Компенсация усадочных деформаций мелкозернистых бетонов для монолитных вибронагруженных конструкций

РЕФЕРАТ. Исследован эффект снижения деформаций усадки цементных составов при вводе в их состав добавок — ​модификаторов поверхностного натяжения. Установлено, что в этом качестве целесообразно применять добавки на основе эфиров этиленгликоля. Их эффективность обеспечивается при снижении поверхностного натяжения растворов затворения на 40—45 %. Совместимость добавок с цементом, определенная методом полуадиабатической калориметрии, указывает на несущественное влияние бутилцеллозольва на кинетику тепловыделения гидратирующейся системы в сравнении с пластификатором.

Ключевые слова: конструкционные бетоны, цементные смеси, деформация усадки, поверхностное натяжение, калориметрия, совмес­тимость добавок.

Keywords: structural concrete, cement mixtures, shrinkage deformation, surface tension, calorimetry, additive compatibility.

Введение

Рост требований к промышленным объек­там и обрабатывающему оборудованию диктует потребность внедрения в существующие конструктивные решения нетиповых элементов и деталей, эффективно работающих в условиях вибрационной нагрузки [1]. В этой связи определенный интерес представляют исследования, направленные на поиск технологических решений в области высокопрочных цементных смесей с целью найти адекватную замену черных сплавов в конструкциях станков и промышленного оборудования. За рубежом реализованы крупные исследовательские программы по созданию специа­лизированных литьевых неметаллических композитов: цементно-минеральных смесей Nanodur (DURCRETE), Epuram (EPUCRET), Mineralit (EMAG); полимербетонов — ​NMT (Basaldur), Baerlit (IZM Polycast); Duropol (MAP-Prinzing) [2—4]. Результаты опубликованных исследований [5—7] показывают, что благодаря повышенной демпфирующей способности высокопрочного бетона замена металлов на этот материал в конструкциях оборудования позволяет снизить амплитуды колебаний при резонансе и исключить отдельные области резонансных частот в высокочастотном диапазоне [5, 7, 8].

Ввиду особенностей структурообразования цементных композиций отсутствие значимых усадочных деформаций литьевых составов на их основе относится к важному и труднодостижимому условию, при котором обеспечивается долговременная размерная стабильность несущего каркаса промышленного оборудования. В настоящее время проблема усадки специализированных цементно-минеральных композитов в ходе набора прочности решается путем долговременной стабилизации отлитых элементов с последующими калиброванием и сборкой, температурно-влажностной обработкой при повышенных давлениях и введением добавок — ​компенсаторов собственных деформаций. Очевидно, последний вариант наиболее перспективен для промышленности, поскольку позволяет ускорить изготовление монолитных конструкций и улучшить технологические характеристики этого процесса.

Исследования направлены на поиск рецептурно-технологических решений, нацеленных на снижение усадочных деформаций само­уплотняемых цементно-минеральных составов, применяющихся для изготовления силовых конструкций станков и оборудования.

В связи с тем что непосредственно в бетоне невозможно сформировать функциональную резьбу, силовые конструкции нуждаются в специальных закладных деталях, снабженных резьбовыми отверстиями. На рис. 1 приведены прототипы бетонных станин с различными вариантами исполнения закладных элементов.

Рис. 1. Варианты исполнения закладных элементов в станинах производственного оборудования: а — ​вклеиваемые анкеры: 1, 2 — ​станина из габбро [2], 3 — ​бетонная станина лабораторной установки [9]; б — ​закладные детали-пластины в станинах из высокопрочного бетона: 4 — ​[6], 5 — ​[3], 6 — ​[10]; в — ​закладные анкеры c резьбовым отверстием: 7 — ​станины лабораторного испытательного комплекса [9], 8 — ​виды анкеров для высокопрочного бетона [11], 9 — ​поверхность станины под направляющую [4]

Достаточно широко применяемый на прак­тике вариант устройства станин из природного камня предусматривает вклеивание анкеров. Помимо очевидной нетехнологичности данному решению присущи следующие недостатки: повышенная усадка при значительной толщине полимерного клеящего состава, а также снижение контактной жесткости в узле. Потенциально вариант винтового соединения, включающий в себя использование типовых анкеров с резьбовым отверстием, более перспективен. В этом случае на первый план выходят минимизация деформаций усадки отлитых изделий и предотвращение критического изменения взаимного расположения анкеров.

Один из механизмов снижения усадки бетона основан на введении в его состав химических добавок, снижающих поверхностное натяжение. Связь влажностной усадки бетона со значением поверхностного натяжения в растворах затворения показана в ряде отечественных и зарубежных исследований [12—15]. Эффект заключается в уменьшении перепада капиллярного давления в микро- и наноразмерных порах цементного камня при испарении влаги из бетона [16]. Зависимость между капиллярным давлением P_к и поверхностным натяжением имеет следующий вид [12]:

где σ — ​поверхностное натяжение на границе жидкость—​газ, θ — ​угол смачивания, r_к — ​радиус капилляра.

Таким образом, регулирование поверхностного натяжения через изменение капиллярного давления влияет на усадку цементного материала. Как показали предварительные экс­перименты, наиболее подходящими для этой цели являются спирты и моноалкиловые эфиры этиленгликоля — ​целлозольвы. В табл. 1 приведены примеры подобных соединений.

Материалы и методы

При проведении экспериментов использовались следующие сырьевые материалы:

• портландцемент ЦЕМ 0 52,5Н производства ООО «Азия Цемент» (РФ) следующего минералогического состава, % масс.: C₃S — ​67,2; C₂S — ​12,0; С₄AF — ​11,9; С₃A — ​6,7 (ГОСТ 31108—2020);

• микрокремнезем МК‑85 неуплотненный с удельной площадью поверхности S_уд = 21 000 м²/кг производства ПАО «НЛМК» (РФ) (ГОСТ Р 58894—2020);

• песок кварцевый Сурского месторождения (Пензенская обл.) с модулем крупности М_к = 1,4 (ГОСТ 8736—2014);

• песок кварцевый Песчанковского месторождения (Саратовская обл.) с М_к = 2,33 (ГОСТ 8736—2014);

• молотый песок Сурского месторождения с S_уд = 450...500 м²/кг;

• кварцевая мука Silverbond 15 EW R 300 с S_уд = 1100 м²/кг;

• гиперпластификаторы на поликарбоксилатной основе Melflux 5581F, Melflux 2651F, 

• Melflux 1641F производства BASF Construc­tion Additives (Германия);

• гиперпластификаторы на поликарбокси­латной основе Sika ViscoCrete 226-P и Sika ViscoCrete 240 HE Plus производства Sika Россия (РФ);

• гиперпластификатор на поликарбоксилатной основе PCE TR‑6088 производства Taishan Tianrun Factory (КНР);

• 2-бутоксиэтанол (бутилцеллозольв) 99 % импортный (КНР) CAS 111-76-2;

• 2-этоксиэтанол (этилцеллозольв) ч. д. а. производства АО «ЭКОС‑1» (РФ) (ТУ 2632—032—44493179—99);

• компенсатор усадки на основе сульфоалю­мината кальция Denka CSA20 производ­ства Degussa Construction Systems Co. (Япо­ния).

Поверхностное натяжение жидкостей на их границе с воздухом определяли сталагмомет­рическим методом (по средней массе капли жидкости, вытекающей из стеклянной трубки).

Линейная усадка определялась по кон­трольным образцам-призмам, имеющим размеры 40 × 40 × 160 мм, с закладными репера­ми  из нержавеющей стали. Образцы распа­луб­ливались на следующие сутки после формования, затем калибровались реперы и снималось базовое расстояние между ними. Образцы во всех описываемых в статье экс­периментах выдерживали в течение 7 сут при нормальных температурно-влажностных условиях при температуре 20 ± 2 °C и относительной влажности воздуха ϕ = 95 ± 5 %, после чего помещали в воздушно-сухие условия (ϕ = 60...70 %, температура T = 20...25 °С). Размеры образцов определялись с помощью усовершенствованного измерительного стенда, снабженного цифровым датчиком перемещения с ценой деления 0,001 мм; проч­ность — ​по контрольным образцам-кубам с длиной ребра 30 мм.

Основная часть эксперимента

На начальном этапе определялась зависимость поверхностного натяжения σ растворов химических добавок от массовой доли добавки в растворе. Концентрацию растворов постепенно увеличивали до выхода значений поверх­ностного натяжения на плато или до заранее известного предела рацио­нального содержания исследуемой добавки в бетонной смеси. Изотермы поверхностного натяжения исследуе­мых растворов приведены на рис. 2.

Рис. 2. Изотермы поверхностного натяжения водных растворов химических добавок 

Согласно полученным данным, предельное снижение поверхностного натяжения раствора наблюдается при концентрации пластифицирующих добавок 1—1,5 %. В случае растворов целлозольвов выход на плато по значению σ наблюдается при концентрации 15—20 %, что существенно выше их рациональных концентраций в растворах для затворения. Однако уже при их концентрации 2 % редуцирующий эффект в отношении σ достигает 53—55 %, а аналогичный эффект от введения гиперпластифицирующих добавок не превышает 11—34 %.

Влияние дозировки пластифицирующей добавки на усадку цементного камня оценивали на модельных составах, содержащих портландцемент и пластифицирующую добавку Sika ViscoCrete 226-p, дозировка которой составляла 0,1 и 0,3 % массы цемента (при В/Ц = 0,33), а массовая доля пластификатора в растворе затворения составляла 0,3 и 0,9 % соответственно (рис. 3). Видно, что увеличение дозировки пластификатора без изменения В/Ц крайне мало влияет на кинетику усадки цементного камня: разница в значениях деформации усадки экспериментальных образцов не превышает 5 %, а потери массы — ​2 % через 470 сут хранения. Кроме того, вследствие адсорбции макромолекул пластификатора и затрачивании части воды затворения на гидратацию цементных фаз сделать выводы об истинной концентрации пластификатора в воде, содержащейся в капиллярных порах, весьма затруднительно.

Рис. 3. Кинетика усадки (a), потеря массы (б) и зависимость деформации усадки от потери массы (в) цементного камня с различным содержанием ГП Sika ViscoCrete 226-p (В/Ц = 0,33)

Для усиления целевого эффекта снижения усадочных деформаций были приготовлены составы мелкозернистого бетона с повышенным расходом вяжущего (табл. 1). В качестве противоусадочных добавок применялись целлозольвы (составы 2 и 3), вводимые с водой затворения в количестве 1 % массы цемента. В качестве альтернативы использовался компенсатор усадки Denka CSA 20 при дозировке 7 % массы цемента (состав 4), который при введении замещал часть молотого песка, обладающего схожей водопотребностью. В качестве контрольного использовался состав 1, не содержащий указанных добавок. Сведения об экспериментальных составах бетона представлены в табл. 2.

Выявлен дополнительный пластифицирующий эффект целлозольвов: диаметр расплыва бетонной смеси состава 2 увеличился на 9 %, состава 3 — ​на 7,6 % относительно контрольного. Влияние добавок на относительную линейную деформацию усадки мелкозернистого бетона и ее связь с потерей массы показаны на рис. 4.

Рис. 4. Усадка образцов серий 1—4 (табл. 2): а — ​кинетика изменения потери массы, б — ​линейная усадка, в — ​зависимость деформации усадки от потери массы

По эффекту снижения усадки исследуе­мые добавки составляют ряд: бутилцеллозольв — ​снижение в 1,44 раза (максимальный эффект), Denka CSA 20 — ​в 1,21 раза, этилцеллозольв — ​в 1,15 раза (минимальный эффект).

Исследовалось влияние дозировки добавок бутилцеллозольва и Denka CSA 20 на усадку мелкозернистого бетона и плотность бетонной смеси (табл. 3). В качестве контрольных использовались составы, не содержащие добавок (рис. 5, 6).

Рис. 5. Влияние бутилцеллозольва на усадку мелкозернистого бетона

Рис. 6. Влияние Denka CSA 20 на усадку мелкозернистого бетона

Для составов с бутилцеллозольвом максимальный эффект снижения усадки (в 1,62 раза) достигается при 6 %-ном содержании добавки, при этом шестикратное снижение дозировки обеспечивает сохранение достаточного эффекта (снижения усадки в 1,38 раза). Для составов с Denka CSA20 эффект уменьшения усадки также растет с повышением дозировки добавки: при ее 15 %-ном содержании усадка снижается в 1,9 раза, а при 5 %-ном эффект практически исчезает.

Влияние температуры и влажности на усад­ку модифицированных составов исследовали на примере добавки бутилцеллозольва (рис. 7). После того как прошла начальная усадка образцов в воздушно-сухих условиях (до выхода на плато значения деформации усадки) в возрасте 120 сут, их подвергали двухступенчатой сушке: на первом этапе — ​при температуре 65 °C в течение 72 ч, на втором — ​при 105 °C. Второй этап сушки продолжался до момента, когда прекратила изменяться масса образцов всех серий, и его продолжительность составляла 66 ч. По окончании каждого этапа сушки образцы термостатировали в усло­виях, исключающих массообмен с окружающей средой, а затем измеряли их деформацию.

Рис. 7. Влияние температурно-влажностных условий на усадку образцов с добавками: a — ​бутилцеллозольва, б — ​Denka CSA20. Образцы находились в следующих условиях: 1 — ​при нормальных температурно-влажностных условиях (7 сут) плюс на воздухе (ϕ = 60...70 %, T = 20...25 °C); 2 — ​то же плюс сушка при ϕ = 0...10 %, T = 65 °C; 3 — ​то же, что 2, плюс сушка при ϕ = 0...10 %, T = 105 °C

Установлено, что увеличение содержания бутилцеллозольва приводит к снижению деформации усадки образцов на воздухе и после сушки при температуре 65 °C. Сушка при 105 °C приводит к выравниванию усадочных деформаций образцов.

Наряду с эффектом компенсации усадки важно, чтобы вводимые добавки не оказывали негативного влияния на механические показатели затвердевшего бетона. Результаты определения прочности образцов в различные сроки нормального твердения представлены на рис. 8.

Рис. 8. Прочность мелкозернистого бетона с различным содержанием добавок при нормальном твердении (номера серий образцов те же, что в табл. 3)

Согласно экспериментальным данным, в поздние сроки твердения добавка бутилцеллозольва в дозировке до 1 % не оказывает заметного негативного действия на прочность мелкозернистого бетона. Оптимальная концентрация Denka CSA20 по показателю проч­ности ограничена 5—10 %.

Влияние добавок на гидратацию цемента оценивали калориметрическим методом на базе разработанного ранее полуадибатического калориметра [21, 22]. Исследовались составы цементных паст с добавками: гиперпластификатор Sika ViscoCrete 226-P (1 % массы цемента), бутилцеллозольв (1 % массы цемента), ГП (1 % массы цемен­та) + бутилцеллозольв (1 % массы цемента). Добавки вводились с водой затворения, а их дозировка соответствовала ориентировочным расходам в составе бетона. В качестве контрольного выбран состав, не содержащий добавок. Во всех составах В/Ц принимали равным 0,4. По результатам измерений построены термограммы (рис. 9, а), по которым на основе калибровочных характеристик прибора определяли кинетику изменения температурно-временных характеристик (T — ​t) (рис. 9, б) и удельного тепловыделения (рис. 9, в) экспериментальных составов.

Рис. 9. Данные полуадиабатической калориметрии образцов модифицированного цементного теста (В/Ц = 0,4): а — ​дифференциальная термограмма; б — ​температурно-временная характеристика; в — ​диаграмма удельного тепловыделения

Максимальная температура образца с добавкой гиперпластификатора снизилась в 1,2 раза, а с добавкой бутилцеллозольва — ​в 1,11 раза в сравнении с этим показателем для контрольного образца (см. рис. 9, а). Совместное введение этих добавок привело к снижению температурного максимума в 1,4 раза. У составов с добавкой гиперпластификатора продолжительность индукционного периода увеличивается в 3,9 раза, а с добавкой бутилцеллозольва — ​в 1,2 раза. Совместный ввод добавок вызывает увеличение индукционного периода в 5,6 раза. Контрольный состав характеризуется общим тепловыделением в возрасте 48 ч, равным 271 Дж/г цемента; при добавлении гиперпластификатора этот показатель снижается до 239 Дж/г; при добавлении бутилцеллозольва — ​до 264 Дж/г; при совместном введении добавок теп­ловыделение смеси составляет 245 Дж/г (см. рис. 9, в). Результаты калориметрии свидетельствуют, что добавка бутилцеллозольва оказывает значительно меньшее влия­ние на кинетику тепловыделения цементной системы, чем добавка плас­тификатора Sika ViscoCrete 226-P.

Выводы

Полученные результаты показывают пер­спективность исследований, связанных с применением модификаторов поверхностного натяжения, позволяющих снижать деформации усадки цементных составов. Согласно экспериментальным данным, целевой эффект химически родственных веществ существенно различается по интенсивности. На практике это потребует дополнительных исследований, направленных на подбор наиболее эффективных противоусадочных модификаторов для конкретных составов бетона.

Вещества, рассматриваемые в качестве противоусадочных добавок, уменьшающих поверхностное натяжение, должны иметь высокий редуцирующий эффект на границе жидкость—​газ: поверхностное натяжение растворов для затворения должно быть ниже 40 ∙ 10^—3 Дж/м².

ЛИТЕРАТУРА

1. Вереина Л.И. Направления развития современного станкостроения // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. 2018. № 1 (60). С. 10—18.

2. Möhring H.-C., Brecher C., Abele E., Fleischer J., et al. Materials in machine tool structures // CIRP Annals. 2015. Vol. 64, N 2. P. 725—748. DOI: 10.1016/J.CIRP.2015.05.005.

3. UHPC ultra high performance concrete made of NANODUR® compound 5941 [Электронный ресурс]. URL: https://www.dyckerhoff.com/ (дата обращения 21.03.2024).

4. Ultra-high performance concrete (EPUDUR) | RAMPF Group [Электронный ресурс]. URL: https://www.rampf-group.com/en/products-solutions/details/ultra-high-performance-concrete-epudur/ (дата обращения 21.03.2024).

5. Браиловский М.И. Малодеформируемые элементы и детали машин из железобетона и специальных бетонов. М.: Московский государственный открытый университет, 1997. 50 с.

6. Федонин О.Н., Хандожко А.В., Щербаков А.Н., Захаров Л.А. и др. Проектирование металлорежущих станков с использованием унифицированных изделий // Наукоемкие технологии. 2016. № 10. С. 20. DOI: 10.12737/21424.

7. Греков Э.Л., Янушкин М.В. Материалы для изготовления базовых деталей координатных-фрезерных станков с ЧПУ // Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры: матер. Всерос. науч.-метод. конф. 2018. С. 2914—2919.

8. Лавров И.Ю. Разработка конструкции малогабаритного фрезерного станка со сборной железобетонной станиной // Сб. матер. XVIII междунар. науч.-техн. конф. «Теория и прак­тика повышения эффективности строительных материалов», 2023. С. 114—122.

9. Береговой В.А., Лавров И.Ю. Высокофункциональные бетоны в станкостроении: технологические аспекты применения // Регио­нальная архитектура и строительство. 2022. № 4 (53). С. 18—25. DOI: 10.54734/20722958_2022_4_18.

10. Береговой В.А., Махамбетова К.Н., Лавров И.Ю. Опыт применения высокофункционального бетона в конструкции современного станка // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2023. № 5 (280). P. 31—37.

11. Kalthoff M., Raupach M. Pull-out behaviour of threaded anchors in fibre reinforced ordinary concrete and UHPC for machine tool constructions // J. of Building Engin. 2021. Vol. 33. P. 101842. DOI: 10.1016/J.JOBE.2020.101842.

12. Шмитько Е.И., Макушина Ю.В., Белькова Н.А., Милохин И.В. Влажностная усадка бетона: влияние состава и структуры применяемых пластифицирующих добавок // Вестн. Инж. школы Дальневост. федер. ун-та. 2020. № 1 (42). С. 128—135.

13. Макушина Ю.В., Шмитько Е.И., Белькова Н.А. Пути оптимизации качества цементных бетонов по показателю влажностной усадки // Химия, физика и механика материалов. 2020. № 4. С. 50—65.

14. Maltese C., Pistolesi C., Lolli A., Bravo A., et al. Combined effect of expansive and shrinkage reducing admixtures to obtain stable and durable mortars // Cement and Concrete Res. 2005. Vol. 35, N 12. P. 2244—2251. DOI: 10.1016/j.cemconres.2004.11.021.

15. Oliveira M.J., Ribeiro A.B., Branco F.G. Combined effect of expansive and shrinkage reducing admixtures to control autogenous shrinkage in self-compacting concrete // Construction and Building Materials. 2014. Vol. 52. P. 267—275. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2013.11.033.

16. Шейкин А.Е., Бруссер М.И. Структура и свойства цемент­ных бетонов. М.: Стройиздат, 1979. 343 p.

17. The Merck Index — ​An Encyclopedia of Chemicals, Drugs, and Biologicals / M.J. O’Neil (ed.). Whitehouse Station, NJ: Merck and Co., Inc., 2006. P. 3—183.

18. Industrial Solvents Handbook. 4th ed. /  Ed. E.W. Flick. Park Ridge, NJ: Noyes Data Corp., 1991. 555 p.

19. Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. 3rd ed. Vol. 1—26. New York: John Wiley and Sons, 1978—1984. P. V21: 389 (1983).

20. CRC Handbook of Chemistry and Physics. 91st ed. / Ed. W.M. Haynes. Boca Raton, FL: CRC Press Inc., 2010—2011. P. 6—182.

21. Береговой В.А., Лавров И.Ю., Шурыгин И.С., Махмудов М.Г. Переносной калориметр для решения рецептурных задач в области практического бетоноведения // Вестн. ПГУАС: cтроительство, наука и образование. 2023. № 1 (16). С. 8—15.