Влияние некоторых гиперпластификаторов на пористость, влажностные деформации и морозостойкость цементного камня Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691.31:691.327

Г.В. НЕСВЕТАЕВ, д-р техн. наук, Ростовский государственный строительный университет; А.Н. ДАВИДЮК канд. техн. наук (ktb@ktbbeton.ru), ОАО «КТБ ЖБ» (Москва)

Влияние некоторых гиперпластификаторов на пористость, влажностные деформации и морозостойкость цементного камня

Самоуплотняющиеся бетонные смеси предполагают применение эффективных гиперпластификаторов (ГП), в частности на основе поликарбоксилатов. Известно, что ГП могут оказывать влияние на процесс гидратации цемента, особенно в ранний период, что фиксируется при оценке тепловыделения цемента (рис. 1). Это влияние может отразиться на формировании поро-вой структуры, что предопределяет влияние ГП на прочность, деформации усадки и набухания, морозостойкость цементного камня.

Исследовано влияние некоторых ГП ^1епшт 30, G1enium 51, Structuro 530, МеШих 2641, МеШих 2651, МеШих 5581, Бином-1) на формирование пористости, влажностные деформации и морозостойкость цементного камня, полученного из цементов Мальцовского (активность 43,1 МПа); Вольского (52,8 МПа); Белгородского (45,9 МПа); Себряковского (34,7 МПа) заводов. В табл. 1 приведены результаты, показывающие, что в присутствии ГП полная пористость цементного камня (при В/Ц = 0,27) может изменяться в пределах нескольких процентов в сторону как уменьшения, так и увеличения относительно эталона. Полная пористость цементного камня может быть определена как:

Р=(А+кв) - (01^+ка),

Рц ц Ргц Рц

(1)

где рц — истинная плотность цемента, г/см3 (3,05—3,18); рГц — истинная плотность полностью гидратированного цемента (цементного камня), 2,443 г/см3; а — степень гидратации цемента (в проектном возрасте примерно 0,45—0,7); к = 0,95—0,97 — относительный объем системы цемент + вода после проявления контракционной усадки; п — количество химически связанной воды при полной гидратации цемента (0,23—0,25 от массы цемента).

Принимая с некоторым допущением значения величин п, к, рц, рГц, можно получить расчетные значения степени гидратации цемента по величине полной пористости цементного камня (табл. 1).

Поскольку ГП, влияя на процесс гидратации, могут изменять величину полной пористости, возможно их влияние на прочность цементного камня учитывая, что изменение пористости Р влияет на предел прочности Я:

я=яь(1 - р у

(2)

где Х = 2 — 6.

Практически изменение пористости на 1% приводит к изменению предела прочности примерно на 4—5%, чему в принципе не противоречат представленные в табл.1 фактические данные изменения пористости и прочности по результатам исследований [1]. Однако, поскольку изменение прочности в табл. 1 не всегда соответствует изменению пористости, это можно интерпретировать как факт, свидетельствующий о том, что на изменение прочности цементного камня в присутствии ГП помимо изменения объема пор влияют еще некоторые факторы (возможно, морфология новообразований, прочность контактов, сростков цементного камня), которые носят индивидуальный характер для пары цемент — ГП.

Изменение величины влажности цементного камня и величины усадки во времени развивается по общему закону, который в самом общем виде удовлетворительно описывается функцией:

) = еда,120(^120) (а 1пт+b),

(3)

где г$н,т, ^дш — соответственно текущее значение усадки и значение в 120 сут; Wт, W120 — соответственно

Таблица 1

Гиперпластификатор Полная пористость цементного камня, % (расчетная степень гидратации цемента); снижение (увеличение) прочности относительно эталона,%

М* В* С* Б*

Нет 26,3 (0,55) 23,4 (0,61) 29,87 (0,48) 26,83 (0,545)

61егнит 51 26,6 (0,545); -24 23,1 (0,62); +7 29,97 (0,48); +18 -

61егнит 30 24,9 (0,58); -10 23,8 (0,605); +1 30,3 (0,47); +7 28,4 (0,51); -7

Б^исШго 530 27,0 (0,535); -6 22,48 (0,63); +5 31,2 (0,455); -10 32,4 (0,43); 0

Ме!Аих 2641 21,55 (0,65); +18 22,51 (0,63); +1 - -

Ме!Аих 2651 25,22 (0,57); 0 22,69 (0,63); +1,5 - -

Ме1Аих 5581 25,24 (0,57); -12 21,05 (0,66); 0 - -

Бином-1 * М, В, С, Б - соответств «-» снижение прочности 29,1 (0,495); -50 енно цементы Мальцовск «+» увеличение прочност 26,5 (0,55); -45 ого, Вольского, Себряков и. 33,9 (0,405); -31 ского, Белгородского зав эдов;

www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал

44 январь 2010 *

80 70 60

* 50

40

£ 30

20

10

10

20 30

Время, ч

40

50

Рис. 1. Тепловыделение при гидратации Вольского цемента с ГП: 1 - эталон (бездобавочный); 2 - с добавкой в^исШго 530 (1%); 3 - с добавкой 0!епшт 51 (1%)

3 4 5 6 7 Изменение влажности, %

10

Рис. 2. Зависимость величины удельной усадки Е^я/Д^от количества испарившейся из бетона воды Д1Ж за время измерения: ^ - цементный камень с ГП; ■ - эталон

0

2

8

9

0

0,9 0,8 ^ 0,7 § 0,6 5 0,5

ка,

дк 0,4

а

с

£0,3 а

льн 0,2

Л 0,1 0

у = 453,47х-2, Я2 = 0,9199

20 22 24 26 28 30 32 Полная пористость, %

34

36

(4)

Рис. 3. Зависимость величины удельной усадки Е^я/Д^от полной пористости цементного камня: ^ - цементный камень с ГП; ■ - эталон

текущее значение влажности бетона и влажности в 120 сут; а, Ь — эмпирические коэффициенты.

Для практических целей возможно представление зависимости величины усадки цементного камня от изменения влажности, особенно в диапазоне от 70% влажности цементного камня до полного высыхания, в виде

где значения коэффициента в для разных цементов (при В/Ц = 0,27) составляет ориентировочно (0,27—0,47) • 10-2. Введение гиперпластификаторов повышает, по некото-

0

15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 Полная пористость, %

Рис. 4. Зависимость величины удельной деформации набухания Е№/ДШ от полной пористости цементного камня: ^ - цементный камень с ГП; ■ - эталон

рым данным, величину в до 2,5 раз. Увеличение деформаций усадки цементного камня с ГП подробно описано в [2]. Величина Д Жявляется косвенной характеристикой пористости цементного камня: чем больше ДЖ, тем больше в цементном камне крупных пор. Для цементного камня с более крупной пористостью характерна меньшая величина удельной усадки при высыхании (рис. 2), поскольку более крупные капилляры обладают меньшим стягивающим эффектом. Как следует из рис. 2 и 3, цементный камень с ГП характеризуется в среднем большим значением величины в, в том числе при рав-

Таблица 2

Добавка Морозостойкость цементов, циклы (%)

В* М* С* Б*

Нет 35 (100) 45 (100) 25 (100) 30 (100)

0!еп1ит 30 < 30 (< 85) 40 (89) 25 (100) 25(83)

0!еп1ит 51 < 20 (< 57) 35 (78) 15 (60) -

Б^исШго 530 < 15 (< 43) 30(67) 15 (60) 15 (50)

Бином-1 45 (128) 45 (100) 35 (140) -

МеШих 2641 25 (71) 17 (38) - -

МеШих 2651 10 (29) 25 (56) - -

МеШих 5581 *М, В, С, Б - соответствс 20(57) знно цементы Мальцовскс 15 (33) >го, Вольского, Себряковс кого, Белгородского заве дов.

Су ■. ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru

Я! : ® январь 2010 45

Таблица 3

Цемент В/Ц (ГП) Общая контракция, мл/100 г цемента Контракционная усадка, мл/100 г цемента Контракционная пористость, мл/100 г цемента Контракционная пористость, % от объема цементного камня

0,27 3,74 1,35 2,39 4,07

0,27 (Ме!Аих 2641) 3 0,77 2,23 3,8

Вольского 0,27 (МеШих 2651) 3 0,79 2,21 3,76

завода 0,27 (МеШих 5581) 3,2 0,96 2,24 3,82

0,27 (0!еп1ит 30) 2,8 1,26 1,54 2,62

0,27 (в!еп1ит 51) 2,2 1,17 1,03 1,75

0,27 3,39 1,35 2,04 3,48

0,27 (МеШих 2641) 3 2,55 0,45 0,77

Мальцовского 0,27 (Метих 2651) 2,5 1,32 1,18 2

завода 0,27 (Метих 5581) 2,4 1,15 1,25 2,13

0,27 (в!еп1ит 30) 3 1,59 1,41 2,4

0,27 (в!еп1ит 51) 2,9 0,86 2,04 3,48

ной полной пористости, что свидетельствует о более мелкопористом его строении.

На рис. 4 представлена зависимость деформаций набухания при увлажнении цементного камня от величины полной пористости. Прослеживается некоторая тенденция роста удельной деформации набухания с уменьшением полной пористости цементного камня, т. е. повышением его плотности. Зависимость удельной деформации набухания от изменения влажности цементного камня не выявлена. Сопоставляя рис. 3 и 4, можно отметить, что удельная усадка в 2—3 раза превышает величину удельного набухания.

Морозостойкость цементного камня с ГП изучалась на образцах размером 40x40x160 мм, изготовленных из цементного теста с В/Ц = 0,27, твердевших 28 сут в воде,

др

лд

ео

2

0,5 1 1,5 2

Остаточное расширение, мм/м

Рис. 5. Соотношение между изменением динамического модуля упругости и величиной остаточного расширения: 1 - постоянное значение предела относительного динамического модуля упругости Е/Е0 = 0,95; 2 - функция, аппроксимирующая экспериментальные данные; ^ - экспериментальные данные

Оо

0,2 0

С!еп1ит С1ешит Б^исШго Бином-1 Ме!Аих Ме!Аих Ме!Аих 30 51 530 2641 2651 5581

□ Цемент Мальцовского завода

□ Цемент Вольского завода

□ Цемент Себряковского завода

□ Цемент Белгородского завода

Рис. 6. Относительная морозостойкость цементного камня с ГП

далее 120 сут на воздухе. В качестве критерия морозостойкости использованы:

— изменение динамического модуля упругости, определенного по величине скорости прохождения ультразвука;

— величина деформаций остаточного после оттаивания расширения.

Между указанными критериями зафиксирована корреляция (рис. 5). Испытания проводились по второму методу ГОСТ 10060.0—95 (замораживание-оттаивание образцов в 5% растворе №С1).

Представленные в табл. 2 значения свидетельствуют о существенном влиянии ГП на морозостойкость цементного камня, причем это влияние, как правило, негативное.

Представленные на рис. 6 данные показывают, что в меньшей степени негативное влияние проявил ГП G1enium 30, если не считать Бином-1, введение которого вызвало существенное торможение развития прочности бетона [1], в связи с чем повышенная морозостойкость может быть результатом эффекта самозалечивания за счет большего количества клинкерного фонда. Отметим, что выявленное влияние ГП на морозостойкость цементного камня не следует рассматривать как однозначно негативный результат, поскольку на морозостойкость бетона помимо морозостойкости цементного камня существенное влияние могут оказывать заполнители и воздухововлечение.

Влияние ГП на морозостойкость цементного камня связано с изменением объема контракционной пористости цементного камня (табл. 3), которая является резервной и положительно влияет на морозостойкость, в результате изменения кинетики формирования его структуры в ранний период в присутствии ГП.

Поэтому при использовании ГП в бетонах с требуемой высокой морозостойкостью в ряде случаев необходимо обеспечить дополнительную резервную пористость воздухововлечением. Условия для возду-хововлечения в бетоне отличны от чистого цементного теста. Проблема заслуживает пристального внимания.

Ключевые слова: бетон, гиперпластификатор, морозостойкость, деформации.

Список литературы

1. Несветаев Г.В., Давидюк А.Н. Самоуплотняющиеся бетоны: прочность и проектирование состава // Строит. материалы. 2009. № 5. С 54-57.

2. Несветаев Г.В., Давидюк А.Н. Самоуплотняющиеся бетоны: усадка // Строит. материалы. 2009. № 8. С. 52-53.

www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал

46 январь 2010 *