CC BY
8УДК 532.696.1
С.Н. ТОЛМАЧЕВ, канд. техн. наук, И.Г. КОНДРАТЬЕВА, канд. техн. наук, Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет (Украина)
Исследования смачивания подложек различного минерального состава растворами ПАВ
В соответствии с требованиями нормативных документов в технологии дорожных и аэродромных бетонов применение химических добавок обязательно. В первую очередь это относится к суперпластификаторам (СП) и воздухововлекающим добавкам. При пониженной температуре укладки бетонных смесей допустимо применение ускорителей твердения или противоморозных добавок. Механизмы действия всех названных добавок достаточно широко и подробно описаны в научной литературе. Однако в теории и практике строительства все чаще стала появляться информация о том, что применение СП не всегда обеспечивает требуемых характеристик бетонной смеси и бетона. В первую очередь это касается прочности и долговечности бетона. Учитывая резко возросшие в последние два десятилетия интенсивность движения и нагрузки на ось автотранспорта, повышение прочности бетона является весьма актуальной задачей, решение которой обеспечивает применение современных СП.
Известны три основных вида разрушения дорожных бетонов: по зерну крупного заполнителя; по цементно-песчаному раствору; по зоне контакта цементный камень—крупный заполнитель. Разрушение по зерну крупного заполнителя возможно в случае, когда механические нагрузки превышают прочность самого заполнителя, т. е. более 80 МПа, что маловероятно при существующем уровне нагрузки. Разрушение по растворной части бетона более вероятно, однако уровень прочности растворов с современными СП часто выше общей прочности бетона, в состав которого входит этот раствор. Поэтому наиболее часто встречающимся видом разрушения является разрушение зоны контакта. О необходимости повышения прочности зоны контакта написано во многих работах, в частности О.П. Мчедлова-Петросяна и А.Г. Ольгинского [1, 2]. В них отмечено, что наиболее плодотворным является повышение активности поверхности заполнителя с учетом минерального состава специальными технологическими приемами. Наиболее простым приемом является применение химических доба-
Рис. 1. Смачивание подложек растворами Мареу Dynamon SR-2: 1 - гранит серый; 2 - мрамор; 3 - кварцит
вок, в том числе СП. В последнее время резко увеличилось количество суперпластификаторов, поставляемых на строительный рынок. Оценка их эффективности занимает много времени и требует значительных трудозатрат. Известно, что на стадии перемешивания компонентов бетонной смеси, особенно в присутствии СП, важную роль приобретает смачивание, от которого зависит прочность зоны контакта. Чем лучше смачивание заполнителя, в первую очередь крупного, тем прочнее зона контакта. Для исследования смачивания на кафедре ТДСМ ХНАДУ (ХАДИ) используется методика определения величины угла смачивания твердой положки водным раствором добавок, а также цементно-водными суспензиями.
В исследованиях применяли добавки — ускорители твердения (сульфат калия и хлорид кальция) и суперпластификаторы (Мареу Dynamon SR-2, Мигар^! Fk-88, Релаксол Лидер). Для смачивания использовали гранитную, кварцитовую и мраморную положки.
Исследования показали, что угол смачивания гранита и мрамора водным раствором соли на основе сильного основания и сильной кислоты (К^04) не изменяется. С увеличением концентрации соли до 1% угол смачивания кварцита уменьшается, после чего его изменение незначительно. Аналогичные данные получены при смачивании этих подложек 10 и 20% цементными суспензиями, содержащими 1 и 2% сульфата калия.
При исследовании смачивания этих подложек водным раствором сильного основания и относительно слабой кислоты (СаС12) установлено, что с увеличением концентрации добавки в растворе угол смачивания гранита не изменяется. В то же время угол смачивания мрамора и кварцита (разнозаряженных подложек) уменьшается при концентрациях соли более 1%. Смачивание всех подложек цементно-водными суспензиями с добавкой СаС12 приводит к увеличению угла смачивания. Это свидетельствует об ухудшении смачивания подложек цементными суспензиями, содержащими хлорид кальция.
45
>
20-1-
0 1 2
Концентрация добавки, %
Рис. 2. Смачивание подложек 10% суспензиями с добавкой Мареу Dynamon SR-2: 1 - гранит серый; 2 - мрамор; 3 - кварцит
научно-технический и производственный журнал
Таблица 1
Прочность бетона при растяжении при изгибе
Вид крупного заполнителя Добавка Релаксол Лидер, % массы цемента Прочность при растяжении при изгибе, МПа, образцов, изготовленных через определенное время перемешивания бетонной смеси, с
30 90 180
Гранит серый - 5,15 5,8 6,35
1 6 6,45 6,7
1,5 6,65 6,8 6,85
Кварцит - 4,6 4,7 4,85
1 2,8 3,85 4,8
1,5 3,25 5,05 5,1
Наибольший интерес представляют исследования смачивающей способности суперпластификаторов. Для СП Mapei Dynamon SR-2 можно отметить, что существует область концентрации раствора добавки, в которой происходит резкое уменьшение краевого угла смачивания, т. е. улучшения смачивания (рис. 1). Минимальное его значение соответствует концентрации раствора 0,5%, что совпадает со второй точкой критической концентрации мицеллообразования (ККМ) для подобных добавок. Повышение концентрации раствора добавки приводит к увеличению угла смачивания. В то же время исследования смачивающей способности подложек цементными суспензиями с СП показали, что с увеличением концентрации СП углы смачивания кварцита и гранита уменьшаются (рис. 2, 3). В отличие от этого на мраморной подложке с увеличением концентрации суспензии и количества добавки в ней угол смачивания увеличивается, что свидетельствует об ухудшении смачивания. Данные показали, что добавка Mapei Dynamon SR-2 улучшает смачивание гранитной и кварцитовой подложек.
Исследования смачивающей способности добавки Мигар^! Fk 88 показали, что с увеличением концентрации раствора этой добавки угол смачивания гранитной подложки не изменяется (рис. 4). Увеличение концентрации Мигар^! Fk 88 до 1,5% приводит к незначительному уменьшению краевого угла для мраморной подложки. После этого происходит скачкообразное уменьшение угла смачивания. Наибольший эффект отмечается при смачивании кварцитовой подложки, на которой краевой угол резко уменьшается при концентрации раствора 0,5%, после чего при увеличении концентрации раствора добавки не изменяется. Аналогичные зависимости получены при смачивании твердых подложек цементными суспензиями с Мигар^! Fk 88. Угол смачивания гранитной подложки суспензиями практически не изменяется. В то же время отмечено существенное улучшение смачивания кварцитовой подложки суспензиями 10 и 20% концентрации. С увеличением количества добавки в составе суспензии с 1 до 2% угол смачи-
45
I
40
35
30
25
1
2
3
0
1
2
вания не изменяется. Для мраморной подложки при увеличении концентрации цемента в ней с 10 до 20% происходит резкое уменьшение угла смачивания. Аналогичное явление отмечено при смачивании кварцитовой подложки. Исследования позволяют заключить, что водные растворы добавки Мигар^! Fk 88 концентрацией 0,5% и выше улучшают смачивание мрамора и кварцита.
В качестве отечественного аналога суперпластификаторов в исследованиях применяли добавку Релаксол Лидер. Исследования показали, что растворы этой добавки улучшают смачивание подложек различного минерального состава в разной степени. Наибольшее уменьшение угла смачивания заметно при смачивании мрамора. Для кварцита практически не наблюдается сколько-нибудь существенного изменения угла смачивания. Смачивание подложек суспензиями различных концентраций показывает, что при введении добавки Релаксол Лидер в состав суспензий смачивание мраморной и кварцитовой подложек ухудшается в настолько большей степени, насколько выше содержание СП. И наоборот, угол смачивания гранитной подложки такими суспензиями уменьшается в ряду водная суспензия без добавки Релаксол Лидер — суспензия + 1% Релаксол Лидер — суспензия + 2% Релаксол Лидер, что свидетельствует об улучшении смачивания этой подложки.
Улучшение или ухудшение смачивания крупного заполнителя различной природы должно отразиться на свойствах зоны контакта цементный камень-заполнитель, в первую очередь на ее плотности и прочности. Это, в свою очередь, приведет к повышению или понижению прочности всего бетона в целом. В случае плохого смачивания можно применить простой технологический прием - увеличить время перемешивания бетонной смеси. При изготовлении бетонных смесей на производственных предприятиях время перемешивания смесей обычно не превышает 60-90 с. Для определения взаимосвязи между смачиванием и показателем прочности бетонов с крупным заполнителем раз-
40
35
10
2
^^
0
2
Концентрация добавки, % Рис. 3. Смачивание подложек 20% суспензиями с добавкой Мареу Dynamon SR-2: 1 - гранит серый; 2 - мрамор; 3 - кварцит
0,5 1 1,5
Концентрация добавки, % Рис. 4. Смачивание подложек растворами добавки Мuraplast Fk 88 1 - гранит серый; 2 - мрамор; 3 - кварцит
научно-технический и производственный журнал £J\±Jг\i>\'::
20 октябрь 2011 ы ®
Таблица 2
Прочность бетона при сжатии
Вид крупного заполнителя Добавка Релаксол Лидер, % массы цемента Прочность при сжатии, МПа, образцов, изготовленных через определенное время перемешивания бетонной смеси, с
30 90 180
Гранит серый - 28,8 40 43,2
1 33,4 45,8 46,2
1,5 46,4 47,2 47,6
Кварцит - 24,8 34 36,4
1 24,8 33,6 36,4
1,5 23,2 32,4 34,8
личного минерального состава были изготовлены образцы-кубы и образцы-балочки. Эти образцы формовали из смесей, которые перемешивали в течение 30, 90 и 180 с в лабораторной бетономешалке. По результатам испытаний на прочность оценивали, как влияет смачивание крупного заполнителя на прочность бетона (табл. 1, 2).
Из приведенных данных следует, что увеличение времени перемешивания бетонных смесей без добавки приводит к увеличению прочности бетона как на квар-цитовом, так и на гранитном заполнителе (табл. 1, 2). Это свидетельствует о более качественном обволакивании крупного заполнителя цементным тестом за счет лучшего смачивания заполнителя, достигнутого при увеличенном времени перемешивания.
Введение в бетонную смесь на гранитном заполнителе добавки Релаксол Лидер приводит к положительному результату (такому же, как при перемешивании смеси без добавки в течение 180 с) уже при перемешивании в течение 30 с. Очевидно, что это обусловлено улучшением смачивания крупного заполнителя раствором добавки. Это проявляется уже при концентрации Релаксол Лидер 1%. В большей степени улучшение зоны контакта влияет на прочность при растяжении при изгибе. Поэтому разница в прочности бетона без добавок и с добавкой Релаксол Лидер больше для этого показателя, чем для прочности бетонов при сжатии, что видно из результатов исследования.
Применение добавки Релаксол Лидер в бетоне на кварцитовом крупном заполнителе не приводит к изменению прочности бетонов. Это означает, что данная добавка неэффективна в бетоне на кварцитовом заполнителе. Полученные данные о прочности бетона согласуются с результатами исследований смачивания, которые показали улучшение смачивания гранитной и ухудшение смачивания кварцитовой подложки растворами и суспензиями с добавкой Релаксол Лидер.
Полученные результаты могут явиться дополнением, позволяющим по-новому оценить проблему совместимости добавок и компонентов бетона. На Украине это направление развивается под руководством А.В. Ушерова-Маршака. В первую очередь проблема совместимости рассматривается им в основном с реологических позиций по отношению к цементному вяжущему. В работе [3] отмечено, что проявление любых технологических эффектов обусловлено влиянием добавок на так называемые элементарные процессы твердения — смачивание, адсорбцию. Развивая исследования в этом направлении и предлагая в качестве критерия совместимости оценку с помощью термокинетических кривых, авторы работы [4] указывают, что совместимость добавок с цементами обусловлена двумя основными причинами: высокой физико-химической и технологической эффективностью добавок нового поколения; растущей многокомпонентностью составов самих добавок. Данные, приведенные в этой статье, могут рас-
ширить представления о совместимости современных добавок и заполнителей бетонной смеси.
Ключевые слова: смачивание, горная порода, суперпластификатор, прочность бетона, минеральный состав.
Список литературы
1. Мчедлов-Петросян О.П., Мельниченко П.А., Старосельский А.А. Некоторые вопросы надежности железобетонных подрельсовых оснований // Труды ХИИТ. 1971. Вып. 135. С. 5-8.
2. Ольгинский А.Г. Оценка и регулирование структуры зоны контакта цементного камня с минералами заполнителя: Дисс... д-ра техн. наук. Харьков, 1994. 391 с.
3. Ушеров-Маршак А.В., Циак М. Совместимость — тема бетоноведения и ресурс технологии бетона // Строительные материалы. 2009. № 10. С. 12—15.
4. Ушеров-Маршак А.В., Синайко Н.П. Комплексные добавки системы «Релаксол» — компонент современных бетонов: В сб. докладов XI международной научно-практической конференции «Дни современного бетона». Запорожье, 2010. С. 3—11.
В издательстве «СТРОЙМАТЕРИАЛЫ»
ВЫШЕЛ ДАЙДЖЕСТ «Сухие строительные смеси»
Часть 2
В дайджест вошли статьи, опубликованные в журнале «Строительные материалы»® за 2004-2008 гг. - всего более 60 статей по тематическим разделам:
- компоненты для производства ССС;
- технология и оборудование;
- результаты научных исследований;
- применение ССС;
- рынок ССС.
Для приобретения дайджеста следует направлять заявку произвольной формы в издательство по факсу или электронной почте.
Не забудьте указать наименование организации, почтовый адрес доставки, ФИО получателя.
Телефон/факс: (499) 976-20-36, 976-22-08 E-mail: mail@rifsm.ru www.rifsm.ru
Шг^шМ
^.....^ ДАЙДЖЕСТ^____
«Сухие строительные смеси »
научно-технический и производственный журнал
