CC BY
84
15. Пат. №2256751 Российская Федерация, МПК Е 02 Б5/32. Устройство для разрушения мёрзлых и прочных грунтов / Ивкин В. С., Морозов В. В; заявитель и патентообладатель Ульян. гос. техн. ун-т. - №2004112155/03; заявл. 20.04.2004; опубл. 20.07.2005. Бюл. №20. - 12 с.
16. Пат. №2276235 Российская Федерация, МПК Е 02 Б5/32. Устройство для разрушения мёрзлых и прочных грунтов / Ивкин В. С., Морозов В. В; заявитель и патентообладатель Ульян. гос. техн. унт. - №2004118762/03; заявл. 21.06.2004; опубл. 10.05.2006. Бюл. №13. - 21 с.
17. Ивкин В. С., Чикилев С. В. Преимущества газоимпульсного способа рыхления мёрзлых грунтов // Вестник УлГТУ. - 2014. - №1. - С. 63-70.
Ивкин Валерий Семёнович, кандидат технических наук, доцент кафедры «ТПМСК» УлГТУ. Имеет учебные пособия и статьи, изобретения и патенты в области механизации строительных работ. Самойлова Елена Алексеевна, магистрантка строительного факультета УлГТУ. Юсупова Ксения Салаватовна, магистрантка строительного факультета УлГТУ.
Поступила 31.12.2016 г.
УДК 691.32
Р. А. КУДРЯШОВА, Н. В. САМАРКИНА, Я. В. ШЕЙМУХОВА
ПРИМЕНЕНИЕ СУПЕРПЛАСТИФИКАТОРОВ В ТЯЖЁЛОМ И ЛЁГКОМ БЕТОНАХ
Рассмотрены вопросы по использованию новых видов суперпластификаторов в конструкционных лёгких и тяжёлых бетонах с целью повышения удобоукладываемости бетонной смеси и снижения расхода цемента при неизменной её подвижности.
Приводятся результаты эксперимента, показывающие преимущества использования добавок в тяжёлых и лёгких бетонах.
Ключевые слова: суперпластификаторы, удобоукладываемость, керамзитобетон, тяжёлый бетон, плотность добавки, расход добавки, прочность бетона
В настоящее время бетон - один из самых популярных строительных материалов. Практически ни одно современное производство ЖБИ, цемента или бетона не обходится без применения специальных добавок. Они являются таким же обязательным компонентом бетонной смеси, как вяжущее, заполнители и вода. Добавки придают бетону необходимые эксплуатационные свойства: высокую подвижность, медленное схватывание и быстрый набор прочности. Кроме этого, бетон должен быть долговечным и очень прочным, при этом обеспечивать гидроизоляцию, противостоять механическим воздействиям. Поэтому добавок в бетон в современном
© Кудряшова Р. А., Самаркина Н. В., Шеймухова Я. В., 2016
строительстве не избежать.
Проведённый обзор публикаций об использовании химических добавок в производстве строительных растворов и бетонов показал, что более всего применяют на современных заводах ЖБИ и КПД и строительных площадках суперпластификаторы и сильнопластифицирующие добавки, открытые в 30-е годы прошлого столетия. Являясь разжижителями и высокоэффективными пластификаторами бетонных и растворных смесей, они позволяют при прочих равных условиях в несколько раз повысить подвижность таковых против исходной, не вызывая при этом снижения прочности бетона или раствора при сжатии.
Пластифицирующий эффект определяется изменением воды сольватных оболочек частиц новообразований цемента. При адсорбции ПАВ
на поверхности твёрдой фазы количество воды сольватных оболочек уменьшается, а количество свободной воды возрастает. Это ведёт к улучшению реологических характеристик смеси, но несколько замедляет процессы структурообразова-ния и твердения цемента.
Добавки - разжижители, находясь в адсорбированном на зёрнах цемента и новообразованиях состоянии, создают «сферический» эффект отталкивания. Этот эффект, обусловленный формами цепей и характером зарядов на поверхности зёрен цемента гидратов, является причиной длительного сохранения жизнеспособности бетонных и растворных смесей [1].
Такое механическое действие суперпластификаторов в 3...4 раза повышает подвижность бетонной смеси.
В последние 10-15 лет на строительном рынке появились новые виды суперпластифицирующих добавок, включённых в действующие нормативные документы [2, 3, 4], в частности суперпластификаторы, выпускаемые ООО «Полипласт Новомосковск» г. Новомосковска Тульской области, по химическому составу относящиеся к группе сульфированных нафталин-
формальдегидных смол. Это добавки «Полипласт СП-3», Криопласт СП 15-1 с противоморозным эффектом и добавка «Реламикс», относящаяся к группе суперпластификаторов с эффектом ускорения набора прочности на основе смеси неорганических и органических солей натрия.
Задачей нашей работы было исследование влияния свойств этих трёх добавок на реологические характеристики цементного теста, растворной смеси, бетонной смеси на тяжёлых и лёгких заполнителях, а также определение возможности применения суперпластификаторов с целью повышения прочности бетонов без изменения подвижности смесей.
Эксперименты проводились с использованием местных строительных материалов. В качестве вяжущего применялся портландцемент марки 400, в качестве крупного заполнителя - известняковый щебень Кучуровского щебёночного завода М 600 по дробимости, с насыпной плотностью 1,4 кг/л, плотностью в зерне 2,36 кг/л, фракции 5-20 мм, определённые по ГОСТ 8269.0-97 [5], керамзитовый гравий М 800 с прочностью в цилиндре Якц= 4,1 МПа, отвечающего требованиям ГОСТ 9758-86 [6]; мелкого заполнителя-природного кварцевого песка Ку-чуровского месторождения с модулем крупности Мкр = 1,81, отвечающего требованиям ГОСТ 8736-93 [7].
Проверка влияния химических добавок на степень пластификации вяжущего сначала про-
водилась на цементном тесте, при этом расходы всех трёх добавок варьировались в соответствии с рекомендуемыми заводом-изготовителем добавок в пределах от минимального до максимального, приведённых в паспортах на эти добавки.
Перед началом эксперимента были изготовлены водные растворы добавок разной концентрации и плотности, которая определялась с помощью обычного ареометра. Плотность раствора добавки «Полипласт СП-3» была равной плотности р = 1,14 г/см3, криопласта - р = 1,10 г/см3, реламикса - р = 1,10 г/см3.
Подвижность цементного теста определялась на приборе-вискозиметре «Суттард» по диаметру расплыва лепёшки на стекле. Расчётные расходы водных растворов добавок, вводимых в цементное тесто, рассчитывались по известной формуле [8]
где А - расход раствора добавки, см3, Ц - расход цемента, г, С - дозировка добавки, % Ц, К - концентрация раствора добавки, %, П - плотность раствора, г/см3. Определение расхода воды затворения, входящей в состав цементной пасты, без учёта воды, находящейся в растворе добавки, осуществлялось по следующей формуле:
где Н - недостающее на затворение воды, мл, В - расход приливаемой воды, мл, А - расход раствора добавки, П - плотность приготовленного раствора, К - концентрация приготовленного раствора. Методика проведения испытания текучести цементных паст с различными расходами добавок заключалась в следующем. В предварительно смоченную водой сферическую чашу высыпалось взвешенное количество цемента массой 400 г, затем выливалось отмеренное количество воды, равное примерно половине расчётного, смесь перемешивалась в течение 2-3 минут. Затем в оставшуюся воду добавлялся раствор добавки, хорошо взбалтывался с водой и выливался в чашу с цементным тестом, после чего ещё в течение 3-4 минут тесто тщательно перемешивалось, перекладывалось в цилиндр вискозиметра «Суттард», установленный на стеклянную пластину, на полную высоту, и сразу поднимался. После чего замерялся диаметр расплыва лепёшки.
Результаты эксперимента приведены в таблице 1 и на графике на рисунке 1.
Составы цементных паст и характеристика их растекаемости
Таблица 1
Количество
Вид добавки Количество добавки, С, % Ц Количество добавки, г Расход раствора добавки, А, мл воды затворения с учётом воды в добавке, см3 В/Ц Диаметр расплыва лепешки, см
1 4 9,5 124 0,31 7
Криопласт
1,5 6 14,2 121 0,30 9
ср - 1,1 г/см3
2,0 8 18,9 118 0,30 18
0,6 2,4 6,0 126 0,31 15
Реламикс
1,2 4,8 12,0 122 0,31 22
ср - 1,1 г/см3
1,8 7,2 18,0 118 0,30 30
0,4 1,6 4,3 126 0,31 10
Полипласт СП-3
0,7 2,8 7,6 124 0,31 13
ср - 1,14 г/см3
1,0 4,0 10,9 122 0,31 17
о--6"
т
03
ю
0 ч: к
=г го о.
1
0) =г
X
о
2.2 г
1,91,6
1.3 1,0 0,7 0,4
—-к
1 гр афик
А 2 гра фик
3 фс фик
11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 Диаметр расплыва, см
Рис. 1. Влияние расходов добавок на подвижность цементных паст 1 - криопласт; 2 - реламикс; 3 - полипласт СП-3
На графике на рисунке 1 и в таблице 1 не приведены результаты испытания теста контрольного состава, которое не содержало добавок. Количество воды затворения в нём было принято 124 см , что обеспечивало в среднем то же значение В/Ц, что и в тесте всех составов с добавками. Показатель текучести соответствовал 5 см, т. е. фактически тесто не растекалось.
Как видно из приведённых данных, несмотря на практически одинаковое значение во всех составах водоцементного отношения
В/Ц = 0,30-0,31 показатели текучести во всех составах изменяются значительно: от 7 до 30 см.
Наибольшей текучестью из всех трёх исследуемых добавок обладает тесто с добавкой рела-микс при условии их одинаковой концентрации в цементном тесте; наименьшей - криопласт. Увеличение диаметра расплыва составило примерно 2,5 раза.
Так как в эксперименте концентрации добавок были приняты равными всему диапазону оптимальных рекомендуемых заводом-
изготовителем добавок, обеспечивающих увеличение подвижности бетонных смесей с марки П1 до П5, окончательный вывод об оптимальном расходе каждой добавки следует принимать после эксперимента на самих бетонных смесях с учётом обеспечения повышения прочности бетона при сохранении подвижности бетонной смеси, или сохранении прочности при максимальном её разжижении.
Проверка влияния химической добавки проводилась на конструкционном керамзитобетоне марок 200, 250, 300 и 350.
Подбор состава керамзитобетона каждой марки осуществлялся по методике, приведённой в «Руководстве по подбору составов конструкционных лёгких бетонов на пористых заполнителях» [9], принимая во внимание характеристики материалов, приведённые ранее. При этом состав каждой марки рассчитывался для двух серий образцов - первой серии без добавки, а второй серии с добавкой водного раствора суперпластификатора с плотностью р = 1,14 г/см3.
В таблице 2 приведены составы керамзитобе-тона исследуемых марок.
Расход добавки суперпластификаторов в нормативной литературе ограничивается в пределах от 0,3 до 1,0% от массы цемента в пересчёте на сухое вещество.
Нами был принят максимальный расход добавки, равный примерно 1,0% от Ц. Первый эксперимент был проведён с целью проверки изменения удобоукладываемости керамзитобетонной смеси одного состава, отличающегося только
наличием исследуемой добавки в количестве 1,0% от массы цемента, который показал изменение марки бетонной смеси в сторону увеличения от 2 до 19 см, что фактически соответствует показателю, указанному в паспорте на добавку.
Удобоукладываемость бетонной смеси фактическая в основном эксперименте принята равной 1-2 см осадки стандартного конуса. Для контроля удобоукладываемость контролировалась также прибором Красного, измеряемая в процессе уплотнения контрольных образцов, которая соответствовала осадке стандартного конуса во всех составах и находилась в пределах от 10 до 20 секунд. При этом визуально отмечалось заметное улучшение эластичности и связанности бетонной смеси с введением суперпластификатора.
Следует отметить, что фактические составы керамзитобетонов, приведённые в таблице 2, отличаются от расчётных, а также отличаются расходом воды в составах первой и второй серий.
При смешивании компонентов бетонных смесей во второй серии вода затворения вводилась в 2 этапа: сначала половину расчётного количества воды смешивали с расчётным расходом водного раствора добавки, а затем вода добавлялась до обеспечения требуемой подвижности по осадке стандартного конуса. Как видно из таблицы, общий расход воды и добавки в бетоне второй серии значительно отличаются от расхода воды в первой серии, при этом наибольшее расхождение наблюдается в составах с меньшим расходом цемента.
Таблица 2
Расходы материалов на 1 м бетона а
с ,
Расчётная марка бетона Номер серии Цемент М 400 Керамзит М 800 Песок кварц., кг Вода, л «Полипласт СП-3» р = 1,14 г/см3, л Фактическая подвижность ОК, Прочность при сжатии, Я14су кг/см2, фактическая Прочность при Я28сут, кг/см2 расчётная Средняя плотность р14, кг/м3
200 1 313 626 626 278 - 3,73 1-2 121,5 153,1 1675
200 2 289 580 580 210 1-2 178,1 224,4 1662
250 1 353 591 585 280 - 1-2 180,5 148,7 1785
250 2 375 601 599 228 6,91 1-2 235,6 296,9 1801
300 1 513 638 490 286 - 1-2 201,2 253,5 1879
300 2 575 717 546 242 10,6 1-2 289,5 364,8 1989
350 1 537 576 325 294 - 1-2 205,8 259,3 1725
350 2 629 648 375 274 11,6 1-2 326,6 411,5 1938
Составы керамзитобетона и результаты испытаний контрольных образцов
Изменение прочности керамзитобетона на сжатие в марочном возрасте Я28 при введении в состав бетонной смеси исследуемого суперпластификатора наглядно видно на графиках, приведённых на рисунке 2. Для всех марок бетона введение 1,0% пластификатора приводит к повышению прочности бетона на 40-50% при одном и том же расходе цемента.
Проверка влияния добавки «Криопласт СП 15-1» как суперпластификатора с противомороз-ным эффектом на удобоукладываемость, среднюю плотность и прочность бетона проводилось на тяжёлом бетоне М 300. Подбор состава тяжёлого бетона М 300 контрольного состава без добавки и основного состава с введением добавки проводилось по известному методу абсолютных объёмов. Расходы материалов на 1 м3 бетона и результаты испытания обоих составов приведены в таблице 3.
Расход добавки был принят равным максимальным из рекомендуемых (2,0% Ц).
Методика изготовления образцов-кубов с рёбрами 10 см из бетона основного состава и контрольного (без добавки) была принята аналогичной методике изготовления керамзитобетон-ных образцов, включая и измерения удобоукла-дываемости бетонной смеси.
Как видно из приведённых в таблице 3 результатов эксперимента, несмотря на одинаковую удобоукладываемость бетонной смеси в обоих составах, значения прочности при сжатии бетона в 28-суточном возрасте в составе с добавкой превышает прочность контрольного состава на 105,8 кгс/см2, что больше требуемой марки на 28%. Это объясняется в первую очередь снижением расхода воды затворения (на 44 литра на 1 м3 бетона) и соответственно меньшим В/Ц отношением: В/Ц = 0,46 против В/Ц = 0,55 в контрольном составе.
Выводы по работе:
1. Применение в конструкционном керамзи-тобетоне суперпластификатора «Полипласт СП-3» максимального количества, соответствующего 1% от массы Ц в пересчёте на сухое вещество, приводит к значительному повышению марки бетонной смеси по удобоукладываемости (от 2 до 19 см).
2. Использование добавки «Полипласт СП-3» возможно также с целью повышения прочности керамзитобетона, которое может достигать 40-50% по сравнению с бетоном без добавки при условии его максимальной дозировки.
с
со см СП
Ф е 1-
го х л 1-
о
0 х
1
С
45,6 43,2 40 38,4 36 33,6 31,2 20,0 26,4 24 21,6 19,2 16,0 14,4 200 2 9,6
■
2 гр афик
/
/
У
1 гр; фик
У
250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 200 Расход цемента, Ц, кг/мЗ
кг/м3
Рис. 2. Влияние добавки «Полипласт СП-3» на прочность керамзитобетона при неизменной удобоукладываемости бетонной смеси, равной 1 - 2 см; 1 - без пластификатора; 2 - с «Полипласт СП-3»
Таблица 3
Составы тяжёлого бетона и результаты испытания контрольных и основных образцов
Расчетная марка бетона Фактические расходы материалов на 1 м бетона Фактическая подвижность в ОК, см ■е В Прочность при сжатии Я28, кгс/см2 Средняя плотность р0, кг/м3
Цемент М 400 Щебень М 600, кг Песок кварц., кг Вода, л Криопласт СП-3 р=1,1г/см3
Основной состав
300 347 1298 555 146 17,3 1 0,46 384,2 2305
Контрольный состав
300 343 1294 553 190 — 1-2 0,55 278,4 2280
3. Использование добавки суперпластификатора СП 15-1 с противоморозным эффектом в максимальном количестве 2,0% Ц также обеспечивает значительное увеличение прочности тяжёлого бетона при условии сохранения одинаковой удобоукладываемости по сравнению с контрольным составом.
4. Для окончательного вывода по назначению концентрации добавки криопласта в тяжёлом бетоне необходимо провести дополнительный эксперимент по скорости набора прочности бетона в начальные сроки твердения для выявления в добавке противоморозного эффекта.
5. Для рекомендации к внедрению исследованных химических добавок в производство необходимо провести технико-экономический анализ их применения с учётом стоимости добавки и стоимости сэкономленного расхода цемента.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ушеров-Маршак А. В., Бабаевская Т. В. и др. Методологические аспекты современной технологии бетона // Бетон и железобетон. -2002. - №1. - С. 5-7.
2. Касторных Л. Н. Добавки в бетоны и строительные растворы : учебно-справочное пособие. - Ростов-на-Дону : Феникс, 2005. - 221 с.
3. ГОСТ 24211-91 Добавки для бетонов. Общие технические требования. Взамен ГОСТ 24211-80. - М. : Издательство стандартов, 1992. - 17 с.
4. Изотов В. С. , Соколова Ю. А. Химические добавки для модификации бетона. - М. : Казанский государственный архитектурно-
строительный университет : Издательство «Па-леотип», 2006. - 244 с.
5. ГОСТ 8269.0-97 Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы физико-механических испытаний. - М. : Издательство стандартов, 1998. - 15 с.
6. ГОСТ 9758-86 Заполнители пористые неорганические для строительных работ. - М. : Издательство стандартов, 1987. - 60 с.
7. ГОСТ 8736-93 Песок для строительных работ. Технические условия. - М., 1993.
8. Руководство по применению химических добавок в бетоне / НИИЖБ Госстроя СССР. -М. : Стройиздат, 1980. - 55 с.
9. Руководство по подбору составов конструкционных лёгких бетоном на пористых заполнителях. - М. : Стройиздат, 1975. - 60 с.
Кудряшова Розалия Алексеевна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительное производство и материалы» УлГТУ. Область научных интересов - строительные материалы и технологии их производства. Самаркина Наиля Викторовна, магистрантка 1-го курса УлГТУ, специальность «Промышленное и гражданское строительство». Шеймухова Яна Викторовна, магистрантка 1-го курса УлГТУ, специальность «Промышленное и гражданское строительство».
Поступила 09.02.2016 г.
