CC BY
161
УДК 691
ВЫБОР ХИМИЧЕСКИХ МОДИФИКАТОРОВ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАСТЕКАЕМОСТИ САМОУПЛОТНЯЮЩИХСЯ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ
А. В. Рауткин, Л. И. Касторных
Донской государственный технический
университет, Ростов-на-Дону, Российская
Федерация
san7935@yandex.ru
likas9@mail.ru
Выполнена оценка влияния суперпластификаторов и стабилизирующих добавок нового поколения на реологические свойства самоуплотняющихся бетонных смесей. Установлено, что при выборе химических модификаторов для самоуплотняющихся бетонов необходимо проводить исследования по реологической совместимости гиперпластификаторов и стабилизаторов с конкретным цементом. Стабилизирующие добавки обладают высокой во-доудерживающей способностью и повышают стойкость бетонных смесей к расслоению, но увеличивают ее водопотребность. Ключевые слова: самоуплотняющиеся бетоны, гиперпластификаторы, стабилизаторы, модификаторы вязкости, растекаемость смесей, прочность бетона
UDC 691
THE CHOICE OF CHEMICAL MODIFIERS FOR PROVIDING SPREAD-ABILITY OF SELF-COMPACTING CONCRETE MIXTURES
A.V. Rautkin, L. I. Kastornykh
Don State Technical University, Rostov-on-Don, Russian Federation
san7935@yandex.ru likas9@mail.ru
The article provides the assessment of the influence of superplasticizers and stabilizing additives of the new generation on the rheological properties of self-compacting concrete mixes. The authors have found that in the choice of chemical modifiers for self-compacting concrete it is necessary to conduct research on rheological compatibility of hyperplasticizers and stabilizers with the specific cement. Stabilizing additives have a high water-retaining ability and increase the resistance of concrete mixtures to phase separation and increase the demand in it.
Keywords: self-compacting concrete, hyperplas-ticizers, stabilizers, viscosity modifiers, spreada-bility, concrete strength
Введение. Более 20 лет на строительных объектах развитых стран успешно применяются самоуплотняющиеся бетоны (СУБ). Такие бетоны получают из смеси, которая растекается самостоятельно, без воздействия на нее внешней энергии, но при этом сохраняет однородность, гарантированно уплотняется и полностью заполняет опалубку [1, 2].
В середине 90-х годов XX столетия в Японии профессор Х. Окамура создал и внедрил в практику новое поколение суперпластифицирующих добавок к бетону на базе полиакрилата и по-ликарбоксилата. Использование данных добавок сопровождалось и увеличением (по сравнению с традиционным бетоном на цементном вяжущем материале) количества тонкодисперсных частиц микронаполнителей: микрокремнезема, различных зол, молотого граншлака, известняка и др. В комплексе это позволяет получать стабильные и нерасслаивающиеся смеси, способные к самоуплотнению. С использованием СУБ в Японии был построен ряд уникальных сооружений, среди которых мост Акаси-Кайкё, открытый в 1998 г. (центральный пролет длиной 1991 м и две секции длиной по 960 м) [3].
Благодаря своим преимуществам СУБ получил широкое распространение в Западной Европе и Северной Америке. В России СУБ пока применяется лишь при создании уникальных объектов, таких как ММДЦ «Москва-сити» [4, 5].
Производственный опыт показывает, что химические добавки, являясь модификаторами структуры бетона, в значительной степени изменяют его физико-механические характеристики и формируют себестоимость железобетонных изделий и конструкций. Должны быть всесторонне исследованы новые группы добавок для СУБ: гиперпластификаторы, стабилизаторы, модификаторы вязкости и др., влияние которых на свойства бетонных смесей и бетонов еще мало изучено [6].
Материалы и методика исследований. Цель настоящей работы — определить влияние суперпластификаторов и стабилизирующих добавок нового поколения на реологические свойства смесей и выбрать модификаторы для обеспечения требуемой растекаемости смесей и проектной прочности бетона.
В данной исследовательской работе для приготовления СУБ использованы добавки, которые в г. Ростове-на-Дону на рынке строительной химии представлены перечисленными ниже фирмами.
1. Sika [7]:
— Sika ViskoCrete 24 HE (VC 24HE) — это третье поколение высокоэффективных суперпластификаторов на основе водной композиции модифицированных эфиров поликарбоксилата, обеспечивающих очень быстрый набор ранней прочности бетона;
— Sika Stabilizer 4R (S.4R) — стабилизирующая добавка на основе крахмала, повышающая стойкость бетонных смесей к расслоению.
2. MC Bauchemie [8]:
— МС Muraplast FK 63 (FK 63) — гиперпластификатор на основе эфиров поликарбоксилатов, обладающий сильным разжижающим действием;
— Centrament Stabi M21 (S.M21) — высокоэффективный стабилизатор на основе комплексной смеси микрозаполнителя и синтетических полимеров, обеспечивающий снижение расслоения и водоотделения бетонных смесей.
3. «БАСФ Строительные системы» [9]:
— MasterGleniumACE430 (MG430) — суперпластификатор на основе эфира поликарбоксилата, обеспечивающий быстрый набор ранней прочности бетона;
— MasterGlenium 115 (MG115) — суперпластифицирующая добавка на основе эфира поликар-боксилата;
— MasterMatrix 100 (MM100) — модификатор вязкости на основе водного раствора высокомолекулярного синтетического полимера.
Бетонные смеси были приготовлены на бездобавочном портландцементе марки ПЦ 500-Д0-Н завода «Пролетарий» и сульфатостойком портландцементе с минеральными добавками класса ЦЕМП-42,5Н-СС Верхнебаканского завода. Основные характеристики цементов представлены в табл. 1.
Основные характеристики цементов
«Пролетарий» Верхнебаканский
Показатели, единица измерения ПЦ 500-Д0-Н ЦЕМП-42,5Н-СС
ГОСТ 10178 ГОСТ 22266
Активность Яц, МПа 51,1 50,0
Истинная плотность рц, г/см3 3,1 3,15
Насыпная плотность рнц, кг/м3 1120 1170
Нормальная густота цементного теста, % 24,75 27,5
Удельная поверхность £уд, см2/г 3520 4015
Минеральная добавка — опока, % - 10,2
Цементы заводов «Пролетарий» и Верхнебаканский выбраны для экспериментов, так как широко используются в Ростовской области и на протяжении многих лет демонстрируют стабильные показатели качества.
Для приготовления СУБ использовались заполнители: песок кварцевый карьера Самарский и щебень дробленый из песчаника карьера ООО «Донской камень» (табл. 2).
Таблица 2
Основные характеристики заполнителей
Показатели, единица измерения Песок кварцевый ГОСТ 8736 Щебень дробленый ГОСТ 8267
Истинная плотность р, г/см3 2,65 2,66
Насыпная плотность рн, кг/м3 1445 1395
Модуль крупности Мк 1,23 —
Пустотность Уп, % 45,5 47,5
Наибольшая крупность НК, мм — 10
Прочность, МПа — 100
Растекаемость самоуплотняющихся смесей определена по диаметру расплыва конуса бетонной смеси по методике ЕЫ 12350.5-2000 [10]. Очищенный и увлажненный конус Абрамса в перевернутом виде устанавливается на гладкий лист и заполняется бетонной смесью, а затем поднимается вертикально вверх (рис. 1).
0100
Рис. 1. Конус Абрамса для определения растекаемости смеси
Расплыв конуса бетонной смеси определяется измерением диаметра расплывшейся лепешки (Др) в двух взаимно перпендикулярных направлениях (рис. 2).
Рис. 2. Определение диаметра расплыва бетонной смеси
Реологическая характеристика бетонных смесей (условная вязкость Т500) установлена в процессе определения растекаемости как время достижения смесью диаметра 500 мм.
Выбор добавок для самоуплотняющихся бетонных смесей. При выборе химических добавок для самоуплотняющихся бетонных смесей главной задачей является определение совместимости добавок с цементом и между собой, если они используются в комплексе [11]. Обычно производители добавок гарантируют их высокую эффективность. Однако в производственных условиях обязательно следует учитывать, каким образом химические модификаторы влияют на свойства бетонных смесей и на физико-механические характеристики затвердевшего бетона.
В исследованиях дозировка добавок для СУБ принималась по рекомендациям производителей и результатам ранее выполненных работ [12].
Для определения эффективности и совместимости добавок марки 81ка с портландцементом марки ПЦ500-Д0 были приготовлены составы, характеристики которых представлены в табл. 3 и 4.
Таблица 3
Показатели конструктивности СУБ с добавками марки 81ка
Состав 3 Расход материала на 1 м смеси, кг Диаметр расплыва, см Вязкость смеси Т500, с В/Ц Средняя плотность смеси, кг/м3 Признаки расслоения
Цемент ПЦ500-Д0 Вода Песок кварцевый Щебень фр. 5-10 мм VC 24КБ Б.4Я
1А 458 224 713 1018 6,8 — 64,0 6 0,49 2420 Есть
2А 442 269 687 982 6,6 2,24 63,0 7 0,61 2390 Нет
ЗА 455 220 708 1011 6,8 — 66,0 4 0,48 2400 Есть
4А 453 219 705 1008 6,8 2,3 43,0 — 0,48 2395 Нет
5А 458 215 712 1018 6,9 — 66,0 5 0,47 2410 Есть
6А 454 213 706 1008 6,8 2,3 42,0 — 0,47 2390 Нет
Физико-механические характеристики СУБ с добавками марки 81ка
Состав Ц/В П/Щ Средняя плотность бетона, кг/м3 Предел прочности при сжатии, МПа, в возрасте, сут. Коэффициент использования цемента Кц
1 7 28
1А 2,04 0,70 2330 25,7 50,2 54,6 8,39
2А 1,64 0,70 2315 8,4 36,3 47,2 9,36
ЗА 2,07 0,70 2375 25,9 60,1 68,0 6,69
4А 2,07 0,70 2370 22,95 52,9 56,6 8,00
5А 2,13 0,70 2385 28,9 68,2 79,2 5,78
6А 2,13 0,70 2375 26,5 66,4 75,5 6,01
В процессе приготовления смесей визуально оценивались признаки расслоения. Установлено, что для обеспечения высокой текучести смесей требуется повышенный расход воды, а это неизбежно приводит к водоотделению (составы 1А, 3А, 5А). Для устранения этого эффекта и повышения сегреционной устойчивости смесей вместе с гиперпластификатором вводился стабилизатор. Добавка 8.4Я на основе крахмала обладает высокой водоудерживающей способностью и повышает стойкость бетонных смесей к расслоению, но увеличивает водопотребность смеси на 20 % при условии получения равноподвижных смесей (состав 2А). При одинаковом водоцементном отношении указанная добавка не обеспечивает требуемой растекаемости (составы 4А и 6А). На рис. 3 представлен характер растекаемости смесей:
— способных к самоуплотнению (состав 2А),
— не обладающих признаками самоуплотнения (составы 4А и 6А).
а)
б)
Рис. 3. Характер расплыва: самоуплотняющихся бетонных смесей (состав 2А) (а); смесей без признаков самоуплотнения (составы 4А и 6А) (б)
О водоредуцирующем эффекте химических модификаторов в бетоне можно судить по коэффициенту использования цемента Кц — удельному расходу цемента на единицу прочности бетона:
Кц = Ц/К28, (1)
где Ц — расход цемента на 1 м бетона, кг; й28 — прочность бетона в проектном возрасте, МПа.
Для СУБ, приготовленных на цементе марки ПЦ500-Д0 с добавками марки 81ка, оптимальным является бетон состава 5А. В этом случае при минимальном расходе цемента обеспечивается требуемая растекаемость смеси и максимальная прочность бетона.
Оценка совместимости добавок марки МС ВаиеИвтгв и сульфатостойкого цемента с минеральными добавками класса ЦЕМП-42,5Н-СС выполнена при исследовании составов, характеристики которых приведены в табл. 5 и 6.
Таблица 5
Показатели конструктивности СУБ с добавками марки МС ВаиеИвтгв
3 Расход материала на 1 м смеси, кг 2 о Средняя плотность смеси, кг/м3
Состав Цемент ЦЕМП-42,5Н-СС Вода Песок кварцевый Щебень фр. 5-10 мм FK 63 S.M21 Диаметр расплыва, с Вязкость смеси Т500, В/Ц Признаки расслоени
1В 418 206 680 1099 6,3 — 58 9 0,49 2410 Нет
2В 413 214 723 1033 6,2 — 48 — 0,52 2390 Нет
3В 408 220 766 970 6,1 — 60 5 0,54 2370 Есть
4В 361 205 722 1084 5,4 1,8 57 4 0,57 2380 Нет
5В 348 234 746 995 5,2 1,8 54 — 0,67 2330 Нет
6В 344 247 787 935 5,1 1,75 60 4 0,72 2320 Нет
Физико-механические характеристики СУБ с добавками марки MC Bauchemie
Состав Ц/В П/Щ Средняя плотность бетона, кг/м3 Предел прочности при сжатии, МПа, в возрасте, сут. Коэффициент использования цемента Кц
1 28
1В 2,03 0,62 2345 17,6 58,7 7,1
2В 1,93 0,70 2365 15,2 52,5 7,9
3В 1,85 0,79 2375 14,1 49,7 8,2
4В 1,76 0,67 2360 14,75 43,1 8,4
5В 1,49 0,75 2330 8,7 33,7 10,3
6В 1,39 0,84 2290 6,6 27,1 12,7
Анализ полученных результатов показывает, что высокой текучести смеси могут достигать за счет повышенного содержания мелкозернистых фракций заполнителя, увеличения расхода воды и дозировки гиперпластификатора. Введение стабилизатора S.M21, приготовленного на основе комплексной смеси микронаполнителя и синтетических полимеров, устраняет водоотделение и снижает вязкость бетонных смесей. Однако при этом повышается водопотребность, что приводит к снижению прочности бетона. В бетоне 1В с наименьшей величиной коэффициента использования цемента Кц рационально соотносятся массы заполнителя и расход цемента и при этом достигаются требуемая растекаемость смеси и высокая прочность бетона.
Совместимость химических добавок марки BASF с бездобавочным цементом ПЦ500-Д0 определена при исследовании бетонных смесей, характеристики которых представлены в табл. 7 и 8.
Таблица 7
Показатели конструктивности СУБ с добавками марки BASF
3 Расход материала на 1 м смеси, кг Диаметр расплыва, см Л т
Состав Цемент ПЦ500-Д0 Вода Песок кварцевый Щебень фр. 5-10 мм MG115 MG430 MM100 Вязкость смеси Т500, с В/Ц Средняя плотнос смеси, кг/м3 Признаки расслоения
1С 505 224 707 960 10,1 — — 55 8 0,44 2405 Есть
2С 489 260 685 929 9,8 — 2,4 55 6 0,53 2375 Нет
3С 513 224 718 975 — 10,3 — 58 7 0,44 2440 Есть
4С 484 257 677 920 — 9,71 2,4 64 3 0,53 2350 Нет
5С 449 221 698 998 — 8,98 — 55 10 0,49 2375 Есть
6С 442 249 687 981 — 8,83 2,24 55 6 0,56 2370 Нет
Физико-механические характеристики СУБ с добавками марки BASF
Состав Ц/В П/Щ Средняя плотность бетона, кг/м3 Предел прочности при сжатии, МПа, в возрасте, сут. Коэффициент Использования цемента Кц
1 7 28
1С 2,25 0,74 2350 5,1 37,8 50,4 10,0
2C 1,88 0,74 2335 2,7 31,5 44,4 11,0
3С 2,29 0,74 2430 7,0 53,2 59,3 8,6
4С 1,88 0,74 2340 2,6 36,4 47,0 10,3
5С 2,03 0,70 2350 8,3 37,45 50,1 9,0
6С 1,78 0,70 2330 6,3 33,4 45,8 9,6
В ходе исследований установлено, что для устранения признаков расслоения и обеспечения высокой однородности смеси требуется использование стабилизатора. Добавка ММ100, являясь модификатором на основе водного раствора высокомолекулярного синтетического полимера, захватывает в свои ячейки большое количество молекул воды и приводит к стабилизации цементно-водной системы. При этом вязкость смесей уменьшается, а водоотделение полностью устраняется. Но в процессе получения равноподвижных смесей стабилизирующая добавка увеличивает водопо-требность бетонных смесей на 13-16 % и приводит к снижению прочности бетона на 10-15 %.
По минимальной величине коэффициента использования цемента Кц можно считать, что оптимальным является бетон состава 3С, обеспечивающий достаточную растекаемость смеси и максимальную прочность бетона.
Заключение. Выполненные исследования показали, что при выборе химических модификаторов для самоуплотняющихся бетонов необходимо проводить исследования по реологической совместимости гиперпластификаторов и стабилизаторов с конкретным цементом, так как разжижающая эффективность добавок весьма чувствительна к химико-минералогическому и вещественному составу вяжущих материалов.
Библиографический список
1. Мозгалев, К. М. Самоуплотняющиеся бетоны: возможности применения и свойства / К. М. Мозгалев, С. Г. Головнев // Академ. вестник УралНИИпроект РААСН. — 2011. — № 4. — С. 70-74.
2. Самоуплотняющиеся бетоны. Реальность и перспективы / С. Н. Ефимов [и др.] // Строительная орбита. — 2013. — № 11. — С. 76-77.
3. Okamura, H. Self-Compacting Concrete / H. Okamura, M. Ouchi // Advanced Concrete Technology. — 2003. — Vol. 1, № 1. — P. 5-15.
4. Модифицированные бетоны нового поколения в сооружениях ММДЦ «Москва-сити» / С. С. Каприелов [и др.] // Строительные материалы. — 2006. — № 10. — С. 13-17.
5. Модифицированные высокопрочные бетоны классов В80 и В90 в монолитных конструкциях. Часть II / С. С. Каприелов [и др.] // Строительные материалы. — 2008. — № 3. — С. 9-13.
6. Несветаев, Г. В. Технология самоуплотняющихся бетонов / Г. В. Несветаев // Строительные материалы. — 2008. — № 3. — С. 24-28.
7. Добавки для бетона. Промышленные полимерные полы. Sika [Электронный ресурс] /Di-Trade. — Режим доступа: http://www.ditrade-ltd.ru/sika2.html (дата обращения: 14.04.17).
8. Продукция MC-BAUCHEMIE [Электронный ресурс] /Эм-Си Баухеми. — Режим доступа: http://www.mc-bauchemie.ru/products/overview (дата обращения: 14.04.17).
9. BASF. Продукция [Электронный ресурс] / БАСФ Строительные системы. — Режим доступа: https://www.master-builders-solutions.basf.ru/ru-cis (дата обращения: 14.04.17).
10. ЕН 12350-5:2000. Испытание бетонной смеси. Часть 5: Испытание на расплыв / British Standards Institution. — 2000. — 8 с.
11. Ушеров-Маршак, А. В. Совместимость — тема бетоноведения и ресурс технологии бетона / А. В. Ушеров-Маршак, М. Циак // Строительные материалы. — 2009. — № 10. — С. 12-15.
12. Несветаев, Г. В. Некоторые вопросы применения добавок для бетонов / Г. В. Несветаев // Бетон и железобетон. — 2011. — № 2. — С. 78-80.
