РАННЕЕ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ ПЕНОБЕТОННОЙ СМЕСИ С МОДИФИЦИРУЮЩЕЙ ДОБАВКОЙ

doi: 10.5862/MCE.54.6

Раннее структурообразование пенобетонной смеси с модифицирующей добавкой

Аспирант А.Б. Стешенко; д.т.н., заведующий кафедрой А.И. Кудяков,

Томский государственный архитектурно-строительный университет

Аннотация. В работе представлены результаты исследования влияния модифицирующих добавок на усадочные деформации цементного пенобетона естественного твердения. Цементный пенобетон естественного твердения обладает повышенной усадкой пенобетонной смеси в форме (опалубке) и усадочной деформацией при высушивании. Существенный эффект снижения усадки достигается преимущественно путем управления микроструктурой композита, а именно изменения (ускорения) структурообразования и микроармирования цементного камня.

Для снижения усадки пенобетонной смеси и ускорения структурообразования пенобетонной смеси применялись глиоксаль кристаллический и хризотил-асбестовые волокна. Для приготовления пенобетонной смеси использовался одностадийный способ. Показатели пластической усадки и пластической прочности определяли в течение трех часов с момента заливки пенобетонной смеси в металлический сосуд.

Приведены результаты электронной микроскопии модифицированного пенобетона. В образцах с хризотил-асбестовыми волокнами и глиоксалевой добавкой ячеистая структура однородна, поры равномерно заполняют все пространство. При введении в состав пенобетонной смеси хризотил-асбестовых волокон в количестве 2 % от массы цемента и глиоксаля кристаллического в количестве 0,01 % от массы цемента пластическая прочность пенобетонной смеси увеличивается на 63 и 45 % соответственно, пластическая усадка снижается до 29 и 40 %, а усадка при высыхании - до 44 и 50 % соответственно.

Ключевые слова: пенобетон; усадочные деформации; хризотил-асбест; глиоксаль кристаллический; прочность.

Введение

При изготовлении бетонных изделий после перемешивания компонентов и уплотнения смеси в результате физико-химического взаимодействия частиц цемента с водой в течение длительного времени (до нескольких месяцев и даже лет) наблюдаются объемные изменения бетона - расширение или усадка. В технологии бетонов этими явлениями стремятся управлять в зависимости от требуемых свойств конечной продукции путем введения добавок, изменяя режимы твердения и т. д. В большинстве случаев на практике процессы расширения и усадки бетона должны быть минимизированы. Особенно это актуально при необходимости обеспечения номинальных геометрических размеров изделий при их заводском изготовлении и конструкций при монолитном строительстве зданий. Существует множество теоретических моделей процессов, объясняющих объемные изменения цементного бетона при твердении. Однако механизм усадки цементных строительных композиций в первые часы естественного твердения пока еще не раскрыт [1 -6].

Проблема получения безусадочных ячеистых бетонов естественного твердения до сих пор не решена. Цементный пенобетон естественного твердения обладает повышенной усадкой пенобетонной смеси в форме (опалубке) и усадочной деформацией при высушивании. Согласно ГОСТ 25485-89 усадка при высыхании пенобетонов естественного твердения не должна превышать 3 мм/м. По результатам систематических многолетних натурных обследований конструкций эксплуатируемых зданий ширина раскрытия трещин пенобетонов может достигать 3-5 мм/м [7]. При таких значениях усадки образуются трещины в изделиях и конструкциях стен и создаются аварийные ситуации.

Технология изготовления пенобетона постоянно совершенствуется, вносятся предложения по использованию новых и эффективных добавок, модернизации технологических процессов, что позволяет повысить уровень и стабильность качества стенового материала [8-12]. В настоящее время решением проблемы повышения качества поризованных бетонов занимается много научных коллективов [9, 11, 13-15]. Основная идея этих исследований заключается в поисках эффективных добавок (пластифицирующих, микроармирующих и ускоряющих начальное структурообразование) и способов их селективного введения для модификации пенобетонной Стешенко А.Б., Кудяков А.И. Раннее структурообразование пенобетонной смеси с модифицирующей добавкой

смеси с целью уменьшения усадочных деформаций и повышения прочности, водостойкости, паропроницаемости пенобетона, а также для повышения теплозащиты и трещиностойкости ограждающих пенобетонных конструкций.

Одной из новых модифицирующих добавок, рекомендуемых в строительном материаловедении для регулирования структурообразования цементных строительных смесей, является кристаллический глиоксаль. Глиоксаль кристаллический обладает высокой химической активностью по отношению к портландцементу. При дозировках глиоксаля более 0.5 % от массы цемента процесс структурообразования цементного теста начинается практически мгновенно, при этом сроки схватывания существенно сокращаются. Ранее проведенными исследованиями была показана целесообразность использования глиоксаля кристаллического при изготовлении цементного пенобетона естественного твердения в количестве 0.01 % от массы цемента. В данной работе исследуется возможность использования глиоксаля кристаллического при изготовлении цементного пенобетона для снижения его усадочных деформаций.

Эффективными инструментами уменьшения усадочных деформаций цементного пенобетона являются введение в пенобетонную смесь микроармирующих добавок и совершенствование технологических процессов их равномерного распределения по объему [9, 16, 17]. В качестве армирующих добавок в производстве строительных материалов используются различные органические и неорганические волокна (фибры). Однако, учитывая толщину стенок пор пенобетона, достичь эффективного армирования можно, только используя микротрубчатые материалы, размеры которых меньше диаметра стенки пор. Таким требованиям соответствуют природный материал хризотил-асбест, который может быть использован в качестве микродисперсной арматуры [15].

Из результатов ранее выполненных исследований строительных смесей с модифицирующими добавками [18-21] известно, что существенный эффект снижения усадки достигается преимущественно путем управления микроструктурой композита, а именно изменением (ускорением) структурообразования и микроармирования цементного камня. В качестве основных критериев оценки положительного эффекта хризотил-асбестовых волокон и глиоксаля кристаллического в пенобетонных смесях были выбраны: пластическая прочность пенобетонной смеси, пластическая усадка пенобетонной смеси и усадка при высыхании пенобетона.

Цель работы - установление закономерностей влияния хризотил-асбестового волокна и глиоксаля кристаллического на усадочные деформации цементного пенобетона естественного твердения. Объектами исследований являлись пенобетонная смесь и затвердевший пенобетон естественного твердения с добавками. Предмет исследований - технологические процессы получения и свойства пенобетона, модифицированного добавками.

Материалы и методы

При проведении исследований использовались следующие материалы:

• портландцемент Топкинского завода ЦЕМ I 42.5Н с нормальной густотой 27 %, началом и концом схватывания 2 часа 30 мин. и 3 часа 10 мин. соответственно (ГОСТ 30515-2013);

• песок кварцевый Кудровского месторождения Томской области с модулем крупности 1.86, истинная и насыпная плотность 2580 и 1540 кг/м3, содержание пылеватых и глинистых примесей 1.4 % (ГОСТ 8736-93);

• синтетический пенообразователь ПБ-Люкс, представляющий собой жидкий раствор поверхностно-активных веществ со стабилизирующими добавками, устойчивость пены не менее 360 с, кратность пены рабочего раствора с объемной долей пенообразователя 4 % не менее 7 (ТУ 2481-004-59586231-2005);

• вода водопроводная (ГОСТ 23732-79);

• хризотил-асбестовое волокно марки А-6К-30 Баженовского месторождения, химический состав асбестовых волокон приведен в [18];

• глиоксаль кристаллический, крупнозернистый порошок, растворимый в воде.

Содержание глиоксаля кристаллического в добавке - 84.4 %, сорт А. Глиоксаль кристаллический изготовлен ООО «Новохим» (Россия, г. Томск) и соответствует требованиям ТУ 2633-004-67017122-2011.

Для исследования влияния добавок на параметры усадки пенобетона был использован ранее разработанный базовый состав пенобетона с маркой по средней плотности D500. По критерию достижения максимальной прочности пенобетона было установлено оптимальное содержание добавок в пенобетонной смеси. Составы пенобетонов с кристаллическим глиоксалем и хризотил-асбестовым волокном, используемые при проведении исследований, приведены в таблице 1.

Таблица 1. Состав пенобетона й 500 с добавками на 1 м3

Вид добавок Цемент, кг Песок, кг Вода, л Пенообразователь, л Добавка, кг

Глиоксаль кристаллический 266 133 200 1,6 0,026

Хризотил-асбестовые волокна 265 133 199 1,6 5,3

Приготовление пенобетонной смеси проводилось одностадийным способом на лабораторном пенобетоносмесителе. В смеситель заливалась отдозированная вода, затем загружалась добавка (хризотил-асбестовые волокна или глиоксаль кристаллический) в необходимом количестве. Перемешивание добавки с водой осуществлялось в течение 1 мин. Далее в смеситель загружались песок и цемент, смесь перемешивалась в течение 2 мин. до получения однородной пластичной массы. После этого в полученную смесь вводился водный раствор пенообразователя, и все компоненты дополнительно перемешивались еще 4,5 мин.

Для определения усадочных деформаций пенобетона при высыхании готовились образцы 40х40х160 мм путем заливки готовой пенобетонной смеси в металлические формы. Отформованные образцы пенобетона до проведения испытаний выдерживались в стандартных влажных условиях в камере естественного твердения в течение 28 суток. Испытание и оценка качества пенобетона проводились по ГОСТ 25485-89.

Для определения пластической прочности приготовленную пенобетонную смесь укладывали в металлический сосуд высотой 200 мм и диаметром 200 мм. Согласно данной методике [22] сосуд наполняется смесью на высоту 170 мм и встряхивается 5-7 раз для выравнивания поверхности уложенной смеси. Сосуд со смесью устанавливают на площадку штатива, в котором с помощью стопорного винта закреплен конус с углом при вершине 30° и высотой 25 мм. Масса конуса с закрепленным на нем скользящим стержнем равна 0,3 кг. Штатив имеет шкалу с ценой деления 1 мм. Острие конуса подводят к поверхности пенобетонной смеси, по шкале штатива фиксируют начальный отсчет фн). Затем отпускают стопорный винт и после погружения конуса в смесь под действием собственной массы фиксируют положение острия конуса Глубина погружения конуса (Н¡) определяется

разницей показаний Н = За величину глубины погружения принимается среднее

арифметическое трех испытаний, полученных в результате погружения конуса при последовательном повороте сосуда на 120° вокруг своей оси. Измерение пластической усадки продолжалось в течение 3 часов, т. е. времени, которое необходимо для перехода из пластичного в структурированное состояние (формирование начальной структуры пенобетона).

Пластическая прочность рассчитывалась по формуле:

Т = К*Р / И,2, где Р - масса конуса со скользящим стержнем, кг;

К - коэффициент, зависящий от угла конуса. При угле, равном 30°, К = 0,4446.

Для определения пластической усадки пенобетонной смеси готовую смесь укладывали в металлический сосуд, имеющий внутри форму конуса для достоверного измерения усадки, и форму цилиндра снаружи для надежного расположения сосуда на столе. Применение сосуда подобной конструкции позволяет получить более достоверную величину пластической усадки в сравнении с сосудом цилиндрической формы [23]. Отличия усадки при использовании конусных и цилиндрических сосудов изображены на рисунке 1. Согласно данной методике измерения пластической усадки пенобетонной смеси сосуд со смесью устанавливается на площадку штатива, в котором с помощью стопорного винта закреплен индикатор часового типа. Поверхность пенобетонной смеси накрывается полиэтиленовой пленкой для устранения испарения влаги, поверх которой располагается металлическая пластинка, в соприкосновении с которой начинается отсчет по индикатору. Измерение пластической усадки продолжалось также в течение 3 часов.

Стешенко А.Б., Кудяков А.И. Раннее структурообразование пенобетонной смеси с модифицирующей добавкой

Рисунок 1. Исследование микроструктуры образцов пенобетона, выполнено на растровом электронном микроскопе Quanta 200 3D

Результаты и обсуждение

Как показывают результаты, приведенные на рисунке 2, пенобетонные смеси с добавками в начальные сроки твердения имеют более высокие показатели пластической прочности, чем смеси без добавок. После 3 часов твердения пластическая прочность пенобетонных смесей с глиоксалем кристаллическим и хризотил-асбестовыми волокнами по сравнению с контрольным составом больше на 45 и 63 % соответственно. Таким образом, введение в пенобетонную смесь глиоксаля и хризотил-асбестовых волокон позволяет ускорить процесс начального структурообразования пенобетона, осуществить быструю распалубку готового изделия [12].

Рисунок 2. Пластическая прочность пенобетонных смесей

Установлено, что при введении в пенобетонную смесь глиоксаля кристаллического и хризотил-асбестовых волокон усадка пластическая уменьшается на 29 и 40 % соответственно (рис. 3), а усадка при высыхании пенобетона естественного твердения уменьшается на 44 и 50 % (рис. 4).

4 3.5 3 2 2 2.5 ссГ S 2 * -»

_______ ♦ * —♦ С добавкой глиоксаля

- -щ--- •------ Ш С добавкой хризотил-

<_> Z LU ZT g 1.5 о < асбестовыми волокнами

А Контрольный без добавок

1= 1 1 « * >

30 60 90 120 150 180 ВРЕМЯ, МИН

Рисунок 3. Пластическая усадка пенобетонных смесей

Рисунок 4. Кривые усадки при высыхании образцов цементного пенобетона

Для объяснения причин снижения усадочных деформаций пенобетонов с добавками были проведены исследования микроструктуры образцов (рис. 5). Анализ микроснимков сколов пенобетона показывает, что снижение усадочных деформаций пенобетона при введении хризотил-асбестовых волокон и глиоксаля кристаллического в количестве 2 и 0,01 % от массы цемента соответственно объясняется более однородной структурой. В контрольных образцах наблюдаются перфорация и интенсивные разрушения стенок пор, а также их объединение (рис. 5, а), что способствует развитию процесса седиментации, снижению однородности микроструктуры. В образцах с хризотил-асбестовыми волокнами (рис. 5, б) и глиоксалевой добавкой (рис. 5, в) ячеистая структура однородна, поры равномерно заполняют все пространство.

Результаты исследования микроструктуры образцов пенобетона показали, что присутствие хризотил-асбестовых волокон и глиоксаля кристаллического в пенобетоне стабилизирует его структуру (рис. 5, б, в) и обеспечивает отсутствие протекания жидкости в стенках пор, которое происходит в контрольных образцах пенобетона без добавок (рис. 5, а).

Распределенные хризотил-асбестовые волокна в цементном пенобетоне играют роль центров кристаллизации. Это, с одной стороны, приводит к развитию фибриллярной структуры на стенках пор, что, в свою очередь, обеспечивает ее непрерывность и равномерность (рис. 5, б), а с другой стороны, обеспечивает упорядоченную структуру, ориентированную над молекулярной оболочкой волокна. Это приводит к снижению усадки пенобетона [15].

При введении модифицирующей глиоксалевой добавки повышается воздухововлечение и образуются замкнутые поры меньших размеров (рис. 5, в).

Существенное снижение усадочных деформаций при естественном твердении пенобетона позволяет прогнозировать пониженный уровень формирования напряжений при структурообразовании в объеме пенобетона и, как следствие, повышенную эксплуатационную надежность изделий (конструкций), изготовленных из этого материала [22, 24].

Выводы

1. Для ускорения процесса начального структурообразования цементного пенобетона естественного твердения и снижения усадочных деформаций необходимо при приготовлении пенобетонной смеси вводить микроармирующие добавки (хризотил-асбестовые волокна) и модифицирующие добавки (глиоксаль кристаллический) в соответствии с установленным регламентом.

2. При введении в состав пенобетонной смеси хризотил-асбестовых волокон в количестве 2 % от массы цемента и глиоксаля кристаллического в количестве 0,01 % от массы цемента увеличивается пластическая прочность пенобетонной смеси на 63 и 45 %, снижается пластическая усадка до 29 и 40 % и усадка при высыхании до 44 и 50 % соответственно.

3. Структура пенобетона с хризотил-асбестовым волокном и глиоксалем кристаллическим мелкопористая, увеличивается количество замкнутых пор, равномерно распределенных по объему.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках гранта № 119-12/НИОКТР от 03.11.2012 «Разработка и запуск в производство технологии строительства энергоресурсосберегающего жилья экономического класса на основе универсальной полносборной каркасной конструктивной системы».

Литература

1. Markus G. Measuring the Early Shrinkage of Mortars Drymix Mortar Yearbook 2011 Editor: Ferdinand Leopolder, 2011. Pp. 1-11.

Стешенко А.Б., Кудяков А.И. Раннее структурообразование пенобетонной смеси с модифицирующей добавкой 61

2. Bentur A., Igarashi S., Kovler K. Prevention of autogenous shrinkage in high-strength concrete by internal curing using wet lightweight aggregates // Cement and Concrete Research. 2001. No. 11. Pp. 1587-1591.

3. Shah H.R., Weiss J. Quantifying shrinkage cracking in fiber reinforced concrete using the ring test // Materials and Structures. 2006. Vol. 39. No. 9. Pp. 887-899.

4. Bouasker M., Mounanga P., Turcry P., Loukili A., Khelidj A. Chemical Shrinkage of Cement Pastes and Mortars at Very Early Age: Effect of Limestone Filler and Granular Inclusions // Cement and Concrete Composites. 2008. Vol. 30. Issue 1. Pp. 13-22.

5. Henkensiefken R., Briatka P., Bentz D., Nantung T., J. Weiss. Plastic Shrinkage Cracking in Internally Cured Mixtures Made with Pre-wetted Lightweight Aggregate // Concrete International. 2010. Vol. 32. Issue 2. Pp. 49-54.

6. Saliba J., Roziere E., Grondin F., Loukili A. Influence of Shrinkage-Reducing Admixtures on Plastic and Long-Term Shrinkage // Cement and Concrete Composites. 2011. Vol. 33. Issue 2. Pp. 209-217.

7. Силаенков Е.С. Долговечность изделий из ячеистого бетона. М.: Стройиздат, 1986. 176 c.

8. Пименова Л.Н., Кудяков А.И. Пенобетон, модифицированный силикагелем // Вестник ТГАСУ. 2013. №2. С. 229-233.

9. Василовская Н.Г., Енджиевская И.Г., Калугин И.Г. Управление структурой ячеистых фибробетонов // Известия вузов. Строительство. 2010. No. 11-12. Pp. 12-13.

10. Girniene I., Laukaitis A. The effect of the hardening conditions on foam cement concrete strength and phase composition of new formations // Materials Science. 2002. No.1. Pp. 77-82.

11. Kahmer H. Fibrous concrete successfully used in structural precast component production // Concrete Plant + Precast Technology. 2001. No. 8. Pp. 26-31.

12. Kudyakov A. [et al] Foam concrete with porous mineral and organic additives // IOP Conf. Series: Materials Science Engineering. 2015. Vol. 71. №012016.

13. Рахимбаев Ш.М., Дегтев И.А., Тарасенко В.Н., Аниканова Т.В. К вопросу снижения усадочных деформаций изделий из пенобетона // Известия вузов. Строительство. 2007. №12. С. 41-44.

14. Zuhua Z., John L. Provisb, Andrew R., Hao W. Geopolymer foam concrete: An emerging material for sustainable construction // Construction and Building Materials. 2014. Vol. 56. Pp. 113-127.

15. Kudyakov A. I., Steshenko A. B. Shrinkage deformation of cement foam concrete // IOP Conf. Series: Materials Science Engineering. 2015. Vol. 71. №012019.

16. Кудяков А.И., Киселев Д.А. Проектирование неавтоклавного пенобетона // Строительные материалы. 2006. №11. С. 8-9.

17. Комохов П. Г. Современные пенобетоны. М.: Наука, 1997. 284 с.

18. Кудяков А.И., Стешенко А.Б. Пенобетон дисперсно-армированный теплоизоляционный естественного твердения // Вестник ТГАСУ. 2014. №2. С. 128.

19. Tagnit-Hamou A., Vanhove Y., Petrov N. Microstructural analysis of the bond mechanism between polyolefin fibers and cement pastes // Cement Concrete Research. 2005. Vol. 32. No. 2. Pp. 364-370.

20. Yakovlev G., Keriene J., Gailius A., Girniene I. Cement Based Foam Concrete Reinforced by Carbon Nanotubes // Materials Science. 2006. Vol. 12. No. 2. Pp. 147-151.

21. Lura P., Durand F., Jensen O., Kovler K. Autogenous strain of cement pastes with superabsorbent polymers // International RILEM Conference on Volume Changes of Hardening Concrete: Testing and Mitigation. RILEM Publications SARL. 2006. Pp. 97-106.

22. Моргун Л.В., Моргун В.Н. Влияние дисперсного армирования на агрегативную устойчивость пенобетонных смесей // Строительные материалы. 2003. №1. C. 33-35.

23. Jensen O.M., Christensen S.L., Dela B.F., Hansen J.H., Hansen P.F., Nielsen A., HETEK - control of early age cracking in concrete - Phase 2: Shrinkage of mortar and concrete. Report № 110. Road Directorate. Denmark Ministry of Transport. 1997.

24. Kudyakov A.I., Steshenko A.B. Cement Foam Concrete with Low Shrinkage // Advanced Materials Research. 2015. Vol. 1085. Pp. 245-249.

Алексей Борисович Стешенко, г. Томск, Россия Тел. моб.: +7(909)5396643; эл. почта: steshenko.alexey@gmail.com

Александр Иванович Кудяков, г. Томск, Россия Тел. моб.: +7(913)8208554; эл. почта: kudyakow@mail.tomsknet.ru

© Стешенко А.Б., Кудяков А.И., 2015