей является также величина контракции. Данные о величине удельной контракции цемента (контракция 1 г цемента к требуемому времени) необходимо иметь к тем срокам, к которым оцениваются (или прогнозируются) физико-механические свойства бетона с целью определения класса бетона на сжатие. Значения контракции исследуемых цементов с известными ускорителями твердения, а также предлагаемой добавкой ССС представлены на рис. 3 и 4.

Т ,час 4

Рис. 3 - Контракция цементного теста на Ульяновском портландцементе: 1 - контроль; 2 -Na2SO4; 3 - Afe(SO4b; 4 - «Rapid»; 5 - ССС

Известно, что контракция за 3 часа для различных цементов колеблется в значительных пределах (1-2,8 см3/1000 г) [8]. Такой разброс обусловлен

множеством факторов, среди которых основными являются уменьшение активности цемента в результате хранения, применение ПАВ, а также значительным колебанием содержания в клинкере алюмосо-держащих минералов (С3А). Указывается также, что для Ульяновского портландцемента (С3А=11%) величина контракции составляет V и 1,1 см3/1000 г, а для портландцементов большинства других производителей V» 1,3 см3/1000 г. Учитывая это, следует ожидать, что в Вольском цементе (С3А = 4,6%), величина контракции будет несколько ниже.

Рис. 4 - Контракция цементного теста на Вольском портландцементе: 1 - контроль; 2 - Na2SO4; 3 - Al2(SO4)3; 4 - «Rapid»; 5 - ССС

Как видно из рис. 4, данные предположения практически подтверждаются (величина контракции за 3 часа для Ульяновского и Вольского цементов составляют 2,1 см3/1000 г 1,2 см3/1000 г, соответственно). При этом на Ульяновском портландцементе наибольшая контракция цементного теста достигается с добавкой Al2(SO4)3, в случае Вольского портландцемента - с добавкой «Rapid». При этом предлагаемая добавка сульфатно-содовой смеси влияет на контракцию лишь Ульяновского цемента. Для исследуемых портландцементов величины контракции удовлетворительно коррелируют с данными по тепловыделению.

Выводы

Таким образом, на основе выполненных исследований можно сделать следующие выводы:

- показано, что исследуемые новые добавки, (за исключением «Мобет-1»), могут быть рекомендованы для увеличения прочностных характеристик бетонов в различных вариантах: ускорение ранней прочности, повышение прочности после тепло-влажностной обработки, получение равнопрочных бетонов с уменьшенным расходом цемента и т. д. («Мобет-1» может применяться в качестве ускорителя твердения ремонтных составов);

- показано, что эффективность добавок на портландцементе одной и той же марки (ПЦ400-Д20), выпускаемом различными предприятиями, различна и определяется, вероятно, количеством C3A;

- тепловыделение цементного теста с ускорителями твердения характеризуется существенным повышением температуры гидратации (+15-20°С), кроме того при этом температурный максимум достигается значительно быстрее (на 5-9 час раньше по сравнению с контролем);

- данные по величине контракции для указанных цементов удовлетворительно коррелируют с данными по тепловыделению;

- показано, что сульфатно-содовая смесь оказывает на скорость твердения исследуемых цементов лишь незначительное влияние;

- установлено, что комплексная добавка на основе указанной сульфатно-содовой смеси (совместно с карбоксилатным полиэфиром марки «Одолит-К») эффективно ускоряет набор прочности бетона во все сроки твердения.

Литература

1. В.С.Изотов, Ю.А.Соколова. Химические добавки для модификации бетона. «Палеотип», Москва, 2006. 244 с.

2. В.С.Изотов, Р.А.Ибрагимов, Строит. материалы, 3, 35-37, (2010).

3. Р.А.Ибрагимов, В.С. Изотов, С.И. Пименов. Инж.-строит. журнал, 54, 2, 63-69, (2015).

4. М.Г. Габидуллин и др., Вестник Казан. технол. ун-та, 17, 1, 70-74, (2014).

5. Р.А.Ибрагимов, Л.И. Киямова, Вестник Казан. технол. ун-та, 18, 5, 7173, (2015).

6. ГОСТ 18105-86. Цементы. Испытание на прочность.

7. ГОСТ 30459-2008. Добавки для бетонов. Методы определения эффективности.

8. МИ 2486-98. Рекомендация. Контракция цементных материалов. Методика измерения и прогнозирования на контракциометре КД-07.

© Р. А. Ибрагимов - канд. техн. наук, доц. каф. технология, организация и механизация строительства КГАСУ, rusmag007@yandex.ru; В. С. Изотов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. технология, организация и механизация строительства КГАСУ, v_s_izotov@mail.ru; Р. Х. Хузиахметов - канд. хим. наук, доц. каф. технологии неорганических веществ и материалов КНИТУ, gafiat2013@mail.ru.

© R. A. Ibragimov, Cand. Techn. Scien., Associate Professor, Department of department technology, organization and the mechanization of building, Kazan state architectural and construction university, rusmag007@yandex.ru; V. S. Izotov, Doctor techn. scien., professor, chairman of department technology, organization and the mechanization of building, Kazan state architectural and construction university, v_s_izotov@mail.ru; R. Kh. Khuziakhmetov, Сand. chem. scien., Associate Professor, Department of technology of inorganic substances and materials, Kazan state technological university, gafiat2013@mail.ru.