CC BY
30Толыпина Н.М., канд.техн.наук, доц., Рахимбаев Ш.М., д-р техн. наук, проф., Карпачёва Е.Н., канд.техн.наук, ст. преп. Белгородский государственный университет им. В.Г.Шухова
ОБ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЕЙСТВИЯ СУПЕРПЛАСТИФИКАТОРОВ В МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ БЕТОНАХ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ВИДА МЕЛКОГО ЗАПОЛНИТЕЛЯ
hahaleva@intbel.ru
Исследовано влияние вида мелкого заполнителя с различным знаком поверхностного заряда на разжижающую способность суперпластификаторов анионного типа в мелкозернистых бетонах.
Ключевые слова: суперпластификатор, мелкий заполнитель, расплыв конуса, цементно-песчаная смесь.
Известно, что способность суперпластификаторов (СП) снижать водопотребность цементных композиций зависит от многих факторов. Большое влияние на разжижающую способность оказывает расход и состав цемента, так как молекулы добавок СП в основном адсорбируются на частицах гидратных фаз цемента, обладающих определенным зарядом. Эффективность действия некоторых СП усиливается при наличии минерального наполнителя заданного состава, что обусловило применение органомине-ральных модификаторов [1].
В работе [2] показано, что вид мелкого заполнителя также влияет на разжижающую способность СП в цементно-песчаных смесях, что обусловлено наличием заряженных активных центров на поверхности зерен заполнителя, однако систематика результатов исследований по этому вопросу не приведена.
Целью исследований данной работы явилось определить влияние мелкого заполнителя с различным поверхностным зарядом на разжижающую способность суперпластификаторов в цементо-песчаных смесях.
В качестве объекта исследования были взяты цемент типа ПЦ 500 Д0 (ЗАО «Белгородский цемент»), суперпластификатор С-3, гиперпластификатор Мельфлюкс 5561. В качестве заполнителей использовали отсев дробления известняка Коломенского месторождения (Московская область), кварцевый песок Нижнеольшанского месторождения, песок из дробленого мрамора (Еленинское месторождение). Заполнители, существенно отличались по знаку заряда: кварцевый песок с отрицательным зарядом поверхности и песок, получаемый дроблением карбонатных пород (мрамора и известняка), имеющий положительный электрокинетический потенциал (рис. 1).
Измерения дзета-потенциала проводили на оборудовании Zetasizer Nano ZS при помощи методики M3-PALS, запатентованной компанией Malvern. Функционирование системы Zetasizer Nano ZS полностью автоматизировано, измерения реализованы только посредством программного обеспечения.
Как видно из рисунка 1 по максимальным пикам на кривых, преобладающий заряд поверхности у кварцевого песка соответствует -31,6 mV, у известняка +38,8 mV, у мрамора +19,3 mV. В небольших количествах встречаются активные центры противоположного знака: у кварцевого песка +3,13 mV (7,9 %), у известняка -4,13 mV (11,0%), у мрамора -85,6 mV (5,1 %). Но в целом на поверхности кварцевого песка преобладает отрицательный заряд, а у известняка и мрамора - положительный.
Исследования проводили при соотношении цемент:мелкий заполнитель 1:2, 1:3, 1:4. Дозировки добавки С-3 и Мельфлюкса 5561 составляли: 0,25; 0,5; 1 %. Разжижающую способность цементно-песчаных смесей определяли по рас-плыву конуса (РК) в соответствии с ГОСТ 310.481 (рис. 2).
Исследования подтвердили, опубликованные в работе [2] результаты, что вид применяемого мелкого заполнителя оказывает существенное влияние на разжижающую способность СП С-3. Анионактивная добавка С-3, содержащая отрицательно заряженную функциональную группу -SO3- , проявляет большую эффективность при использовании мелкого заполнителя с положительно заряженной поверхностью, что обусловлено электростатическим притяжением разноименно заряженных частиц.
Рис. 1. Электрокинетический потенциал поверхности частиц мелкого заполнителя: а) кварцевый песок; б) известняк; в) мрамор
Как видно из рисунка 2 разжижающая способность анионактивной добавки С-3 на мелкозернистом бетоне с заполнителем из кварцевого песка почти в 2 раза ниже, чем на заполнителе из мрамора, что обусловлено слабой адсорбцией молекул модификатора на поверхности, содержащей в основном отрицательно заряженные активные центры.
С ростом дозировки С-3 разница в разжижении смесей на мраморном и кварцевом песке значительно возрастала. При дозировке С-3 0,25 % расплыв конуса у смесей на мраморном песке был выше, чем у цементно-песчаных смесей на 25 % (Ц:П=1:2), на 11 % (Ц:П=1:3), на 4,3 %
(Ц:П=1:4). При увеличении дозировки С-3 до 0,5 % эта разница увеличивалась и составила: 44,8 % (Ц:П=1:2), 48,5 % (Ц:П=1:3), 42,4 % (Ц:П=1:4). При дозировке С-3, равной 1 %, рас-плыв конуса у цементно-мраморных смесей был выше на 82,5 % (Ц:П=1:2), на 97,3 % (Ц:П=1:3), на 100 % (Ц:П=1:4).
Рис. 2. Разжижающая способность СП С-3 в зависимости от вида мелкого заполнителя в цементно-песчаных смесях (П:Ц=2:1, 3:1, 4:1)
Разжижающая способность С-3 в цементно-известняковых растворах незначительна, несмотря на то, что известняк характеризуется положительно заряженной поверхностью: с ростом дозировки С-3 от 0,25 до 1 % расплыв конуса изменялся мало. Это можно объяснить повышенной пористостью известняка, о которой можно косвенно судить по величине водопо-требности известняково-цементных смесей. Добавка, введенная в количестве 0,25-1 %, поглощается известняком, не участвуя при этом в пластификации смеси. Этот эффект подтверждается также тем, что с увеличением дозировки добавки С-3 до 5 %, происходит резкое увеличение расплыва, так как часть С-3, непоглощенная порами известняка, адсорбируясь на поверхности положительно заряженных частиц, обеспечивает высокую разжижающую способность. Однако, применение таких высоких дозировок С-3 не экономично, и применение данных составов не практикуется.
У цементно-песчаных растворов на природном кварцевом песке с повышением дозировки С-3 от 0,25 до 1 % увеличивался расплыв конуса на 48,3 % (Ц:П=1:2); на 22,5 %
(Ц:П=1:3); на 21,7 % (Ц:П=1:4). Расплыв конуса у цементно-мраморных смесей с ростом дозировки С-3 от 0,25 до 1 % возрастал на 30-116 % (1:2), на 69-123 % (1:3), на 85-133 % (1:4).
Большие колебания расплыва конуса у смесей на мраморном песке, возможно, связаны с гранулометрией мраморного песка. В смесях с преобладающим содержанием крупных фракций наблюдался более сильный разжижающий эффект.
Это обусловлено рядом причин. С одной стороны, чем мельче фракция, тем выше удельная поверхность, больше активных центров, сильнее адсорбция и, соответственно, больше расплыв конуса. С другой стороны, при наличии более крупных зерен мелкого заполнителя воз-
Значения водо
растает толщина цементной оболочки вокруг зерен заполнителя, что снижает силы трения, возникающие при перемещении частиц друг относительно друга при встряхивании смеси. При этом наблюдается увеличение рН водных вытяжек мраморного песка (табл. 1). Однако с течением времени происходит вторичная карбонизация продуктов механохимической активации со снижением рН среды. Это обстоятельство приводит к вариабельности состава и свойств поверхности заполнителя из мрамора. Несмотря на эти особенности, цементно-песчаные растворы на основе мелкого заполнителя из мрамора отличаются наиболее сильной способностью разжижаться под действием анионного суперпластификатора С-3 и Мельфлюкса 5561.
Таблица 1
№ Фракция, мм Свежедробленый Через месяц после
п/п мрамор дробления
1 0,14-0,315 8,99 7,99
2 0,63-1,25 7,60 7,55
3 2,5-5,0 7,82 7,88
Были проведены исследования по изменению расплыва конуса растворных смесей, при неизменном содержании добавки С-3 в смеси (1,2 г С-3 на 720 г смеси, т.е. 0,16 % от массы всей смеси), в которых соотношение Ц:П менялось от 1:2 к 1:4. Полученные результаты приведены на рисунке 3.
3:1 4:1
П:Ц *"•** мрамор мелкий —*— ттчкестняк
Рис. 3. Разжижающее действие СП С-3 в цементно-песчаных смесях (2:1, 3:1, 4:1) с различным заполнителем при постоянном расходе добавки (0,16 % от массы всей смеси)
С ростом содержания кварцевого песка в смеси при постоянном расходе добавки С-3 рас-плыв конуса уменьшался от 150 мм (2:1) до 138 мм (4:1), в смесях с известняковым песком расплыв конуса снижался от 125 мм (2:1) до 115мм (4:1), т.е. пластифицирующий эффект добавки С-3 снижался при уменьшении доли цемента как на кварцевом песке, так и на известняке, приблизительно на 8,6 %. Это снижение обуслов-
лено: на кварцевом песке - из-за незначительной адсорбции С-3 на заполнителе в силу отрицательного заряда поверхности, на известняковом - из-за высокой поголотительной способности зерен известняка, при возрастающей роли сил трения в более тощих смесях.
Расплыв конуса в растворах с мраморным песком колебался в широких пределах и соответствовал 165...220 мм (2:1), 140...315 мм (3:1), 150.270 мм (4:1), но во всех случаях пластифицирующий эффект был сильнее, чем в смесях с другими заполнителями. Характерной особенностью цементных растворов на мелком заполнителе из мрамора была пониженная стабильность результатов параллельных измерений.
РК, мм
Рис. 4. Разжижающее действие СП С-3 в цементно-песчаных смесях (2:1, 3:1, 4:1) с различным заполнителем при постоянном расходе добавки (0,16 % от массы всей смеси)
Аналогичные исследования проведены на добавке Мельфлюкс 5561, но при этом дозировка добавки была в 2 раза меньше, чем С-3 (0,6 г на 720 г смеси, т.е. 0,08 % от массы всей смеси) (рис. 4).
Пластифицирующее действие Мельфлюкса 5561 гораздо сильнее, чем у С-3, благодаря двойному механизму диспергирования, основанному на совокупности электростатического и стерического эффектов. В смесях на кварцевом песке расплыв конуса соответствовал: 228 мм (2:1), 185 мм (3:1), 153 мм (4:1). На известняковом песке действие Мельфлюкса 5561 практически не отличалась от С-3: 135 мм (2:1), 115 мм (3:1), 115 мм (4:1), в силу высокой поглотительной способности зерен известняка. Наиболее сильный пластифицирующий эффект наблюдался на смесях с мраморным песком, расплыв конуса соответствовал: 327 мм (2:1), 304 мм (3:1), 285 мм (4:1). По-видимому, это обусловлено тем, что при дроблении мрамора, состоящего из крупных кристаллов кальцита, происходит интенсивная механохимическая активация, сопровождающаяся разложением карбоната кальция с выделением СО2 и обогащением новых слоев частиц заполнителя ионами кальция.
Таким образом, полученные результаты показали, что если преобладающий знак заряда поверхности частиц заполнителя и функциональной группы суперпластификатора совпадают, то отощение бетонной смеси приводит к ослаблению действия суперпластификатора. Для преодаления этого нежелательного эффекта необходимо применять пластификаторы, имеющие разноименный заряд с поверхностью частиц заполнителя. Исходя из этой концепции, наилучшими добавками для тощих бетонных смесей, содержащих гранит, кварцевый песок или другой мелкий заполнитель с отрицательно заряженной поверхностью, являются катионак-тивные органические соединения. Однако такие добавки в настоящее время отсутствуют, и неясно, как они влияют на процессы твердения. В данных случаях можно использовать неионо-генные добавки, имеющие положительный эффективный заряд функциональных групп. Одна из таких добавок исследована в работе [4]. Необходимы дальнейшие исследования в данном направлении.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК:
1. Баженов Ю.М., Калашников В.И., Демьянова
B.С. Модифицированные высококачественные бетоны.- Изд.: АСВ, 2006.-368 с.
2. Рахимбаев, Ш.М. Влияние вида заполнителя на эффективность действия суперпластификатора С-3 / Рахимбаев Ш.М., Хахалева Е.Н //Архитектурно-строительное материаловедение на рубеже веков: Материалы Международной интернет-конференции - Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 2002.-С.147-150.
3. Рахимбаев, Ш.М. Влияние минеральных добавок на эффективность суперпластификаторов цементных систем / Рахимбаев Ш.М., Минаков С.В. //Теория и практика повышения эффективности строительных материалов: Мат-лы III Всероссийской конф. студентов, аспирантов и молодых ученых/ Под общ. Ред В.И.Калашникова.- Пенза: ПГУАС, 2008.-
C.124-127.
4. Матвеенко, О.И. Цементные системы с добавкой экологически чистых модификаторов: дис... канд. техн. наук: 05.23.05 / Матвеенко Ольга Ивановна. - БелГТАСМ, 1999-160с.
