В статье рассмотрены вопросы прочностной совместимости современных добавок и критерии их выбора. Показана возможность изменения количества цемента, основываясь на данных совместимости добавки с цементами.
УДК 691.32
А.А. АНТОНЯН, канд. техн. наук, ведущий специалист организации технического надзора по строительству бетонной дороги в рамках проекта «Север – Юг» в Армении, В.Н. НИКОГОСЯН, заведующий лабораторией по испытанию строительных материалов ООО «Нор-Гинд», г. Ереван, Республика Армения
Ключевые слова: суперпластификатор, совместимость, прочность, бетон
Keywords: superplasticizer, compatibility, strength, concrete
Прогресс в современном строительстве, в том числе создание возможности возведения уникальных объектов, является следствием прорыва в бетоноведении, в большей мере связанного с применением химических добавок, основную часть которых занимают добавки-суперпластификаторы.
Несмотря на общую изученность теории и практики применения суперпластификаторов, их влияния на свойства бетонной смеси и бетона, открытым остается вопрос оценки совместимости используемых цементов и суперпластификаторов. Эта проблема усугубляется наличием на современном рынке добавок огромного количества производителей и наименований, что ставит нелегкий вопрос выбора перед потребителем. Выбор должен основываться не только на экономических соображениях (стоимость добавки), но, что более важно, на совместимости выбранных цемента и добавки.
В работе [1] совместимость определяется как способность добавки обеспечивать и поддерживать заданные функциональные свойства бетонной смеси и бетона в течение требуемого времени. Это определение в основном относится к воздействию вводимой добавки на реологические свойства бетонной смеси: количественной оценки пластификации и сохраняемости удобоукладываемости бетонной смеси во времени.
Кроме реологической совместимости различают также прочностную совместимость добавки с цементом. И если реологическая совместимость важна в первую очередь для товарного бетона (в том числе и для дальней транспортировки), то прочностная совместимость затрагивает бетоны всех видов. Причем надо отметить, что реологическая совместимость добавки (особенно величина сохраняемости подвижности бетонных смесей во времени) никак не стандартизуется, тогда как прочностная совместимость четко указывается в существующем ГОСТе [2]. Величина совместимости лимитируется не более чем 5%-ным уменьшением прочности бетона с пластифицирующей добавкой по сравнению с прочностью контрольного состава (при неизменном В/Ц отношении, т.е. когда имеет место пластификация бетонной смеси).
Влияние суперпластификаторов на становление прочности бетона велико. При применении суперпластификатора как водоредуцирующей добавки (при неизменной подвижности бетонной смеси) это влияние объясняется изменением структуры цементного камня: общим уменьшением воды и пористости, улучшением упаковки зерен цемента и т.д.
При применении суперпластификатора как пластифицирующей добавки (при неизменном В/Ц отношении) также наблюдается некоторое отклонение от контрольной прочности, часто в сторону понижения. В работе [2] это объясняется изменением морфологии новообразований цемента, прочностью контактов. Тем же автором было предложено введение коэффициента, учитывающего влияние добавки на формирование прочности бетона Кsp, равного отношению прочности пластифицированного бетона к прочности бетона контрольного состава: 
. Следует, что по ГОСТу прочностная совместимость добавки с цементом имеет место при Кsp≥0,95.
При изучении вопроса прочностной совместимости добавки с цементом были испытаны добавки-суперпластификаторы от компаний Sika (Швейцария), Mapei (Италия), BASF (Германия), Stachema (Чехия), «Полипласт» (Россия) в паре с цементами Ararat Cement (Армения) и Heidelberg Cement (Грузия). Техническая информация о примененных добавках приведена в табл. 1.
Таблица 1
| Производитель | Наименование добавки | Форма | Химическая основа* | Дозировка, % от массы цемента |
| Sika | Sikament F05 | 40% водный раствор | NSF | 0,5-1,5 |
| Sikament FFN | 40% водный раствор | MSF | 0,8-3 | |
| Mapei | Mapefluid N200 | 40% водный раствор | NSF | 0,4-1,2 |
| BASF | Rheobuild 1000 | 40% водный раствор | NSF | 0,8-1,4 |
| Stachema | Stachement 2428 | 40% водный раствор | PCE | 0,15-1,4 |
| Полипласт | Полипласт СП-4 | Сухая | NSF | 0,4-0,8 |
* NSF – нафталинсульфоформальдегид, MSF – меламинсульфоформальдегид, PCE – эфир поликарбоксилата
В первую очередь для уточнения коэффициента Кsp данные добавки были испытаны на пластифицирующую способность. Контрольный состав бетона следующий: Щ=1010 кг/м3, П=930 кг/м3, Ц=360 кг/м3, В/Ц=0,63. В исследовании применялись материалы: щебень базальтовый 5-20 мм Киликийского месторождения (Армения), песок речной, мытый (Мкр=2,2), портландцемент Араратского завода CEM II /A 42,5N.
Результаты пластификации бетонной смеси представлены на рис. 1.
Результаты исследования показывают, что пластифицирующая способность данных суперпластификаторов на основе меламин- и нафталинсульфоформальдегида находится на одном уровне (±2 см). Для поликарбоксилатного пластификатора данная способность при том же В/Ц отношении больше на 3-5 см, что вполне закономерно, принимая во внимание особенности этого типа добавок. Кроме того, из полученных данных следует, что сравнительная оценка добавок одного типа только по пластификации бетонной смеси не позволяет однозначно сделать выбор конкретной марки.
Для выявления прочностной совместимости и определения коэффициента Кsp из бетонной смеси были отформованы образцы-кубы с размером стороны 100 мм, которые были испытаны на сжатие после 28 суток твердения в нормальных условиях. Результаты испытаний приведены в табл. 2 и на рис. 2.
Таблица 2
| Наименование добавки | Дозировка, % | В/Ц | Плотность бетонной смеси, кг/м3 | Прочность бетона на 28 сут., МПа | Значение коэффициента, Кsp |
| Sikament F05 | 0 | 0,63 | 2450 | 28,7 | 1 |
| 0,5 | 0,63 | 2428 | 30,7 | 1,07 | |
| 0,8 | 0,63 | 2483 | 31,8 | 1,11 | |
| 1 | 0,63 | 2475 | 34,2 | 1,19 | |
| 1,2 | 0,63 | 2455 | 37,7 | 1,31 | |
| 1,5 | 0,63 | 2468 | 40,0 | 1,39 | |
| 1,8 | 0,63 | 2463 | 34,0 | 1,18 | |
| 2 | 0,63 | 2483 | 33,9 | 1,18 | |
| Sikament FFN | 0 | 0,63 | 2450 | 28,7 | 1 |
| 0,8 | 0,63 | 2443 | 33,6 | 1,17 | |
| 1 | 0,63 | 2473 | 32,4 | 1,13 | |
| 1,2 | 0,63 | 2463 | 28,4 | 0,99 | |
| 1,5 | 0,63 | 2485 | 29,4 | 1,02 | |
| 1,8 | 0,63 | 2468 | 31,9 | 1,11 | |
| 2 | 0,63 | 2478 | 34,8 | 1,21 | |
| 2,5 | 0,63 | 2488 | 39,6 | 1,38 | |
| 3 | 0,63 | 2460 | 39,2 | 1,37 | |
| Mapefluid N200 | 0 | 0,63 | 2450 | 28,7 | 1 |
| 0,5 | 0,63 | 2450 | 29,5 | 1,03 | |
| 0.8 | 0,63 | 2488 | 28,4 | 0,99 | |
| 1 | 0,63 | 2474 | 31,4 | 1,09 | |
| 1,2 | 0,63 | 2470 | 29,8 | 1,04 | |
| 1,5 | 0,63 | 2488 | 30,1 | 1,05 | |
| 1,8 | 0,63 | 2470 | 30,0 | 1,05 | |
| 2,5 | 0,63 | 2450 | 28,9 | 1,01 | |
| Rheobuild 1000 | 0 | 0,63 | 2450 | 28,7 | 1 |
| 0,5 | 0,63 | 2438 | 27,8 | 0,97 | |
| 0,8 | 0,63 | 2483 | 26,7 | 0,93 | |
| 1 | 0,63 | 2463 | 28,6 | 1,00 | |
| 1,2 | 0,63 | 2465 | 25,2 | 0,88 | |
| 1,5 | 0,63 | 2480 | 26,4 | 0,92 | |
| 1,8 | 0,63 | 2460 | 26,4 | 0,92 | |
| 2,5 | 0,63 | 2455 | 26,1 | 0,91 | |
| Stachement 2428 | 0 | 0,63 | 2450 | 28,7 | 1 |
| 0,5 | 0,63 | 2430 | 27,9 | 0,97 | |
| 0,8 | 0,63 | 2420 | 29,2 | 1,02 | |
| 1 | 0,63 | 2410 | 25,6 | 0,89 | |
| 1,2 | 0,63 | 2410 | 28,5 | 0,99 | |
| Полипласт СП-4 (40% водный раствор) | 0 | 0,63 | 2450 | 28,7 | 1 |
| 0,5 | 0,63 | 2410 | 28,3 | 0,99 | |
| 0,8 | 0,63 | 2384 | 28,8 | 1,00 | |
| 1 | 0,63 | 2430 | 27,5 | 0,96 | |
| 1,2 | 0,63 | 2463 | 28,2 | 0,98 |
Как видно из табл. 2, коэффициенты прочностной совместимости для добавок Mapefluid N200, Полипласт СП-4 и Stachement 2428 во всем диапазоне дозировок составляют от 0,99 до 1,04, то есть почти никак не влияют на марочную прочность бетона.
Для добавки Rheobuild 1000 начиная с дозировки 1,2% наблюдается уменьшение прочности бетона по сравнению с контрольным образцом на 8% (по ГОСТу допустимо не более 5%), так что данная добавка при дозировках более 1% с данным цементом считается несовместимой.
Довольно интересные результаты наблюдаются при использовании добавок Sika. При одном и том же В/Ц отношении при увеличении дозировки суперпластификаторов Sikament F05 и Sikament FFN наряду с увеличением подвижности бетонной смеси происходит упрочнение бетона и увеличение коэффициента Кsp.
Для пластификаторов Sikament F05 и Sikament FFN максимумы значений увеличения прочности (на 39%) приходятся на дозировки 1,5% и 2,5%, соответственно. Далее при более высоких дозировках суперпластификаторов наблюдается снижение прочности бетона, что объясняется экранирующим эффектом и тормозящим действием суперпластификатора на реакцию гидратации. Значение коэффициента Кsp, равное 1,39, является довольно высоким. Объяснить это явление непросто, так как химический состав современных суперпластификаторов является так называемым ноу-хау производителя. Возможно, что в состав данных суперпластификаторов вводятся активные минеральные добавки (микрокремнезем и т.п.), эффективно влияющие на набор прочности бетона.
Так как добавки Sikament показали повышенные результаты на цементе Ararat Cement CEM II/A 42,5N по сравнению с теоретическими выкладками, было решено испытать их с другими классами цемента другого производителя – Heidelberg Cement CEMII 32,5 и CEM I 42,5 (Грузия). Эксперименты проводились с теми же материалами заполнителей, с тем же расходом цемента, по той же схеме, но с другими (меньшими) В/Ц отношениями, так как водопотребность данных классов цемента Heidelberg Cement меньше, чем у цемента производства Ararat Cement. Результаты приведены в табл. 3.
Таблица 3
| Производитель, класс цемента (В/Ц) | Наименование добавки | Дозировка, % | Прочность бетона на 28 сут., МПа | Значение коэффициента Кsp |
| Heidelberg Cement, CEMII 32,5 (В/Ц=0,56) | Sikament F05 | 0 | 33,3 | 1 |
| 0,8 | 38,9 | 1,17 | ||
| 1,2 | 39,6 | 1,19 | ||
| 1,5 | 42,5 | 1,28 | ||
| 1,8 | 47,5 | 1,43 | ||
| Heidelberg Cement, CEM I 42,5 (В/Ц=0,55) | Sikament F05 | 0 | 38,9 | 1 |
| 0,8 | 50,2 | 1,29 | ||
| 1,2 | 52,3 | 1,34 | ||
| 1,5 | 59,1 | 1,52 | ||
| 1,8 | 57,2 | 1,47 |
Результаты табл. 3 показывают закономерность повышения прочности бетона в зависимости от дозировки с более высокими значениями коэффициента Кsp. То есть данная закономерность характерна не только для одной пары «цемент – добавка» и имеет стабильный характер.
Значения коэффициента Кsp можно не только использовать при оценке совместимости добавки с цементами, но также вводить в формулу Боломея-Скрамтаева и рассчитывать В/Ц отношение, учитывая влияние суперпластификатора: Rб=Кsp∙A∙Rц∙(Ц/В±0,5).
Следовательно, имея значения коэффициента Кsp, возможно делать изменения в расходе цемента (рис. 3) [4]. Иными словами, в данном случае для добавок линии Sikament при одинаковой прочности бетона по сравнению с другими добавками возможно уменьшение количества цемента до 80 кг/м3.
![Изменения расхода цемента от значения коэффициента Кsp [4]](/articles/tb-1-2017/43-47-web-resources/image/3.jpg)
О значимости коэффициента Кsp говорилось в работе [4], где его величина, как было показано выше, рассчитывалась как соотношение прочностей пластифицированного и контрольного составов бетона. Также интересен вопрос совпадения значений данных коэффициентов при водоредуцировании бетонной смеси. В обзорной работе [5] было упомянуто об отсутствии в литературе данных оценки влияния суперпластификаторов при пластификации параллельно с водоредуцированием. Поэтому на тех же материалах данные добавки (Sikament F05, Mapefluid N200, Stachement 2428) были испытаны по водоредуцированию, принимая подвижность контрольного и состава с добавками в пределе 16-18 см. Расход цемента во всех случаях был равен 350 кг/м3. Коэффициент влияния добавки на прочность бетона оценивался как отношение фактической прочности бетона к расчетной (по формуле Боломея-Скрамтаева) для данного В/Ц отношения. В испытаниях использовался цемент Ararat Cement CEM II/A 42,5N. Результаты испытаний приведены в табл. 4 и на рис. 4.
Таблица 4
| Наименование добавки | Дозировка, % | В/Ц | Плотность бетонной смеси, кг/м3 | Теоретическая прочность бетона, МПа* | Фактическая прочность бетона на 28 сут., МПа | Значение коэффициента Кsp’ |
| Sikament F05 | 0 | 0,67 | 2375 | 23,8 | 23,8 | 1 |
| 0,5 | 0,63 | 2375 | 26,1 | 31,9 | 1,22 | |
| 0,8 | 0,58 | 2393 | 29,4 | 35,6 | 1,21 | |
| 1 | 0,57 | 2400 | 30,1 | 36,6 | 1,22 | |
| 1,2 | 0,57 | 2440 | 30,1 | 41,5 | 1,38 | |
| 1,5 | 0,56 | 2440 | 30,9 | 42,0 | 1,36 | |
| 1,8 | 0,55 | 2437 | 31,6 | 41,6 | 1,32 | |
| 2 | 0,54 | 2440 | 32,4 | 46,0 | 1,42 | |
| 2,5 | 0,54 | 2440 | 32,4 | 38,8 | 1,20 | |
| Mapefluid N200 | 0 | 0,67 | 2375 | 23,8 | 23,8 | 1 |
| 0,5 | 0,63 | 2420 | 26,1 | 23,8 | 0,91 | |
| 0,8 | 0,58 | 2410 | 29,4 | 27,1 | 0,92 | |
| 1 | 0,57 | 2400 | 30,1 | 29,2 | 0,97 | |
| 1,2 | 0,57 | 2410 | 30,1 | 29,0 | 0,96 | |
| 1,5 | 0,56 | 2465 | 30,9 | 29,9 | 0,97 | |
| 1,8 | 0,56 | 2458 | 30,9 | 30,1 | 0,97 | |
| Stachement 2428 | 0 | 0,67 | 2375 | 23,8 | 23,8 | 1 |
| 0,5 | 0,61 | 2350 | 27,3 | 23,8 | 0,87 | |
| 0,8 | 0,58 | 2368 | 29,4 | 25,2 | 0,86 | |
| 1 | 0,57 | 2390 | 30,1 | 26,9 | 0,89 | |
| 1,2 | 0,55 | 2380 | 31,6 | 26,3 | 0,83 | |
| 1,5 | 0,53 | 2300 | 33,3 | 20,0 | 0,60 | |
| 1,8 | 0,50 | 2273 | 36,0 | 21,8 | 0,61 | |
| 2 | 0,49 | 2315 | 37,0 | 22,8 | 0,62 | |
| 2,5 | 0,49 | 2315 | 37,0 | 23,2 | 0,63 |
* Теоретическая прочность расчитана по формуле Rб=A∙Rц∙(Ц/В±0,5) при А=0,60 и активности цемента 40 МПа
Из данных табл. 4 следует, что для добавки Sikament F05, так же как и при испытании по пластификации, наблюдается превышение значения фактической прочности по сравнению с теоретической. Что касается значений коэффициента Кsp’, то для добавок Sikament F05 и Mapefluid N200 в пределах статистического разброса они совпадают со значениями Кsp, определенными при пластификации, и тем самым подтверждают особенности влияния каждого суперпластификатора на структурообразование (в конечном итоге – на становление прочности бетона).
Для бетона с суперпластификатором Stachement 2428 наблюдается снижение фактической прочности по сравнению с теоретической и, соответственно, снижение значения коэффициента Кsp’ до 0,60-0,63. Рассмотрение свойств бетонных смесей с данной добавкой показывает, что с увеличением ее дозировки отмечается снижение плотности с 2375 кг/м3 до 2310-2315 кг/м3, что свидетельствует о значительном воздухововлечении. Если рассматривать значения коэффициента Кsp, определенного при пластификации, то для данной добавки такого спада прочности не происходит. Возможно, это связано с тем, что при пластификации подвижность бетонных смесей была значительно выше, и вовлеченный воздух легче выходил из смеси при ее вибрации.
Выводы:
1. Прочностная совместимость добавки с цементами является важной характеристикой, определяющей выбор и дозировку добавки.
2. Использование коэффициента прочностной совместимости конкретной пары «добавка – цемент» позволяет обоснованно корректировать расход цемента в соответствии с задачей изменения прочности бетона или дозировки суперпластификатора, а также повысить точность предварительного расчета прочности бетона в процессе разработки составов бетонной смеси.
Библиографический список
1. Ушеров-Маршак А.В. Бетоноведение: лексикон. – М.: РИФ «Стройматериалы», 2009, – 112 с.
2. ГОСТ 24211-2008. Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия.
3. Несветаев Г.В., Давидюк А.Н. Влияние некоторых гиперпластификаторов на пористость, влажностные деформации и морозостойкость цементного камня // Строительные материалы, №1, 2010, с. 44-46.
4. Несветаев Г.В. Некоторые вопросы применения добавок для бетонов // Бетон и железобетон. – СПб.: Славутич, №2, 2011, с. 78-80.
5. Зоткин А.Г. Бетоны с эффективными добавками. – М.: Инфра-Инженерия, 2014, – 160 с.
