Changing the Technological Properties and Strength Characteristics of Highly Mobile Concrete by Introducing a Complex Modifier

Full Text

В настоящее время для производства бетонных работ возрождается интерес к применению высокоподвижных и литых смесей [1, 2], высокая подвижность которых раньше достигалась введением повышенного количества воды и цемента. Такие составы не нашли применения из-за высокой расслаиваемости бетонной смеси и, как следствие, низкого качества и неоднородности получаемых бетонов.

За счет возможности получения бетона, не требующего уплотнения, отмечается эффективность применения высокоподвижных цементных смесей при производстве бетонных работ как при монолитном строительстве, так и в заводских условиях изготовления железобетонных изделий при сборном домостроении. Трудоемкость укладки литой бетонной смеси можно снизить в 3–4 раза. Кроме того, возможно дополнительно снизить стоимость бетонных работ путем улучшения перекачки бетонной смеси бетононасосами и снижения износа оборудования для ее приготовления [3–6]. Эффективность высокоподвижных бетонных смесей достигается возникновением эффекта смазки при введении в смесь суперпластификаторов. Длинные полимерные молекулы водорастворимых смол обволакивают частицы цемента, при этом резко снижается трение в цементном тесте и бетонная смесь приобретает высокую подвижность. Вместе с тем наличие в водоцементной системе длинных цепей полимерных молекул предупреждает расслоение бетонной смеси, предотвращает в высокоподвижных смесях отделение цементного молока [7–10].

Применение литых бетонов требует применения дорогостоящих суперпластификаторов на основе поликарбоксилатов, использования заполнителей с оптимальным гранулометрическим составом, введения тонкодисперсных наполнителей [11, 12] и управления реологией цементной системы. Модифицирование бетонных смесей добавками, являясь эффективным приемом направленного регулирования реологии и структурообразования бетона, успешно применяется в технологии монолитного и сборного строительства при производстве железобетонных конструкций с высокими требованиями по долговечности [14–16].

Высокий водоредуцирующий эффект суперпластикаторов позволяет в условиях монолитного строительства и производства сборного железобетона получить разные в зависимости от практических требований эффекты [17]:

1. Снижение интенсивности и продолжительности уплотнения или отказ от вибрирования.
2. Улучшение заполнения формы даже в густо- армированных конструкциях.
3. Достижение лучшего обволакивания арматуры и увеличение адгезии с ней.
4. Повышение способности к перекачиванию.
5. Ускорение бетонных работ и, как следствие, экономия затрат.

Несомненный интерес для практического использования представляют добавки полифункционального действия, позволяющие одновременно регулировать свойства бетонных смесей и затвердевшего бетона. При этом фазовый состав и структура кристаллогидратов в гидратированном вяжущем и искусственном композите отличаются несущественно [18–21]. Применение тонкодисперсных минеральных добавок может не только снизить расслаиваемость литых бетонных смесей, но и повысить прочность искусственных композитов путем упрочнения матрицы гидратированного минерального вяжущего.

Известно, что добавки-суперпластификаторы замедляют процесс схватывания цементных систем. Одним из вариантов ускорения гидратации цемента и, как следствие, сокращения сроков образования кристаллогидратов может являться применение добавки на основе гидратированного цемента. Безводные минералы клинкера при реакции с водой превращаются в кристаллогидраты, которые образуются одновременно или последовательно (в зависимости от активности исходного клинкерного минерала), заполняют свободное пространство в цементной матрице и связываются с уже имеющимся каркасом путем срастания различных конгломератов друг с другом, а гелеобразные продукты гидратации уплотняют его [18].

Для производства как сборного железобетона, так и при монолитном строительстве из литых бетонных смесей актуальность добавок, ускоряющих процесс схватывания и твердения, особенно на начальном этапе, цементных материалов является первостепенной задачей.

В связи с этим целью работы явилось изучение влияния количества добавок суперпластификатора и ускорителя на свойства цементного теста, бетонной смеси и прочностные показатели бетона.

Материалы

В качестве вяжущего вещества в работе приме- няется портландцемент типа ЦЕМ I класса по прочности 42,5 быстротвердеющий производства ООО «Сухоложскцемент». Его характеристики приведены в табл. 1. В качестве крупного заполнителя применялся известняковый щебень Шипуновского месторождения (Новосибирская область, г. Искитим) фракции 5–10 мм. Характеристика щебня приведена в табл. 2.

 

Таблица 1

Table 1

Технические характеристики портландцемента

Technical characteristics of Portland cement

Показатель	Требуемое значение	Фактическое значение
Химический состав
Содержание, %
Минеральные добавки	От 0 до 5	5
SiO2	Не нормируется	22
AL2O3	Не нормируется	5,4
Fe2O3	Не нормируется	3,4
CaO	Не нормируется	59,5
MgO	Не более 5	3,3
Na2O+0,658K2O	Не нормируется	0,77
Нерастворимый остаток	Не более 5	4
SO3	Не более 4	3,7
Cl	Не более 0,1	0,01
ППП	Не более 5	1,31
Физические характеристики
Тонкость помола (остаток на сите № 008), %	Не нормируется	1
Удельная поверхность, м2/кг	Не нормируется	406
Сроки схватывания: начало, мин конец, мин	Не ранее 60 Не нормируется	133 219
Равномерность изменения объема (расширение), мм	Не более 10	0,67
Нормальная густота, %	Не нормируется	28,8
Предел прочности по ГОСТ 30744–2001
При изгибе: в возрасте 2 сут, МПа в возрасте 28 сут, МПа	Не нормируется Не нормируется	5,1 9,3
При сжатии: в возрасте 2 сут, МПа в возрасте 28 сут, МПа	Не менее 20 От 42,5 до 62,5	27,3 57,2

 

Таблица 2

Table 2

Технические характеристики щебня

Technical characteristics of crushed stone

Показатель	Требуемое значение	Фактическое значение
Содержание зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой формы, %	0–50	12,9
Содержание пылевидных и глинистых частиц, %	0–2	1
Содержание глины в комках, %	0–0,25	0
Содержание зерен слабых пород, %	0–5	2
Марка по дробимости	200–1200	1000
Марка по морозостойкости	15–400	200
Насыпная плотность, кг/м3	Не нормируется	1370
Истинная плотность, кг/м3	2500–3000	2690

 

В качестве мелкого заполнителя применялся кварцевый песок ООО «Старица» (Новосибирская область, п. Приобский). Характеристики песка приведены в табл. 3.

 

Таблица 3

Table 3

Технические характеристики песка

Technical characteristics of sand

Показатель	Значение
Класс песка	I
Модуль крупности	2,21
Содержание пылевидных и глинистых частиц, %	1,5
Содержание глины в комках, %	0
Насыпная плотность, кг/м3	1550

 

В качестве добавок вводилась добавка – нанодисперсный гидратированный цемент с размером час- тиц 100–200 нм и суперпластификатор «Реламикс-ПК» на основе полиоксиэтиленовых производных поликарбоновых кислот и полиэтиленгликоля.

Исследуемая бетонная смесь имела следующий состав: цемент – 430 кг; щебень – 1050 кг; песок – 730 кг; водоцементное отношение – 0,53.

Сроки схватывания определялись на цементном тесте нормальной густоты с помощью прибора Вика.

Свойства бетонной смеси устанавливались по ГОСТ 10181–2014. Прочность при сжатии бетона определялась путем испытания кубов размером 100100100 мм, твердевших в нормальных условиях в течение 1; 3; 7 и 28 сут.

Результаты и обсуждение

На начальном этапе изучалось влияние добавки суперпластификатора (СП), вводившегося в количестве 0,6; 0,7 и 0,8 мас. % от портландцемента (ПЦ) на сроки схватывания цемента. Результаты по влиянию «Реламикс-ПК» на сроки схватывания приведены в табл. 4.

 

Таблица 4

Table 4

Влияние добавки «Реламикс-ПК» на сроки схватывания цементного теста

The influence of the «Relamix-PK» additive on the setting time of cement paste

Количество добавки, мас. % от портландцемента	Сроки схватывания, мин
	начало	конец
0	133	219
0,6	158	235
0,7	171	251
0,8	190	263

 

Анализ результатов показал, что процесс схватывания цементного теста с добавкой суперпластификатора замедляется. При этом начало схватывания замедляется на 57 мин, конец – на 44 мин.

Далее проводилось исследование влияния суперпластификатора на свойства бетонной смеси и тяжелого бетона. Результаты испытаний представлены в табл. 5, 6.

 

Таблица 5

Table 5

Влияние добавки суперпластификатора на свойства бетонной смеси

The effect of adding a superplasticizer on the properties of a concrete mixture

СП, мас. % от ПЦ	Водоцементное отношение	Подвижность смеси (осадка (ОК) или расплыв конуса (РК), см, через			Водоотделение, %	Растворо- отделение, %
		5 мин	30 мин	60 мин
0	0,53	ОК=21	14	10	1,6	4,5
0,6	0,35	РК=48	43	40	0,7	3
0,7	0,35	РК=57	54	41	0,9	3,2
0,8	0,35	РК=69	67	63	1,1	3,9

 

Таблица 6

Table 6

Влияние добавки суперпластификатора на свойства бетона

Effect of superplasticizer addition on concrete properties

СП, мас. % от ПЦ	Прочность бетона при сжатии, МПа, через
	1 сут	3 сут	28 сут
0	15,6	27,6	40,2
0,6	37,3	46,1	58,9
0,7	42,1	55,3	67,4
0,8	45,2	61,1	72,2

 

При анализе полученных данных видно, что исследуемый пластификатор обладает повышенной водоредуцирующей способностью. С повышением дозировки добавки пластификатора происходит повышение подвижности бетонной смеси и рост прочности бетона. Наибольшая подвижность, соответствующая марке Р6 (расплыв конуса – 69 см) бетонной смеси, получена при добавлении 0,8% пласти- фикатора. Однако данная бетонная смесь облада- ет значительной расслаиваемостью: водоотделение – 1,1%; раствороотделение – 3,9%.

При добавлении исследуемого пластификатора увеличивается прочность бетона при сжатии как на начальном этапе твердения (до 3 раз), так и в марочном возрасте (в 1,8 раза). Необходимо отметить, что наилучшие результаты по прочности при сжатии получены при введении суперпластификатора в количестве 0,8 мас. %.

Для сокращения сроков схватывания, снижения расслаиваемости и дальнейшего увеличения прочности при сжатии дополнительно вводилась добавка гидратированного цемента в количестве 1; 2 и 3% от массы портландцемента.

При этом сначала изучалось влияние добавки на водопотребность цемента. Тесто нормальной густоты получено при водоцементном отношении 0,29. Результаты по влиянию исследуемой добавки на сроки схватывания приведены в табл. 7.

 

Таблица 7

Table 7

Влияние добавки гидратированного цемента на сроки схватывания цементного теста

The influence of the addition of hydrated cement on the setting time of cement paste

Количество добавки, мас. % от портландцемента	Сроки схватывания, мин
	начало	конец
0	133	219
1	79	148
2	42	96
3	50	110

 

Анализ результатов показал, что начало схватывания цементного теста с добавкой в три раза, а конец схватывания в два раза быстрее по сравнению с бездобавочным составом. Таким образом, можно констатировать, что добавка на основе гидратированного цемента существенно ускоряет процесс схватывания цементного теста.

Экспериментальные данные по влиянию количества комплексного модификатора, состоящего из 0,8% пластификатора и 1–3% гидратированного цемента, на свойства бетонной смеси приведены в табл. 8, прочность при сжатии тяжелого бетона – в табл. 9.

 

Таблица 8

Table 8

Влияние комплексного модификатора на свойства бетонной смеси

The influence of a complex modifier on the properties of a concrete mixture

Количество СП, мас. % от ПЦ	Количество добавки гидратированного цемента, мас. % от ПЦ	Водоцементное отношение	Подвижность смеси (осадка (ОК) или расплыв конуса (РК)), см	Водоотделение, %	Раствороотделение, %
0	0	0,53	ОК=21	1	4,2
0,8	1	0,35	РК=48	0,3	1,9
0,8	2	0,35	РК=56	0,4	1,1
0,8	3	0,35	РК=68	0,6	1,7

 

Таблица 9

Table 9

Влияние комплексного модификатора на свойства бетона

The influence of a complex modifier on the properties of concrete

Количество пластификатора, % от ПЦ	Количество добавки гидратированного цемента, % от ПЦ	Прочность бетона при сжатии, МПа, через
		1 сут	3 сут	28 сут
0	0	15,6	27,6	40,2
0,8	1	48,5	66,2	67,9
0,8	2	55,3	71,3	83,2
0,8	3	49,7	64,4	79,5

 

Из данных табл. 8 можно заключить, что дополнительное введение к пластификатору добавки гид- ратированного цемента на подвижность бетонной смеси существенного влияния не оказало. Однако при этом значительно снизилась расслаиваемость бетонной смеси: водоотделение не превышает 0,6%, раствороотделение – 1,7%.

Анализ результатов табл. 9 показал существенное ускорение твердения в начальные сроки твердения бетона. Так, по отношению к бездобавочному составу прочность бетона, твердевшего 1 сут в нормальных условиях, увеличилась в 3,5 раза, 3 сут – в 2,5 раза, 28 сут – в два раза. Наибольший упрочняющий эффект получен при добавлении комплексного модификатора, состоящего из 0,8% пластификатора и 2% гидратированного цемента. При этом необходимо констатировать, что при введении добавки гидратированного цемента процесс твердения сильнее ускоряется в начальные сроки набора прочности.

Заключение

Введение комплексного модификатора, включающего 0,8 мас. % пластификатора и 2 мас. % добавки, состоящей из гидратных новообразований, ускоряет процесс схватывания цементного теста в 2,2–3 раза. Прочность при сжатии тяжелого бетона с добавкой в начальный период твердения (1 сут) в 3,5 раза выше, чем у состава без добавки.

Данный ускоряющий эффект при введении комплексного модификатора объясняется высокой водо- редуцирующей способностью пластификатора, а тонкодисперсный гидратированный цемент, в свою очередь, обладает химическим сродством с клинкерными минералами, является центрами кристаллизации и обеспечивает ускорение процесса гидратации и формирование высокой прочности для цементных система.

About the authors

L. V. Ilina

Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering

Author for correspondence.
Email: nsklika@mail.ru

Doctor of Sciences (Engineering), Professor, Advisor to the RAASN

Russian Federation, Novosibirsk

G. I. Berdov

Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering

Email: stf@sibstrin.ru

of Sciences (Engineering), Professor

Russian Federation, Novosibirsk

N. S. Vishnyakov

Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering

Email: vischniackov.nikita@yandex.ru

Graduate Student

Russian Federation, Novosibirsk

D. A. Tsekar

Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering

Email: tsekden@gmail.com

Graduate Student

Russian Federation, Novosibirsk

References

Supplementary files