CC BY
31Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Materials and structures
УДК 666.972.1
М.А. КАЛИТИНА, канд. техн. наук (mkalitina@bk.ru), А.В. КАЗЬМИНА, канд. пед. наук,
Ф.Ф. АРСЛАНБЕКОВА, канд. биол. наук
Российский государственный социальный университет (129226, Москва, ул. Вильгельма Пика, 4, стр. 1)
Комплексные поликомпонентные добавки для бетона
Исследовано влияние комплексных поликомпонентных добавок на основе суперпластификатора С-3 и на основе поликар-боксилатных эфиров на свойства цементного камня и бетона. Показано, что совместное применение в составе комплексных добавок суперпластификаторов, неорганического электролита и микрокремнезема, обладающих хорошо совместимыми механизмами их влияния на процессы гидратации, гидратообразования и формирования структуры твердения цементов, взаимно дополняет и усиливает действие каждого ингредиента добавки. Это позволяет направленно формировать структуру цементного камня, воздействовать на целый комплекс свойств бетонов, в нужной степени повышая их качественные и технологические показатели. Показано, что применение комплексной добавки с поликарбоксилатным суперпластификатором позволяет получать бетоны с более высокими эксплуатационными свойствами.
Ключевые слова: поликомпонентные добавки, суперпластификаторы, поликарбоксилаты, микрокремнезем, гидратация цемента.
M.A. KALITINA, Candidate of Sciences (Engineering) (mkalitina@bk.ru), A.V. KAZMINA, Candidate of Sciences (Pedagogic), F. F. ARSLANBEKOVA, Candidate of Sciences (Biological) Russian State Social University (4/1, Vilgelm Pick Street, Moscow, 129226, Russian Federation)
Influence of complex multicomponent additives on properties of a cement stone and concrete
This article presents the effect of complex multicomponent additives based on traditional superplasticizer C-3 and superplasticizer new generation of polycarboxylate based on the properties of cement stone and concrete. It was found that the combined use in complex superplasticizers additives, inorganic electrolyte and microsilica, have a good compatibility mechanisms of their influence on the processes of hydration, hydrate formation and structures of cement hardening, complement and reinforce the effect of each ingredient additive that allows the targeted form the structure of cement paste, work on a set of properties cementitious materials in the desired degree of increasing their quality and technological parameters. It is shown that the use of complex additives with polycarboxylate superplasticizers allows to obtain more concrete with high performance.
Keywords: multicomponent additives, superplasticizers, polycarboxylates, microsilica, cement hydration.
В настоящее время в России остро стоит проблема повышения качества и надежности конструкционных материалов на основе цемента, снижения их стоимости, снижения расхода дефицитных и дорогостоящих компонентов, увеличения производительности технологических линий.
Одним из перспективных путей решения этой проблемы является применение различных химических добавок, круг которых постоянно расширяется исследованиями ученых всего мира. Появились новые модификаторы для вяжущих и бетонов, различные добавки и наполнители, армирующие волокна, новые технологии, новые теории структурообразования, активно развиваются процессы моделирования, компьютерного проектирования структур будущих бетонов, автоматизированные системы управления технологическими процессами [1—4].
Известно, что надежным средством достижения высокой технологичности производства бетонов, резкого улучшения их качества и строительно-технических свойств являются суперпластификаторы (СП). Применение СП позволяет эффективно решать ряд первостепенных вопросов, прежде всего получать бетоны широкой номенклатуры и высокого качества, в том числе высокопрочные, самоуплотняющиеся и т. д.
В настоящее время хорошо зарекомендовали себя два основных типа пластифицирующих добавок: суперпластификаторы на основе нафталинформальдегидсульфонатов (НФС), разработанные еще в середине ХХ в. и отличающи-
32015 ^^^^^^^^^^^^^
еся достаточно высоким водоредуцирующим свойством и «всеядностью» к применяемым материалам - цементу и заполнителям, и суперпластификаторы последнего поколения на основе поликарбоксилатных эфиров (ПКЭ), совмещающие в себе высочайшее водоредуцирующее действие и гибкую технологическую основу, позволяющую широко варьировать свойства бетонной смеси и бетона. В зарубежной литературе СП этой группы получили название «гиперпластификаторы». Отличаются они тем, что диспергирование (дефлокуляция, разрушение агломератов, пластификация и т. д.) происходит по электростатическому принципу (электростатическое + стерическое (пространственное) отталкивание мелких частиц. Однако на сегодняшний день механизм действия добавок на основе поликарбоксилатов исследован недостаточно, мнения ряда авторов противоречивы [5-8].
Для поликарбоксилатов характерно наличие анионной основной и гидрофобных незаряженных боковых цепей. Вид и длина основной, а также длина и частота расположения боковых цепей могут меняться в широком диапазоне, что позволяет эффективно управлять процессами адсорбции этих пластификаторов на зернах вяжущего [9-11].
Однако СП являются относительно дорогими ингредиентами бетонных смесей, что сдерживает их применение. Поэтому изыскание способов снижения расхода СП в составе бетонных смесей при сохранении, а по возможности
- 23
Материалы и конструкции
------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Научно-технический и производственный журнал
Таблица 1
Влияние комплексных добавок на капиллярно-пористую структуру цементного камня (время твердения 28 сут)
Вид и содержание добавки, мас. % В/Ц Степень гидратации, %, d=0,176 нм Удельная поверхность, х10-3, м2/кг Суммарная пористость, х102, см3/г Распределение пор по размерам, х102, см3/г
г1>103, нм 103>г2>102, нм 102>г3>10, нм 10>г4>4, нм
- 0,26 60 19,7 10,26 0,65 3,57 5,15 0,89
КД-1 (СП С-3 (0,3) + + NaNO2 (0,5) + МК (7)) 0,22 68 27,2 6,39 0,21 0,67 4,37 1,34
КД-2 ^ (0,15) + + NaNO2 (0,5) + МК (7)) 0,2 72 28 6,6 0,17 0,76 3,97 1,7
Таблица 2
Влияние комплексных добавок на прочностные характеристики бетона (расход материалов на 1 м3 бетона, кг): цемент - 400, песок - 672, щебень - 1109; осадка конуса - 2,5 см; время твердения 28 сут)
Вид и содержание добавки, мас. % В/Ц Плотность, кг/м3 Прочность при сжатии, МПа Прочность при изгибе, МПа Прочность при раскалывании, МПа Прочность сцепления с арматурой, МПа Призменная прочность, МПа Модуль упругости, х104, МПа
- 0,49 2300 31,9 4,9 3,8 6,1 27,4 2,6
КД-1 (СП С-3 (0,3) + + NaNO2 (0,5) + МК (7)) 0,4 2390 55,2 7,1 4,7 12,3 41,9 3,4
КД-2 ^ (0,15) + + NaNO2 (0,5) + МК (7)) 0,38 2410 56,4 7,3 5,1 13,5 43,1 3,5
и улучшении технологичности и качества бетонов является актуальным. Один из наиболее эффективных и доступных способов в решении этой задачи - применение СП в составе комплексных поликомпонентных добавок, вводимых с водой затворения или при помоле цемента.
В работе были проведены исследования влияния комплексных трехкомпонентных добавок КД-1 и КД-2 на важнейшие эксплуатационные характеристики бетона. Комплексная добавка КД-1 представляет собой сочетание суперпластификатора С-3 с неорганическим электролитом NaNO2 и микрокремнеземом, комплексная добавка КД-2 представляет собой поликарбоксилатный суперпластификатор зарубежного производства (SV) в сочетании с неорганическим электролитом NaNO2 и микрокремнеземом.
Выбор этих ингредиентов обусловлен различными по своей природе, но хорошо совместимыми механизмами их влияния на процессы гидратации, гидратообразования и формирование структур твердения цементов. Ингредиенты этих добавок, действуя каждый в своем направлении, по определенному, присущему ему механизму, взаимно дополняют и усиливают друг друга. Суммируя эти воздействия, можно направленно формировать структуру цементного камня, добиваясь получения материалов на основе цемента с высокими эксплуатационными свойствами.
Механизм структурообразующего влияния суперпластификаторов заключается в том, что этот ингредиент, сильно пластифицируя цементное тесто или резко снижая его во-досодержание, обусловливает повышение плотности и однородности формирующегося из него цементного камня, оптимизацию его капиллярно-пористой структуры. В этих условиях полезно было бы дополнительно воздействовать на равномерность распределения гидратов в твердеющем цементном камне, что позволило бы обеспечить большее количество контактов срастания частиц гидратов друг с другом, релаксировать внутренние напряжения за счет рассредоточения центров гидратообразования в объеме формирующейся структуры и «залечить» гидратами ее ослабленные участки - межзерновые поры.
Это и достигается использованием добавки неорганического электролита, изменяющего условия зарождения и развития гидратов в заполняемом ими пространстве за счет изменения состава и свойств жидкой фазы. С помощью неорганического электролита в составе комплексной добавки удается частично сместить зону преимущественного гидратообразования с поверхности исходных цементных зерен в межзерновое пространство и тем самым кольмати-ровать гидратными продуктами наиболее крупные пустоты в структуре цементного камня.
Сочетание СП с неорганическим электролитом обеспечивает регулируемое протекание процессов гидратации, особенно на ранних стадиях, снимая замедляющее гидратацию цемента действие суперпластификаторов.
Микрокремнезем (МК), имеющий очень высокую дисперсность и состоящий преимущественно из аморфного высокоактивного кремнезема, способствует не только связыванию гидроксида кальция в низкоосновные гидросиликаты кальция (ГСК), синтезируемые в результате пуццолановой реакции, но и более равномерному распределению этой самой структурно-активной гидратной фазы в пространстве. В отсутствие МК гидросиликатная фаза (ГСК-фаза) в цементном камне концентрируется преимущественно вблизи поверхности исходных цементных зерен, а межзерновое пространство лишь частично заполняется сростками кристаллических масс портландита, что, несомненно, создает ослабленные участки в формирующейся структуре. Крем-неземсодержащий ингредиент добавки устраняет этот недостаток, обеспечивая более равномерное распределение ГСК-фазы в цементном камне, максимально кольматируя в том числе и объем пор, ранее в лучшем случае заполненных портландитом.
Исследования влияния комплексных добавок на дисперсность гидратов и капиллярно-пористую структуру цементного камня, представленные в табл. 1, показывают, что введение комплексных добавок КД-1 и КД-2 приводит к росту удельной поверхности гидратных новообразований, снижению общей пористости цементного камня. Кроме того, наблюдается уменьшение среднего радиуса пор,
Научно-технический и производственный журнал
Materials and structures
повышение объема гелевых пор, что, в свою очередь, должно привести к улучшению строительно-технических свойств материалов на основе цемента.
Исследования влияния комплексных добавок на прочностные характеристики тяжелых бетонов, приведенные в табл. 2, показывают, что бетон с комплексными добавками КД-1 и КД-2, изготовленный из равноподвижных смесей с осадкой конуса 2,5 см и твердевший в нормальных условиях, в возрасте 28 сут имеет прочность при сжатии на 73 и 77% (соответственно) выше прочности бездобавочного состава.
Бетоны, содержащие комплексные добавки, более устойчивы к действию раскалывающих и изгибающих нагрузок. Для образцов, твердевших в нормальных условиях, прирост прочности при раскалывании в возрасте 28 сут для бетонов с КД-1 и КД-2 составил 24 и 34% соответственно по сравнению с бездобавочными бетонными образцами. Прирост прочности при изгибе бетона с добавками КД-1 и КД-2 составил 45 и 49% по сравнению с бездобавочным составом.
Повышение прочностных характеристик бетона с комплексными добавками связано с менее напряженным состоянием формирующейся в этих условиях структуры цементного камня в бетоне в результате более равномерного распределения гидратов, их повышенной дисперсностью, а следовательно, и большим числом контактов между ними, меньшим развитием кристаллизационного давления, более выраженной волокнистой структурой ГСК.
Важнейшим фактором прочности железобетона является прочность сцепления с арматурой. Наиболее эффективно прочное сцепление с бетоном всей поверхности арматуры, а не ее отдельных участков или концов. Арматура применялась класса А-11 (А300) диаметром 12 мм, периодического профиля. Сцепление арматуры с бетоном изучалось на призмах размером 15x15x10 см. Призмы испы-тывались путем выдергивания арматуры из бетона на разрывной машине «Шоппер» мощностью 500 кН. В случае прочного сцепления арматуры с бетоном по всей поверхности соприкосновения появляются многочисленные новые, медленно раскрывающиеся трещины, которые достигают опасных размеров только тогда, когда сталь начинает течь. Отсюда следует, что, повышая прочность сцепления бетона с арматурой, можно уменьшить раскрытие трещин и увеличить прочность железобетонных конструкций. Из данных табл. 2 видно: добавки КД-1 и КД-2 увеличивают прочность сцепления бетона с арматурой более чем в два раза по сравнению с бездобавочным составом, что связано с формированием однородной, плотной и прочной структуры, возникновением более прочного контакта с частицами заполнителя. Это позволяет использовать бетоны с такими добавками в густоармированных строительных конструкциях, а также использовать более дешевую гладкую арматуру.
Исследования деформаций и прочности бетона при кратковременном нагружении производили на центрально-сжатых призмах 10x10x40 см с замером продольных деформаций на базе 300 мм. Модуль упругости определялся в области упругих деформаций при уровне нагружения ст^ =0,2.
пр '
Бетоны с комплексными добавками КД-1 и КД-2 показали более высокие значения призменной прочности и рост
модуля упругости. Прирост призменной прочности составляет 53-57%.
Таким образом, на основании проведенных исследований установлено, что синергизм воздействия ингредиентов комплексных добавок, оказывая благоприятное влияние на процессы структурообразования, гидратации и твердения, способствует формированию однородной, мелкокристаллической и низкопористой структуры бетона с меньшим числом очагов напряжения, что, в свою очередь, позволяет получить высокие эксплуатационные характеристики материалов на основе цемента.
В зависимости от области применения добавок, вида производимых изделий и составляющих их материалов могут быть использованы как комплексные добавки на основе традиционных суперпластификаторов, так и комплексные добавки с поликарбоксилатным суперпластификатором; при этом эффект действия последних существенно выше и проявляется при значительно более низких дозировках по сравнению с СП С-3, что делает их применение более эффективным с целью максимальной оптимизации практически всех показателей качества цементного камня и бетона.
Список литературы
1. Добшиц Л.М., Кононова О.В., Анисимов С.Н., Леш-канов А.Ю. Влияние поликарбоксилатных суперпластификаторов на структурообразование цементных паст // Фундаментальные исследования. 2014. № 5-5. С. 945-948.
2. Сеськин И.Е., Баранов А.С. Влияние суперпластификатора С-3 на формирование прочности прессованного бетона // Строительные материалы. 2013. № 1. С. 32-33.
3. Изотов В.С., Ибрагимов Р.А. Влияние новой комплексной добавки на основные свойства цементных композиций // Строительные материалы. 2012. № 6. С. 63-64.
4. Селяев В.П., Неверов В.А., Куприяшкина Л.И., Маш-таев О.Г. Природные и искусственные микрокремнеземы в качестве наполнителей вакуумных изоляционных панелей // Строительные материалы. 2014. № 10. С. 60-61.
5. Lothenbach B., Winnefeld F., Figi R. The influence of superplasticizers on the hydration of Portland cement. Proceedings of the 12th International Congress on the Chemistry of Cement. Montreal. 2007, pp. 211-233.
6. Koizumi K., Umemura Y., Tsuyuki N. Effects of Chemical Admixtures on the Silicate Structure of Hydrated Portland Cement. Proceedings of the 12th International Congress on the Chemistry of Cement. Montreal. 2007, pp. 64-71.
7. Гамалий Е.А., Трофимов Б.Я., Крамар Л.Я. Структура и свойства цементного камня с добавками микрокремнезема и поликарбоксилатного пластификатора // Вестник ЮУрГУ. Серия «Строительство и архитектура». 2009. Вып. 8. № 16 (149). С. 29-35.
8. Калашников В.И., Мороз М.Н., Тараканов О.В., Калашников Д.В., Суздальцев О.В. Новые представления о механизме действия суперпластификаторов, совместно размолотых с цементом или минеральными породами // Строительные материалы. 2014. № 9. С. 70-71.
9. Сорвачева Ю.А., Петрова Т.М., Гибсон К., Федченко А.А. Влияние суперпластификаторов на основе поликарбок-
32015
25
Материалы и конструкции
------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Научно-технический и производственный журнал
силатов на щелочесиликатное расширение бетона // Строительные материалы. 2014. № 5. С. 15-16.
10. Ушеров-Маршак А.В. Химические и минеральные добавки в бетон. Харьков: Колорит, 2005. 281 с.
11. Гувалов А.А., Кабусь А.В., Ушеров-Маршак А.В. Влияние органоминеральной добавки на раннюю гидратацию цемента // Строительные материалы. 2013. № 9. С. 95-96.
References
1. Dobshits L.M., Kononova O. V., Anisimov S.N., Leshka-nov A.Y. Influence the polycarboxylate superplasticizers on structurization of cement pastes. Fundamental'nye Issledovaniya. 2014. No. 5-5, pp. 945-948. (In Russian).
2. Seskin I.I, Baranov A.S. Influence of superplasticizer C-3 on formation of strength of pressed concrete. Stroitel'nye Materialy [Construction materals]. 2013. No. 9, pp. 32-33. (In Russian).
3. Izotov V. S., Ibragimov R. A. Influence of a new complex additive on the main properties of cement compositions. Stroitel'nye Materialy. 2012. No. 6, pp. 63-64. (In Russian).
4. Selyaev V.P., Neverov V.A., Kupriyashkina L.I., Mash-taev O.G. Natural and artificial micro-silica as fillers for vacuum Insulation panels. Stroitel'nye Materialy [Construction mate^ls]. 2014. No. 10, pp. 60-61. (In Russian).
5. Lothenbach B., Winnefeld F., Figi R. The influence of superplasticizers on the hydration of Portland cement.
Proceedings of the 12th International Congress on the Chemistry of Cement. Montreal. 2007, pp. 211-233.
6. Koizumi K., Umemura Y., Tsuyuki N. Effects of Chemical Admixtures on the Silicate Structure of Hydrated Portland Cement. Proceedings of the 12th International Congress on the Chemistry of Cement. Montreal. 2007, pp. 64-71.
7. Gamaliy E.A., Trofimov B.J., Kramar L.Y. Structure and properties of cement paste with the addition of silica fume and polycarboxylate plasticizer // Vestnik YuUrGU. Seriya «Stroitelstvo i arkhitektura». 2009. Vol. 8. No. 16 (149), pp. 29-35. (In Russian).
8. Kalashnikov V.I., Moroz M.N., Tarakanov O.V., Kalash-nikov D.V., Suzdaltsev O.V. New ideas about action mechanism of superplasticizers grinded jointly with cement or mineral rocks. Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2014. No. 9, pp. 70-71. (In Russian).
9. Sorvacheva Yu.A., Petrova T.M., Giebson C., Fedchen-co A.A. Influence of polycarboxylate based superplasticizers on the alkali-silica expansion of the concrete. Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2014. No. 5, pp. 15-16. (In Russian).
10. Usherov-Marshak A.V. Khimicheskie i mineral'nye dobavki v beton [Chemical and mineral additives in concrete]. Kharkov: Color. 2005. 281 p.
11. Guvalov A.A., Kabus A.V. Usherov-Marshak A.V. Influence of an organo-mineral additive on early hydration of cement. Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2013. No. 9, pp. 95-96. (In Russian).
