CC BY
22
УДК 666.9-4
Корчунов И.В., Торшин А.О., Перепелицына С.Е., Потапова Е.Н.
ДЕЙСТВИЕ ДОБАВОК НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ НА СВОЙСТВА ЦЕМЕНТА
Корчунов Иван Васильевич, студент 2 курса магистратуры, e-mail: johan1994@mail.ru; Торшин Антон Олегович, студент 2 курса магистратуры; Перепелицына Светлана Евгеньевна, студентка 3 курса бакалавриата;
Потапова Екатерина Николаевна, доктор технических наук, профессор, профессор факультета технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов;
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Изучено влияние пластифицирующих добавок компании BASF на свойства цемента. Показано влияние добавок на сроки схватывания цементного теста, кинетику твердения, пористость, морозо- и коррозионную стойкость цементного камня. Установлено, что изученные добавки являются многофункциональными. Это позволяет подбирать нужную добавку с определенной концентрацией для использования в различных по назначению растворах и бетонах. При этом не стоит забывать и про добавки на основе лигносульфонатов (например, MasterPozzolith MR55), которые значительно дешевле поликарбоксилатных добавок, но по своим свойствам не сильно уступают им.
Ключевые слова: пластификатор, водоредуцирующая добавка, прочность, морозостойкость.
EFFECT OF THE TYPE OF WATER-REDUCING ADDITIVES ON THE PROPERTIES OF CEMENT
Korchunov I.V., Torshin A.O., Perepelitsyna S.E., Potapova E.N. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Influence of BASF plasticizing additives on cement properties is studied. It is shown the influence of additives on the setting time of cement paste, strength, porosity, frost- and corrosion resistance of cement. It is established that the studied additives are multifunctional. This fact allows select the admixture with exact concentration for use in various solutions and concretes. At the same time, do not forget about additives based on lignosulfonates (for example, MasterPozzolith MR55), which are much cheaper than polycarboxylate additives, but their properties are not much worce.
Keywords: plasticizer, admixtures, cements strength, frost-resistance.
Предпосылки популяризации
пластификаторов. Еще за много столетий до нашего времени древними мастерами практиковалось применение различных добавок для повышения водостойкости воздушной извести.
Жиры, масла и некоторые другие органические соединения, обладающие гидрофобными
свойствами, широко распространены в животном и растительном мире. Повседневно встречая такие вещества в окружающей природе, человек с давних пор применял их не только для питания, но так же и для различных бытовых и строительных надобностей. Так, например, в древнем Риме к извести добавляли свиное сало и свернувшуюся кровь животных, а в древней Руси - творог, льняную сечку вместе с льняными семенами, отвар еловой коры и другие вещества.
По сути, использование этих средств в качестве добавок в известковые растворы и бетоны позволило сохранить до настоящего времени храмы древних российских городов Владимира и Суздаля, мечети Бухары и Самарканда, знаменитый Карлов мост в Праге и другие. Однако, с появлением гидравлических вяжущих модифированные добавки, применявшиеся мастерами в старину, отошли на второй план и были незаслуженно забыты. И только с начала 30-х гг. XX в. использование модифицирующих добавок в бетонах и растворах вновь входит в практику строителей [1].
К настоящему моменту известно великое множество различных добавок, используемых в строительстве при возведении сооружений различного назначения. Прогресс не стоит на месте и постепенно широко известные модификаторы замещаются еще более новыми видами добавок комплексного действия. Данную тенденцию мы предлагаем рассмотреть на примере пластифицирующих добавок. Не так много времени прошло с тех пор, как в строительстве повсеместно использовались пластифицирующие добавки на лигносульфонатной основе, которые считались непревзойденными на тот момент. Они позволяли снижать водопотребность бетонной смеси на 5-15%, что соответственно положительно сказывалось на долговечности конструкций. Помимо этого данные добавки придавали и ряд других положительных свойств готовому продукту. Но вот уже XXI в. - и разработаны и супер- и гиперпластификаторы, которые намного более популярны нежели обычные пластификаторы но, и существенно дороже, ввиду их большей эффективности и отличной природы. Ввиду вышесказанного хотелось ответить на один вопрос: так ли безнадежно устарели обычные пластификаторы и целесообразно ли использовать их на настоящий момент при условии наличия наиболее дорогих и популярных аналогов? Ведь данные пластификаторы производятся и по сей день, в частности компанией BASF, на примере
исследования добавок которой мы и постараемся ответить на данный вопрос [2,3].
Материалы. Для исследования были выбраны водоредуцирующие добавки (пластификаторы) компании BASF: Master Rheobuild 1000 (на основе нафталинсульфоната, далее СП 1), Master Glenium116 (на основе поликарбоксилатного эфира, СП 2), Master Glenium ACE 430 (на основе эфира поликарбоксилата, СП 3), Master Pozzolith MR55 (на основе лигносульфоната, СП 4) а так же воздухововлекающая добавка Master Air 125 (далее ВВ). Специфическая особенность новых типов пластифицирующих добавок (супер- и гиперпластификаторов) обусловлена строением их молекул и действием функциональных групп последних, обеспечивающих адсорбцию, а так же длиной боковых цепей (как у поликарбоксилатов), вызывающих дополнительное стерическое отталкивание. Именно этот факт является определяющим, когда мы говорим о большей эффективности поликарбоксилатных добавок по сравнению с простыми пластификаторами. В качестве вяжущего был выбран цемент производства "Тулацемент" ЦЕМ I 52,5 Н.
Обсуждение результатов. На первом этапе оценка эффективности предложенных добавок производилась на основе данных, полученных при испытании водопотребности и скорости схватывания модифицированных составов. Безусловно, с повышением содержания пластифицирующей добавки - снижается водопотребность смеси в целом. Добавки
Замедление конца схватывания в случае добавок СП 1, СП 2, СП 3 составляет от 15 до 35 мин в зависимости от дозировки. Наиболее интересным оказалось поведение добавки СП 4 в количестве более 0,5 масс. %. С повышением концентрации добавки наблюдается ускорение схватывания, причем тем существеннее, чем больше вводится добавки. Объяснено это может быть тем, что при мгновенной адсорбции на поверхности частиц цемента молекулы добавки быстро растворяются в воде, тем самым вызванное дефлокулирующее действие, оказываемое на зерна цемента, ускоряет процесс гидратации, увеличивая зону контакта цемента с водой. Поэтому процесс твердения составов с добавкой СП 4 происходит значительно быстрее, т. к. частицы высокомолекулярных
поликарбоксилатной природы (СП 2,СП 3) обладают большим водоотнимающим действием. С их помощью становится возможным добиться сокращения В/Ц с 32 до 24,5%, что весьма существенно. Добавки СП 1 и СП 4 не столь эффективны в этом плане. Они позволяют снизить В/Ц от 32 максимум до 27%, что в принципе тоже является приемлемым результатом.
Сроки схватывания цементного теста неразрывно связанны с количеством воды затворения, а так же с типом и количеством используемых пластифицирующих добавок. Адсорбируясь на поверхности зерен цемента добавки образуют моно-, би- и более молекулярные слои, играющие роль смазки между частицами цемента и обеспечивающие пластичность теста при меньшем количестве воды затворения. Толщина слоя зависит от количества добавки. Безусловно, с увеличением толщины адсорбционного слоя и максимальном уменьшении водопотребности смеси оболочка будет играть отрицательную роль в формировании цементного камня. Так, возможно замедление процесса гидратации, если не на начальном этапе твердения (так как слой добавки все же водопроницаем и позволяет частицам цемента частично гидратироваться), то в перспективе - на 3 сут и более. Поэтому не рекомендуется использовать более чем 0,7 масс. % добавки. Представленные в таблице 1 данные иллюстрируют зависимость изменения
водопотребности и схватывания цементного теста при различной дозировки добавки.
поликарбоксилатных добавок СП 2 и СП 3 в воде растворяются с меньшей скоростью, тем самым некоторое время поверхностная пленка притормаживает процесс гидратации.
В ходе исследования была установлена оптимальная дозировка добавок для исследуемого цемента равная 0,5 % по массе вяжущего. Основываясь на этом факте - были разработаны составы моно и комплексных добавок для установления основных характеристик цементного камня [4].
Так, для улучшения долговечности конструкции рекомендуется при максимальном сокращении водопотребности смеси (что в последствии приведет к уплотнению структуры) обеспечить все таки наличие определенного количества сферических
Таблица 1. Характеристики цементного теста
Добавка Параметры Дозировка добавки (масс.%)
0,1 0,3 0,5 0,7 1,0 1,5
СП 1 Водопотребность,% 32,0 31,0 30,5 30,0 30,0 28,0
Конец схватывания, мин 175 175 170 165 180 195
СП 2 Водопотребность,% 32,0 31,5 30,0 30,0 30,0 29,5
Конец схватывания, мин 130 135 140 150 160 185
СП 3 Водопотребность,% 31,5 31,0 29,0 28,0 27,0 26,5
Конец схватывания, мин 175 170 160 165 160 155
СП 4 Водопотребность,% 31,5 30,0 28,0 28,0 28,0 28,0
Конец схватывания, мин 155 145 130 115 90 95
микропор в структуре цементного камня. Поровое пространство в целом отрицательно сказывается на прочности композиции. Но наличие некоторого количества пор все же необходимо для нормального протекания процесса перемещения и агрегатного превращения поровой жидкости в структуре цемента, а так же для амортизации избыточных напряжений, возникающих в процессе эксплуатации. Поэтому было принято решение совместного ввода воздухововлекающих и пластифицирующих добавок. Это позволило добиться наряду с повышением прочности образцов от 20 до 40% увеличение морозостойкости образцов в 2 раза.
Присутствие добавки ВВ не зависимо от дозировки никак не отражалось на водопотребности и схватывании. Но максимальные показатели
СП1 СП2 СПЗ СП4
■ Только СП СП+0,5%ВВ «БД
Рисунок 2. Прочностные характеристики образцов в возрасте 28 сут
Заключение. Пластификаторы способны при существенном снижении водотвердого отношения цементного раствора обеспечивать нормальную консистенцию без потери прочностных качеств со временем. При работе важно соблюдать дозировку пластифицирующих добавок, так как превышение необходимого количества добавки существенно влияет на процесс гидратации цемента с
коррозионной и морозостойкости были получены при 0,5 % по массе цемента. Поэтому далее использовалась добавка вида СП (0,5%) + ВВ (0,5%). Как мы видим на рисунке 1 (слева) - использование данного сочетания добавок способствует зарастанию" дефектных мест, в структуре цемента гидратными новообразованиями (в частности кристаллами эттрингита игольчатой формы от 4 до 5 мкм). Данное обстоятельство объясняет меньшую пористость образцов и соответственно лучшую их стойкость в агрессивных средах. Помимо этого образцы модифицированные комплексом обладали повышенной прочностью даже по отношению к составам, в которых использовались только пластификаторы (рис.2).
непоправимым ухудшением прочностных характеристик. Добавки на поликарбоксилатной основе во многих аспектах опережают давно известные и общедоступные пластификаторы. Но не безнадежно, так как лигносульфонаты так же способны показывать достойные результаты в плане прочности конструкции и ее долговечности.
Список литературы
1. Потапова Е. Н. История технологий вяжущих материалов. - М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, -2014. - 152 с.^
2. Штарк Й., Вихт Б. Долговечность бетона/Пер. с нем. - А. Тулаганова. Под ред. П. Кривенко. - Киев : Оранта, 2004. - 301 с.
3. Kong F.R., Pan L.S, Wang C.M., Zhang D.L., Xu N. Effect of polycarboxylate superplasticizers with different molecular on the hydration behavior of cement paste // Construction and Building Materials. - 2016. -105. - P. 545-553
4. Корчунов И.В., Потапова Е.Н., Курдюмова С.Е., Дмитриева Е.А. - Влияние эффективных водоредуцирующих добавок на свойства цемента// Сухие строительные смеси. — 2017. — № 2. — С. 31-35.
Рисунок 1. Структура образцов с добавкой СП 3 (слева) и бездобавочного состава (справа)
