Современные модифицирующие добавки для производства сборного бетона и железобетона

Общетехнические задачи и пути их решения

203

Библиографический список

1. Теория игр и экономическое поведение / Д. Нейман, О. Моргенштерн. - М. : Наука, 1970. - 540 с.

2. Анализ и синтез показателей при информационном дефиците / Н. В. Хованов. -СПб. : Изд-во СПбГУ, 1996. - 195 с. - ISBN 5-288-01533-3.

3. Многокритериальный выбор на конечном множестве альтернатив : учеб. пособие / С. В. Микони. - СПб. : Лань, 2009. - 272 с. - ISBN 978-5-8114-0984-6.

4. Система оценки деятельности кафедр университета / В. И. Ковалёв, А. П. Ледяев, С. В. Микони, П. П. Якубчик // Вестник высшей школы. - 2002. - № 1. -С. 17-22.

5. Теория и практика рационального выбора / С. В. Микони. - М. : Маршрут, 2004. - 462 с. - ISBN 5-89035-141-9.

Статья поступила в редакцию 11.05.2010;

представлена к публикации членом редколлегии В. А. Ходаковским.

УДК 691.32:666.972.16

Т. М. Петрова, О. М. Смирнова

СОВРЕМЕННЫЕ МОДИФИЦИРУЮЩИЕ ДОБАВКИ

ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СБОРНОГО БЕТОНА И ЖЕЛЕЗОБЕТОНА

Использование пластифицирующих добавок позволяет снизить содержание воды в бетонной смеси и повысить как раннюю, так и марочную прочность бетона. Однако повышенные расходы пластифицирующих добавок замедляют гидратацию минералов портландцемента, что снижает скорость набора прочности цементного камня в раннем возрасте (12-18 часов). В ходе исследований показано, что эффективность действия пластифицирующих добавок может быть повышена за счет введения в портландцементные системы тонкодисперсных минеральных наполнителей в оптимальном количестве.

бетон, малопрогревная технология, гиперпластификатор, тонкодисперсные минеральные добавки.

Введение

За последние два десятка лет в результате быстро развивающихся научных достижений в области направленного формирования структуры и свойств бетонов происходят серьезные изменения в технологии производства сборных бетонных и железобетонных конструкций. Широкое применение находят комплексные добавки, пластифицирующие добавки нового поколения, которые вследствие сильного водоредуцирующего действия

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/4

204

Общетехнические задачи и пути их решения

получили название гиперпластификаторов, применяются специальные цементы для получения быстротвердеющего бетона, содержащие тонкодисперсные минеральные добавки, которые в оптимальном количестве способствуют росту прочности в раннем возрасте, а также улучшают структуру бетона, что повышает его долговечность. С использованием этих научных достижений в настоящее время разрабатываются и внедряются энергосберегающие технологии производства сборного бетона и железобетона без тепловлажностной обработки, а в некоторых случаях и без дополнительного уплотнения (литые самоуплотняющиеся бетонные смеси).

В России наибольшая доля объема сборного бетона и железобетона выпускается с применением технологии тепловлажностной обработки (ТВО). Выбор технологии производства сборного бетона и железобетона с применением тепловлажностной обработки был обоснован тем, что являлся единственно возможным способом обеспечить быстрый набор бетоном передаточной и отпускной прочности, высокую оборачиваемость форм и, следовательно, производительность заводов. Вместе с тем технология тепловлажностной обработки имеет такие недостатки, как ухудшение структуры цементного камня, а следовательно снижение его долговечности, высокий расход вяжущего и энергоресурсов.

В настоящее время наряду с ТВО бетона существуют следующие способы ускорения его твердения:

применение комплексных добавок, включающих суперпластификатор и ускоритель твердения;

применение гиперпластификаторов с определенной структурой полимерной молекулы;

применение тонкодисперсных минеральных наполнителей;

применение комплексных органоминеральных добавок.

Целью данной работы было определение оптимального расхода пластифицирующей добавки, а также минеральной добавки и ее необходимой дисперсности для повышения прочности бетона в возрасте 12-18 часов.

1 Выбор гиперпластификаторов для сборного железобетона

Получение высокой ранней прочности бетона при нормальновлажностном твердении на рядовых портландцементах стало возможным с появлением эффективных гиперпластификаторов, позволяющих при их небольших расходах значительно уменьшать водоцементное отношение. В большинстве современных технологий по производству сборного бетона и железобетона в Европе используются гиперпластификаторы, которые благодаря определенному строению полимерной молекулы обеспечивают хорошую удобоукладываемость при максимальном снижении водосодержания бетонной смеси, что в свою очередь обеспечивает высокую скорость твердения.

2010/4

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические задачи и пути их решения

205

Отмечено, что диспергирующее действие гиперпластификаторов основано на двух различных механизмах: на «электростатическом эффекте» и «стерическом эффекте» [1], [2], [3]. В первом случае молекула поликар-боксилата с анионактивной основной цепочкой адсорбируется на первых продуктах гидратации цементной частицы, и она приобретает отрицательный заряд. Это ведет к электростатическому отталкиванию частиц цемента. «Стерический эффект» основан на отталкивании боковых гидрофобных полиэфирных цепей адсорбированной молекулы поликарбоксилата.

Ускоряющее действие гиперпластификаторов при твердении цементных систем основано на снижении водоцементного отношения и на увеличении дисперсности продуктов гидратации. Молекулы гиперпластификаторов, имеющие определенное строение, практически не замедляют гидратацию минералов портландцемента [4].

Изменяя структуру молекулы гиперпластификатора, можно получать пластифицирующие добавки, удовлетворяющие требованиям различных технологий (сборный, монолитный бетон).

Результаты наших сравнительных исследований показали, что свойства пластифицированных строительных растворов зависят от вида гиперпластификатора (рис. 1).

Для сравнения сохраняемости подвижности были приготовлены равноподвижные растворы состава 1 : 3; водоцементное отношение варьировалось. Для гиперпластификатора ГП1, который позиционируется производителем как предназначенный для производства сборного железобетона, характерна быстрая потеря подвижности, а ГП1 ' обладает пролонгированным действием, что является необходимым условием при производстве товарного бетона.

2 Использование тонкодисперсных минеральных добавок для повышения ранней прочности бетона

Перспективным направлением в производстве сборного бетона и железобетона по беспрогревной технологии является применение бетонных смесей, в состав которых наряду с гиперпластификаторами входят минеральные наполнители высокой дисперсности.

Выделяют несколько факторов положительного влияния тонкодисперсных минеральных наполнителей на структуру и физико-механические характеристики цементных композиций:

повышение плотности упаковки частиц вяжущего при размещении наполнителя между частицами цемента;

Время, мин

----ГП1 0.3%---------ГП1' 0.3%

Рис. 1. Изменение подвижности раствора

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/4

206

Общетехнические задачи и пути их решения

повышение пуццолановой активности наполнителя при его тонком измельчении;

ускорение начальной стадии твердения цементных систем, включающих частицы тонкодисперсного минерального наполнителя, которые могут служить центрами кристаллизации;

повышение пластифицирующего действия суперпластификаторов в некоторых композициях портландцемент-наполнитель.

Для целей получения бетонов с повышенной прочностью в раннем возрасте интересны тонкодисперсные минеральные добавки, способствующие ускорению начальной стадии твердения цементных систем и повышению водоредуцирующего действия гиперпластификаторов.

Введение некоторых тонкодисперсных минеральных добавок повышает теплоту гидратации цемента, что ведет к саморазогреву бетона и способствует более быстрому набору прочности.

Способность тонкодисперсных минеральных наполнителей выполнять роль центров кристаллизации, подложек гидратных новообразований обсуждалась многими исследователями. В работе [5] показано, что скорость гидратации трехкальциевого силиката в присутствии тонкодисперсных минеральных добавок, полученных из кварцевого песка и известняка, значительно возрастает с ростом удельной поверхности этих добавок (рис. 2). Во всех экспериментах был принят состав, в котором содержание минеральной добавки составляло 35% от количества трехкальциевого силиката. Установлено, что тонкодисперсные минеральные добавки способствуют сокращению индукционного периода на термокинетических зависимостях

dQ/dr = fir). Авторы исследования объясняют этот факт осаждением и более интенсивным образованием гидросиликатной CSH-фазы на поверхностях тонкоизмельченных частиц кварцевого песка и известняка.

Рис. 2. Кинетика тепловыделения при гидратации C3S в присутствии тонкодисперсного минерального наполнителя: 1 - C3S; 2 - C3S+SiO2

2010/4

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические задачи и пути их решения

207

3 Использованные материалы

В исследованиях применялся оскольский портландцемент марки ПЦ500Д0, минеральный наполнитель различной дисперсности, который имел средний диаметр частиц 1,5 мкм, 4 мкм, 15 мкм и был обозначен как А1.5, А4 и А15 соответственно. Гранулометрический состав наполнителей был определен с помощью лазерного дифракционного анализатора размера частиц и представлен на рис. 3.

Объем, % Al.S А4 А15

Рис. 3. Гранулометрический состав минеральных наполнителей

Были выбраны гиперпластификаторы, которые благодаря определенному строению полимерной молекулы предназначены для производства сборного железобетона: ГП1, ГП2, ГП3 и отечественная комплексная добавка «Петролафс», предназначенная для производства сборного бетона и железобетона по беспрогревной технологии и содержащая в своем составе суперпластификатор С-3.

4 Результаты исследований

Результаты исследований по определению оптимальных расходов пластифицирующих добавок для получения цементного камня с высокой прочностью в возрасте 12-18 часов при температуре 20°С представлены на рис. 4-7. Для этого готовилось цементное тесто одинаковой подвижности, соответствующей нормальной густоте согласно ГОСТ 310.3, при различных расходах гиперпластификаторов. Для определения кинетики набора прочности цементного камня были изготовлены кубики размером 20x20x20 мм, которые хранились при температуре 20°С и влажности более 95%. Были использованы статистические методы обработки результатов.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/4

208

Общетехнические задачи и пути их решения

Проведенный анализ рис. 4-6 показал, что превышение расхода гиперпластификатора над оптимальным расходом ведет к снижению прочности в возрасте 12-18 часов, поэтому при производстве сборного бетона и железобетона для снижения расхода воды не эффективно увеличение расхода гиперпластификатора выше оптимального. Дополнительное снижение расхода воды можно получить за счет введения тонкодисперсного минерального наполнителя в оптимальном количестве, способного увеличивать водоредуцирующее действие гиперпластификаторов, а также положительно влиять на кинетику набора прочности цементного камня. При увеличении расхода комплексной добавки «Петролафс» прочность цементного камня увеличивалась (рис. 7).

140

120

то

1 100

£ 80

О

Р 60

§- 40 20 0

8

- — — -12 часов —— —18 часов 28 суток — • 180 суток

Рис. 4. Кинетика набора прочности цементного камня в зависимости от расхода гиперпластификатора ГП1

- — — -12 часов —— —18 часов

28 суток — • 180 суток

Рис. 5. Кинетика набора прочности цементного камня в зависимости от расхода гиперпластификатора ГП2

Расход гиперпластификатора, %

Расход гиперпластификатора, %

- — — -12 часов — —18 часов 28 суток —— • 180 суток

Рис. 6. Кинетика набора прочности цементного камня в зависимости от расхода гиперпластификатора ГП3

Расход добавки, %

----12 час. -1 сут.

28 сут. • 180 сут.

Рис. 7. Кинетика набора прочности цементного камня в зависимости от расхода добавки «Петролафс»

2010/4

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические задачи и пути их решения

209

Для исследования зависимости водоредуцирующего действия гиперпластификатора от дисперсности и расхода наполнителя был выбран гиперпластификатор ГП3 на основе эфира поликарбоксилата в количестве 0,4% от массы портландцемента. Цементный камень, модифицированный этим гиперпластификатором в количестве 0,4%, имел максимальную прочность в возрасте 12 часов 33,1 МПа, что позволяет производить сборный бетон по малопрогревной технологии. При замене части портландцемента минеральным наполнителем расход гиперпластификатора снижался в пересчете на вяжущее соответственно на 5, 10 и 15%.

Как видно из рис. 8, несмотря на снижение расхода гиперпластификатора от массы вяжущего на 15%, водоредуцирующее действие этого гиперпластификатора в композиции (портландцемент + наполнитель А1.5 в количестве 15 %) повысилось с 11,9% до 23,8%, т. е. в два раза. Использование наполнителя А1.5 в количестве 5-10% и сохранение оптимального расхода гиперпластификатора (0,4% от массы портландцемента) положительно сказалось на ранней прочности цементного камня, а высокое водоредуцирование повысило марочную прочность (рис. 9). Введение наполнителя А1.5 в количестве 15% практически не влияет на прочность цементного камня в марочном возрасте. С минеральным наполнителем более крупной дисперсности (d = 4 мкм и 15 мкм) прочность цементного камня была сопоставима с прочностью образцов контрольного состава или ниже вследствие увеличения водосодержания.

а 140

Е 120

100

А Н О О X Г О a 80 60 40 20

0

0 5 10 15

Минеральный наполнитель, %

А 1.5-----------А 4-----------А 15

12 часов —— — 1 сут. — — — -28 сут.

Рис. 8. Водоредуцирующее действие гиперпластификатора ГП3 (0,4% от массы портландцемента) в зависимости от дисперсности минерального наполнителя

Рис. 9. Прочность цементного камня, модифицированного гиперпластификатором ГП3 в количестве 0,4% от массы портландцемента и наполнителем А1.5 в количестве 5, 10 и 15%

В результате исследования установлено, что с повышением дисперсности минерального наполнителя значительно увеличивается водоредуцирующее действие гиперпластификаторов, поэтому такой наполнитель был выбран для исследований с гиперпластификатором ГП2. Как видно из

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/4

210

Общетехнические задачи и пути их решения

рис. 4, прочность цементного камня, модифицированного этим гиперпластификатором, недостаточна для получения бетона по малопрогревной технологии с передаточной прочностью 12 часов, поэтому была оценена возможность повышения прочности за счет введения минеральной добавки А1.5. Определено водоредуцирующее действие гиперпластификатора ГП2 в композиции портландцемент-минеральный наполнитель (рис. 10) и кинетика набора прочности модифицированного цементного камня (рис. 11). Расход гиперпластификатора был взят от массы вяжущего.

Снижение водосодержания, %

Минеральный наполнитель , %

45,00 -50,00

40,00 -45,00

35,00 -40,00

30,00 -35,00

25,00 -30,00

20,00 -25,00

15,00 -20,00

10,00 -15,00

Рис. 10. Снижение водосодержания в композициях портландцемент-наполнитель А1.5

Прочность в возрасте 12 часов, МПа

18,00

16,00

14,00

12,00

10,00

8,00

6,00

4.00

2.00 0,00

0,20

16,00 -18,00

14,00 -16,00

12,00 -14,00

10,00 -12,00  8,00 -10,00  6,00 -8,00

4,00 -6,00  2,00 -4,00

0,00 -2,00

ГП2 %

Минеральный наполнитель A1.5, %

Рис. 11. Прочность на сжатие цементного камня, модифицированного гиперпластификатором ГП2 и наполнителем А1.5 в возрасте 12 часов

Сравнение рис. 10 и 11 показывает, что при увеличении расхода гиперпластификатора прочность в возрасте 12 часов снижается несмотря на сильное водоредуцирование. При меньших расходах гиперпластификатора и с повышением расхода наполнителя отмечается увеличение прочности цементного камня в возрасте 12 часов. Это увеличение прочности нельзя

2010/4

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические задачи и пути их решения

211

объяснить только снижением водосодержания, т. к. расход портландцемента также был снижен из-за замены части его наполнителем, поэтому можно сделать вывод о влиянии тонкодисперсного минерального наполнителя на рост прочности в возрасте 12 часов.

При определении сроков схватывания цементного теста с минеральным наполнителем А1.5 отмечается сокращение сроков начала и конца схватывания. Прочность цементного камня, модифицированного только наполнителем А1.5 в количестве 5-10%, в возрасте 12 часов увеличивается в 2 раза по сравнению с контрольными образцами без наполнителя, а в возрасте 28 суток сопоставима с их прочностью.

Для определения влияния наполнителя А1.5 на повышение прочности мелкозернистого бетона в возрасте 12 часов были проведены исследования с добавкой «Петролафс», разработанной на кафедре «Строительные материалы и технологии» и предназначенной для производства бетона и железобетона по беспрогревной или малопрогревной технологии [6]. Результаты проведенных исследований показали, что эффективность добавки «Петролафс» может быть повышена за счет введения наполнителя А1.5 в оптимальном количестве. Испытания проводились на образцах-балочках, изготовленных согласно ГОСТ 310.4 из смеси равной подвижности. Образцы твердели при t = 30 °С и 100% влажности и в возрасте 12 часов испытывались на прочность на растяжение при изгибе и на сжатие. Результаты сравнительных испытаний приведены в таблице.

ТАБЛИЦА. Результаты сравнительных испытаний образцов-балочек

Т онкодисперсная минеральная добавка А1.5, процент от массы вяжущего Добавка, процент от массы вяжущего В/Вяж Прочность в возрасте 12 часов, МПа

Растяжение при изгибе/ процент Сжатие/ процент

- - 0,34 1,47/100 17,8/100

- «Петролафс», 0,8 0,29 2,3/158 24,7/139

10 «Петролафс», 0,8 0,26 2,8/191 26,4/148

Расход добавок подбирался из условия обеспечения равной подвижности раствора при фиксированном содержании вяжущего. При введении тонкодисперсного наполнителя водоредуцирующее действие пластифицирующей добавки увеличилось, что позволило снизить водовяжущее отношение. Прирост прочности мелкозернистого бетона в возрасте 12 часов при изгибе составил 58-91%, при сжатии - 39-48%. Результаты использования комплексной добавки «Петролафс», в том числе с тонкодисперсным наполнителем, говорят об их высокой эффективности и возможности применения для внедрения беспропарочной или малопрогревной технологии производства сборного железобетона.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/4

212

Общетехнические задачи и пути их решения

Заключение

Определены оптимальные расходы гиперпластификаторов для получения максимальной прочности цементного камня возрасте 12-18 часов. Исследовано влияние расхода и дисперсности минерального наполнителя на водоредуцирующее действие гиперпластификаторов. Показано увеличение прочности цементного камня в возрасте 12 часов при модификации его гиперпластификатором и тонкодисперсным минеральным наполнителем по сравнению с прочностью цементного камня, модифицированного одним гиперпластификатором. При модифицировании мелкозернистого бетона тонкодисперсным минеральным наполнителем и отечественной добавкой «Петролафс» установлено повышение прочности бетона в возрасте 12 часов.

Таким образом, развитие научных достижений в области направленного формирования структуры и свойств бетонов позволяет сформулировать пути совершенствования технологии производства сборного бетона и железобетона, одним из которых является применение беспро-гревных технологий. Внедрение беспрогревной (малопрогревной) технологии производства сборного железобетона на основе применения комплексных добавок сегодня технически возможно и экономически оправдано.

Библиографический список

1. Effects of the chemical structure on the properties of polycarboxylate-type superplasticizer / К. Yamada, О. Takahashi, S. Hanehara, M. Matsuhhisa // Cement and Concrete Research. - 2000. - V. 30 (2). - Рр. 197-207.

2. The role of steric repulsive force in the dispersion of cement particles in fresh paste prepared with organic admixture / Н. Uchikawa, S. Hanehara, D. Sawaki // Cement and Concrete Research. - 1997. - V. 27. - Рр. 37-50.

3. Adsorption characteristics of water-reducers on cement component minerals / К. Yoshioka, Е. Tazawa, К. Kawai // Cement and Concrete Research. - 2002. - V. 32. -Рр.1507-1513.

4. Технология бетона / Ю. М. Баженов. - М. : Изд-во АСВ, 2007. - 555 с.

5. Quantitative Charakterisierung der Zementhydratation / J. Stark, F. Bellmann, В. Moser // 16 Ibausil, Weimar-2006, Band 1. - S. 0047-0066.

6. Энергосберегающие технологии производства железобетонных конструкций на железнодорожном транспорте / Т. М. Петрова, А. Ф. Серенко // Инновации на железнодорожном транспорте - 2009 : доклады юбилейной научно-технической конференции. - СПб. : ПГУПС, 2009. - С. 177-181.

Статья поступила в редакцию 16.09.2010;

представлена к публикации членом редколлегии П. Г. Комоховым.

2010/4

Proceedings of Petersburg Transport University