Морозостойкие кладочные растворы пониженной плотности с добавками микрокремнезема и омыленного таллового пека

УДК 666.971.1

А. И. КУДЯКОВ, докт. техн. наук, профессор,

ТГАСУ, Томск,

А.А. ЗИНОВЬЕВ, канд. техн. наук, доцент,

Н.В. ДВОРЯНИНОВА, аспирант,

БРГУ, Братск

МОРОЗОСТОЙКИЕ КЛАДОЧНЫЕ РАСТВОРЫ ПОНИЖЕННОЙ ПЛОТНОСТИ С ДОБАВКАМИ МИКРОКРЕМНЕЗЕМА И ОМЫЛЕННОГО ТАЛЛОВОГО ПЕКА

Приведены результаты исследований цементно-песчаных кладочных растворов с добавками 10-20 % микрокремнезема и 0,04 % омыленного таллового пека. Растворы с добавками отличаются большей на 4-6 % общей пористостью при равном содержании открытых пор (22-24 %), меньшей на 8-10 % средней плотностью и большей морозостойкостью.

Разработка составов кладочных растворов, эффективно работающих на любом пористом основании, обусловлена необходимостью повышения качества ограждающих каменных конструкций. Сегодня кирпич, камни керамические и различные стеновые блоки являются весьма востребованными в строительстве. По оценке Росстроя России потребность в стеновых материалах в 2010 г. достигнет 27-28 млрд штук условного кирпича, при этом объемы производства кладочных растворов могут увеличиться до 17 млн м3 в год.

Известно, что кирпичная (каменная) кладка представляет собой сложноструктурированную конструкцию, важной составляющей частью которой является цементно-песчаный кладочный раствор [1]. От соответствия технических характеристик кладочных растворов требуемым (заданным по проекту) зависят качество и долговечность каменной конструкции в целом.

Исходя из особенностей цикла жизнедеятельности раствора в составе каменной конструкции (структурообразование в тонких слоях на пористом основании), к нему предъявляют ряд специфических требований: хорошая удобоукладываемость, пластичность при разравнивании с целью надежного заполнения горизонтальных и вертикальных швов; высокая водоудерживающая способность (обеспечивающая при твердении на пористом основании проектную прочность раствора); прочность сцепления с основанием и морозостойкость; согласованные с элементами кладки теплоизоляционные характеристики. Обеспечение указанных требований кладочного раствора может быть достигнуто при введении в его состав различных функциональных добавок.

При проведении экспериментальных исследований была показана возможность повышения качества кладочных строительных растворов при совместном введении в их состав добавок различной природы, регулирующих структуру цементных материалов: минеральной - микрокремнезема Братского завода ферросплавов (МК) и органической - омыленного таллового пека

© А.И. Кудяков, А.А. Зиновьев, Н.В. Дворянинова, 2008

(ОТП), попутного продукта сульфатной переработки древесины ОАО «Брат-сккомплексхолдинг» [2]. Установлено, что для достижения требуемых свойств в кладочные смеси необходимо ввести совместно добавки МК -10-20 % и ОТП - 0,04 % от массы цемента (в пересчете на сухое вещество). Микрокремнезем, по причине ультрадисперсности и микропористости частиц, обеспечивает высокую пластифицирующую и водоудерживающую способность смесей, омыленный талловый пек способствует повышенному воздухо-вовлечению и диспергации воздушных пузырьков в цементном тесте.

При совместном введении добавок (СВД) в вышеуказанном интервале обеспечивается:

1) увеличение водоудерживающей способности растворных смесей до 95-98 % (по сравнению с бездобавочными смесями на 7-11 %) (рис. 1);

2) повышение показателя жизнеспособности в 2-3 раза;

3) увеличение воздухововлечения: дополнительно вовлеченный воздух составляет 7-10 % по объему;

4) повышение прочностных показателей растворов. Удержанная в растворной смеси вода способствует более полному протеканию процессов гидратации цемента [3], что обеспечивает соответствие марочной прочности при твердении растворов в швах кладки по сравнению с бездобавочными (рис. 2, б). В кладочных растворах при СВД прирост прочности обеспечивается за счет добавки МК, обладающей пуццоланической активностью (рис. 2, а);

5) уменьшение деформации усадки раствора при твердении в 2-5 раз;

6) повышение адгезионной прочности к основанию из керамического кирпича до 30 % (0,6-0,8 МПа);

7) снижение средней плотности растворов на 8,5-10,3 %;

8) снижение коэффициента теплопроводности. Так, коэффициент теплопроводности растворов М100 и М200 уменьшается соответственно на 23,3 и 19,2 % (табл. 1);

9) уменьшение расхода цемента на 17-19 % в рациональных составах растворов.

В "5 2 *

“ I

а ^

I §

!° В- о ^ ° £ К

5 ° га

5 о ^ ° £ К

6 ^

б

а

Рис. 1. Зависимость водоудерживающей способности смесей от состава раствора:

а - на плотном основании

я

&

£ е

о 5 я ^

а б

Рис. 2. Зависимости предела прочности на сжатие раствора в возрасте 28 суток от его состава и условий твердения:

а - нормально-влажностные условия; б - в шве кладки

Таблица 1

Эксплуатационные характеристики кладочных растворов

Марка Наличие добавок Состав Ц:(П+МК) Средняя плотность раствора, кг/м3 Коэффи- циент тепло- провод- ности, Вт/(м-К) Марка по морозо-стойкости

200 Д0 1:4,15 2147 0,94 ^50

СВД 1:4,35 1965 0,80

100 Д0 1:5,75 2140 0,90 ^50

СВД 1:6,25 1920 0,69

Примечание. Здесь и далее в обозначении использованы буквы: Д0 - бездобавочный состав; СВД - состав при совместном введении добавок МК и ОТП.

В СНиП 11-22-81 * «Каменные и армокаменные конструкции» не предъявляются требования к кладочным растворам по морозостойкости. Исходя из особенностей работы раствора в каменной конструкции, требования по морозостойкости назначаются проектировщиками с позиции его согласованной работы с основным стеновым материалом и условиями окружающей среды при эксплуатации.

Известно, что показателями долговечности цементных материалов являются морозостойкость и водопоглощение при одностороннем или объемном контакте с водой [4, 5]. Величина водопоглощения определяется открытой пористостью материала и фактически характеризует долю открытых пор в объеме образца строительного материала.

В силу специфики строения капиллярных пор некоторые из них не могут заполняться водой при водопоглощении (например, поры с зауженным отверстием, капсулированные поры). В таком случае стандартная методика по определению водопоглощения материала не дает точного значения величины

открытых пор и, соответственно, долю смачиваемого пространства. Это может быть обеспечено вакуумированием или кипячением образцов (табл. 2).

Таблица 2

Показатели водопоглощения кладочных растворов

Марка Наличие добавки Средняя плотность высушенного до постоянной массы раствора, кг/м3 Метод определения по ГОСТ 12730.3-78 Приращение водопоглощения (по объему) АЖо, %

основной

Водопоглощение, %

по массе, Ж уу м по объему, V. по массе, V ' уу м по объему, V0’

100 Д0 1956 10,62 20,77 12,9 25,23 4,46

СВД 1813 11,50 20,84 15,9 28,83 7,99

200 Д0 2005 9,44 18,93 11,4 22,86 3,93

СВД 1816 10,35 18,80 15,0 27,24 8,44

Результаты анализа полученных данных показывают, что растворы при СВД имеют практически равное с бездобавочными составами водопоглоще-ние (основной метод), несмотря на более низкие показатели средней плотности. Показатель приращения водопоглощения (по объему), АЖо, %, характеризует объем пор раствора, недоступный для проникновения воды в нормальных условиях. Данный объем пор можно отнести к «резервному» при изучении состояния стенового материала при замораживании в насыщенном водой состоянии. Количество «резервных» пор растворов при СВД увеличивается в 1,8 и 2,2 раза соответственно для М100 и М200. Это свидетельствует о том, что при СВД создаются условия для «залечивания» капиллярных пор цементного камня и создания условно закрытых пор.

Оптическими методами исследования было установлено, что при СВД изменяется характер пористости - образуются преимущественно изолированные воздушные поры диаметром 0,02-0,05 мм, равномерно распределенные по объёму цементного камня [2].

В соответствии с ГОСТ 12730.4-78 были проведены исследования показателей пористости растворов, результаты которых приведены в табл. 3. Объем открытых капиллярных пор равен водопоглощению (по объему).

Проведенные исследования показали, что полный объем пор у растворов при СВД выше на 4-6 %, чем у бездобавочных, хотя показатели открытой пористости (капиллярной и некапиллярной) находятся примерно на одинаковом уровне (22-24 %). Такое распределение пор свидетельствует о повышении объема «условно-замкнутой» пористости у растворов М100 и М200 при СВД соответственно в 3,1 и 2,8 раза. Если принимать во внимание поры «условно-замкнутые», то суммарный объем «резервной» пористости у растворов при СВД возрастает примерно в 2,6 раза.

Таблица 3

Показатели пористости растворов

а к & Е Наличие добавки Объем пор, % Суммарный объем «резервной» пористости, %

полный, Пп открытых капил- лярных, По открытых некапил- лярных, Пмз условно замкнутых, Пз

100 Д0 26,2 20,77 2,80 2,63 4,91

СВД 32,1 20,84 3,09 8,17 12,57

200 Д0 26,3 18,93 4,55 2,82 4,78

СВД 29,9 18,80 3,08 8,02 12,67

Примечание. Суммарный объем «резервной» пористости определен с учетом данных «условно закрытой» пористости (приращение водопоглощения по массе AVЫ = V/ - Vм, %) по табл. 2:

- раствор марки 100 (Д0) - АШм = 2,28 %; (СВД) = 4,4 %;

- раствор марки 200 (Д0) - АШм = 1,96 %; (СВД) = 4,65 %.

Таким образом, изменение характера пористости кладочных растворов при СВД по сравнению с бездобавочными аналогами позволяет предположить увеличение их морозостойкости, так как обеспечивается уменьшение капиллярной пористости и увеличение количества «резервных» пор в структуре материала.

Принимая во внимание, что применяемая добавка ОТП является воздухововлекающей, в основу рассматриваемого метода прогнозирования морозостойкости (Мрз) растворов при СВД был принят «критерий морозостойкости» (КМрз), предложенный А.Е. Шейкиным и Л.М. Добшицем [5]

Кмрз = Пуз ,

Мрз 0,09 • П

где Пуз - условно-замкнутая пористость цементного камня, %; Пи - интегральная (открытая) пористость цементного камня, %.

А.В. Акимов в работе [6] развил данную методику и предложил использовать «критерий морозостойкости

Км = с

где С - величина объемной концентрации цементного камня, доля от объема материала; Пп, Пш - объем пор соответственно II и III группы, определенных по методу трехстадийного насыщения образцов.

Характерной особенностью этого метода является то, что влажностные состояния образцов четко зафиксированы. Это дает возможность дифференцировать поры в материале по их способности поглощать воду в различных условиях (I группа - при влагопоглощении из воздуха; II группа - при нор-

мальном водопоглощении; III группа - при вакуум-насыщении (или кипячении)). С использованием данного способа создается удачная классификация пористости с точки зрения морозостойкости цементных материалов.

Величина «критерий морозостойкости», в формуле (2), будет высокой, и, следовательно, морозостойкость бетона (раствора) будет значительной, если объем пор III группы будет не меньше, чем объем возможного приращения жидкой фазы при её замерзании в насыщенном водой материале (0,09 • ПП).

Пористость III группы введена в критерий морозостойкости потому, что поры этой группы являются «амортизатором», следовательно, оказывают положительное влияние на морозостойкость материала. Объем пор I группы (заполняемые влагой из воздуха) не входит в критерий морозостойкости, так как поры этой группы пассивны с точки зрения морозостойкости.

Авторами работы [6] предложено с использованием коэффициента Км прогнозировать морозостойкость цементных бетонов (растворов) нормального твердения и пропаренных по следующей формуле:

Мрз = 313,1 • С0’16 • Км0,66,

где Мрз - морозостойкость материала, циклы; Км - критерий морозостойкости, определенный по формуле (2).

Результаты определения прогнозируемой морозостойкости кладочных растворов по критерию морозостойкости приведены в табл. 4.

Анализ полученных результатов показал, что для М100 и М200 более высокой морозостойкостью, соответственно в 1,5-1,8 раза, обладают растворы при СВД.

Анализ предлагаемых рынком сухих кладочных строительных смесей (ОСНОВИТ Т-111, БЕТОНИТ, ТиМ 51, БИРСС и др.) позволил установить, что конкурентоспособная марка по морозостойкости не менее ^50, что соответствует требованиям СНиП П-22-81*.

Таблица 4

Сравнительная оценка прогнозируемой морозостойкости бездобавочных растворов при СВД по критерию морозостойкости

Наличие добавок Объем пор, доли от объема раствора, по группам Объемная концентрация цементного камня в образце* С, доли Км Мрз,

Марка П: Пп Пш циклы

100 Д0 0,0521 0,1669 0,0430 0,284 0,81 223

СВД 0,0552 0,1532 0,0786 0,269 1,53 336

200 Д0 0,0644 0,1248 0,0394 0,30 1,08 271

СВД 0,0814 0,1064 0,0894 0,279 2,60 480

* Объемная концентрация цементного камня в образце определена с учетом водопотребности крупного песка (Мк = 2,68), принятой равной 6,5 %.

Результаты испытаний по стандартной методике многократного попеременного замораживания и оттаивания в воде (ГОСТ 5802-86) показали, что

кладочные растворы при CBД после 50 циклов увеличили свои прочностные показатели в среднем до 25 %. Увеличение прочностных показателей растворов при CBД объясняется скрытогидравлической активностью аморфного SiO2 добавки МК во влажной среде с течением времени.

Проведенные исследования позволили установить, что совместное введение в состав цементно-песчаных кладочных растворов 10-20 % активной минеральной добавки МК и 0,04 % органической воздухововлекающей добавки ОТП от массы цемента (в пересчете на сухое вещество) позволяет получать кладочные растворы с пониженной на 8-10 % средней плотностью и повышенной морозостойкостью (не менее F50) при одновременном улучшении технологических характеристик, что позволит снизить сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций, увеличить долговечность наружных ограждающих конструкций и частично уменьшить нагрузки на фундаменты здания.

На основании результатов исследований разработаны технические условия на кладочный раствор, технологический регламент изготовления. Опытно-промышленные испытания подтвердили достоверность сделанных выводов и заключений.

БИБЛИОГPАФИЧECКИЙ CПИCОК

1. Комохов, П.Г. Cтpyктypная механика разрушения кирпичной кладки / П.Г. Комохов,

Ю.А. Беленцов // Огроительные материалы. - 2004. - № 11. - C. 46-47.

2. Зиновьев, А.А. Местное техногенное сырье как добавка к цементным растворам / А.А. Зиновьев, KB. Дворянинова // Cтpоительные материалы. - 2006. - № 10. -C. 49-51.

3. Дворянинова, Н.В. Формирование структуры цементного раствора с органоминераль-

ной добавкой / KB. Дворянинова, А.А. Зиновьев, KC. Рубайло // Труды XIII Между-народ. семинара Азиатско-Тихоокеанской академии материалов «Cтpоительные и отделочные материалы. Cтандаpты XXI века». - Новосибирск : HГАCУ (^бирин), 2006. - Т. 2. - C. 5-9.

4. Штарк, Й. Долговечность бетона / Й. Штарк, Б. Bихт ; пер. с нем. А. Тулаганова ; под

ред. П. Кривенко. - Киев : Оранта, 2004. - 301 с.

5. Шейкин, А.Е. Цементные бетоны высокой морозостойкости / А.Е. Шейкин,

Л.М. Добшиц. - Л. : Cтpойиздат, Ленингр. отд-ние, 1989. - 128 с.

6. Акимов, А.В. Прогнозирование морозостойкости бетонов на местных материалах : мо-

нография / АВ. Акимов, И.И. Крыжановский, ЛВ. Морозова. - Кишинев : Штиинца, 1988. - 84 с.

A.I. KUDYAKOV, АЛ. ZINOVYEV, N.V. DVORYANINOVA

FROST-RESISTANT LAYING SOLUTIONS OF THE LOWERED DENSITY WITH ADDITIVES OF MICRO-SILICA AND SOAPED TALL PITCH

The results of researches of cement-sandy laying solutions with additives of 10-20 % microsilica and 0, 04 % soaped tall pitch are presented in the paper. Solutions with additives have greater general porosity (by 4-6 %) at the equal quantity of the open porous (22-24 %), less average density (by 8-10 %) and greater frost resistance.