CC BY
34УДК 691.32
Л.И. КАСТОРНЫХ, канд. техн. наук (likas9@mail.ru), А.В. РАУТКИН, магистрант, А.С. РАЕВ, магистрант
Донской государственный технический университет (344010, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1)
Влияние водоудерживающих добавок на некоторые свойства самоуплотняющихся бетонов
Часть I. Реологические характеристики цементных композиций
Проведен анализ и предпринята попытка разработки единой методики оценки совместимости суперпластификаторов и цемента по показателям водоотделения цемента с добавками и предельным напряжениям сдвига цементных суспензий. Установлено, что величина коэффициента водоотделения цементов с суперпластификаторами и водоудерживающими добавками различна, а характер водоотделения одинаков. Введение водоудерживающих добавок позволяет уменьшить водоотделение цементов. Использование водоудерживающих и стабилизирующих веществ приводит к увеличению дисперсности твердой фазы и молекулярному взаимодействию между частицами. Это вызывает возникновение множества контактов между ними и обусловливает создание пространственной структурной сетки, обеспечивающей высокую водоудерживающую способность. Выбор дозировок суперпластификаторов и водоудерживающих добавок для конкретного цемента можно назначать по величине предельных напряжений сдвига цементных суспензий. Увеличение предельных напряжений сдвига цементных композиций с суперпластификатором и водоудерживающей добавкой свидетельствует о повышении их водопотребности. Этот фактор необходимо учитывать при проектировании состава самоуплотняющихся смесей, особенно перекачиваемых с помощью бетононасосов.
Ключевые слова: водоотделение цемента, суперпластификаторы, водоудерживающая добавка, реологическая совместимость добавок и цемента, предельные напряжения сдвига цементных суспензий.
Для цитирования: Касторных Л.И., Рауткин А.В., Раев А.С. Влияние водоудерживающих добавок на некоторые свойства самоуплотняющихся бетонов. Часть I. Реологические характеристики цементных композиций // Строительные материалы. 2017. № 7. С. 34-38.
L.I. KASTORNYKH, Candidate of Science (Engineering), A.V. RAUTKIN, Master student, A.S. RAEV, Master student Don State Technical University (1, Gagarina Square, Rostov-on-Don, 344010, Russian Federation)
Effect of Water-Retaining Admixtures on Some Properties of Self-Compacting Concretes Part 1. Rheological Characteristics of Cement Compositions
An analysis is made and the development of a single method for assessment of compatibility of superplasticizers and cement according to the rates of bleeding of cement with additives and critical shear stress of cement suspensions is attempted. It is established that the value of bleeding coefficient of cements with superplasticizers and water-retaining agents is different but the character of bleeding is the same. The introduction of water-retaining additives makes it possible to reduce the bleeding of cements. The use of water-retaining and stabilizing substances leads to increasing the dispersity of a solid phase and the molecular interaction between the particles. This causes the appearance of many contacts between them and leads to the creation of a spatial structural grid that provides the high water-retaining capacity. Selection of the dosages of superplasticizers and water-retaining agents for a particular cement can be assigned according to the value of limit shear stresses of cement suspensions. The increase in ultimate shear stresses of cement compositions with a superplasticizes and water-retaining additive indicates an increase in their water requirement. This factor is necessary to take into account when designing the composition of self-compacting mixes, especially pumped with the use of concrete pumps.
Keywords: bleeding of cement, superplasticizers, water-retaining additives, rheological compatibility of additives and cement, ultimate shear stresses of cement suspensions.
For citation: Kastornykh L.I., Rautkin A.V., Raev A.S. Effect of water-retaining admixtures on some properties of self-compacting concretes. Part 1. Rheological characteristics of cement compositions. Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2017. No. 7, pp. 34-38. (In Russian).
Основные принципы направленного структурообра-зования цементных систем, сформулированные более трех десятилетий назад выдающимся советским ученым О.П. Мчедловым-Петросяном и его учениками, не утратили своей актуальности и в настоящее время. В технологии бетона эти принципы предполагают согласованность внутренних процессов и внешних воздействий: момент, интенсивность и длительность воздействия на бетонную смесь должны согласовываться с процессами ее структурообразования [1]. На современном этапе развития бетоноведения, когда бетонные смеси производятся с обязательным включением различных химических и минеральных добавок, главной задачей является управление процессами изменения состава и структуры бетона. Как показала практика, добавки, являясь модификаторами структуры бетона, могут в значительной степени изменять его физико-механические характеристики и влиять на формирование себестоимости продукции. Поэтому новые группы добавок (гиперпластификаторы, стабилизаторы, модификаторы вязкости и др.), широко представленные на строительном рынке, должны быть всесторонне исследованы.
Для исследователей бетона и технологов строительных лабораторий основной проблемой является совместимость добавок с цементами, минеральными наполнителями и между собой (в случае применения комплекса добавок).
Производители добавок в рекомендациях, помимо области их применения, преимуществ и дозировки, указывают и совместимость добавок с различными видами цементов, предполагая максимальный эффект ее действия при минимальной концентрации. Отметим, что практически все компании, торгующие добавками, рекомендуют проверять их совместимость с цементами и уточнять дозировку путем пробных замесов в лаборатории, что свидетельствует о высоком уровне их профессионализма.
В большей степени проблема совместимости добавок и цементов относится к новому виду бетонов — самоуплотняющемуся (СУБ). Многочисленные работы под руководством Г.В. Несветаева [2, 3] и А.В. Ушеро-ва-Маршака [4, 5] посвящены изучению реологической совместимости систем цемент—добавка. В них исследовалось влияние дозировок суперпластификаторов на текучесть цементных суспензий. В случае использова-
34
научно-технический и производственный журнал
июль 2017
Таблица 1
Вид цемента Состав, % НГцТ S^, см2/г
СзS C2S C3A C4AF SO3 MgO R2O
ПЦ500-Д0-Н 63,4 15,1 5,1 13,5 3,06 0,96 0,65 24,75 3520
ССПЦ500-Д20 (опока - 10,2%) 65 12 4 13 2,8 0,41 0,46 27,5 4015
Таблица 2
Торговая марка Наименование Характеристика
Sika Sika ViskoCrete 20 HE (VC20 HE) Суперпластификатор на основе водного раствора модифицированного поликарбоксилата
Sika ViskoCrete 24 HE (VC24 HE) Суперпластификатор на основе водной композиции модифицированных эфиров поликарбоксилата с очень быстрым набором ранней прочности бетона
Sika Stabilizer 4R (S.4R) Стабилизирующая добавка на основе крахмала, повышающая стойкость бетонных смесей к расслоению
MC Bauchemie МС Muraplast FK 63 (FK 63) Гиперпластификатор на основе эфиров поликарбоксилатов, обладающий сильным разжижающим действием
Centrament Stabi M21 (S^21) Стабилизатор на основе комплексной смеси микронаполнителя и синтетических полимеров
BASF MasterGleniumACE430 (MG430) Суперпластификатор на основе эфира поликарбоксилата с эффектом быстрого набора ранней прочности бетона
MasterGlenium 115 (MG115) Суперпластифицирующая добавка на основе эфира поликарбоксилата
MasterMatrix 100 (MM100) Модификатор вязкости на основе водного раствора высокомолекулярного синтетического полимера
Таблица 3
Вид цемента Коэффициент водоотделения, %
Без добавки MC Bauchemie Sika BASF
FK 63 S^21 VC20HE VC 24HE S.4R MG430 MG115 MM100
ПЦ 500-Д0-Н 17,6 22,8 16,3 29,3 36,9 9,8 24,2 19,6 15,4
ССПЦ 500-Д20 21,7 36,5 19,3 37 38 16,5 31,5 23,9 15,2
ния суперпластификаторов в качестве водоредуцирующих добавок для повышения прочности бетона предлагается оценивать их прочностную совместимость с цементами [6]. Для оперативной и достоверной количественной оценки совместимости суперпластификаторов и цементов в условиях производственной лаборатории авторы статьи [7] предлагают технологические критерии. В Петербургском государственном университете путей сообщения разработана методика определения совместимости цемента с добавками поверхностно-активных веществ по кинетике предельного напряжения сдвига и оценке относительной активности цемента в возрасте 12 ч [8].
Такое разнообразие подходов к оценке совместимости цементов с суперпластификаторами подтверждает существование проблемы и требует разработки единой методики, доступной как для научно-исследовательских, так и для строительных лабораторий.
Трудности обеспечения реологической стабильности легких самоуплотняющихся керамзитобетонов авторами были установлены ранее [9]. В настоящей статье представлены результаты исследований самоуплотняющихся бетонных смесей с водоудерживающими добавками (стабилизаторами).
При выборе вяжущего для СУБ следует отдавать предпочтение цементам с наименьшим водоотделением. При использовании цементов со значительным водоот-делением может потребоваться применение водоудер-живающей добавки (стабилизатора) или увеличение ее расхода. Для обеспечения высокой растекаемости смеси марка по прочности выбираемого вяжущего не имеет определяющего значения. Достаточно хорошие результаты можно получать и на рядовых цементах, в том числе и с добавлением активных минеральных добавок.
В действующих стандартах на цементы общестроительного назначения требования по водоотделению не
предъявляются, а новый стандарт на специальный цемент ГОСТ Р 55224—2012 «Цементы для транспортного строительства. Технические условия» устанавливает величину водоотделения, не превышающую 28%.
В исследованиях использованы бездобавочный портландцемент ОАО «Новоросцемент» завода «Пролетарий» марки ПЦ500-Д0-Н и сульфатостойкий портландцемент с минеральными добавками ОАО «Верхне-баканский цементный завод» марки ССПЦ 500-Д20 (по маркировке завода-изготовителя). Основные характеристики цементов представлены в табл. 1.
Цемент завода «Пролетарий», отличающийся стабильностью показателей качества на протяжении многих лет, по мнению экспертов, выбран в качестве эталона [10].
Выбор добавок для СУБ был продиктован необходимостью высокой пластификации смесей и доступностью на строительном рынке (табл. 2).
Влияние химических добавок на водоотделение цементов, %, установлено по методике ГОСТ 310.6:
Кв = (а - Ь) ■ 100/а, (1)
где а — первоначальный объем цементного теста, см3; Ь — объем осевшего теста, см3.
Дозировка добавок назначалась как средняя величина интервала, рекомендуемого производителями: 1% — для суперпластификаторов и 0,5% — для стабилизаторов.
Результаты определения водоотделения цементов при введении пластифицирующих и стабилизирующих добавок приведены в табл. 3.
Установлено, что величина коэффициента водоот-деления цементов с суперпластификаторами (СП) и стабилизирующими добавками различна, а характер водоотделения одинаков (рис. 1).
Выполненные исследования свидетельствуют, что молекулы суперпластификатора, адсорбируясь на ча-
J j. ®
научно-технический и производственный журнал
июль 2017
35
Рис. 1. Характер водоотделения портландцемента марки ПЦ500-Д0-Н: а - без добавок; б - суперпластификатор 1УЮ430; в - водоудерживающая добавка ММ100
К
к
\\\ ^
\\ ч.
X V ^^
ш _ ^^
--
У020 НЕ+8.4И РК63+8.М21
РК63
У020 НЕ У024 НЕ
0,5
1
Дозировка, %
1,5
\ ^
\ Чг ^ ^ ^__
\ ч ч
\ \
\
1 \ N
ч
ч ч _
Л
' ~ ~ 1 г'~*--1—
.-У024 НЕ+8.4И
У020 НЕ+8.4И
РК63+8.М21
У024 НЕ У020 НЕ РК63
0,5
1
Дозировка, %
1,5
Рис. 2. Влияние дозировки и вида добавок на предельные напряжения сдвига цементных суспензий: а - ПЦ500-Д0; б - ССПЦ500-Д20
стицах цемента, увеличивают его водоотделение, а также остаются в водном растворе, придавая ему мутный оттенок.
Водоотделение цемента с минеральными добавками, несмотря на более высокую тонкость помола и водопо-требность, на 23% выше бездобавочного цемента. Такое действие предположительно можно объяснить отрицательным зарядом поверхности кремнеземсодержащей минеральной добавки, не обладающей водоудерживаю-щей способностью. Применение всех исследованных суперпластификаторов увеличивает водоотделение цемента с минеральными добавками также в большей степени, чем бездобавочного цемента.
Результаты испытаний вполне согласуются с выводами, полученными П.А. Ребиндером, Ю.М. Буттом и Т.М. Берковичем при исследовании водоудерживающей способности цементов в присутствии лигносульфона-тов [12]. При максимальной дозировке пластификатора (0,5% массы цемента) водоотделение бездобавочного цемента увеличилось в два раза, а цемента с добавкой вольской опоки в количестве 20% — в четыре раза.
Такой механизм действия пластификаторов при введении их в больших дозировках объясняется образованием на всех частицах исходных минералов и новообразований коллоидно-адсорбционных слоев, приводящих к стабилизации этих частиц и торможению процессов гидратации на начальной стадии. При этом силы сцепления между частицами уменьшаются, коагуляция ослабляется, седиментационное самоуплотнение цемента увеличивается, а водоудерживающая способность понижается.
Введение водоудерживающих добавок позволяет уменьшить водоотделение цементов. Для цемента с минеральной добавкой максимальный водоудерживаю-щий эффект — на 30% — показала добавка ММ100; для бездобавочного цемента в большей степени водоудер-живающий эффект проявила добавка марки S.4R, снизив его водоотделение на 44%.
При введении водоудерживающих веществ происходит увеличение дисперсности твердой фазы, т. е. увеличение свободной поверхностной энергии. Это приводит к молекулярному взаимодействию между частица-
б
а
2
2
научно-технический и производственный журнал Г* Гг?
~36 июль 2017 Ы- -У-.9'
Таблица 4
Торговая марка добавки ПЦ 500-Д0-Н ССПЦ 500-Д20
Наименование добавки Дозировка, % Диаметр расплыва, см Средняя плотность, кг/м3 Предельные напряжения сдвига, Па Диаметр расплыва, см Средняя плотность, кг/м3 Предельные напряжения сдвига, Па
- Бездобавочный - 11,5 2000 18,9 11 2005 21
0,5 25 1990 4 29 1995 3
VC20HE 1 35,5 1985 2 36,5 1975 1,8
1,5 36,5 1980 1,86 40,5 1968 1,5
2 40,5 1960 1,5 41,5 1950 1,4
0,5 13,5 2010 13,9 11,8 2000 18
VC20 HE + S.4R 1 15,5 2010 10,6 12,8 1990 15,2
(0,5%) 1,5 17 2000 8,65 14 1964 12,5
ш 2 18,5 1960 7,15 15 1950 11
ся 0,5 19 1985 6,9 30,5 2000 2,7
VC24 HE 1 36 1975 1,9 36 1968 1,9
1,5 40 1975 1,5 37 1960 1,8
2 42 1960 1,4 38 1955 1,7
0,5 14 2000 12,8 11,5 2000 18,9
VC24 HE + S.4R 1 17 1990 8,5 11,8 1985 17,8
(0,5%) 1,5 21,5 1950 5,3 12 1965 17,1
2 22 1940 5 12,5 1960 15,7
0,5 15,7 1968 10 25,8 1970 3,7
FK-63 1 19 1965 6,7 30,4 1960 2,6
ф Е 1,5 24,5 1955 4,1 35 1965 2
e SZ c 2 27 1925 3,3 40,5 1955 1,4
u ш m 0,5 13,5 1990 13,5 14,5 2005 11,8
C 2 FK-63 + S.M21 1 16 1980 9,7 19 1995 6,9
(0,5%) 1,5 19 1955 6,8 25,2 1995 3,9
2 20 1920 6 26,2 1975 3,6
ПЦ500-Д0-Н
ССПЦ500-Д20
Рис. 3. Характер растекаемости цементных суспензий с добавками марки MC Bauchemie: а в - FK-63 - 2%; г - FK-63 - 2%+S.M21 - 0,5%
FK-63 - 2%; б - FK-63 - 2%+S.M21 - 0,5%;
ми, что вызывает возникновение множества контактов между ними и обусловливает создание пространственной структурной сетки, обеспечивающей высокую во-доудерживающую способность.
Для оценки совместимости (реологической активности) суперпластификаторов с конкретным цементом согласно [11] выбрана доступная и опробованная другими исследователями [2, 3] методика определения предельных напряжений сдвига цементных суспензий т0, Па:
т- Mir,
то=^р, (2)
где h, d — высота и диаметр, м, соответственно мини-вискозиметра Суттарда; р — средняя плотность цементной суспензии, кг/м3; k = 2 — по [11]; D — диаметр расплыва цементной суспензии, м.
Были приготовлены цементные суспензии с постоянным В/Ц = 0,388 и дозировкой суперпластификаторов от 0,5 до 2%, а водоудерживающих добавок в количестве 0,5% от массы цемента. Результаты исследований приведены в табл. 4. Влияние дозировки и вида добавок на предельные напряжения сдвига цементных суспензий представлены на рис. 2.
Исследования показали, что для цемента марки ПЦ500-Д0-Н все СП обеспечивают максимальную растекаемость и минимальное значение предельного напряжения сдвига цементных суспензий при дозировке 1—1,5%. Дальнейшее увеличение расхода добавки до 2% практически не изменяет растекаемость суспензий, но при этом приводит к значительному водо-отделению, что отчетливо видно на рис. 3, 4. Использование комплекса добавок СП+стабилизатор приво-
а
< \ научно-технический и производственный журнал
&
июль 2017 37
ПЦ500-Д0-Н
ССПЦ500-Д20
Рис. 4. Характер растекаемости цементных суспензий с добавками марки Sika: а - VC20 HE - 2%; б - VC20 HE - 2%+S.4R - 0,5%; в - VC20 HE - 2%; г - VC20 HE - 2%+S.4R - 0,5%
дит к повышению напряжении сдвига и уменьшению растекаемости.
Для цемента марки ССПЦ500-Д20 оптимальной дозировкой всех СП является диапазон от 0,5 до 1%. Превышение указанной дозировки способствует водо-отделению цементных суспензий (рис. 3, 4).
Стабилизирующие добавки в комплексе с суперпластификаторами резко повышают предельные напряжения сдвига и уменьшают растекаемость цементных суспензий (особенно комплекс добавок VC24 HE+S.4R), но при этом водоотделение полностью устраняется.
Список литературы
1.
2.
3
4.
5.
7
8.
9
Уменьшение растекаемости и увеличение предельных напряжений сдвига цементных композиций с суперпластификатором и водоудерживающей добавкой свидетельствует о повышении их водопотребности. Этот фактор необходимо учитывать при проектировании состава самоуплотняющихся смесей, особенно перекачиваемых с помощью бетононасосов.
Величина предельных напряжений сдвига цементных суспензий может использоваться при выборе оптимальных дозировок суперпластификаторов и комплекса супер-пластификатор+стабилизатор для конкретного цемента.
References
Мчедлов-Петросян О.П. Химия неорганических строительных материалов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1988. 304 с.
Несветаев Г.В. Технология самоуплотняющихся бетонов // Строительные материалы. 2008. № 3. С. 24-28.
Несветаев Г.В., Давидюк А.Н., Хетагуров Б.А. Самоуплотняющиеся бетоны: некоторые факторы, определяющие текучесть смеси // Строительные материалы. 2009. № 3. С. 54-57. Ушеров-Маршак А.В., Циак М. Совместимость — тема бетоноведения и ресурс технологии бетона // Строительные материалы. 2009. № 10. С. 12-15. Ушеров-Маршак А.В., Бабаевская Т.В. Эффективность добавок - тема бетоноведения и технологии бетона // Технологии бетонов. 2012. № 7—8. С. 53-55.
Зоткин А.Г. Прочностная совместимость цементов с суперпластификаторами // Технологии бетонов. 2014. № 9. С. 22—26.
Толмачев С.Н., Беличенко Е.А., Бражник А.В. Разработка технологических критериев совместимости суперпластификаторов с цементами // Строительные материалы. 2016. № 5. С. 60—65. Петрова Т.М., Серенко А.Ф. Определение совместимости цемента с добавками ПАВ по кинетике предельного напряжения сдвига // Цемент и его применение. 2007. № 5—6. С. 82—83.
Касторных Л.И., Синицина Н.А. Исследование свойств легких самоуплотняющихся бетонов // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия «Архитектура и строительство». 2014. № 4. Т. 14. С. 47—51.
10. Афанасьева В.Ф. Оценка эффективности цементов, применяемых в российском строительстве // Технологии бетонов. 2013. № 1. С. 12—15.
11. Баженов Ю.М., Демьянова В.С., Калашников В.И. Модифицированные высококачественные бетоны. М.: Издательство АСВ, 2006. 368 с.
12. Бутт Ю.М., Беркович Т.М. Вяжущие вещества с поверхностно-активными добавками. М.: Промстрой-издат, 1953. 248 с.
1.
2.
4.
Mchedlov-Petrosyan O.P. Himija neorganicheskih stroitel'nyh materialov [Chemistry of inorganic building materials]. 2nd ed. Rev. Moscow: Stroyizdat. 1988. 304 p. Nesvetaev G.V. Technology of self-compacting concrete. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2008. No. 3, pp. 24-28. (In Russian).
Nesvetaev G.V., Davidyuk A.N., Khetagurov B.A. Self-compacting concrete: some of the factors that determine the fluidity ofthe mix. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2009. No. 3, pp. 54-57. (In Russian). Usherov-Marshak A.V., M. Ziac Compatibility — the theme of the concrete Sciences, and resource technology concrete. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2009. No. 10, pp. 12—15. (In Russian). Usherov-Marshak A.V., Babaevskaya T. V. The effectiveness of the additives — the subject of concrete Sciences and technology of concrete. Tehnologii betonov. 2012. No. 7—8, pp. 53—55. (In Russian). Zotkin A.G. Strength compatibility of cements with super-plasticizers. Tehnologii betonov. 2014. No. 9, pp. 22—26. (In Russian).
Tolmachev S.N., Belichenko E.A., Brazhnik A.V. Development of the technological criteria of compatibility of su-perplasticizers with cements. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2016. No. 5, pp. 60—65. (In Russian). Petrova T.M., Serenko A.F. Determination of the compatibility of cement with additives of surfactants on the kinetics of the limiting shear stress. Tsement i ego primen-enie. 2007. No. 5—6, pp. 82—83. (In Russian). Kastornykh L.I., Sinitsyna N.A. The study of the properties of lightweight self-compacting concretes. Vestnik ofthe South Ural state University. Series "Architecture and construction". 2014. No. 4. Vol. 14, pp. 47—51. (In Russian). Afanasyeva V.F. Assessment of the effectiveness of the cements used in the Russian construction. Tehnologii be-tonov. 2013. No. 1, pp. 12—15. (In Russian).
11. Bazhenov Y.M., Demyanova V.S., Kalashnikov V.I. Modificirovannye vysokokachestvennye betony [Modified high-quality concrete]. Moscow: ASV. 2006. 368 p.
12. Butt Y.M., Berkovich T.M. Vyazhuschie veschestva s poverhnostno-aktivnyimi dobavkami [Astringent substances with surface-active additives]. Moscow: Promstroyizdat. 1953. 248 p.
8.
9.
10
научно-технический и производственный журнал Г* Jjjjj-ül?
Ii июль 2017 Ы- 'ErJ> . ^ ■> '
