Влияние вида и дозировки суперпластификатора на реотехнологические свойства цементных суспензий, бетонных смесей и порошково-активированных бетонов

РЕФЕРАТ. В работе изучено влияние вида и дозировки суперплас­тификатора на реотехнологические свойства цементных сус­пензий и бетонных смесей. Установлено, что при дозировке суперпластификатора в количестве 0,5 % невозможно получить высокопластичные и саморастекающиеся бетонные смеси и достигнуть повышенной прочности бетонов.

Ключевые слова: водоредуцирующий эффект, реотехнологические свойства, порошково-активированный бетон, самоуплотняющийся бетон, прочность.

Keywords: water-reducing effect, reotechnological properties, powder-activated concrete, self-compacting concrete, strength.

Разработка эфиров поликарбоксилатов очень тесно связана с самоуплотняющимися бетонами. В начале 1980-х годов в Японии был заявлен первый патент на эту группу веществ и их использование в качестве суперпластификаторов (СП) для бетона. В середине 1980-х годов там же приступили к реа­лизации первых проектов с использованием эфиров поликарбоксилатов и самоуплотняющегося бетона. Наиболее известными объектами являются, прежде всего, мост в Токио и центральные высотные здания в этом городе (Tokio Central Towers). Прошло еще около 10 лет, прежде чем эти продукты в середине 1990-х появились в Европе. Начиная с этого времени процесс пошел очень быстро: разработки новых продуктов обеспечили на рынке доступ к эфирам поликарбоксилатов и их использованию в качестве добавок к бетону.

В течение последнего десятилетия СП на базе поликарбоксилатов стали примером успешного внедрения новой технологии в производстве бетонов. Начав свой путь в производстве самоуплотняющихся бетонов, они постепенно проникли и в область сборного железобетона. Шаг за шагом эти добавки стали активно применяться производителями товарного бетона.

Рынок производителей добавок на основе поликарбоксилатов за последние 10 лет в Европе и России значительно вырос. Добавки данной группы выпускаются как в сухом, так и жидком виде. К сожалению, в России они выпускаются только в жидком виде, что существенно сужает область их применения, т. е. невозможно использовать их для производства сухих строительных смесей или для домола товарных цементов с сухим СП. К тому же многие отечественные производители не указывают концентрацию добавок; у некоторых добавок она составляет 170—300 г/л, т. е. потребитель платит за воду. При этом в технических условиях на добавки указывается ее заниженная дозировка, например в пределах 1 % по жидкому веществу от массы цемента, а в пересчете на сухое вещество дозировка составит 0,20—0,35 %, что является недостаточным для получения бетонов не только с подвижностью П5, но и с более низкой.

В порошково-активированных бетонах нового поколения марок М 200—М 600, разработанных на кафедре технологии бетонов, керамики и вяжущих Пензенского государственного университета архитектуры и строительства (ПГУАС), используется принципиально новая рецептура, ориентированная на повышение эффективности действия СП в бетонах. Рецептура изменена как в бетонах обычных марок (М 200—М600) [1], так и в известных высоко- и особовысокопрочных (М 800—М 1200) [2]. Основой достижения высокой прочности является рациональная реология бетонных смесей с СП, в которых реологическая матрица — не просто дисперс­ная цементно-водная система, а смешанная цементно-водная с высоким количеством дополнительно введенных дисперсных минеральных добавок и очень тонкозернистого песка. Под термином «бетоны нового поколения» следует понимать материалы высокой плотности с новой рецептурой и новым структурно-топологическим строением, которые обеспечивают низкий удельный расход цемента на единицу прочности — не более 4—5 кг/МПа для щебеночных бетонов и не более 5—7 кг/МПа для песчаных [3].

Основой пластифицированных бетонных смесей нового поколения является высокая разжижающая способность СП в водных дисперсно-тонкозернистых матрицах. Исследования реотехнологических свойств таких матриц является чрезвычайно актуальным.

Задача исследования на первом этапе заключалась в определении влияния вида и количества СП на растекаемость цемент­ных суспензий. В ходе эксперимента использовались портландцемент Краснояр­ского цементного завода М 500-Д0 и 10 видов СП на поликарбоксилатной основе различных отечественных и зарубежных производителей. Содержание СП варьировалось от 0,2 до 0,9 % массы цемента в пересчете на сухое вещество. Использование очень низких дозировок СП в количестве 0,2 % массы цемента на сухое вещество связано с тем, что во многих рекламных проспектах и в научных статьях низкие дозировки СП в диапазоне 0,04—0,20 % считаются эффективными и для реологии, и для экономики производ­ства бетонов. Ошибочным в таких публикациях является то, что реологическое действие проверяется на цементах (или в лучшем случае на «жирных» цементно-песчаных растворах), а результаты переносятся на бетонные смеси [4, 5]. Перемешивание цементных смесей осуществлялось миксером при скорости вращения 300—600 об./мин. Важно было оценить не только текучесть сус­пензии, но и сохраняемость ее во времени, т. е. жизнеспособность. Текучесть цемент­ных суспензий определялась по диаметру расплыва из конуса Хегерманна (конус от встряхивающего столика по ГОСТ 310.4—81). Конус Хегерманна при помощи воронки заполнялся суспензией. Затем он медленно вертикально поднимался таким образом, чтобы содержимое могло равномерно вытечь на стеклянное основание. Смесь равномерно растекалась по основанию без встряхивания. После растекания штангенциркулем измерялся диаметр расплыва. Затем смесь заливалась обратно в чашу для перемешивания и после него через установленный промежуток времени 15—45 мин повторно заливалась в конус для определения расплыва. Нормированный расплыв пластифицированных суспензий из конуса был принят в диапазоне 240—370 мм, что соответствовало относительной текучести Г, равной 4,76—12,7. Относительную текучесть Г по истечению смеси из конуса Хегерманна (по методике немецкой фирмы Testing) определяли по формуле:

Г = (Д_Р/Д_К)² — 1,

где Д_Р и Д_К — диаметры расплыва и нижнего основания конуса (100 мм) соответственно. 

Оценка эффективности действия пластификаторов осуществлялась по сохраняемости текучести пластифицированной суспензии во времени и по водоредуцирующему эффекту, рассчитанному по формуле:

В_ЭФ = (В/Ц)_Н / (В/Ц)_П,

где (В/Ц)_Н и (В/Ц)_П — водоцементное отношение непластифицированной и пластифицированной суспензий соответственно.

Результаты экспериментов представлены в табл. 1. Как видно из представленных данных, СП Melflux, вводимый в количестве 0,9 % массы цемента, показал очень высокий водоредуцирующий эффект, равный 2,89. Расплыв из конуса Хегерманна, определенный через 30 мин после первого измерения, уменьшился всего на 8,7 %. При уменьшении количества добавки до 0,2 % водоредуцирующий эффект понизился до 2,08, а диаметр расплыва суспензии через 15 мин уменьшился в 2,03 раза и составил 153 мм. Применение отечественного пластификатора Хидетал-ГП 9γ, производимого компанией СКТ «Стандарт», взятого в количестве 0,9 %, позволило получить высокий водоредуцирующий эффект.

У смесей с добавками Хидетал-ГП 9γ (935) и Хидетал-ГП 9β при дозировке 0,9 % диаметр расплыва из конуса Хегерманна через 15 и 30 мин после первого измерения увеличился. У цементной суспензии с добавкой Хидетал-ГП 9α, взятой в том же количестве, через 15 мин наблюдалась полная потеря текучести. Введение добавок серии Хидетал в количестве 0,2 % значительно снижает водоредуцирующий эффект, что свидетельствует о невозможности их использования при малых дозировках.

При использовании добавки Sika ViscoCrete-20GOLD в количестве 0,2 % пришлось повысить В/Ц с 0,185 до 0,260 по сравнению с суспензией с 0,9 % СП для получения одинакового расплыва. Даже после выдержки суспензий в течение 45 мин текучесть не изменилась. Вероятно, это было связано с большим избытком воды, равным 40 %, по сравнению с суспензией, в которой содержание СП составляло 0,9 %. Подобный эффект при избытке воды наблюдался и на отечественной добавке Бетон Пласт 02 Гипер, производимой компанией «САМХИМИ».

Согласно литературным данным, в зависимости от условий синтеза получают поликарбоксилаты с различными длинами боковых полиэфирных цепочек и с различным значением дзета-потенциала. Это позволяет создавать материалы с разными соотношениями стерических эффектов и анионной активности. Уменьшение пластифицирующего и замедляющего эффектов, характерных для поликарбоксилатов, связывают с изменением соотношения длин основной и боковых цепей [6].

В ходе экспериментов на втором этапе было изучено влияние вида и дозировки СП на реотехнологические и физико-механические свойства реакционно-порошковых и малоцементных порошково-активированных щебеночных бетонов.

В качестве компонентов порошково-активированного бетона использовались цемент Жигулевский М500 Д0, микрокварц с размером зерен не более 30 мкм (S_уд = 3130 см²/г), песок нижегородский фракции 0—1,25 мм, микрокремнезем (МК) новокузнецкий высокодисперсный (S_уд = 5500 м²/кг по прибору ПСХ), суперпластификатор FRAME GIPER S в количестве 0,9 % от массы цемента (в пересчете на сухое вещество) в составе РПБ-132 и 0,5 % — в РПБ-133. Отметим, что СП обладает значительным замедляющим твердение бетона эффектом при дозировках 0,8—0,9 %. Консистенцию смесей определяли по расплыву из конуса Хегерманна. Состав и свойства бетона приведены в табл. 2.

Для определения действия малых добавок СП в бетонах к испытаниям был принят малоцементный порошково-активированный щебеночный бетон (ПАЩБ) с расходом красноярского портландцемента ПЦ 500 Д0, равным 140 кг на 1 м³ бетона. Использовались микрокварц с удельной поверхностью S_уд = 2600 см²/г, МК новокузнецкий в количестве 7 % от массы цемента.

Использовались также фракционированные заполнители и наполнители. Тонкий песок фракции 0,16—0,63 мм был получен отсевом из крупного гравийного песка фракций 0,16—0,315 мм и 0,315—0,63 мм. Эти фракции были совмещены в соотношении: 0,160—0,315 мм — 25 % и 0,315—0,63 — 75 %.

Остаток между ситами 0,63—5,0 мм также был фракционирован на три фракции, которые были объединены в соотношениях: 0,63—1,25 мм — 22 %; 1,25—2,5 мм — 16 % и 2,5—5,0 мм — 62 %. В результате такого смешивания был получен практически крупный песок с модулем крупности М_к = 2,4 с высокой насыпной плотностью в уплотненном состоянии, с пониженной пустотностью, равной 34 %.

Щебень, дробленный из гравия, также был приготовлен путем смешения трех фракций: 10—15 мм — 50 %; 8—10 мм — 30 %; 5—8 мм — 20 %.

Таким образом, для изготовления бетонов использовались качественные наполнители и заполнители. Процедура изготовления реакционно-порошковых бетонов была следующей: в воду затворения с растворенным СП добавляли при перемешивании однородно смешанные цемент, МК и микрокварц, а затем тонкий песок. Для порошково-активированного щебеночного бетона в суспензию цемента, микрокварца и МК при интенсивном перемешивании высыпали последовательно тонкий песок, песок-заполнитель и щебень.

В контрольном составе ПАЩБ-43 использовался самый эффективный суперпластификатор Melflux 5581F с максимальной дозировкой 0,9 % массы цемента. ПАЩБ-44 имел аналогичный состав, но с уменьшением расхода суперпластификатора до 0,5 % массы цемента. Состав смесей и прочностные показатели представлены в табл. 2.

Как видно из представленных данных, порошково-активированная бетонная смесь состава РПБ-132 имела самопроизвольный расплыв из конуса Хегерманна 32,5 см, а смесь аналогичного состава с пониженным содержанием СП из саморастекающейся превратилась в малопластичную с диаметром расплыва конуса на встряхивающем столике 22,5 см. Понижение количества СП привело к повышению удельного расхода цемента на единицу прочности на 23,8 %. Прочность бетона РПБ-132 после 28 сут нормального твердения составила 118 МПа, а у РПБ-133 — 93,2 МПа.

Если обратиться к кинетическим показателям набора прочности бетонов РПБ-132 и РПБ-133, то заметим, что в первые сутки проч­ность последнего значительно выше, однако уже на седьмые сутки твердения проч­ность бетона с 0,9 % СП на 23,5 % становится выше, чем у бетона с пониженной дозировкой СП.

Бетонная смесь ПАЩБ-43 получилась высокопластичной, полулитой с осадкой конуса ОК = 24 см и приближалась к марке по самоуплотняемости SF-1 (по американскому стандарту), а смесь ПАЩБ-44 с пониженным содержанием СП была малопластичной (П1) с ОК = 4 см.

Хотя конечные значения прочности бетонов близки (22,4 и 21,3 МПа), кинетика нарастания прочности бетона ПАЩБ-43 с добавкой 0,9 % Melflux более интенсивна: через 1 сут его прочность равнялась 6,4 МПа, а ПАЩБ-44 — 5,3 МПа; через 7 сут — 19,2 и 15,3 МПа соответственно.

Таким образом, в ходе экспериментов установлено, что для получения бетонов нового поколения, т. е. с низким удельным расходом цемента на единицу прочности, в том числе самоуплотняющихся, необходимо применять самые эффективные СП при их дозировках в бетоне не ниже 0,7 % массы цемента в пересчете на сухое вещество. Это обусловлено также тем, что при дозировке СП, равной 0,5 %, невозможно получить высокопластичные и саморастекающиеся бетонные смеси. Утверждение о возможности получения самоуплотняющихся бетонных смесей при дозировках СП в количестве 0,2—0,3 % массы цемента [5] неправомочно. Действие низких дозировок СП необходимо оценивать в бетонах, а не на цементных сус­пензиях с малыми дозировками СП, перенося результаты пластифицирования на бетонные смеси.

ЛИТЕРАТУРА

1. Калашников В.И., Кузнецов Ю.С., Хвастунов В.Л., Мороз М.Н., Ананьев С.В. Водоредуцирующее действие суперпластификаторов и гиперпластификаторов в суспензиях микрокремнезема и цементно-минеральных смесей // Материалы XV Академических чтений РААСН МНТК «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии». Т. 1. Казань, 2010. С. 225—230.

2. Калашников В.И. Через рациональную реологию — в будущее бетонов // Технологии бетонов. 2007. № 5. С. 8—10; 2007. № 6. С. 8—11; 2008. № 1. С. 22—26.

3. Калашников В.И. Терминология науки о бетоне нового поколения // Строительные материалы. 2011. № 3. С. 103—105.

4. Захаров С.А. Оптимизация составов бетонов высокоэффективными поликабоксилатными пластификаторами // Строи­тельные материалы. 2008. № 3. С.42—43.

5. Нецветаев Г.В., Давидюк А.Н. Гиперпластификаторы Melflux для сухих строительных смесей и бетонов // Строительные материалы. 2010. № 3. С. 38—40.

6. Пустовгар А.П., Бурьянов А.Ф., Василик П.Г. Особенности применения гиперпластификаторов в сухих строительных смесях // Строительные материалы. 2010. № 12. С. 61—64.