CC BY
20
УДК 691.327
ВЛИЯНИЕ МИНЕРАЛЬНЫХ И ХИМИЧЕСКИХ ДОБАВОК ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ НА СВОЙСТВА ВЫСОКОПОДВИЖНЫХ
БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ
Л. И. Касторных, Н. А. Канюк, И. В. Осипчук
Донской государственный технический университет (г. Ростов-на-Дону, Российская Федерация)
Установлен диапазон дозирования добавки полифункционального действия «Линамикс ПК» для высокоподвижных бетонных смесей, перекачиваемых бетононасосами. Расход химической добавки зависит от удельной поверхности, вещественного и зернового состава цемента, а также от расхода и гранулометрии минерального наполнителя и мелкого заполнителя. Определены эффективные составы перекачиваемых высокоподвижных и самоуплотняющихся бетонных смесей с минимальным удельным расходом цемента. Для обеспечения трещиностойкости монолитного бетона рационально применение модифицированных бетонных смесей с суперпластификатором полифункционального действия «Линамикс ПК» и
микрокремнеземом МК-85.
Ключевые слова: добавки полифункционального действия, модифицирование бетонных смесей, микрокремнезем, коэффициент использования цемента.
INFLUENCE OF MINERAL AND CHEMICAL ADDITIVES OF MULTIFUNCTIONAL ACTION ON THE PROPERTIES OF HIGH WORKABILITY CONCRETE MIXES
L. I. Kastornykh, N. A. Kanyuk, I. V. Osipchuk
Don State Technical University, (Rostov-on-Don, Russian Federation)
The dosage range of the polyfunctional action additive Linamix PC for high workability concrete mixes pumped by concrete pumps has been established. The consumption of the chemical additive depends on the specific surface, the material and grain composition of the cement, as well as on the consumption and granulometry of the mineral filler and fine aggregate. The effective compositions of pumped high workability and self-compacting concrete mixtures with a minimum specific consumption of cement are determined. To ensure the crack resistance of monolithic concrete, it is rational to use modified concrete mixtures with a polyfunctional superplasticizer Linamix PC and microsilica MK-85.
Keywords: additives of multifunctional action, modification of concrete mixes, microsilica, cement utilization coefficient.
Введение. В монолитном строительстве наиболее прогрессивным способом транспортирования и укладки бетонных смесей является бетононасосная технология. Применение бетононасосов в комплексе с бетонораспределительными системами в зависимости от диаметра бетоноводов, условий подачи смеси и других производственных факторов требует использования специально подобранных составов бетонных смесей [1]. Смеси для обеспечения перекачиваемости должны быть одновременно высокоподвижными и иметь повышенную связность и нерасслаиваемость. Достижение таких характеристик вполне возможно путем подбора оптимального гранулометрического состава заполнителей и выбора для цемента конкретного вида пластифицирующей добавки, учитывающей её совместимость с минеральными составляющими смеси [2-4]. При этом решающую роль для обеспечения высокой связности и однородности смеси играет наличие достаточного количества тонкодисперсных частиц. Это условие выполняется
модифицированием вяжущего минеральными добавками, а увеличение водопотребности смеси, связанное с повышением количества тонкодисперсной фазы, компенсируется применением суперводоредуцирующих добавок [5-6].
Модифицирование бетонных смесей добавками, являясь эффективным приемом направленного структурообразования бетона, давно и успешно применяется в технологии монолитного и сборного строительства при производстве железобетонных конструкций с высокими требованиями по долговечности [7-9]. Несомненный интерес для практического использования представляют добавки полифункционального действия, позволяющие одновременно регулировать свойства бетонных смесей и затвердевшего бетона. Одной из таких добавок является модификатор «Линамикс ПК», относящийся по потребительским свойствам к группе суперводоредуцирующих и добавок, регулирующих сохраняемость подвижности бетонной смеси. Эта добавка, изготавливаемая на основе смеси полиоксиэтиленовых производных поликарбоновых кислот и полиэтиленгликоля, обладает высоким реологическим потенциалом при формировании свойств бетонных смесей. Как отмечают исследователи в работах [10-12], при использовании добавки «Линамикс ПК» достигаются высокий пластифицирующий эффект и связность бетонных смесей при длительной сохраняемости первоначальных свойств. При оптимальной дозировке эффективность «Линамикса ПК» проявляется не только в бетонных смесях на цементном вяжущем, но и на гипсоцементно-пуццолановом вяжущем [13].
В донском регионе, для которого характерно отсутствие заполнителей высокого качества, производство бетонных смесей для монолитного строительства требует индивидуального подхода и выбора минеральных материалов, совместимых с химическими добавками. Поэтому целью настоящей работы явилась оценка влияния добавки полифункционального действия «Линамикс ПК» и минеральных наполнителей на характеристики высокоподвижных бетонных смесей, перекачиваемых бетононасосами, а также на физико-механические свойства бетонов на их основе.
Материалы и методы исследований. Для регулирования свойств бетонных смесей использовали химическую добавку полифункционального действия «Линамикс ПК» (тип 2), которая соответствует требованиям ГОСТ 24211 для пластифицирующих и водоредуцирующих добавок и добавок, регулирующих сохраняемость подвижности смеси. При проведении исследований добавку «Линамикс ПК» вводили в предварительно перемешанную смесь минеральных компонентов с частью (20%) воды затворения незадолго до окончания перемешивания. Такой способ позволяет получить максимальный пластифицирующий эффект [8].
В качестве вяжущих для приготовления бетонных смесей использовали турецкий быстротвердеющий портландцемент класса СЕМ1 42.5Я и российский нормальнотвердеющий портландцемент класса ЦЕМ1 42.5Н. Технические характеристики портландцементов представлены в табл. 1.
Таблица 1
Основные характеристики портландцементов
Показатель, единица измерения Значение
СЕМ1 42.5Я ЦЕМ1 42.5Н
Прочность на сжатие в возрасте 28 сут., МПа 54,5 51,1
Истинная плотность, г/см3 3,15 3,1
Насыпная плотность, кг/м3 1000 1120
Нормальная густота цементного теста, % 29,4 24,75
Удельная поверхность, см2/г 4054 3480
Коэффициент эффективности при тепловой обработке 0,73 0,79
В качестве минеральных кремнезёмсодержащих добавок для приготовления смесей использовали конденсированный микрокремнезем МК-85 по ГОСТ Р 58894 и керамзитовую пыль — тонкодисперсную составляющую отсевов дробления керамзитовой смеси.
Микрокремнезем МК-85 — отход производства ПАО «Новолипецкий металлургический комбинат»: истинная плотность — 2,1 г/см3, насыпная плотность — 152 кг/м3, удельная поверхность — 19980 см2/г.
Керамзитовая пыль — тонкодисперсный материал отсевов дробления керамзитовой смеси с размером зерен менее 0,16 мм: истинная плотность — 2,48 г/см3, насыпная плотность — 775 кг/м3, удельная поверхность — 3947 см2/г.
Гранулометрический состав портландцементов и минеральных наполнителей определяли на лазерном анализаторе частиц Microsizer-201C (рис. 1).
Рис. 1. Гранулометрический состав тонкодисперсных материалов
В качестве мелких заполнителей для приготовления бетонных смесей использовали природные кварцевые пески донского региона:
— песок природный кварцевый (П1): истинная плотность — 2,65 г/см3, насыпная плотность
— 1332 кг/м3, модуль крупности — 1,06, пустотность — 49,7%;
— песок природный обогащенный (П2): истинная плотность — 2,65 г/см3, насыпная плотность — 1415 кг/м3, модуль крупности — 1,82, пустотность — 46,6%;
— песок природный обогащенный, с улучшенным зерновым составом (П3): истинная плотность — 2,65 г/см3, насыпная плотность — 1445 кг/м3, модуль крупности — 2,12, пустотность
— 45,5%.
В качестве крупных заполнителей также использовали местные материалы:
— щебень из песчаника фракции 5-10 мм: истинная плотность — 2,66 г/см3, насыпная плотность — 1395 кг/м3, прочность по дробимости — 1000, пустотность — 47,5%;
— щебень из песчаника смеси фракций 5-20 мм: истинная плотность — 2,66 г/см3, насыпная плотность — 1410 кг/м3, прочность по дробимости — 1000, пустотность — 47,0%.
При проведении исследований удобоукладываемость высокоподвижных бетонных смесей определяли по осадке конуса ОК по методике ГОСТ 10181. Растекаемость самоуплотняющихся смесей устанавливали по диаметру расплыва бетонного конуса Др по методике СТО НОСТРОЙ 2.6.54-2011. Изготовление, хранение и испытание на прочность при сжатии образцов-кубов бетона с номинальным размером ребра 100 мм и на прочность при растяжении образцов-призм размерами 100*100*400 мм выполняли по методике ГОСТ 10180.
Оценку водоредуцирующей эффективности химического модификатора «Линамикс ПК» в бетоне выполняли по коэффициенту использования цемента Кц — удельному расходу цемента на единицу прочности бетона:
Кц = Ц/Й28, (1)
где Ц — расход цемента на 1 м3 бетона, кг,
Я28 — предел прочности при сжатии бетона в проектном возрасте, МПа. Коэффициент трещиностойкости Ктр, отражающий способность модифицированного бетона сопротивляться растягивающим напряжениям, рассчитывали как отношение предела прочности бетона на растяжение при изгибе к пределу прочности при сжатии.
Влияние добавок полифункционального действия на свойства высокоподвижных бетонных смесей. Оценку влияния химической добавки полифункционального действия «Линамикс ПК» совместно с минеральным компонентом микрокремнезем МК-85 проводили на бетонных смесях, характеристики которых представлены в табл. 2. Влияние добавки керамзитовой пыли и химического модификатора «Линамикс ПК» на свойства высокоподвижных бетонных смесей исследовали на смесях, характеристики которых представлены в табл. 3.
Таблица 2
Характеристики бетонных смесей с микрокремнеземом
Состав Дозировка «Линамикса ПК», % Вид и расход цемента, кг/м3 Расход МК-85, кг/м3 Вид и расход песка, кг/м3 Расход кг/м3, ф щебня, ракции Осадка конуса ОК, см Диаметр расплыва Др, см
Турецкий СЕМ1 42.5Я Российский ЦЕМ1 42.5Н С С т С 5-20 мм 5-10 мм
1 0,25 373 - - 672 - - 1095 - 22,0 -
2 0,35 369 - 55 610 - - 1083 - 25,0 -
3 0,50 364 - 54 671 - - 1068 - 25,0 -
4 0,65 368 - 55 678 - - 1079 - 25,0 -
5 0,70 313 - 47 731 - - 1148 - 23,0 -
6 0,80 315 - 47 736 - - 1156 - 23,0 -
7 0,20 - 300 30 621 - - - 1224 19,5 -
8 0,25 - 336 34 - 836 - - 912 21,5 -
9 0,55 - 365 33 - - 755 - 986 - 66,0
10 0,55 - 358 59 782 - - 942 - 25,0 -
11 0,65 - 400 52 - 780 - 1000 - 25,0 -
12 1,00 - 370 37 - - 698 1164 - - 56,0
Характеристики бетонных смесей с керамзитовой пылью
Таблица 3
Состав Дозировка «Линамикса ПК», % Расход мате иалов на 1 м3, кг Средняя плотность смеси, кг/м3 В одоцементное отношение Осадка конуса ОК, см
Цемент российский ЦЕМ1 42,5Н Керамзитовая пыль Вода Песок П2 Щебень смеси фракций 5-20 мм
13 0,10 350 35 235 780 1000 2400 0,67 21,0
14 0,25 357 36 193 795 1019 2400 0,54 21,5
15 0,45 365 36 179 814 1043 2440 0,49 24,5
16 0,60 366 37 187 816 1047 2455 0,51 25,0
С целью определения максимального водоредуцирующего эффекта дозировку «Линамикса ПК» варьировали в широком диапазоне от 0,1 до 1,0% массы цемента. Расход микрокремнезема МК-85 в смесях на турецком портландцементе составлял 15 % массы цемента (составы 1-6), а в смесях на российском цементе изменялся от 10 до 16% в зависимости от расхода мелкого заполнителя (составы 7-12). Расход керамзитовой пыли в смесях принимали в количестве 10% массы цемента (составы 13-16).
В ходе исследований установлено, что повышение дозировки модификатора «Линамикс ПК» от 0,25 до 0,65% в равноподвижных бетонных смесях, удовлетворяющих требованиям перекачиваемости, закономерно приводит к снижению водопотребности на 1520 % (составы 1-4). При этом замена рядового песка П1 активной минеральной добавкой (микрокремнезем МК-85) в смесях на турецком цементе с номинальным расходом 370 кг/м3 обеспечивает прирост прочности бетона при сжатии на 30-40 %. При дальнейшем увеличении расхода «Линамикса ПК» и использовании микрокремнезема взамен части цемента (составы 5-6) водопотребность смесей также снижается за счет высоководоредуцирующего действия химического модификатора. При повышении дозировки «Линамикса ПК» и использовании обогащенного песка П2 в высокоподвижных перекачиваемых бетонных смесях на российском цементе (составы 8, 11) также отмечается снижение водопотребности и, как следствие, увеличение прочности бетона.
При использовании мелкого заполнителя с улучшенным зерновым составом (песок П3), оптимальном расходе микрокремнезема в количестве 10 % массы цемента и максимальной дозировке «Линамикса ПК» получены самоуплотняющиеся смеси, удовлетворяющие требованиям перекачиваемости (составы 9, 12). При этом благодаря совместному модифицирующему действию активной минеральной добавки и суперпластификатора «Линамикс ПК» в полной мере реализуется потенциал вяжущего, обеспечивающий высокую прочность бетона (табл. 4).
Физико-механические свойства бетонов с микрокремнеземом
Таблица 4
Состав Цементно- водное отношение Средняя плотность, кг/м3 Предел прочности на растяжение при изгибе, МПа Предел прочности при сжатии, МПа Коэффициент трещиностойкости Ктр Удельный расход цемента Кц, кг/МПа
1 1,59 2310 3,96 34,1 0,116 10,9
2 1,43 2340 5,02 48,4 0,104 7,6
3 1,51 2375 5,28 51,6 0,102 7,1
4 1,72 2410 6,34 67,7 0,094 5,4
5 1,56 2390 6,07 57,9 0,105 5,4
6 1,79 2420 6,60 62,6 0,105 5,0
7 1,22 2315 4,31 37,6 0,115 8,0
8 1,39 2330 5,03 50,6 0,099 6,6
9 1,59 2325 5,11 54,9 0,093 6,6
10 1,45 2370 5,12 50,4 0,102 7,1
11 2,04 2415 6,68 71,2 0,094 5,6
12 2,13 2430 6,82 77,9 0,088 4,7
В бетонных смесях на российском цементе с кремнеземсодержащей добавкой керамзитовой пыли (составы 13-16) оптимальный водоредуцирующий эффект модификатора «Линамикс ПК» отмечен при дозировке 0,45 % массы вяжущего. Дальнейшее увеличение расхода суперпластификатора приводит к повышению водопотребности и заметному водоотделению смеси, что связано с размером и характером поверхности частиц тонкодисперсного материала, остеклованная структура которого имеет преимущественно отрицательный заряд. Основные физико-механические свойства бетонов с добавкой керамзитовой пыли представлены в табл. 5.
Таблица 5
Основные свойства бетонов с керамзитовой пылью
Состав Цементноводное отношение Средняя плотность, кг/м3 Предел прочности при сжатии, МПа Удельный расход цемента Кц, кг/МПа
13 1,49 2320 37,0 9,5
14 1,85 2385 51,6 6,9
15 2,04 2405 58,2 6,3
16 1,96 2395 54,4 6,7
Анализ прочностных характеристик бетонов на различных цементах свидетельствует о неоднозначном влиянии модифицирующих добавок на структуру затвердевшего композита. При повышении расхода суперпластификатора и снижении водопотребности смесей рост прочности бетона на сжатие опережает увеличение прочности на растяжение при изгибе. Отмечено снижение коэффициента трещиностойкости бетонов на турецком цементе на 10% (составы 2, 4), а бетонов на российском цементе — на 8% (составы 10, 11). Минимальная величина коэффициента трещиностойкости зафиксирована у самоуплотняющихся бетонов составов 9 и 12. На взгляд
авторов, это связано с тем, что увеличение доли теста вяжущего для обеспечения высокой растекаемости смесей и, следовательно, повышение концентрации цементного камня в структуре бетона при возникновении растягивающих напряжений приводит к более хрупкому разрушению.
Оценка основных характеристик бетонных смесей с различными минеральными наполнителями показывает, что смеси с керамзитовой пылью при оптимальной дозировке суперпластификатора «Линамикс ПК», обладая высокой связностью и перекачиваемостью, не обеспечивают бетону достижения высокой прочности. При введении микрокремнезема и модификатора «Линамикс ПК» в оптимальном количестве смеси на турецком цементе (составы 4, 6) и смеси на российском цементе (составы 11, 12) обладают стабильностью и нерасслаиваемостью, а бетоны на их основе достигают высокой прочности. Это происходит благодаря высокому разжижающему эффекту химического модификатора и протеканию вторичных реакций гидратации микрокремнезема и портландита с образованием низкоосновных гидросиликатов кальция, упрочняющих структуру бетона [14-16].
Заключение. Добавка полифункционального действия «Линамикс ПК» в количестве 0,551,0 % массы цемента является эффективным модификатором бетонных смесей, реологически совместимым с цементами различного вещественного состава. Для получения высокоподвижных и самоуплотняющихся бетонных смесей, перекачиваемых бетононасосами, расход добавки должен определяться в зависимости от удельной поверхности, вещественного и зернового состава цемента, а также от расхода и гранулометрии мелкого заполнителя. Выполненные исследования позволяют рекомендовать для производства монолитных железобетонных конструкций эффективные составы высокоподвижных перекачиваемых бетонных смесей с минимальным удельным расходом цемента Кц=4,7-5,6. Для бетонирования массивных монолитных конструкций с целью замедления тепловыделения при твердении и обеспечения трещиностойкости бетона рационально применение модифицированных бетонных смесей с суперпластификатором полифункционального действия «Линамикс ПК» и микрокремнеземом МК-85.
Библиографический список
1. Особенности состава бетонных смесей для бетононасосной технологии / Л. И. Касторных, А. В. Каклюгин, М. А. Гикало, И. В. Трищенко // Строительные материалы. — 2020. — № 3. — С. 4-11.
2. Combined effect of cement characteristics on the perfofmance of superplasticizers. An investigation in real cement plants / K. Yamada, C-B. Kim, K. Ichitsubo, M. Ichikawa // Proceedings of 8-th CANMET/ACI International Conference on Superplasticizers and Other Chemical Admixtures in Concrete. Sorrento, Italy. October 29-November 1 ACI SP-239. — 2006. — P. 159-174.
3. Касторных, Л. И. Влияние водоудерживающих добавок на некоторые свойства самоуплотняющихся бетонов. Часть I. Реологические характеристики цементных композиций / Л. И. Касторных, А. В. Рауткин, А. С. Раев // Строительные материалы. — 2017. — № 7. — С. 3438.
4. Касторных, Л. И. Влияние водоудерживающих добавок на некоторые свойства самоуплотняющихся бетонов. Часть 2. Реологические характеристики бетонных смесей и прочность самоуплотняющихся бетонов / Л. И. Касторных, И. А. Деточенко, Е. С. Аринина // Строительные материалы. — 2017. — № 11. — С. 22-27.
5. Низина, Т. А. Влияние минеральных добавок на реологические и прочностные характеристики цементных композитов / Т. А. Низина, А. В. Балбалин // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. — 2012. — № 2 (35). — С. 148-153.
характеристики мелкозернистых самоуплотняющихся бетонов / Л. И. Касторных, А. Г. Тароян, Л. М. Усепян // Инженерный вестник Дона : [сайт]. — 2017. — № 3. — URL: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n3y2017/4340/. (дата обращения: 15.04.2021).
7. Батраков, В. Г. Модификаторы бетона: новые возможности и перспективы /
B. Г. Батраков // Строительные материалы. — 2006. — № 10. — С. 1-8.
8. Рауткин, А. В. Выбор химических модификаторов для обеспечения растекаемости самоуплотняющихся бетонных смесей / А. В. Рауткин, Л. И. Касторных // Молодой исследователь Дона : [сайт]. — 2017. — № 4 (7). — С. 118-126. — URL: http://mid-iournal.ru/upload/iblock/5a8/20-rautkin-118 126.pdf. (дата обращения: 15.04.2021).
9. Касторных, Л. И. Об эффективности использования модификатора вязкости в самоуплотняющихся бетонах / Л. И. Касторных, В. П. Скиба, А. Е. Елсуфьев // Инженерный вестник Дона. — 2017. — № 3. — URL: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n3y2017/4346/. (дата обращения: 15.04.2021).
10. Муртазаев, С.-А. Ю. Сравнительный анализ суперпластификаторов для монолитных бетонных смесей / С.-А. Ю. Муртазаев, М. С. Сайдумов, Т. С.-А. Муртазаева // Наукоемкие технологии и инновации : электронный сборник докладов Международной научно-практической конференции, посвященной 65-летию БГТУ им. В. Г. Шухова. — Белгород, 2019. — С. 313-319.
11. Черников, Р. О. Исследование пластифицирующей способности отечественных суперпластификаторов на различных цементах / Р. О. Черников, И. С. Макущенко // Сборник статей Международной научно-технической конференции молодых ученых БГТУ им. В. Г. Шухова. — Белгород, 2015. — С. 390-394.
12. Коваль, И. В. Перспективы использования поликарбоксилатных добавок «Полипласт Северо-запад» в технологии бетонов / И. В. Коваль, А. Г. Григорьев // Технологии бетонов. — 2016. — № 11-12 (124-125). — С. 10-13.
13. Gypsum-cement-puzzolan binder with the use of superplasticizer Linamix "Type-2" / L. I. Chumadova, K. N. Gureev, A. A. Aznabaev, A. S. Kurochkin // Modern Science. — 2017. No. 4-1.
— P. 6-9.
14. Каприелов, С. С. Цементы и добавки для производства высокопрочных бетонов /
C. С. Каприелов, А. В. Шейнфельд, В. Г. Дондуков // Строительные материалы. — 2017. — № 11.
— С. 4-10.
15. Smirnova, O. M. Compatibility of portland cement and polycarboxylate-based superplasticizers in high-strength concrete for precast constructions / O. M. Smirnova // Magazine of Civil Engineering. — 2016. No. 6. — P. 12-22. https://doi: 10.5862/MCE.66
16. Касторных, Л. И. Влияние суперпластифицирующей добавки MasterPolyHeed на основные свойства тяжелого и мелкозернистого бетона / Л. И. Касторных, В. В. Хартанович, Д. Р. Шершень // Молодой исследователь Дона : [сайт]. — 2020. — № 4 (25). — С. 46-55. — URL: http://mid-iournal.ru/upload/iblock/fcf79 1157-Kastornykh 46 55.pdf. (дата обращения: 15.04.2021).
Об авторах:
Касторных Любовь Ивановна, доцент кафедры «Технологический инжиниринг и экспертиза в стройиндустрии» Донского государственного технического университета (344003, РФ, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1), кандидат технических наук, доцент, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8968-2543, likas9@mail.ru
Канюк Никита Александрович, магистрант кафедры «Технологический инжиниринг и экспертиза в стройиндустрии» Донского государственного технического университета (344003, РФ, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1), nikita.kaniuk@yandex.ru
Осипчук Игорь Владимирович, магистрант кафедры «Технологический инжиниринг и экспертиза в стройиндустрии» Донского государственного технического университета (344003, РФ, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1), mc_4ykar@mail.ru
About the Authors:
Kastornykh, Lyubov I., Associate Professor, Department of Technological Engineering and Expertise in the Construction Industry, Don State Technical University (1, Gagarin sq., Rostov-on-Don, RF, 344003), Cand.Sci., Associate Professor, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8968-2543, likas9@mail.ru
Kanyuk, Nikita A., Master's degree student, Department of Technological Engineering and Expertise in the Construction Industry, Don State Technical University (1, Gagarin sq., Rostov-on-Don, RF, 344003), nikita.kaniuk@yandex.ru
Osipchuk, Igor V., Master's degree student, Department of Technological Engineering and Expertise in the Construction Industry, Don State Technical University (1, Gagarin sq., Rostov-on-Don, RF, 344003), mc 4ykar@mail.ru
