УДК 666.972.16
А.А. ГУВАЛОВ, доктор техн. наук, Азербайджанский архитектурно-строительный университет, г. Баку, Азербайджан
Ключевые слова: суперпластификатор, портландцемент, раствор, высокопрочный бетон, пластичность, прочность, долговечность
Keywords: superplasticizer, portland cement, mortar, high-strength concrete, plasticity, strength, durability
Проведенными исследованиями установлено, что введение полиарилсульфонсульфонатного суперпластификатора в количестве 0,75-1,25 масс. % в нормально-влажностных условиях повышает прочность бетона через сутки в 2-3 раза, а через 28 суток — на 35-70% в зависимости от расхода цемента. Полиарилсульфонсульфонат, полученный на основе тяжелого газоля Г-1, вызывает дополнительно до 1% воздухововлечения. Поэтому для получения высокоплотных и прочных бетонов представляет интерес применение САС и КСЗ, а для получения морозостойких бетонов — добавка Г-1.
Наиболее эффективным и перспективным направлением модифицирования бетона является применение суперпластификаторов, особенно полифункционального действия, которые позволяют значительно улучшить технологические и эксплуатационные характеристики строительных материалов. Одной из рациональных областей является применение суперпластификаторов в бетонах, поскольку они снижают содержание воды затворения (до 30%) при сохранении исходной подвижности бетонной смеси [1-3] и повышают прочностные характеристики как в суточном возрасте, так и в 28-суточном возрасте [4-6]. Несмотря на снижение водосодержания до 30%, при одинаковой ОК, бетонные смеси с добавкой суперпластификатора более пластичны, чем без добавки.
Применение суперпластификаторов с целью снижения водосодержания бетонной смеси позволяет повысить не только прочность бетона, но и показатели долговечности [7, 8]. Кроме того, они, оказывая незначительное влияние на влагоотдачу цементного камня, повышают его усадку в среднем на 25-30% [7].
Добавки вводили с водой затворения при изучении их влияния на кинетику нарастания прочности цементных растворов, также использовали пластифицированный цемент, содержащий полиарилсульфонсульфонатный суперпластификатор, синтезированный на основе промышленных смесей полициклических ароматических углеводородов. В качестве полиарилсульфонсульфонатного суперпластификатора использовались САС (на основе антраценовых фракций коксохимического производства), КСЗ (на основе тяжелой фракции процесса пиролиза нефтехимического производства) и Г-1 (на основе газойля каталитического крекинга нефти) [9].
Таблица 1. Влияние полиарилсульфонсульфоната на свойства цементного раствора состава 1:3
| СП | Содержание СП в цементе, % | В/Ц | Расплыв конуса | Предел прочности при сжатии (МПа) | Предел прочности при изгибе (МПа) | Примечание | ||
| в возрасте, сут. | ||||||||
| 1 | 28 | 1 | 28 | |||||
| — | без добавки | 0,40 | 110 | 5,7 | 38,4 | 2,2 | 6,4 | |
| САС | 0,5 | 0,35 | 113 | 10,8 | 44,8 | 3,1 | 6,8 | Пластифицированный портландцемент |
| 0,8 | 0,32 | 108 | 12,6 | 49,6 | 3,6 | 7,2 | ||
| 1,0 | 0,30 | 112 | 15,8 | 58,1 | 4,3 | 7,8 | ||
| 1,2 | 0,29 | 111 | 14,2 | 57,1 | 4,0 | 7,2 | ||
| 0,8 | 0,40 | 200 | 6,9 | 40,5 | 2,4 | 6,7 | ||
| 1,0 | 0,40 | 205 | 6,8 | 39,1 | 2,3 | 6,5 | ||
| 1,2 | 0,40 | 215 | 5,8 | 38,6 | 2,2 | 6,4 | ||
| САС | 1,0 | 0,30 | 112 | 16,1 | 59,8 | 4,5 | 8,0 | СП вводился с водой затворения |
| 1,0 | 0,40 | 215 | 6,8 | 39,2 | 2,3 | 6,8 | ||
| КСЗ | 0,5 | 0,35 | 112 | 10,3 | 43,0 | 2,8 | 6,6 | Пластифицированный портландцемент |
| 0,8 | 0,32 | 108 | 11,7 | 46,0 | 3,4 | 6,7 | ||
| 1,0 | 0,30 | 112 | 14,6 | 53,7 | 3,7 | 7,1 | ||
| 0,8 | 0,40 | 200 | 6,1 | 37,6 | 2,4 | 6,4 | ||
| 1,0 | 0,40 | 205 | 6,0 | 37,2 | 2,3 | 6,3 | ||
| КСЗ | 1,0 | 0,30 | 112 | 14,8 | 57,6 | 3,7 | 7,1 | СП вводился с водой затворения |
| 1,0 | 0,40 | 212 | 6,2 | 38,2 | 2,3 | 6,3 | ||
Результаты влияния добавок на свойства цементного раствора состава 1:3 в равнопластичном и неизменном В/Ц, испытанном по ГОСТу 310.4-81, приведены в табл. 1. В исследованиях применялся портландцемент СEM 42,5 II/A-P, произведенный на заводе NORM, и стандартный вольский песок для испытания цементов. В качестве заполнителей использовали песок из Бахрамтапинского карьера, а щебень – из Гудяльчая района Губы.
Из табл. 1 следует, что прочность образцов при неизменной величине В/Ц практически не отличается от прочности бездобавочных образцов. При неизменной пластичности 1,0 масс. % САС позволяет повысить предел прочности при сжатии образцов через сутки в 2-2,8 раза, а через 28 суток – на 50-60% (табл. 1 и рис. 1).
В то же время повышение прочности при сжатии для образцов при использовании КСЗ составляет через сутки 2-2,5 раза, т.е. через 28 суток увеличивается на 40-50%. Кроме того, результаты показывают, что влияние добавки на кинетику нарастания прочности растворов мало отличается от условия введения добавки. Так, при введении 1,0 масс. % САС с водой затворения при неизменной пластичности повышение прочности образцов по сравнению с бездобавочным составляет 58%, а этот показатель при использовании пластифицированного цемента составляет 51%. Пластифицированный цемент получили в лабораторных мельницах. Добавки вводили при помоле цемента в 1,0% от массы цемента.
При введении добавок и при одинаковом водосодержании предел прочности при изгибе не меняется, а при равной пластичности значительно повышается как в суточном, так и в 28-суточном возрасте. Достоверность результатов по получению пластифицированного цемента была подтверждена испытаниями на цементе завода NORM.
Изменение физико-механических показателей пуццоланового цемента с введением добавки происходит аналогично портландцементу (табл. 2).
Таблица 2. Свойства раствора состава 1:3 на основе пластифицированного пуццоланового цемента
| № пп | Содержание САС, масс. % | В/Ц | Расплыв конуса, мм | Предел прочности при сжатии (МПа) | Предел прочности при изгибе (МПа) | ||
| в возрасте, сут. | |||||||
| 1 | 28 | 1 | 28 | ||||
| 1 | без добавки | 0,43 | 112 | 5,4 | 40,1 | 2,1 | 6,2 |
| 2 | 1,0 | 0,37 | 112 | 10,6 | 47,1 | 3,3 | 6,9 |
| 3 | 1,25 | 0,34 | 110 | 14,5 | 50,5 | 3,8 | 7,1 |
| 4 | 1,50 | 0,33 | 110 | 12,5 | 48,2 | 3,4 | 6,9 |
При изучении влияния САС на свойства бетонной смеси и бетонов на ее основе использовали состав для изготовления виброгидропрессованных напорных труб (Ц:П:Щ = 1:1, 13:1, 92). Следует отметить, что при укладке бетонных смесей, содержащих 0,5-0,75 масс. % полиарилсульфонсульфоната, вибрация не применялась, уплотнение массы производилось штыкованием (8-10 раз). Как видно из табл. 3, прочность литых образцов с добавкой САС и КСЗ, формованных без вибрирования в 28-суточном возрасте, на 8-14% превосходит прочность образцов без добавок.
Следует отметить, что этот показатель при использовании Г-1 на 5-7% меньше, чем без добавок. При снижении ОК бетонной смеси до 20 см образцы с добавкой Г-1 показывают одинаковую прочность с контрольными, что по определению [10] все препараты относит в класс суперпластификаторов.
Литые бетонные смеси с добавкой полиарилсульфонсульфоната можно применять при сложных тонкостенных конструкциях или фасадных деталях с очень густой арматурой. Наряду с этим в экономическом и техническом отношении выгодно применять литой бетон при изготовлении сборных элементов стен и перекрытий, подоконных стеновых панелей с спор.
Таблица 3. Влияние САС, КСЗ и Г-1 на физико-механические свойства обычного бетона в смесях при одинаковом В/Ц = 0,45
| № пп | Содержание СП, % | ОК, см | Расход материалов на 1 м3 бетона | Предел прочности при сжатии (МПа) | |||||
| песок | щебень | цемент | СП | вода | 1 | 28 | |||
| — | 2 | 621 | 1054 | 547 | — | 248 | 11,5 | 40,5 | |
| САС | 0,25 | 6 | 624 | 1057 | 544 | 1,4 | 244 | 11,4 | 41,6 |
| САС | 0,50 | 16 | 621 | 1052 | 546 | 2,7 | 248 | 12,8 | 43,3 |
| САС | 0,75 | 26 | 620 | 1052 | 546 | 4,1 | 248 | 12,5 | 46,1 |
| САС | 1,00 | 26 | 620 | 1052 | 546 | 5,5 | 247 | 12,0 | 43,2 |
| КСЗ | 0,25 | 6 | 621 | 1053 | 547 | 1,4 | 248 | 11,3 | 41,9 |
| КСЗ | 0,50 | 15 | 616 | 1044 | 642 | 2,7 | 246 | 11,0 | 44,1 |
| КСЗ | 0,75 | 24 | 616 | 1044 | 542 | 4,1 | 246 | 11,2 | 45,2 |
| КСЗ | 1,00 | 25 | 616 | 1044 | 542 | 5,5 | 246 | 11,0 | 40,0 |
| Г-1 | 0,75 | 12 | 616 | 1043 | 541 | 4,1 | 246 | 10,2 | 38,1 |
| Г-1 | 1,0 | 22 | 615 | 1044 | 542 | 5,5 | 246 | 10,1 | 37,3 |
| Г-1 | 1,0 | 20 | 615 | 1048 | 542 | 5,5 | 240 | 11,3 | 40,6 |
Таблица 4. Влияние САС, КСЗ и Г-1 на физико-механические свойства обычного бетона в равнопластичных смесях (ОК=2-3 см, температура окружающей среды 25-28оС)
| СП | Содержание СП, % | В/Ц | Расход материалов на 1 м3 бетона | Предел прочности при сжатии (МПа) | |||||
| песок | щебень | цемент | СП | вода | 1 | 28 | |||
| — | 0,45 | 621 | 1054 | 547 | — | 248 | 11,5 | 40,5 | |
| САС | 0,75 | 0,39 | 644 | 1094 | 547 | 4,1 | 213 | 25,7 | 62,5 |
| САС | 1,00 | 0,34 | 651 | 1118 | 547 | 5,5 | 186 | 30,3 | 64,7 |
| САС | 1,25 | 0,32 | 665 | 1130 | 547 | 6,7 | 175 | 33,0 | 66,0 |
| САС | 1,50 | 0,31 | 672 | 1132 | 547 | 8,2 | 170 | 32,4 | 65,7 |
| КСЗ | 0,75 | 0,36 | 630 | 1073 | 547 | 4,1 | 190 | 24,0 | 60,3 |
| КСЗ | 1,00 | 0,34 | 650 | 1100 | 547 | 5,5 | 186 | 28,5 | 63,7 |
| КСЗ | 1,25 | 0,32 | 653 | 1108 | 547 | 6,6 | 175 | 29,4 | 64,0 |
| КСЗ | 1,50 | 0,31 | 660 | 1120 | 547 | 8,2 | 170 | 28,2 | 63,1 |
| Г-1 | 1,00 | 0,32 | 648 | 1100 | 547 | 5,5 | 175 | 18,0 | 54,9 |
| Г-1 | 1,25 | 0,31 | 650 | 1101 | 547 | 6,7 | 170 | 19,2 | 55,5 |
Полиарилсульфонфульфонат, полученный на основе тяжелого газоля Г-1, вызывает дополнительно до 1% воздухововлечения. Поэтому для получения высокоплотных и прочных бетонов представляет интерес применение САС и КСЗ, а для получения морозо- и коррозионностойких бетонов – препарата Г-1.
Данные по влиянию полиарилсульфонсульфонатов САС, КСЗ и Г-1 на свойства бетона при неизменной пластичности приведены в табл. 4. Как из них видно, введение добавок Г-1, КСЗ и САС в бетонную смесь в количестве 1,25 масс. % в суточном и в 28-суточном возрасте позволяет повысить прочность бетона на 37, 58 и 63%. Другое преимущество САС заключается в том, что образцы с добавкой через 1 сутки (в летний период) после приготовления набирают 40-70% марочной прочности контрольного бетона, что дает возможность отказаться от тепловлажностной обработки.
Таблица 5. Физико-механические свойства бетона на основе пластифицированного цемента
| СП | В/Ц | ОК, см | Расход материалов на 1 м3 бетона, кг | Предел прочности при сжатии (МПа), в возрасте (сут.) | ||||
| Цемент | Песок | Щебень | Вода | 1 | 28 | |||
| — | 0,52 | 3,0 | 470 | 651 | 1100 | 240 | 9,2 | 39,0 |
| 1% САС | 0,52 | 25,0 | 470 | 651 | 1100 | 244 | 10,5 | 42,4 |
| 0,38 | 3,0 | 470 | 680 | 1186 | 174 | 23,1 | 60,4 | |
| 1% КСЗ | 0,52 | 24,0 | 468 | 698 | 1095 | 244 | 9,1 | 38,3 |
| 0,38 | 2,5 | 470 | 680 | 1168 | 179 | 19,3 | 58,5 | |
Исследованием установлено, что влияние САС на прочность бетона зависит от расхода цемента (рис. 2). В зависимости от его расхода повышение прочности составляет 35-70%. Результаты испытаний пластифицированных цементов (содержащих полиарилсульфонсульфонаты САС и КСЗ в количестве 1 масс. %) в бетоне приведены в табл. 5, из которой следует, что в системе с неизменным В/Ц пластичность пластифицированных цементов увеличивается на 3 см до 24-25 см. При этом прочность бетона не снижается.
В системе с неизменной пластичностью водопотребность бетонной смеси уменьшается на 27%. В этом случае происходит увеличение прочности бетона через 1 сут. в 2-2,5 раза, а через 28 суток – на 47-58%, т.е. параметры бетонной смеси и бетона на ее основе не зависят от способа введения суперпластификатора.
Таким образом, введение суперпластификаторов в состав цемента позволяет получать те же эффекты, что достигаются при введении добавки в состав бетонной смеси с водой затворения. В равнопрочных бетонах применение добавок-суперпластификаторов позволяет снизить расход цемента на 20-25%. Анализы результатов показывают, что введение полиарилсульфонсульфоната типа САС позволяет экономить не менее 25% цемента на 1 м3 бетона.
Библиографический список
1. Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика. 2-е изд. – М.: Стройиздат, 1998, – 768 с.
2. Химические и минеральные добавки в бетон / Под ред. А. Ушерова-Маршака. – Харьков: Колорит, 2005, – 280 с.
3. Гувалов А.А. Управление структурообразованием цементных систем с применением модификаторов. Сборник тезисов. Шестая международная конференция «Фазовые превращения и прочность кристаллов» – 16-19 ноября 2010 г. – Черноголовка. 2010, с. 119.
4. Гувалов А.А. Управление структурообразованием цементных систем с полифункциональными суперпластификаторами // Международный журнал по вяжущим, керамике, стеклу и эмалям «Техника и технология силикатов». №3, 2011, с. 24-27.
5. Spitatos N., Раде М., Mailvaganam N. et al. Superplasticizers for Concrete: Fundamentals, Technology and Practice. Marquis, Quebec, Canada, 2006, – 322 p.
6. Кузнецова Т.В., Гувалов А.А., Аббасова С.И. Улучшение структуры высокопрочного бетона с применением модификаторов // Строительные материалы, №12, 2015, с. 78-80.
7. Баженов Ю.М., Бабаев Ш.Т., Гриз А.И. и др. Высокопрочный бетон на основе СП // Строительные материалы, № 9, 1978, с. 19-18.
8. Хатоори К. Развитие новых пластификаторов для получения высокопрочного бетона. – Кораку гидюзцу, т. 29, № 8, 1976, с. 10-21.
9. Гувалов А.А. Влияние полиарилсульфонсульфонатного суперпластификатора на свойства цементных композиций. Авт. дисс. … канд. техн. наук, – М. 1987, с. 16.
10. Иванов Ф.М., Батраков В.Г., Москвин В.М. и др. Классификация пластифицирующих добавок по эффекту их действия // Бетон и железобетон, №4, 1981, с. 33.
