CC BY
24УДК 691.32
Р.Р. БОГДАНОВ, инженер ([email protected]), Р.А. ИБРАГИМОВ, канд. техн. наук
Казанский государственный архитектурно-строительный университет (420043, г. Казань, ул. Зеленая, 1)
Состав, свойства и микроструктура модифицированного самоуплотняющегося бетона для гидроизоляции плоских кровель зданий
Рассмотрены вопросы повышения долговечности плоских кровель зданий путем применения модифицированного самоуплотняющегося бетона (СУБ). При модификации СУБ разработан комплексный модификатор и проведена оптимизация его состава при помощи трехфакторного эксперимента. Определены физико-механические свойства полученного СУБ. Изучена микроструктура и фазовый состав модифицированного цементного камня. На основании проведенных исследований, а именно рентгенофазового анализа и электронной микроскопии, сделан вывод, что пониженное содержание гидроокиси кальция в образцах с комплексным модификатором обусловлено адсорбцией гидроксида кальция на высокодисперсных частицах и реакцией взаимодействия с метакаолином, также способствующим уменьшению содержания гидроксида кальция в цементном камне. Полученные данные позволяют прогнозировать высокие эксплуатационные характеристики СУБ. При марке по расплыву конуса Р5 модифицированный СУБ имеет класс по прочности при сжатии В50, высокую морозостойкость F600 и водонепроницаемость W16.
Ключевые слова: самоуплотняющийся бетон, гиперпластификатор, гидрофобизатор, метакаолин, дисперсное армирование.
Для цитирования: Богданов Р.Р., Ибрагимов Р.А. Состав, свойства и микроструктура модифицированного самоуплотняющегося бетона для гидроизоляции плоских кровель зданий // Строительные материалы. 2017. № 7. С. 39-43.
R.R. BOGDANOV, Engineer([email protected]), R.A. IBRAGIMOV, Candidate of Sciences (Engineering) Kazan State University of Architecture and Engineering (1, Zelenaya Street, Kazan, 420043, Russian Federation)
Composition, Properties, and Microstructure of Modified Self-Compacting Concrete for Water Proofing of Flat Roofs of Buildings
Issues of improving the durability of flat roofs of buildings due to the use of modified self-compacting concrete (SCC) are considered. When modifying SCC, a complex modifier has been developed and the optimization of the composition of the complex modifier with the help of the three-factor experiment has been made. Physical-mechanical properties of SCC obtained have been determined. The microstructure and phase composition of the modified cement stone were studied. On the basis of the research conducted, namely X-ray phase analysis and electronic microscopy, it is concluded that the reduced content of calcium hydroxide in samples with complex modifier is due to adsorption of calcium hydroxide with high-disperse particles and interaction reaction with meta-kaolin that also contributes to reducing the content of calcium hydroxide in the cement stone. The data obtained make it possible to speak about high operational characteristics of SCC. When the flow class is P5, the modified SCC is of compression strength B50, high frost resistance (F600), and waterproofing (W16).
Keywords: self-compacting concrete, hyperplasticizer, hydrophobisator, meta-kaolin, disperse reinforcement.
For citation: Bogdanov R.R., Ibragimov R.A. Composition, properties, and microstructure of modified self-compacting concrete for water proofing of flat roofs of buildings. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 7, pp. 39-43. (In Russian).
В гражданском и в промышленном строительстве широко применяют плоские кровли. Для гидроизоляции таких кровель применяют битумные мастики и рулонную изоляцию. Применение в качестве гидроизоляции плоских кровель зданий рулонных изоляционных материалов и битумных мастик в процессе эксплуатации здания выявило недостатки: их низкие технические и эксплуатационные свойства являются причиной частых ремонтов кровель (3—5 лет). Актуальна замена кровельной традиционной гидроизоляции специальными бетонами, обладающими такими характеристиками, как высокая прочность, водонепроницаемость, морозостойкость, трещиностойкость и долговечность.
Анализ литературных данных
Бетонные кровли впервые появились в 1925 г. на территории Чехословакии и Австрии. Они представляли собой крупные железобетонные панели, изготовленные из высококачественного плотного бетона, и после 20 лет эксплуатации оказались в хорошем состоянии. В Москве, Екатеринбурге и других городах появились проектные предложения по беспокровным (неизолированным) кровлям. С 1980 г. в Екатеринбурге и других городах Свердловской области было построено 3 млн м2
железобетонных безрулонных кровель. Более 30 лет наблюдений за их эксплуатацией подтвердили высокие эксплуатационные характеристики и степень надежности [1]. Однако к концу 1980-х гг. применение данного типа кровель прекращено ввиду снижения объемов типового индустриального строительства и увеличения нетипового домостроения с использованием монолитных конструкций.
Одним из решений данной проблемы является использование гидроизоляционного слоя из модифицированного самоуплотняющегося бетона (СУБ) толщиной 30—40 мм, что позволит использовать его в традиционных конструктивных решениях плоской кровли. Техническая новизна данного решения подтверждается патентом РФ [2]. Конструктивная особенность варианта безрулонной кровли приведена на рис. 1.
Повышение долговечности СУБ для плоских кровель невозможно без разработки комплексного модификатора, состоящего из ГП и активных минеральных добавок [3, 4]; для увеличения трещиностойкости необходимо применять дисперсное армирование [5].
Эффективный суперпластификатор является неотъемлемым компонентом самоуплотняющегося бетона, при этом наиболее эффективными являются гиперпластификаторы последнего поколения на основе эфиров поликарбоксилата [6, 7]. В работе [7] проведены экспери-
®
июль 2017
39
Слой из самоуплотняющегося
(плита перекрытия) песчаного раствора
Рис. 1. Конструкция плоской кровли с гидроизоляционным слоем из СУБ
ментальные исследования влияния отечественных и зарубежных суперпластифицирующих добавок на реологические свойства цементного теста. В результате оптимальным оказался гиперпластификатор Remicrete SP 10 на основе эфиров поликарбоксилата. Повышения морозостойкости, водонепроницаемости и стойкости к агрессивному воздействию внешней среды можно добиться путем введения гидрофобизирующих добавок [8, 9]. В статье [9] изучено влияние водорастворимых кремнийорганических жидкостей на свойства цементного теста и раствора, по результатам которого в качестве компонента комплексного модификатора выбран гидрофобизатор Типром С. Также в качестве компонентов СУБ на основе проведенных авторами экспериментальных исследований [10] выбрано дисперсное армирование — фибра «Челябинка» и активная минеральная добавка — метакаолин.
Целью данной работы является получение и исследование самоуплотняющегося бетона с высокими эксплуатационными характеристиками для гидроизоляции плоских кровель зданий.
Методы, материалы и оборудование, применяемые в исследовании
Для приготовления бетонной смеси в качестве вяжущего использовали портландцемент ЦЕМ П/А-К (Ш-П) 32,5Б ГОСТ 31108-2003 ЗАО «Ульяновскцемент»; мелкий заполнитель — песок с модулем крупности Мк=2,79, фракции 0,16—5 мм и песок фракции 0,16—0,63 мм, от-
а б
вечающие требованиям ГОСТ 8736—2014; в качестве крупного заполнителя использовали щебень из плотных горных пород фракции 5—10 мм, отвечающий требованиям ГОСТ 8267-93.
В качестве модификаторов использованы добавки: гиперпластификатор (ГП) Remicrete SP 10 производства компании SCHOMBURG GmbH (Германия), гидрофобизатор (ГФ) кремнийорганический Типром С производства ООО «Производственное объединение «САЗИ» (ТУ 2229-069-32478306-2003). В качестве активной минеральной (пуццолановой) добавки выбрали метакаолин (МтК): аморфный силикат алюминия месторождения Журавлиный Лог, ТУ 5729-095-51460677-2009. В работе использовали дисперсное армирование - фибру «Челябинка», изготавливаемую фрезерованием из стального проката по ТУ 1231-001-70832021-2010 с длиной фибры 36-38 мм. Рентгенодифракционные порошковые эксперименты выполняли на автоматическом рентгеновском дифрактометре D2 Phaser (фирма-производитель Bruker AXS GmbH). Исследования микроструктуры проводили на высокоразрешающем автоэмиссионном сканирующем электронном микроскопе Merlin компании CARL ZEISS.
Технологические свойства бетонной смеси и физико-механические свойства СУБ определяли по методикам действующих ГОСТов.
Результаты исследований
Оптимизацию состава комплексного модификатора проводили на самоуплотняющемся бетоне (состав приведен в табл. 1) путем реализации трехфакторного плана второго порядка на гиперкубе. В качестве исходных независимых переменных было принято содержание: гиперпластификатора — 1,2—1,8%; гидрофобизатора — 0,1—0,2%; метакаолина — 3—7% от массы цемента.
В качестве откликов выбраны прочность бетона в 7-и 28-суточном возрасте R28), морозостойкость
После обработки результатов математического планирования получены следующие математические зависимости:
Я7=-77,б3+137,54Х1+137,4бХ2+5,49Х3+105,16Х1Х2+ +Х1Х3+5,06Х2Х3—48,83Х2—1,11.103Х2—0,71Х2 ; (1)
Я28=-80,9+152,56Х1+194,65Х2+5,34Х3+54,52Х1Х2+ +Х1Х3+4,61Х2Х3—52,08Х2—1,059.103Х2—0,76Х2 ; (2)
в
Рис. 2. Влияние состава комплексного модификатора на предел прочности бетона при сжатии в возрасте 7 сут (а); 28 сут (б) и марку по морозостойкости (в). Варьируемые факторы математического планирования эксперимента: XI - содержание ГП, %; Х2 - содержание ГФ, %; Х3 - содержание МтК, в % от массы цемента
Таблица 1
Оптимальный состав самоуплотняющегося бетона, кг/м3
ПЦ Щебень фр. 5-10 мм Песок фр. 0,16-5 мм Песок фр. 0,16-0,63 мм Фибра МтК ГП ГФ
450 905 572,5-584,5 286,5-292,5 39 13,5-31,5 5,4-8,1 0,45-0,9
F=-3,16.103+3,159.103Х1+1,073.104Х2+196,24Х3— -793,65Х1Х2+19,84Х1Х3+119,05Х2Х3-1,04.103Х2-3,076.104Х2-23,43Х2.
(3)
Из уравнений (1) и (2) следует, что с увеличением расхода ГП и МтК в составе комплексного модификатора наблюдается рост прочности бетона. При повышении содержания гидрофобизирующей добавки предел прочности бетона при сжатии в возрасте 7 сут уменьшается. С увеличением дозировок ГП и МтК, МтК и ГФ прочность постепенно растет, но затем снижается. Снижение прочности бетона при увеличении дозировок ГП и ГФ можно объяснить блокирующим действием на частицы портландцемента данных модификаторов, проявляется прочность в большей степени при их совместном введении.
Из математической зависимости (3) видно, что увеличение морозостойкости происходит при увеличении дозировки ГП, при повышении дозировки ГФ, а также при совместном увеличении дозировки ГП и ГФ.
На основе математического планирования эксперимента определены оптимальные дозировки компонентов комплексного модификатора: гиперпластификатор — 1,5%; гидрофобизатор — 0,15%; метакаолин — 5% от массы цемента. С учетом выбранных оптимальных дозировок компонентов комплексного модификатора установлены физико-механические свойства модифицированного СУБ (табл. 2).
При марке по расплыву конуса Р5 модифицированный СУБ имеет класс по прочности на сжатие В50, высокую морозостойкость и водонепроницаемость (рис. 2).
Интерес представляет изучение структуры цементного камня, модифицированного СУБ (рис. 3).
Фазовый состав гидратных новообразований цементного камня, изготовленного из теста нормальной густоты на цементе ЦЕМ П/А-К (Ш-П) 32,5Б ГОСТ 31108—2016 АО «Ульяновскцемент» с оптимальным содержанием комплексного модификатора, изучали методами РФА и электронной микроскопии.
На рис. 4 представлена сложная структура цементирующего вещества. В основной гелеподобной массе но-
Рис. 3. Электронно-микроскопические снимки образцов цементного камня (увеличение Х100): а - без добавки; б - с комплексным модификатором)
Рис. 4. Структура излома цементного камня нормального твердения (увеличение Х2000): а - скол образца без добавки; б - скол образца с комплексным модификатором
научно-технический и производственный журнал
&
ЪП^^ЛГ июль 2017 41
Таблица 2
Характеристика бетонной смеси Показатель
Плотность, кг/м3 2470
Марка по расплыву конуса P5
Марка по осадке конуса П5
Расслаиваемость: раствороотделение, % водоотделение, % 2,7 0,45
Температура, оС 25
Сохраняемость свойств, ч 2
Свойства модифицированного СУБ
Предел прочности при сжатии в возрасте 3 сут, МПа 42,5
Предел прочности при сжатии в возрасте 7 сут, МПа 56,9
Предел прочности при сжатии в возрасте 28 сут, МПа 64,62
Предел прочности при растяжении при изгибе в возрасте 28 сут, МПа 8,98
Критический коэффициент интенсивности напряжений 1,864
Модуль упругости, МПа 39А103
Марка по водонепроницаемости W16
Марка по морозостойкости F600
Усадка, мм/м 0,2
вообразований наблюдаются иглообразные кристаллы эттрингита, заполняющие свободные полости. Эттрингит образуется в свободных объемах цементирующего вещества. На электронных микрофотографиях образцов цементного камня с комплексным модификатором наблюдается заполнение пор гидросульфоалю-минатом кальция, при этом формируются кристаллические новообразования значительно меньшей дисперсности, чем в составе без добавления комплексного модификатора. Увеличение концентрации гидросуль-фоалюмината кальция и удельной поверхности гидрат-ных фаз как в общей структуре цементного камня, так и в дефектных областях пространственного скелета приводит к упрочнению материала.
Уплотнение и упрочнение структуры на начальных этапах твердения является следствием того, что и гидро-сульфоалюминат кальция кристаллизуется с увеличением объема преимущественно в порах цементного камня.
Новообразования, кристаллизующиеся в присутствии комплексной добавки в мелкодисперсном виде, кольматируют поры и капилляры цементного камня, упрочняя и уплотняя его структуру.
С помощью РФА произведена оценка влияния комплексной добавки на состав продуктов гидратации цемента, из которой видно, что на контрольном образце имеются дифракционные отражения непрогидратиро-ванных минералов портландцементного клинкера, а именно: C3S - алита (d=3,3039 2,7804; 2,7517; 2,6144; 2,3221; 2,1988; 1,7668; 1,6294 Ä), C2S - белита (2,8848;
Список литературы
1. Штейн И.И. Новые кровельные материалы для крупнопанельных крыш. Л.: Стройиздат, 1966. 130 с.
2. Патент РФ 141336. Безрулонная монолитная кровля / Изотов В.С., Ибрагимов Р.А., Богданов Р.Р., Ибнеев Б.Т. Заявл. 09.01.2014. Опубл. 27.05.2014. Бюл. № 15.
3. Кирсанова А.А., Крамар Л.Я. Органоминеральные модификаторы на основе метакаолина для цемент-
2,7804; 2,7517; 2,7135; 2,2875; 2,1896 А), C4AF - целита (7,3202; 3,6581; 2,0553; 1,8269 А), С3А - трехкальциевого алюмината (2,7135; 1,5555 А) и гидратных новообразований Са(ОН)2 — гидрата оксида кальция (4,9247; 3,116; 2,6309; 1,9287; 1,7971; 1,6882; 1,4859; 1,4505 А), эттрингита (9,7544; 5,6201; 4,686; 3,8766; 2,1988; 2,1502 А), СаС03 — (3,8766; 3,039; 2,6309 А). Для образца с комплексным модификатором: С^ — алита ^=3,0386; 2,7796; 2,7517; 2,6145; 2,3241; 2,1883; 1,7667; 1,6290 А), С^ — белита (2,8853; 2,7796; 2,7517; 2,709; 2,2872; 2,1883 А), C4AF — целита (7,3154; 3,6598; 2,0566; 1,8269 А), С^ — целита (7,3154; 3,6598; 2,0566; 1,8269 А), С3А — трехкальциевого алюмината (2,709; 1,5555 А) и гидратных новообразований Са(ОН)2 — гидрата оксида кальция (4,9241; 3,1119; 2,6309; 1,9283; 1,7964; 1,6888; 1,4859; 1,4505 А), эттрингита (9,7387; 5,6122; 4,6889; 3,8752; 2,1988; 2,1504 А), СаС03 — (3,8752; 3,0386; 2,6309 А). Межплоскостные расстояния приведены в скобках.
Количественный расчет по методу Ритвельда с учетом 20% добавленной фазы показал, что в составе с комплексным модификатором наблюдается количество исходных фаз: портландцемента на 43% больше, белита на 35% меньше, количество портландцемента уменьшается на 50%, карбоната кальция — на 8%, гидросиликатов кальция меньше на 30%.
На основании проведенных исследований, а именно рентгенофазового анализа и электронной микроскопии можно сделать вывод, что пониженное содержание гидроксида кальция в образцах с комплексным модификатором обусловлено адсорбцией гидроксида кальция на высокодисперсных частицах и реакцией взаимодействия с метакаолином, также способствующими уменьшению содержания гидроксида кальция в цементном камне.
Таким образом, выявлен механизм влияния комплексного модификатора на структурообразование и фазовый состав цементного камня.
Выводы
В работе получен состав СУБ для конструкций безрулонной кровли. Исследованы основные физико-механические свойства СУБ с позиции существенного повышения прочности и долговечности. Методами РФА и электронной микроскопии показано, что повышение долговечности СУБ обусловливается формированием более мелкокристаллической и мелкодисперсной структуры цементного камня, формированием эт-трингита в порах и капиллярах цементного камня, а также формированием гидросиликатов кальция преимущественно в низкоосновном виде.
Разработанный СУБ для гидроизоляции плоских кровель зданий имеет высокие эксплуатационные характеристики: класс по прочности В50, морозостойкость F600, водонепроницаемость W16, трещиностой-кость оценивается критическим коэффициентом интенсивности напряжений 1,864.
References
1. Shtein I.I. Novye krovel'nye materialy dlya krupnopanel'nykh krysh [New roofing materials for large-panel roof]. Leningrad: Stroyizdat.1966. 130 p.
2. Patent RF 141336. Bezrulonnaya monolitnaya krovlya [No roll monolithic roof]. Izotov V.S., Ibragimov R.A., Bogdanov R.R., Ibneev B.T. Declared 09.01.2014. Published 27.05.2014. Bulletin No. 15. (In Russian).
3. Kirsanova A.A., Kramar L.YA. Organomineral modifiers on the basis of meta-kaolin for cement concretes.
ных бетонов // Строительные материалы. 2013. № 11. С. 54-56.
4. Шейнфельд А.В. Органоминеральные модификаторы как фактор, повышающий долговечность железобетонных конструкций // Бетон и железобетон. 2014. № 3. С. 16-21.
5. Калашников В.И., Хвастунов А.В., Хвастунов В.Л. Физико-механические и гигрометрические свойства порошково-активированных высокопрочных щебеночных бетонов и фибробетонов с низким удельным расходом цемента на единицу прочности // Научно-технический вестник Поволжья. 2011. № 5. С. 161-164.
6. Изотов В.С., Ибрагимов Р.А. Влияние некоторых 7иперпластификаторов на основные свойства цементных композиций // Строительные материалы. 2010. № 11. С. 14-17.
7. Изотов В.С., Ибрагимов Р.А., Богданов Р.Р. Исследование влияния супер- и гиперпластификаторов на основные свойства цементного теста // Известия КазГАСУ 2013. № 2 (24). C. 221-225.
8. Войтович В.А., Хряпченкова И.Н. Направления применения гидрофобизаторов в строительстве (информация) // Строительные материалы. 2015. № 7. С. 76-80.
9. Изотов В.С., Ибрагимов Р.А., Богданов Р.Р. Исследование влияния отечественных гидрофобизаторов на основные свойства цементного теста и раствора // Известия КазГАСУ. 2013. № 4 (26). C. 207-210.
10. Изотов В.С., Ибрагимов Р.А., Богданов Р.Р. Свойства модифицированного самоуплотняющегося бетона для плоских кровель зданий // Материалы VIIIАкадемических чтений РААСН «Механика разрушения строительных материалов и конструкций». Казань. 2014. C. 27-31.
4.
Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2013. No. 11, pp. 54-56. (In Russian).
Sheinfel'd A.V. Organic-modifiers as a factor that increases the durability of reinforced concrete structures. Beton i zhelezobeton. 2014. No. 3, pp. 16-21. (In Russian).
Kalashnikov V.I., Khvastunov A.V., Khvastunov V.L. Physical and mechanical and hygrometric properties of powder-activated high crush concrete and fiber-reinforced concrete with a low specific consumption per unit of cement strength. Nauchno-tekhnicheskii vestnik Povolzh'ya. 2011. No. 5, pp. 161-164. (In Russian). Izotov V.S., Ibragimov R.A. Influence of some hyper-plasticizers on the basic properties of cement compositions. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2010. No. 11, pp. 14-17. (In Russian). Izotov V.S., Ibragimov R.A., Bogdanov R.R. Studies of the influence of super- and giper plasticizers on the basic properties of cement paste. Izvestiya KazGASU. 2013. No. 2 (24), pp. 221-225. (In Russian). Voytovich V.A., Hryapchenkova I.N. About trends in application of hydrophobisators in construction (information). Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2015. No. 7, pp. 76-80. (In Russian).
9. Izotov V.S., Ibragimov R.A., Bogdanov R.R. Studies of the influence of domestic water-repelling additions on the basic properties of cement paste and mortar. Izvestiya KazGASU. 2013. No. 4 (26), pp. 207-210. (In Russian).
10. Izotov V.S., Ibragimov R.A., Bogdanov R.R. Properties of modified self-compacting concrete for flat roofs of buildings. Materials of the VIII Academic readings of RAASN "Mechanics of destruction of building materials and structures". Kazan. 2014, pp. 27-31. (In Russian).
7.
8.
(; научно-технический и производственный журнал
&
июль 2017 43
