CC BY
23
Наведено результати дослидження власти-востей птобетотв, як являють собою композицию з портландцементу, дрiбного заповнювача, тноутворювача й поверхнево-активнихречовин, що утворюють мщели, призначених для ство-рення теплоiзоляцiйних i конструкцшно-тепло-iзоляцiйних виробiв. Визначена здаттсть поверх-нево-активних речовин, як утворюють мщели, тдвищувати мщтсть означеного бетону
Ключовi слова: тздрюватий бетон, мщтсть, поверхнево-активн речовини, мщелярний ката-
лiз, цемент, пта, ктетика
□-□
Приведены результаты исследования свойств пористых бетонов, которые представляют собой композицию из портландцемента, мелкого заполнителя, пенообразователя и мицелло-образующих поверхностно-активных веществ, предназначенных для создания теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных изделий. Установлена способность мицеллообразую-щих поверхностно-активных веществ повышать прочность указанного бетона
Ключевые слова: пористый бетон, прочность, поверхностно-активные вещества, мицелляр-ный катализ, цемент, пена, кинетика
УДК 666.948 : 666.972.112
|DOI: 10.15587/1729-4061.2016.6370в|
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ВПЛИВУ ПОВЕРХНЕВО-АКТИВНИХ РЕЧОВИН, ЩО УТВОРЮЮТЬ М1ЦЕЛИ, НА М1ЦН1СТЬ Н1ЗДРЮВАТОГО РЕАКЦ1ЙНОГО ПОРОШКОВОГО БЕТОНУ
О. О. Шишкина
Кандидат техычних наук, доцент Кафедра технологи будiвельних виробiв, матерiалiв i конструкцт Криворiзький нацюнальний уыверситет вул. ХХ11-го партз'Тзду, 11, м. Кривий Pir, УкраТна, 50027 E-mail: 5691 180@gmail.com
1. Вступ
На будiвельнi конструкцп промислових будинюв i споруд, зокрема, гiрничо-металургiйного комплексу, особливо розташованих поблизу теплових апа-ратiв, впливае навколишне середовище, змiнюючи фiзико-механiчнi властивостi матерiалiв, з яких ви-готовленi щ конструкцii, i як наслiдок, змшюе 1хню довговiчнiсть. Це приводить до необхщносп перед-бачати, при реконструкцп будинкiв i споруд, заходи щодо пiдвищення iх довговiчностi шляхом зниження температурного впливу навколишнього середовища на конструкцп.
Крiм того, одним з найважливших факторiв, якi визначають вартiсть експлуатацii будинкiв i споруд, е величина витрат на тдтримку в них необхщного температурного режиму. За роки експлуатацп конструкцп шнуючих будинкiв i споруд зазнали багаторазового впливу навколишнього середовища, що знизило екс-плуатацшш властивостi матерiалiв, з яких виготовле-нi будiвельнi конструкцп. У бшьшосп, будiвельнi конструкцп iснуючих житлових будинкiв i шших споруд уже не вiдповiдають сучасним вимогам за теплопро-вiднiстю й вимагають виконання конструктивних за-ходiв щодо ii зменшення.
Одними з ефективних матерiалiв для захисту вщ теплових впливiв навколишнього середовища, яю ма-ють низьку теплопровiднiсть, е легю й нiздрюватi бетони. Однак вiдомi нiздрюватi бетони мають тдви-
щенi вологiснi деформацii (набрякання й усадки) та водопоглинання ^ що особливо важливо, недостатню мiцнiсть при стиску, що обмежуе '¿х застосування.
Шздрюват бетони широко застосовуються для виробництва зовтштх огороджуючих конструкцiй, частка яких становить 45-60 % об'ему будiвельних конструкцш будинку. Використання високомщних нiздрюватих бетонiв вiдкривае можливiсть зведення ефективних, з енергетичшл точки зору, будинюв i споруд.
2. Аналiз лггературних даних i постановка проблеми
Основу сучасноi технологii бетону будь-якого виду, як шдльного, так i шздрюватого, становить синтез високоякiсного цементного каменю, який вiдрiз-няеться високою дисперснiстю складових i новотво-рiв, малою дефектнiстю й стiйкiстю структури, у тому числi за рахунок зменшення и перетворення в процеа iснування. На основi означеного цементного каменя можуть створюватися всiлякi яюст бетони шляхом уведення в його структуру додаткових складових таких як зола винесення [1], мжрокремнезему [2] та и модифiкацii [3].
Зокрема, при одержанш пiнобетонiв, основними «вкрапленнями» у структуру бетону е повиряш пори [4], яю, приводячи до зменшення щдльност бетону i його теплопровщносп, обумовлюють зниження його
©
мщносп (у першу чергу при стиску), не дозволяючи вщнести даний бетон до конструктивних.
Очевидно, що основним шляхом тдвищення мщ-ностi пористих бетошв е пiдвищення !хньо! мщносп в перегородках мiж порожнинами. Цю задачу можна розв'язати застосуванням високомщних бетонiв. Най-бiльш прийнятними, у цьому випадку, е так зваш ре-акцiйнi порошковi бетони — Reactive powder concretes (RPC). Даш бетони одержують на основi сумiшi в'я-жучо! речовини, у якосп яко! можуть застосовувати-ся портландцемент, шлаколужне, шлакошламове або гiпсоцементне в'яжуче, мжронаповнювача, у якостi якого можуть застосовуватися доменш шлаки [5], вщ-ходи збагачення залiзних руд [6], мжрокремнезем [2], зола-вiднесення [1] та ш.
Для отримання, як важких бетошв [7], так i шз-дрюватих реакцiйних порошкових [8], дощльшше не використання в'яжучих речовин високих марок, а за-стосування нанотехнологш [9], зокрема, мiцелярного каталiзу, як !хньо! складово! [10].
У випадку створення шздрюватого бетону шляхом використання тн - пiнобетону, при застосуванш мiцелярного каталiзу, у бетош одночасно будуть зна-ходитися тноутворювач, який являе собою молеку-лярну поверхнево-активну речовину (ПАР), а також ПАР, що утворюе мщели (МПАР). Однак взаемний вплив означених ПАР у системi твердтчого бетону до цього часу не ввдомий i потребуе проведення певних дослвджень. Результати дослщжень одночасного вве-дення в бетон МПАР одночасно з дуже слабкими ПАР висвилеш лише в робот [11]. Але у цш робой викона-но дослiдження для важкого бетону. Тому вивчення одночасного введення рiзного виду ПАР, як МПАР, так i звичайних молекулярних, до складу шздрюватих бетошв, достатньо актуально.
Наведеш вище даш послужили основою науково! гiпотези, яка полягае в наступному: для керування процесами структуроутворення шздрюватих бетошв, у яких пориста структура утворюеться за рахунок застосування тн, дощльно застосування мiцелярного каталiзy Даний вид бетошв практично повшстю тд-падае пiд класифiкацiю як Reactive powder concretes (RPC), тобто щ бетони е нiздрюватими Reactive powder concretes.
3. Мета i завдання дослщжень
Проведений аналiз лiтературних даних дозволив поставити перед собою щль визначити вплив на швид-кiсть формування й величину мщносп нiздрюватих ЯРС поверхово-активних речовин, що утворюють мь цели.
Для досягнення поставлено! мети були визначеш наступнi завдання:
- визначити вплив поверхнево-активних речовин, що утворюють мщели, та звичайних поверхнево-ак-тивних речовин, яю застосовують у якосп пшоутво-рювача, на мщшсть нiздрюватих порошкових реакцш-них бетошв;
- визначити вплив юлькост поверхнево-активних речовин, що утворюють мщели, у шздрюватому ре-акцiйному порошковому бетош на його мщшсть при стиску.
4. MaTepia™ та методи дослщження впливу МПАР, на швидкшть формування мщноси peaкцiйного порошкового бетону
4. 1. Дослщжуваш мaтepiaли та обладнання, що використовувались в експеримени
Для виготовлення бетону використовували портландцемент ПЦ 11/Б-Ш-400, виробництва ПАТ «Хайдельберг цемент. Кривий Pir» (Укра!на), у якоси дрiб-ного заповнювача - ввдходи збагачення залiзних руд Центрального прничозбагачувального комбiнату (Кривий Рщ Украша), як мають максимальний роз-мiр часток 0,63 мм. У якост мiцелоутворюючих ПАР (МПАР) застосовували олеат натрж (Simagchem Corp., Китай), у якосп ПАР для утворювання тн -пiноутворювач ПО 2.
Сухi компоненти бетонно! сумiшi дозувалися в юлькосп, розраховано! згiдно iз планом експерименту, i перемiшувалися в лабораторному змiшувачi впро-довж 1 хв. Поим до означено'! сумiшi додавали воду з розчиненою в нш МПАР i перемiшували ще в лабораторному змiшувачi на 2 хвилини. Юльюсть води в даному випадку складала 30 % вщ розраховано'! на заданий об'ем тнобетону. У залишок води (70 % вщ розраховано! на заданий об'ем тнобетону) додавали тноутворювач i в пiногенераторi отримували пiну, яку поим змшували з попередньо отриманою сумшшю цементу, наповнювача та води з МПАР.
Отриману пшобетонну сумiш укладали в металеву форму-куб, що мае розмiр сторш 15 см. Вщформоваш в такий спосiб зразки бетону твердши впродовж 28 дiб при вологост навколишнього середовища 70±10 % i температурi навколишнього повiтря 293±2 K.
4. 2. Методика визначення показниюв властивос-тей зpaзкiв
Опосередковану ощнку впливу ПАР на кшетику твердiння цементу здiйснювали за результатами визначення термжв тужавлення на приладi Вiка при водоцементному стввщношенш (В/Ц) 0,26, фжсую-чи в чаи глибину занурення у цементне тшто голки приладу.
За основний показник, що характеризував кшетику твердшня цементу тсля його тужавiння, була при-йнята мiцнiсть при стиску реакцшного порошкового пiнобетону. Склад бетону був прийнятий постшним у вах дослiдженнях зi спiввiдношенням цемент/дрiбний заповнювач =1/0,5. У дослiдах змiнювали юльюсть, як ПАР, так i МПАР. Визначення величини межi мiцностi при стиску зразюв проводилося у вщповщносп до стандартних методик. Контроль мщност зразкiв ро-били на ушверсальнш машинi УММ-100.
5. Результати дослщження показнимв властивостей бетонних зразкiв
Результати визначення термжв тужавлення цементного ткта (В/Ц 0,26) в залежносп вiд кiлькостi й виду поверхнево-активних речовин приведено в табл. 1.
У наслщку проведення дослщжень було встанов-лено, що введення до складу реакцшних порошкових бетонiв (ЯРС) ПАР призводить до зменшення мщнос-тi бетону (рис. 1).
Таблиця 1
Вплив поверхнево-активних речовин на термши тужавлення цементного лста
№ Вид 1 кшькють поверхнево активных речовин, 105 % Термши тужавлення, год.-хв.
МПАР ПАР початок кшець
1 - - 2-15 4-48
2 40 - 2-18 4-32
3 - 10 2-32 4-53
4 40 10 2-32 4-50
25 20 15 10
5 0
Мшшсть бетону. МПа
♦ V- 1В.ВВе"г-33л !!■ =0,903
► ■ ' _ ---♦
0 0,4 0,8 1,2 1,6
Вюст ПАР в бетош, л/м3
Рис. 1. Вплив ПАР на мщнють RPC
У процесi виконаних експериментiв установлено, що введення в дослiджувану систему реакцшного порошкового пiнобетону мiцелоутворюючоi МПАР призводить до рiзкого збiльшення мщноси одержу-ваного бетону, як у ввд 3 дiб (рис. 2), так i у вiцi 28 дiб (рис. 3-6).
Вщносна шдшсть бетону, %
160
по = о — ПО = 0,8 л ПО = 0,9 т У 7 К = >,0Э5г +1,0051+1 7В*2 +4,336*+ 96,80 К2 = 0,911
м3 /
* ♦
у-0 '.1: ГГ- 0,853х + 98,46 0,949
1 Вшст М ПАР, -10-5;%
0 10 20 30 40 50
Рис. 2. Вщносна мщжсть RPC у вiцi 3 дiб
Одночасно дослщжувалася кiнетика змiни мщ-ностi дослщжуваного бетону в залежностi вiд вмшту в його складi МПАР (рис. 7-9).
Таким чином, у процес виконання дослщження показникiв властивостей бетонних зразюв встанов-лена мiцнiсть бетону у рiзному вiцi, а також юнетика формування мiцностi.
120
100
Вщносна М1И.Н1С1 к бетону, %
у=-0,021хг+1 [?г = 720х+ 100,0 1
Вшст МГ АР, 10-5,%
0 20 40 60 80
Рис. 3. Вщносна мщжсть RPC без ПАР у вiцi 28 дiб
125
115
105
Вщносна шцшсть бетону, %
■
/ V " -0,0 19хг+1,283x4 95 1** -0,955 ,13 \ Ч
1 Вшст МГ \ ■ АР, 10-3,%
20
40
60
80
Рис. 4. Вщносна мщжсть RPC при вмкт ПАР 0,5 л/м3 у вiцi 28 дiб
Рис. 5. Вщносна мщнють RPC при вмiстi ПАР 0,8 л/м3 у вiцi 28 дiб
Рис. 6. Вiдносна мщжсть RPC при вмiстi ПАР 0,9 л/м3 у вiцi 28 дiб: Ц — вмiст цементу в бетож
160
120
Вшносна мшшсть бетону, %
МПАР=43 10-3,% МПАР=64-10"5,%
Час, шб
10
15
20
25
30
Рис. 7. Кшетика формування мщносп 1?РС без ПАР до вку у 28 дiб
Рис. 8. Кшетика формування мщносп RPC з ПАР у кiлькостi 0,8 л/м3 до вiку у 28 дiб
Рис. 9. Кiнетика формування мщносп RPC з ПАР у ктькосл 0,9 л/м3 до вку у 28 дiб
6. Обговорення результаив дослiджень впливу мiцел поверхнево-активних речовин на мщшсть реакцiйних порошкових бетонiв
З визначення ефективностi поверхнево-активноi речовини на процес тужавлення цементу, як витжае
з отриманих результаив (табл. 1), встановлено, що молекулярш ПАР, якi використовуються у якосп ш-ноутворювачiв в бетонi, гальмують процеси гщратацп цементу. Цей процес е закономiрним для даного виду ПАР [6-8]. У той же час, уведення до складу бетону мщелоутворюючих ПАР (МПАР) практично не при-зводить до змши термжв тужавшня цементу (табл. 1). Вочевидь такий стутнь впливу МПАР обумовлюеть-ся '¿х малою кiлькiстю.
Отримаш данi щодо впливу комплексу поверхне-во-активних речовин на процес тужавлення цементу, дозволяють стверджувати наступне: на перших стадь ях тужавшня цементу в тнобетош, МПАР практично не впливае на швидюсть реакцш. Це шдтверджуе результати попереднiх дослiджень [11] для щдльних бетонiв.
Результати визначення механiчноi мiцностi зразкiв пiнобетону на раншх стадiях твердiння (у вiцi 3 доби) (рис. 2) вказують на те, що збшьшення концентрацп в бетон МПАР призводить до зб^ьшення його мщнос-тi. При досягненш МПАР певноi концентрацii в систе-мi спостерiгаеться максимальна мiцнiсть, яка залежно вщ його складу бетону в цьому випадку становить 120-250 % мщносп бетону без добавок.
При цьому вщзначаеться наявшсть оптимального вмшту МПАР у кшькоси близько 0,0004 % вщ маси цементу, яка забезпечуе формування максимальноi мщносп системи пльки для бетонiв без тноутворювача, тобто для важких бетошв, що шдтверджуе результати, отримаш в робоп [11]. Зб^ьшення мщносп бетону, як показника ступеня протжання ре-акцiй гiдратацii мiнералiв цементу, при зазначеному незначному вмшт МПАР, свiдчить про каталiтичний характер '¿хньо' дii.
Для пiнобетонiв для шдвищення '¿х мiцностi по-трiбна значно бiльша кiлькiсть МПАР шж для щiльних бетонiв (рис. 2), що пояснюеться впливом тноутворювача, який гальмуе реакцп гщратацп цементу.
У б^ьш пiзньому вiцi (28 дiб) (рис. 3-6) спостерь гаеться шша картина впливу МПАР на мщшсть пшо-бетону. У цьому ввд прирiст мiцностi бетону складае вщ 20 до 70 % i залежить вiд кiлькостi пiноутворювача.
Аналiз одночасного впливу ПАР рiзного виду (мо-лекулярних i мщелярних) (рис. 10) дозволяе зробити висновок, що в пшобетон потрiбно вводити пщвищену кiлькiсть пiноутворювача в порiвняннi iз бетонами в яких не використовуються МПАР. Це призводить до значного зб^ьшення приросту мщносп бетону. Вочевидь означене явище можна пояснити тим, що в даному випадку частина тноутворювача витрачаеться на утворення пши, а шша частина входить до мщел МПАР та сприяе шдвищенню рiвня гщратацп цементу, згщно загальних закономiрностей мщелярного каталiзу [11].
У дослщжуваному випадку найбiльший прирiст мiцностi пшобетону досягаеться при вмiстi пшоутво-рювача в бетош не менше 0,9 л/м3 та м^лоутворюючо' поверхнево-активноi речовини в межах вщ 0,0004 % до 0,000 7% вщ маси цементу.
Не менший вплив на оптимальну юльюсть мще-лоутворюючо' поверхнево-активноi речовини в пшо-бетонi та и ефективнiсть в сенсi ступеню пщвищення мiцностi пiнобетону здiйснюе й юльюсть цементу в пiнобетонi (рис. 11).
Рис. 10. Вплив ПАР pi3Horo виду на мщшсть шнобетону
Рис. 11. Вплив вмюту цементу в бетош на вщносну мщшсть
При вмкп МПАР у шнобетош бiльше за 0,00013 % вщ маси цементу, спостерпаеться явище збiльшення приросту мщносп шнобетону, як при зменшенш вмк> ту цементу вiд 47 %, так i при зб^ьшенш його витрати вщносно означеноï величини (рис. 11).
Тобто ефектившсть застосування мщелоутворю-ючоï поверхнево-активноï речовини найбiльша при застосуванш ïï для отримання шдльних бетонiв та ш-нобетонiв малоï шiльностi (вмiст цементу 22-40 %) або шнобетошв iз достатньо великою витратою цементу (бiльше 50 %).
7. Висновки
1. Установлено, що вщносна мщшсть при стиску реакцшних порошкових пiнобетонiв, при введеннi до '¿хнього складу мiцелярного розчину, який складаеть-ся з поверхнево-активних речовин, що утворюють мь цели, досягае 120-250 % мщносп бетону аналопчно-го складу, отриманого без застосування мщелярного розчину. Найбшьший прирiст мщносп бетону спосте-рiгаеться на раншх стадiях твердiння (у вiцi 3 доби). Даний процес вщбуваеться за рахунок протжання процесiв, що пщпорядковуються закономiрностям мь целярного каталiзу.
2. Доведено, що величина мщносп при стиску реак-цшного порошкового шнобетону залежить вщ вмiсту в ньому мщелярного розчину, який складаеться iз поверхнево-активних речовин, що утворюють мщели, та звичайних поверхнево-активних речовин, як утворюють шну, в складi цього бетону. При цьому оптимальний вмкт означеного мщелярного розчину коливаеться в межах вщ 0,00030 % до 0,00070 %.
Лиература
1. Termkhajornkit, P. Effect of fly ash on autogenous shrinkage [Text] / P. Termkhajornkit, T. Nawa, M. Nakai, T. Saito // Cement and Concrete Research. - 2005. - Vol. 35, Issue 3. - P. 473-482. doi: 10.1016/j.cemconres.2004.07.010
2. Yang, Y. Autogenous shrinkage of high-strength concrete containing silica fume under drying at early ages [Text] / Y. Yang, R. Sato, K. Kawai // Cement and Concrete Research. - 2005. - Vol. 35, Issue 3. - P. 449-456. doi: 10.1016/j.cemconres.2004.06.006
3. Shishkin, А. Low-shrinkage alcohol cement concrete [Text] / A. Shishkin, A. Shishkina, N. Vatin // Applied Mechanics and Materials. - 2014. - Vol. 633-634. - P. 917-921. doi: 10.4028/www.scientific.net/amm.633-634.917
4. Меркин, А. П. Особенности структуры и основы технологии получения эффективных пенобетонных материалов [Текст] / А. П. Меркин, Т. Е. Кобидзе // Строительные материалы. - 1988. - № 3. - С. 16-18.
5. Swamy, R. N. Role of Superplasticizers and Slag for Producing High Performance Concrete [Text] / R. N. Swamy, M. Sakai, N. Nakamura // The Fourth CANMET/ACI International Conf. on Superplasticizers and Other Chemical Admixtures in Concrete: ACI SP-148-1. - Proceedings. Detroit (USA), 2006. - P. 1-26.
6. Шишкин, А. А. Щелочные реакционные порошковые бетоны [Текст] / А. А. Шишкин // Строительство уникальных зданий и сооружений. - 2014. - № 2 (17). - С. 56-65.
7. Тевяшев, А. Д. О возможности управления свойствами цементобетонов с помощью наномодификаторов [Текст] / А. Д. Тевя-шев, Е. С. Шитиков // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2009. - Т. 4, № 7 (40). - С. 35-40. - Режим доступа: http://journals.uran.ua/eejet/article/view/22048/19660
8. Шишкина, А. А. Пористые реакционные порошковые бетоны [Текст] / А. А. Шишкина // Строительство уникальных зданий и сооружений. - 2014 - № 7 (23). - С. 128-135.
9. Стрижак, П. 6. Сучасш проблеми нанокатал1зу [Текст] / П. 6. Стр1жак // Вюник НАН Украши. - 2014. - № 7. - С. 16-24.
10. Березин, И. В. Физико-химические основы мицеллярного катализа [Текст] / И. В. Березин, К. Мартинек, А. К. Яцимир-ский // Успехи химии. - 1973. - Т. XLU, № 10. - С. 1729-1756. doi: 10.1070/rc1973v042n10abeh002744
11. Шишкша, О. О. Дослщження впливу нанокатал1зу на формування мщност реакцшного порошкового бетону [Текст] / О. О. Шишкша, О. О. Шишкш // Схщно-бвропейський журнал передових технологш. - 2016. - Т. 1, № 6 (79). - С. 55-60. doi: 10.15587/1729-4061.2016.58718
