Эффективность пластифицирующих добавок в самоуплотняющихся растворных смесях

УДК 662.61

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПЛАСТИФИЦИРУЮЩИХ ДОБАВОК В САМОУПЛОТНЯЮЩИХСЯ РАСТВОРНЫХ СМЕСЯХ

СЛ. Горбунов, Ю.Б. Федоров, Б.Я. Трофимов, Е.А. Гамалий

В работе приведены результаты экспериментальных исследований по оценке влияния пластифицирующих добавок нового поколения и тонкодисперсных минеральных добавок на реологические характеристики паст вяжущего и растворных смесей и формирование структуры цементного камня и раствора. Получены адекватные математические зависимости технических характеристик цементных систем от дозировок добавок пластификаторов и золы -унос при переменных значениях водоцементного отношения.

Самоуплотняющимися бетонными смесями считают такие, которые могут быть уложены и уплотнены под действием силы тяжести (или с мальм силовым внешним вибрационным воздействием). Такие смеси обладают достаточной связующей способностью, исключающей водо- и раствороотделе-ние. Самоуплотняющиеся бетонные смеси содержат в своем составе повышенное количество цементного теста и изначально предназначались для строительства в сейсмоопасных районах Японии. В настоящее время самоуплотняющиеся бетонные смеси широко используются в Европе для изготовления железобетонных конструкций широкой номенклатуры, реализуя при этом следующие принципы:

• исключение вибрации в процессе бетонирования железобетонных конструкций;

• улучшение условий труда при исключении вибрации и шума при производстве строительных работ;

• повышение качества бетонирования густо-армированных конструкций;

• повышение качества поверхности бетона и возможность создания любого фантастического рельефа.

Самоуплотняющиеся бетонные смеси должны обладать высокой текучестью, что теоретически можно обеспечить регулированием вязкости теста вяжущего либо за счет его химизации, либо за счет увеличения воды затворения. В последнем случае цементные системы не в состоянии сохранять связующую способность во время производственного процесса. Из этого следует, что при проектировании состава самоуплотняющегося бетона особое внимание следует уделять определению оптимального соотношения его компонентов с позиций создания максимально плотных, но текучих, упаковок дисперсных систем. Это предполагает реализацию следующих принципов:

• оптимизацию соотношения тонкодисперсных частиц и создания на этой основе высокопла-

стичного и связного теста вяжущего (включающего в свой состав вяжущее - цемент и его модификации, минеральные тонкомолотые активные (или инертные) компоненты, мелкие фракции инертных заполнителей бетона;

• оптимизацию соотношения крупною и мелкого заполнителей при увеличенной доле последнего (как для кассетной технологии сборного железобетона).

При этом следует помнить, что увеличение доли цементно-песчаного раствора в составе бетона, как правило, приводит к увеличению его усадки и ползучести.

Настоящая работа содержит результаты исследований влияния вида тонкодисперсных минеральных добавок и типа пластификатора на реологические характеристики цементно-песчаного раствора.

В качестве вяжущего в экспериментах использовался портландцемент ПЦ 400 Д20 производства ЗАО «Невьянский цементник», в котором в качестве активной минеральной добавки используется гранулированный доменный шлак в количестве 13,5-15,0 %.

Нормальная густота цемента находится в пределах 25,0-25,5 %, активность цемента в 3 и 28 суток нормального твердения характеризуется значениями предела прочности на сжатие цементно-песчаного раствора стандартной консистенции 23,2-24,0 и 40,9-41,6 МПа соответственно.

Зола-унос Рефтинской ГРЭС от сжигания экибастузского угля - тонкодисперсный материал, образующийся из минеральной части твердого топлива, сжигаемого в пылевидном состоянии и улавливаемый золоулавливающими устройствами из дымовых газов тепловой электростанции. Зола-унос удовлетворяет требованиям ГОСТ 25818, 8779 и ТУ 57-1800-00107590-98. Удельная поверхность продукта по данным партионных испытаний производителя за 2003 год составляет величину 2850-3660 см2/г. В экспериментах использо-

валась зола из партии с величиной удельной поверхности 3060 см2/г.

По данным термогравиметрического анализа потери при прокаливании пробы золы составили 1,5% в интервале температур 580-810 °С. Плотность золы-уноса по данным пикнометрического анализа составила 1,95-2,03 г/см3.

Микрокремнезем конденсированный представляет собой ультрадисперсный материал, состоящий из частиц преимущественно сферической формы, полученных в процессе газоочистки печей при производстве кремнийсодержащих сплавов. В работе использовался микрокремнезем марки МК 65 производства ЗАО «ЧЭМК», химический состав партии которого представлен содержанием следующих оксидов: Si02 - 72,3 %, CaO - 0,24 %, MgO - 6,89 %, А120з - 0,60.

В качестве пластифицирующих добавок в работе использовались суперпластификатор С-3 производства АО «Полимерпласт» (г. Первоуральск) и добавка суперпластификатора нового поколения ADDIMENT FM 40 на поликарбоксилатэфирном основании фирмы ADDIMENT Sika (Германия).

Заполнителем в составе цементно-песчаного раствора использовался кварцевый песок с модулем крупности 2,3-2,5, содержание в котором пылеватых, глинистых и илистых частиц не превышало 1,0 % при полном отсутствии глины в комках.

Результаты исследований

Анализ дисперсности тонких фракций вяжущего (цемент + тонкодисперсные минеральные добавки) проводился двумя независимыми методами: лазерным анализатором частиц и ситовым анализом.

Распределение частиц по размерам в порошках определялось лазерным анализатором частиц «Micro Sizer 201» с использованием оригинального программного обеспечения.

Результаты анализа соответствия дисперсности частиц пробы значениям их весовой доли приведены в табл. 1.

Ситовой анализ заключался в определении полного остатка на ситах с размерами ячеек 80 и 24 мкм соответственно. Полученные результаты полностью коррелируют с данными лазерного анализа.

Полученные результаты показывают, что дисперсность цемента и золы практически одинакова, однако водопотребность этих материалов

существенно отличается. Так, анализ вязкости паст цемента и золы по методике определения нормальной густоты цемента показала, что водотвердое отношение теста из золы-уноса составляет величину 0,34-0,36, на 30 % превышая показатель цементного теста.

Причиной повышенной водопотребности золы, вероятнее всего, является повышенная дефектность частиц золы с наличием трещин, по-глощаюоих часть воды затворения в своем объеме, а также наличие среди частиц полых сфер, имеющих средний размер в пределах 100 мкм.

Использование порошков, дисперсность которых находится в широком интервале значений, позволяет предполагать возможность оптимизации гранулометрического состава тонкодисперсной фракции цементных систем с позиций создания максимальной плотности упаковок на микроуровне. При этом законы создания плотных упаковок должны учитывать влияние поверхностных явлений дисперсных систем, которые, в силу наличия заряда поверхности, могут препятствовать сближению частиц.

Тонкомолотые компоненты бетонной смеси и пластифицирующие добавки позволяют регулировать пластические характеристики теста вяжущего, создавая возможность пластического течения систем под действием силы тяжести. В то же время следует помнить, что как состав вяжущего, так, и в большей степени, тип пластифицирующей добавки оказывают влияние на кинетику гидратации минералов портландцементного клинкера, предопределяя тем самым скорость формирования структуры камнеподобного тела и ее параметров (пористость, состав и стабильность гидратных фаз, склонность к старению и трещинообразованию).

Известно [1], что повышенная дозировка С-3 отрицательно влияет на кинетику гидратации, замедляя процессы гидратообразования на ранних стадиях твердения цементных систем. Проектирование самоуплотняющихся бетонных смесей предполагает использование повышенного количества пластификатора, дозировка которого превышает рекомендуемые значения для производства монолитного бетонирования или индустриального изготовления железобетонных конструкций.

Задачей настоящей работы являлось изучение влияния ряда варьируемых факторов на реологические характеристики цементных систем и прочностных параметров цементно-песчаного раствора.

Предварительно были проведены эксперимен-

Таблица1

Соответствие размеров частиц

Вид порошка Размеры частиц D, мкм

ПЦ400 Д20 3,12 7,61 13,5 20,6 27,9 35,2 43,8 55,5 76,9 114

Зола-унос 3,91 9,35 15,4 22,3 29,6 37,0 45,3 56,3 75,0 260

Микрокремнезем 0,66 1,32 2,13 3,31 4,40 5,74 8,67 13,10 25,9 100

Р,% 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

ты по оценке влияния добавок С-3 и БМ 40 на нормальную густоту и сроки схватывания цементного теста. Полученные результаты приведены на рис. 1.

Эффект самоуплотнения на цементно-песчаной смеси выражен не столь явно. Практически заметное деформирование смеси (см. рис. 2) под дейст-

9 и

Т, час

дозировка добавки пластификатора, %

а)

0.5 1.0 1.5

дозировка добавки пластификатора, %

б)

Рис. 1. Влияние пластифицирующих добавок на а) нормальную густоту и б) сроки схватывания цементного теста на ПЦ 400 Д 20:1 - добавка РМ 40, 2 - добавка С-3

Добавка на поликарбоксилатэфирном основании обладает повышенным пластифицирующим эффектом, сужая интервал между временем начала и окончания схватывания цементных систем.

Эффективность действия добавки БМ 40 оценивалась на цементно-песчаной растворной смеси состава 1:2 при соотношении в вяжущем цемент: зола как 1:1. Способ контроля текучести -измерение диаметра расплыва смеси на встряхивающем столике до и после вибрационного воздействия по методике ГОСТ 310.4. Результаты испытания приведены на рис. 2.

дозировка добавки РМ 40

Рис. 2. Влияние дозировки добавки ЯМ 40 на текучесть цементно-песчаного раствора: 1 - под действием силы тяжести; 2 - после 30-кратного встряхивания

Повышение дозировки РМ 40 приводит в процессе вибрационного воздействия к резкому уплотнению растворной смеси с увеличивающимся водоотделением в последующие 10-15 минут после формования контрольных образцов.

вне силы тяжести наблюдается при дозировке добавки свыше 1,5%, то есть когда эффективность тиксотропного разжижения максимальна. Превышение дозировки РМ 40 сверх 2,5 % незначительно увеличивает пластификацию растворной смеси с уже указанными выше негативными явлениями и, по-видимому, является как технологически, так и экономически нецелесообразным.

Эффект самоуплотнения растворной смеси с применением С-3 не наблюдался в выбранном интервале изменения дозировки добавки (до 2 %).

Для решения задач интерполяционного типа в работе использовался метод математического планирования эксперимента, позволяющий получать адекватные математические модели, проводить анализ влияния выбранных в эксперименте факторов на целевую функцию отклика внутри выбранного факторного пространства.

В качестве варьируемых факторов в работе использовались:

• доля золы в составе вяжущего;

• величина водовяжущего отношения (включая в состав вяжущего цемент и золу);

• дозировка пластифицирующих добавок (отдельно С-3 и РМ 40).

Результатом реализации ненасыщенных планов Хартли явились адекватные математические зависимости целевых функций от варьируемых факторов в виде отрезков степенных рядов второй степени, коэффициенты которых приведены в табл. 2.

Адекватность математических моделей проверялась по критерию Фишера, расчетное значение которого не должно превышать табличное значение Рт=4,68 при уровне значимости а=0,05.

В ходе проведения эксперимента контроли-

Таблица 2

Коэффициенты целевых функций отклика эксперимента

Показатель Коэффициенты математической модели

Во в, вг В3 Ви Вн Віз В22 Вгз Взз

Добавка С-3 Диаметр расплыва, мм 280,10 -12,25 49,35 47,80 11,24 24,50 -16,87 -33,25 5,37 -21,50 0,89

Прочность на сжатие, МПа 24,78 -4,80 -1,79 -4,97 -0,07 -1,35 1,275 1,07 0,049 -0,59 1,08

Прочность на изгиб, МПа 5,72 -0,21 -0,47 -0,81 -0,75 -0,07 0,05 -0,28 -0,40 0,30 0,39

^изг^сж 0,22 0,031 -0,003 0,008 -0,026 0,012 -0,001 -0,018 -0,012 0,024 3,26

Добавка РМ 40 Диаметр расплыва, мм 319,99 -16,65 38,95 56,50 -54,86 -5,81 5,06 -38,36 11,19 -11,61 4,13

Прочность на сжатие, МПа 18,31 -5,37 0,90 -2,54 0,14 -0,05 -0,83 1,99 -1,69 1,99 0,10

Прочность на изгиб, МПа 4,45 -1,04 -0,19 -0,87 0,05 0,55 -0,15 0,54 0,24 0,36 1,03

К-ЯЗг/^сж 0,24 -0,13 -0,21 -0,01 -0,01 0,05 -0,03 - 0,02 -0,01 0,77

ровались диаметр расплыва конуса цементно-пес-чаного раствора; пределы прочности при сжатии и на растяжение при изгибе на образцах балках 40x40x300 мм, показатели пористости раствора по кинетике водопоглощения.

Следует отметить, что при планировании и реализации экспериментов назначение воды за-творения и количества вводимых пластифицирующих добавок назначалось от массы вяжущего, включающего в свой состав цемент и тонкомолотые добавки.

Некоторые результаты проведенных исследований приведены на рис. 3,4.

Пластифицирующий эффект добавок С-3 и БМ 40 при их небольших дозировках (до 0,6 %) практически одинаков. При этом не наблюдается эффект самоуплотнения. По мере повышения дозировки добавок эффект пластификации возрастает, имея максимум в пределах выбранного факторного пространства.

Влияние добавки золы на пластифицирующий эффект напрямую зависит от вида органической добавки.

При использовании пластификатора С-3 (рис. За) увеличении дозировки золы Рефтинской 1ТЭС приводит к возрастанию вязкости смеси.

Литературные данные о влиянии золы-уноса на реологию цементных систем неоднозначны. Считается [2], что зола, несмотря на ее большую, чем у цемента, водопотребность, пластифицирует цементное тесто и бетонные смеси. Данные авторов [3] подтверждают вышесказанное, но только для диапазона дозировки золы до 12-15 %, превышение которого приводит к резкому повышению вязкости цементных систем. По-ввдимому, оценка влияния золы на реологические характеристики цементных систем, учитывала не все значимые факторы, либо значимость их различных комбинаций.

Дополнительными исследованиями было ус-

тановлено, что зола-унос Рефтинской ГРЭ с удельной поверхностью 3060 см2/г обратно пропорционально влияет на пластическую прочность цементного теста. Так, например, при водовяжущем отношении 0,32 зависимость пластической прочности теста от дозировки золы (ДЗ) описывается выражением 11пл=6,42-1,048дз. И только при высокой дозировке С-3 (1,2 %) негативное влияние золы на реологические параметры цементных систем менее выражено.

В случае использования добавки БМ 40 (рис. 3) увеличение дозировки золы до 25 % приводит к пластификации растворной смеси при любых количествах пластификатора. Причиной этого, вероятно, можно считать особенности адсорбции РМ 40 на дисперсных носителях. Зола имеет повышенную, против цемента, адсорбционную емкость. Это подтверждается как повышением нормальной густоты цементных систем в присутствии золы, так и прямым измерением снижения концентрации водного раствора пластификатора при его контакте с минеральным дисперсным компонентом.

При увеличении дозировки золы сверх 25 % пластичность цементно-песчаного раствора снижается со скоростью, обратно пропорциональной дозировке РМ 40.

Добавка золы снижает прочность цементных систем при нормальных условиях твердения в любом возрасте твердения.

Влияние пластифицирующих добавок на этот процесс проявляется в большей степени в ранние сроки твердения. Системы с применением РМ 40 при равном водовяжущем отношении и дозировке золы имеют прочность, на 10-12 % большую, чем при использовании С-3. С увеличением времени твердения прочности при сжатии систем практически выравниваются, однако при введении РМ 40 имеет при прочих равных условиях, большие значения, чем при использовании С-3.

---и------,----,-,----------^----------------,----с----------

15.0 27.5 40.0

Содержание золы Ресртинской ТЭЦ в составе вяжущего, %

Рис. 3. Линии равных значений при В/В = 0,58: а) диаметра расплыва раствора после встряхивания на встряхивающем столике; пределов прочности в возрасте 28 суток нормального твердения при б) сжатии и в) растяжении при изгибе; г) - отношения Рм/1*ь в возрасте 28 суток

>,0 р™"*---*--- --* г—ш-----------------------------------------------------‘-™Р--г| ^

10.0 26,0 40.0

Содержание золы Ресртинской ТЭЦ в составе вяжущего, %

Рис. 4. Линии равных значений при В/В = 0,56: а) диаметра расплыва раствора после встряхивания на встряхивающем столике; пределов прочности в возрасте 28 суток нормального твердения при б) сжатии и в) растяжении при изгибе; г) - отношения в возрасте 28 суток

Самоуплотняющиеся смеси имеют повышенное количество теста, в связи с этим, особый интерес представляет влияние минеральных и органических добавок на трещиностойкость цементных систем. Для каменноподобных структур потенциальная способность к образованию трещин при внешних силовых воздействиях зависит от возможности релаксации поля напряжений в местах их концентраций. Одним из практически значимых критериев оценки трещиностойкости является отношение ЯьД-ь, увеличение которого переводит материал в разряд трещиностойких [4, 5].

На рис. Зг, 4г приведены данные о влиянии варьируемых факторов на показатель Кт=Яы/Яь-Следует отметить, что показатель Кг является расчетной характеристикой при ограниченном количестве единичных испытаний, а адекватность математической модели при этом находится на пределе критерия Фишера.

При использовании добавки С-3 оптимум Кх отмечается при дозировке золы в пределах 35 % (С-3=0,4 %). В рассматриваемом случае влияние С-3 на Кт менее существенно, чем влияние золы. Уменьшение водовяжущего отношения не изменяет качественного влияния варьируемых факторов на показатель трещиностойкости.

Добавка БМ 40 позволяет получать цементные системы с большим значением К, при небольших дозировках золы и БМ 40 (рис. 4г).

Пластифицирующие добавки при использовании золы-уноса принципиально по разному влияют на Кт: при увеличении дозировки золы суперпластификатор С-3 повышает значение показателя во всем диапазоне дозировок золы-уноса; при использовании БМ 40 склонность к трещиностойко-

сти возрастает по мере увеличения в составе раствора золы.

Предварительные результаты показывают, что использование совместно с золой добавки микрокремнезема в оптимальном количестве позволяет регулировать свойства цементно-песчаного раствора, в том числе создавать композиции с нормированными значениями прочности, трещиностойкости и долговечности.

Литература

1. К вопросу оценки блокирующей функции су-перпластификатора на кинетику твердения цементов/ B.C. Демьянова, С.В. Калашников, А. С. Мшиин, Ю.С. Кузнецов// Композиционные строительные материалы. Теория и практика: Сб. науч. тр. — Пенза: Изд-во Пензенского Приврожского дома знаний, 2003. - С. 54-59.

2. Волженский A.B., Иванов И.А., Виноградов Б.Н. Применение зол и топливных шлаков в производстве строительных материалов. - М.: Строй-издат, 1984. - 255 с.

3. Zhang Xiong, Han Jihong. The effect of ultra — fine admixture on the reological properti of cement paste//Cem. and Concr. Res., 2000, 30, № 5, P. 827-830.

4. Комохов П.Г. Нанотехнология, структура и свойства бетона// Бетон и железобетон в третьем тысячелетии. Третья международная научно-практическая конференция. - Ростов-на-Дону: Изд-во РГСУ, 2004. - С. 263-270.

5. Грушко ИМ. Прочность бетонов на растяжение. — Харьков: Изд-во Харьковского университета, 1973. -155 с.