МОДИФИКАЦИЯ ЛИТОЙ БЕТОННОЙ СМЕСИ ВОЗДУХОВОВЛЕКАЮЩЕЙ ДОБАВКОЙ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

doi: 10.5862/MCE.56.1

Модификация литой бетонной смеси воздухововлекающей добавкой

Д-р техн. наук, директор Инженерно-строительного института Н.И. Ватин;

д-р техн. наук, профессор Ю.Г. Барабанщиков; канд. техн. наук, зам. заведующего кафедрой по учебной работе М.В. Комаринский;

студент С.И. Смирнов,

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Аннотация. Исследовалось совместное действие суперпластификатора на основе лигносульфоната нафталина (марки С-3) и воздухововлекающей поверхностно-активной добавки (марки ЛХД) на подвижность, связность и воздухововлечение бетонной смеси.

Воздухововлекающая поверхностно-активная добавка способствует воздухововлечению и снижению водо- и раствороотделения бетонной смеси. Установлено, что при введении такой добавки в бетонную смесь, содержащую супепластификатор, подвижность бетонной смеси снижается, несмотря на то, что воздухововлекающая поверхностно-активная добавка сама по себе является пластификатором. Снижение подвижности от введения 0,1 % воздухововлекающей поверхностно-активной добавки составляет: по осадке конуса Абрамса - 5...6 %, по диаметру расплыва конуса - 18.22 %. В то же время эффект повышения связности бетонной смеси связан с воздухововлечением. Независимо от воздухововлекающей поверхностно-активной добавки суперпластификатор снижает водоотделение и не оказывает воздухововлекающего действия, а также практически не влияет на воздухововлечение, вызванное воздухововлекающей поверхностно-активной добавкой. С повышением содержания в бетонной смеси воздухововлекающей поверхностно-активной добавки независимо от дозировки суперпластификатора количество вовлеченного воздуха возрастает с 3 до 7 %, а водоотделение уменьшается почти до 0.

Таким образом, синергия (совместное действие) суперпластификатора и воздухововлекающей поверхностно-активной добавки, в частности из-за воздействия ее компонента в отношении пластификации бетонной смеси оказалась отрицательной, но положительный эффект этого компонента наблюдается в отношении связности бетонной смеси.

Ключевые слова: комплексная химическая добавка; бетонная смесь; суперпластификатор; воздухововлекающая добавка; удобоукладываемость; водоотделение; раствороотделение; воздухововлечение; добавки для бетона

Введение

При применении комплексных химических добавок, включающих суперпластификатор, могут быть получены без увеличения расхода цемента нерасслаивающиеся литые бетонные смеси, приближающиеся по пластическим свойствам к самоуплотняющимся, но менее дорогие. Такие смеси (взамен стандартных виброуплотняемых малоподвижных смесей), укладываемые с применением средств бетононасосной технологии, в стесненных условиях, а также при бетонировании тонкостенных и густоармированных конструкций, в том числе с применением напорной технологии, позволяют значительно уменьшить затраты труда, повысить производительность и на этой основе получить экономический эффект при одновременном повышении качества строительства и улучшении условий труда [1].

Для регулирования свойств бетонной смеси и бетона наибольшее применение нашли химические добавки, как по отдельности, так и в различных сочетаниях, позволяющие получать высокоэффективные бетоны (high-performance concrete) [2] и достигать экономии средств [3]. Применение комплекса добавок позволяет регулировать сразу несколько параметров материала [4-5] либо подавлять побочные нежелательные эффекты, возникающие в некоторых случаях. Так, при использовании пластификаторов возможно повышенное воздухововлечение, что требует применения антивспенивателей [6-7]. Наоборот, при недостаточном содержании воздуха применяют воздухововлекающие добавки. Эти добавки повышают осадку конуса в результате снижения пластической вязкости, однако в ряде случаев наблюдается увеличение предела текучести [8-9]. Вовлечение воздуха в бетонную смесь приводит к некоторому снижению прочности. По данным работы [10] снижение прочности на сжатие происходит в среднем на 4 % на каждый 1 % содержания вовлеченного воздуха. В то же время из-за изменения характера

пористости может возрасти морозостойкость бетона [11-12]. Воздухововлекающие добавки позволяют бороться с водоотделением в бетонной смеси, часто возникающим при ее разжижении суперпластификаторами [13-16].

Применение воздухововлекающих добавок совместно с суперпластификаторами является перспективным способом улучшения технологических свойств бетонной смеси, в частности ее удобоперекачиваемости бетононасосными установками, что особенно важно в случае бетонирования густоармированных и тонкостенных конструкций [17].

В исследованиях применялись следующие химические добавки.

Суперпластификатор на основе лигносульфоната нафталина (марки С-3) - смесь нейтрализованных едким натром полимерных соединений разной относительной молекулярной массы, получаемых при конденсации сульфокислот нафталина с формальдегидом и технических лингосульфонатов. Разработка российских специалистов. Является аналогом зарубежных суперпластификаторов типа «Майти 100» (Япония), сикамент, мельмент (Германия), не уступая им по качеству. Данная добавка в количестве 0,2...0,7 % от массы цемента позволяет получать литые самоуплотняющиеся, практически не требующие вибрации бетонные смеси, а при снижении расхода воды затворения - бетоны повышенной прочности при неизменной подвижности смеси. Можно использовать оба эти эффекта частично, т. е. получать смеси повышенной подвижности по сравнению с исходной и одновременно несколько увеличивать прочность бетона за счет снижения расхода воды.

Воздухововлекающая поверхностно-активная добавка (марки ЛХД) - нейтрализованная растворимая смола на основе побочного продукта лесохимической промышленности, разработанная в России [18-19]. Растворимую смолу, упаренную до плотности 1230.1270 кг/м3, нейтрализуют в реакторе 40 % водным раствором едкого натра до рН 10.12. В результате экзотермической реакции нейтрализации реакционная смесь разогревается. Ее температуру поддерживают в пределах 80.90 °С, изменяя скорость подачи щелочи. Затем добавляют свежеприготовленное известковое молоко (из расчета 2 % окиси кальция от смолы) и выдерживают горячую реакционную смесь при перемешивании в течение 1 ч. Готовый продукт содержит до 50 % воды.

Известны проблемы совместимости добавок с цементом и между собой при их комплексном использовании [20-22]. В работах [23-24] было показано, что добавка суперпластификатора марки С-3, в отличие от поликарбоксилатов, не обладает избирательным действием по отношению к различным цементам и обеспечивает стабильность характеристик бетонной смеси на цементе разных партий. Однако нельзя исключать отрицательное влияние на нее других добавок.

Цель работы

Целью данной работы является исследование влияния воздухововлекающей поверхностно-активной добавки марки ЛХД на свойства литой бетонной смеси в присутствии суперпластификатора на основе лигносульфоната нафталина (марки С-3) (рис. 1).

Результаты испытаний

Влияние воздухововлекающей поверхностно-активной добавки на характеристики бетонной смеси (подвижность, связность, воздухововлечение) исследовалось нами при трех расходах цемента ЦЕМ I 42,5Н производства ЗАО «Пикалевский цемент» (280, 340 и 400 кг/м ) и трех дозировках добавки суперпластификатора марки С-3: 0,4; 0,6 и 0,8 %. Добавки вводились в бетонную смесь совместно одновременно с водой затворения. Содержание добавок указано в процентах от массы цемента в расчете на сухое вещество добавки. Подвижность бетонной смеси характеризовалась осадкой нормального конуса и диаметром его расплыва. Водоотделение и раствороотделение определяли по стандартной методике [25], а воздухововлечение замерялось прибором С196 производства Matest и проверялось расчетным способом.

Результаты испытаний бетонной смеси представлены в таблице 1 и на рисунках 1-3.

а) С-3 = 0,4 %; б) С-3 = 0,8%;

ОК = 20 см; D = 45 см ОК = 24 см; D = 60 см

Рисунок 1. Влияние добавки суперпластификатора на основе лигносульфоната нафталина (марки С-3) на характер удобоукладываемости бетонной смеси с расходом цемента 400 кг/м3

Таблица 1. Свойства бетонных смесей, модифицированных комплексной добавкой марок С-3+ЛХД

N п/п Марка и дозировка,% Параметры смеси Свойства смесей

С-3 ЛХД Ц 3 кг/м В/Ц П r =- П + Г ОК, см D, см Воздухо-вовлечение, % Водоот- деление, л/м3 Растворо- отделение, %

1 0,4 - 20 45 2 5,8 -

2 0,4 0,05 19,5 41 4,2 - -

3 0,4 0,1 19 35 6,5 - -

4 0,6 - 22,5 56 2,3 4 5,8

5 0,6 0,05 400 0,47 - - - 2,4 2,8

6 0,6 0,1 - - - 0,6 1,2

7 0,8 - 24 60 2,6 3,5 -

8 0,8 0,05 23 57 4,2 2 2,8

9 0,8 0,1 22,5 50 6 0,2 1

10 0,4 - 18 39 2,4 - -

11 0,4 0,05 18 35 - - -

12 0,4 0,1 340 0,56 0,4 17,5 32 6,5 - -

13 0,8 - 22 53 3 - -

14 0,8 0,05 21 47 - - -

15 0,8 0,1 20,5 42 7 - -

16 0,4 - 16,5 35 2,6 7,6 -

17 0,4 0,05 16 29 - - -

18 0,4 0,1 15,5 26 6,7 - -

19 0,6 - 18 40 2,9 7 -

20 0,6 0,05 280 0,68 - - - 4,5 -

21 0,6 0,1 - - 7 2,4 -

22 0,8 - 19 44 3,2 6 -

23 0,8 0,05 18,5 39 5,4 4,2 -

24 0,8 0,1 18 37 7 2 -

а) С-3 = 0,8 %, ЛХД = 0,05 %; б) С-3 = 0,8 %, ЛХД = 0,1 %;

ОК = 23 см; D = 57 см ОК = 18,5 см; D = 39 см

Рисунок 2. Влияние воздухововлекающей поверхностно-активной добавки (марки ЛХД) в комплексе с суперпластификатором на основе лигносульфоната нафталина (марки С-3)

0,8 % на характер пластификации бетонной смеси с расходом цемента 400 (а и б)

и 280 (в и г) кг/м3

На номограмме (рис. 3) в левой верхней четверти «а» показано влияние добавки суперпластификатора на основе лигносульфоната нафталина (марки С-3) в различной дозировке от 0 до 0,8 % на осадку конуса, а в четверти «в» - на расплыв конуса. В верхней правой четверти «б» номограммы в нижней части приведены кривые (1, 2 и 3) изменения ОК под действием воздухововлекающей поверхностно-активной добавки (марки ЛХД). Наклонные линии в верхней части четверти «б» показывают, как изменяется ОК при добавлении добавки марки ЛХД к добавке марки С-3 при дозировке последней 0,4 (кривые 1а, 2а и 3а) и 0,8 % (кривые 1б, 2б и 3б). Аналогичные графики в четверти «г» относятся к расплыву конуса (О).

Из номограммы (рис. 3) видно, что при испытании добавок по отдельности обе они оказали пластифицирующее действие на бетонную смесь с ОК = 4 см, но в разной степени. При этом эффективность обеих добавок возрастала с увеличением расхода цемента.

При расходе цемента 340 кг/м3 и содержании добавки марки С-3 0,8 % ОК увеличилась с 4 до 22 см. Добавка марки ЛХД, введенная к той же исходной смеси в количестве 0,1 %, повысила ОК до 8,5 см. При введении добавки марки ЛХД совместно с добавкой марки С-3 подвижность бетонной смеси снижается. При этом способ оценки подвижности по осадке конуса оказался менее чувствительным к влиянию добавки марки ЛХД: осадка конуса снизилась незначительно -на 0,5.1,5 см, что составляет 5.6 %. Более чувствительным способом является измерение расплыва конуса. При введении 0,1 % добавки марки ЛХД диаметр расплыва конуса уменьшается в среднем на 18.22 %. Независимо от содержания синергия добавок марок С-3 и ЛХД в отношении пластификации бетонной смеси оказалась отрицательной.

Рисунок 3. Влияние содержания

воздухововлекающей поверхностно-активной добавки (марки ЛХД) в комплексе с суперпластификатором на основе лигносульфоната нафталина (марки С-3) на изменение осадки конуса (ОК) и диаметра расплыва конуса (D): 1,2,3 - бетонная смесь с расходами цемента, соответственно,280, 340 и 400 кг/м3; а - 0,4 % С-3+ЛХД; б - 0,8 % С-3+ЛХД

Рисунок 4. Влияние содержания

воздухововлекающей поверхностно-активной добавки

(марки ЛХД) в комплексе с суперпластификатором на основе лигносульфоната нафталина (марки С-3) на водоотделение и воздухововлечение в бетонных смесях:

1,2 - бетонная смесь с расходами цемента, соответственно, 280 и 400 кг/м3; а - 0,6 % С-3+ЛХД; б - 0,8 % С-3+ЛХД

В то же время добавка марки ЛХД способствовала значительному воздухововлечению и снижению водоотделения и раствороотделения бетонной смеси (рис. 4).

При раздельном использовании добавка суперпластификатора на основе лигносульфоната нафталина (марки С-3) заметно снижает водоотделение, но очень незначительно влияет на воздухововлечение. Эти эффекты заметно усиливаются при добавлении воздухововлекающей поверхностно-активной добавки (марки ЛХД). Как видно из рисунков 4 и 5, с повышением содержания в бетонной смеси добавки марки ЛХД независимо от дозировки добавки марки С-3 количество вовлеченного воздуха возрастает с 3 до 7 %, а водоотделение уменьшается почти до 0. Суперпластификатор на основе лигносульфоната нафталина (марки С-3) практически не влияет на воздухововлечение, вызванное воздухововлекающей поверхностно-активной добавки (марки ЛХД), но способствует снижению водоотделения. Таким образом, синергетический эффект наблюдается в отношении повышения связности бетонной смеси.

Результаты испытаний на раствороотделение высокоподвижных бетонных смесей, склонных к расслоению, подтвердили положительное влияние воздухововлекающей поверхностно-активной добавки (марки ЛХД) на их связность. При введении в бетонную смесь, содержащую 0,6 % добавки марки С-3, добавки марки ЛХД в количестве 0,1 % раствороотделение снизилось с 5,8 до 1,2 %. Эффект повышения связности бетонной смеси связан с воздухововлечением.

Воздухововлечение, %

Рисунок 5. Зависимость водоотделения (1-3) и раствороотделения (4) бетонной смеси (марка С-3 - 0,6...0,8 %; марка ЛХД - 0...0,1 %) от количества вовлеченного воздуха:

1 и 4 - Ц = 400; 2 и 3 - Ц = 280 кг/м3

Заключение

Исследовано совместное действие пластифицирующих добавок - суперпластификатора на основе лигносульфоната нафталина (марки С-3) и воздухововлекающей поверхностно-активной добавки (марки ЛХД) - на подвижность, связность и воздухововлечение бетонной смеси. Установлено, что при введении добавки марки ЛХД совместно с супепластификатором марки С-3 подвижность бетонной смеси снижается, в то время как добавка марки ЛХД сама по себе является пластификатором. Снижение подвижности от введения 0,1 % добавки марки ЛХД составляет: по осадке конуса Абрамса - 5.6 %, по расплыву конуса - 18.22 %.

При этом добавка марки ЛХД способствовала значительному воздухововлечению и снижению водоотделения и раствороотделения бетонной смеси. Эффект повышения связности бетонной смеси связан с воздухововлечением. При раздельном использовании добавка марки С-3 снижает водоотделение, но не оказывает воздухововлекающего действия. Она также практически не влияет на воздухововлечение, вызванное добавкой марки ЛХД, но способствует снижению водоотделения. С повышением содержания в бетонной смеси добавки марки ЛХД независимо от дозировки добавки марки С-3 количество вовлеченного воздуха возрастает с 3 до 7 %, а водоотделение уменьшается почти до 0. Таким образом, синергия добавок марок С-3 и ЛХД в отношении пластификации бетонной смеси оказалась отрицательной, но положительный эффект наблюдается в отношении связности бетонной смеси.

Литература

1. Комаринский М.В. Производительность поршневого бетононасоса // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2013. № 6 (11). С. 43-49.

2. Meng F. Study on effects of admixture and shrinkage models on high-performance concrete // Advanced Materials Research. 2011. VOl. 168-170. Pp. 1073-1076.

3. Beresford D. Cost savings achieved using designer admixtures // Concrete (London). 2011. No. 45(8). Pp. 33-34.

4. Wang X.-Y. Properties prediction of ultra high performance concrete using blended cement hydration model // Construction and Building Materials. 2014. No. 64. Pp. 1-10.

5. tazniewska-Piekarczyk B., Szwabowski J. The influence of the type of anti-foaming admixture and superplasticizer on the properties of self-compacting mortar and concrete // Journal of Civil Engineering and Management. 2012. Vol. 18, Issue 3. Pp. 408-415.

6. Golaszewski J., Szwabowski J., Soltysik P. Influence of air entraining agents on workability of fresh high performance concrete // Proceedings of the International Conference on Admixtures - Enhancing Concrete Performance. 2005. Pp. 171-182.

7. Chia K.-S., Zhang M.-H. Workability of air-entrained lightweight concrete from rheology perspective // Magazine of Concrete Research. 2007., No. 59(5). Pp. 367-375.

8. Struble L.J., Jiang Q. Effects of air entrainment on rheology // ACI Materials Journal. 2004. No. 101(6). Pp. 448-456.

9. Rajamane N.P., Annie Peter J., Neelamegam M., Dattatreya J.K., Gopalakrishnan S. Effect of air-entraining agent on cement composites containing mineral admixtures // Indian Concrete Journal. 2002. No. 76(9). Pp. 581-585.

10. Lomboy G., Wang K. Effects of strength, permeability, and air void parameters on freezing-thawing resistance of concrete with and without air entrainment // ASTM Special Technical Publication. 2010, 1511 STP. Pp. 135-154.

11. Zhang Y., Cai J.-D., Xu S.-L., Yue C.-X. Experimental investigation of effect of admmixture on concrete strength and frost-resistance // International Conference on Electric Technology and Civil Engineering, ICETCE 2011 - Proceedings. 2011. Article 5774370. Pp. 2180-2183.

12. Hogberg E. Air entraining admixtures (Luftporbildande betongtillsatsmedel) // Cem Betong. 1971. 46(4). Pp. 485-497.

13. Barabanshchikov Yu.G., Komarinskiy M.V. Effect of Air-Entraining Agent LHD on the Technological Properties of Concrete Mix Containing Superplasticizer S-3 // Innovative Technologies in Development of Construction Industry. 2015. Vols. 725-726. Pp. 419-424. doi:10.4028/www.scientific.net/AMR.725-726.419

14. Korsun V., Korsun A. The Influence of Precompression on Strength and Strain Properties of Concrete under the Effect of Elevated Temperatures // Applied Mechanics and Materials. 2015. Vol. 725-726. Pp. 469-474.

15. Korsun V., Vatin N., Korsun A., Nemova D. Heterogeneous shrinkage of high-strength concrete by the volume of large-size structural elements // Applied Mechanics and Materials. 2015. Vol. 723. Pp. 445-450.

16. Корсун В.И., Корсун А.В. Влияние масштабного фактора и повышенных температур на прочность и деформации высокопрочного модифицированного бетона // Вестник МГСУ. 2014. № 3. С. 179-188.

17. Комаринский М.В., Червова Н.А. Транспорт бетонной смеси при строительстве уникальных зданий и сооружений // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2015. № 1 (28). С. 6-31.

18. ГОСТ 24211-2008. Добавки для бетонов. Технические требования. М.: Изд-во стандартов, 2008. 34 с.

19. ТУ13-4000177-128. Поверхностно-активная добавка ЛХД, 1984.

20. Bahurudeen A., Marckson A.V., Kishore A., Santhanam M. Development of sugarcane bagasse ash based Portland pozzolana cement and evaluation of compatibility with superplasticizers // Construction and Building Materials. 2014. Vol. 68. Pp. 465-475.

21. Sosa M.E., Villagran-Zaccardi Y.A., Zega C.J., Peralta J.P. Fresh properties of mortar made with pozzolanic cement and water reducers // Materials Research Society Symposium Proceedings. 2012.1488. Pp. 34-40.

22. Ватин Н.И., Петросов Д.В., Калачев А.И., Лахтинен П. Применение зол и золошлаковых отходов в строительстве // Инженерно-строительный журнал. 2011. № 4. С. 16-21.

23. Barabanshchikov Yu.G., Komarinskiy M.V. Influence of superplasticizer S-3 on the technological properties of concrete mixtures // Advanced Materials Research. 2014. Vol. 941-944. Pp. 780-785. doi:10.4028/www.scientific.net/AMR.941-944.780.

24. Барабанщиков Ю.Г., Комаринский М.В. Суперпластификатор С-3 и его влияние на технологические свойства бетонных смесей // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2014. №6(21). С. 58-69.

25. ГОСТ 10181-2014 Смеси бетонные. Методы испытаний. М.: Изд-во стандартов, 2015. 40 с.

Николай Иванович Ватин, Санкт-Петербург, Россия Тел. моб.: +7(921)9643762; эл. почта: vatin@mail.ru

Юрий Германович Барабанщиков, Санкт-Петербург, Россия Тел. раб.: +7(812)5341286; эл. почта: ugb@mail.ru

Михаил Викторович Комаринский, Санкт-Петербург, Россия Тел. раб.: +7(812)297-59-49; эл. почта: komarin@cef.spbstu.ru

Станислав Игоревич Смирнов, Санкт-Петербург, Россия Тел. моб.: +7(981)7317162; эл. почта: smirnovsta@mail.ru

© Ватин Н.И., Барабанщиков Ю.Г., Комаринский М.В., Смирнов С.И., 2015