В статье приведены результаты исследования влияния различных суперпластификаторов на водонепроницаемость бетона.
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
Ключевые слова: водонепроницаемость, бетон, суперпластификатор, портландцемент, проницаемость, дозировка, минеральная частица, капиллярные каналы
Keywords: waterproofing, concrete, superplasticizer, Portland cement, permeability, dosage, mineral particle, capillary channels
В условиях концепции устойчивого развития современной цивилизации, учитывающей интересы грядущих поколений, современное бетоноведение концентрируется на развитии ресурсосберегающих технологий, в частности на создании долговечных бетонов. Поэтому исследование вопросов теории и практики долговечности бетона является актуальной задачей.
Долговечность бетона обычно обеспечивается созданием естественного противофильтрационного барьера для воды, агрессивных флюидов и газов посредством улучшения микро- и поровой структуры бетона.
Зачастую проектирование долговечности бетона в воде и агрессивных средах происходит нормированием водонепроницаемости и/или морозостойкости бетона. Водонепроницаемость бетона имеет более значимую роль, так как морозное разрушение его имеет место только при частичном или полном водонасыщении. Поэтому на практике долговечность бетона с некоторым приближением удобно оценивать по мере его водонепроницаемости.
Сегодня добавки-суперпластификаторы являются неотъемлемым компонентом современного бетона. Применяются они почти повсеместно как при получении высокопрочного бетона, так и для бетонов средней прочности. Несмотря на огромный опыт применения суперпластификаторов, имеются также противоречивые результаты, относящиеся к долговечности бетона с данными добавками [1, 4].
В технической литературе вопрос влияния суперпластификаторов на водонепроницаемость бетона изучается в основном для понижения водосодержания бетонной смеси, то есть при неизменной ее подвижности, сравнивая результаты водонепроницаемости бетона с суперпластификаторами с контрольным составом, В/Ц отношение которого значительно больше. Понятно, что в этом случае наблюдается значительное увеличение марки бетона по водонепроницаемости. По некоторым данным, это увеличение для оптимального расхода суперпластификатора достигает 4 ступеней марки.
Для полного понимания влияния суперпластификаторов на водонепроницаемость бетона нужно рассматривать оба случая использования этих добавок: при пластификации бетонной смеси (при неизменном В/Ц отношении состава) и при водоредуцировании (при неизменной подвижности составов). Результаты исследований, приведенные ниже, являются частью работы [2], в которой рассматривалось влияние данных суперпластификаторов на прочность бетона. Для исследования использовались добавки, техническая информация о которых приведена в табл. 1. Исследования выполнялись на цементах Ararat Cement (Армения) и Heilderberg Cement (Грузия).
Таблица 1
| Производитель | Наименование добавки | Форма | Химическая основа* | Дозировка, % от массы цемента |
| Sika | Sikament F05 | 40% водный раствор полимера | NSF | 0,5-1,5 |
| Sikament FFN | 40% водный раствор полимера | MSF | 0,8-3 | |
| Mapei | Mapeflud N200 | 40% водный раствор полимера | NSF | 0,4-1,2 |
| Basf | Rheobuild 1000 | 40% водный раствор полимера | NSF | 0,8-1,4 |
| Stachema | Stachement 2428 | 40% водный раствор полимера | PCE | 0,15-1,4 |
| Полипласт | Полипласт СП-4 | сухая | NSF | 0,4-0,8 |
*NSF – нафталининсульфоформальдегид, MSF – меламинсульфоформальдегид, PCE – эфир поликарбоксилата
Во-первых, влияние суперпластификаторов на водонепроницаемость бетона было изучено для варианта пластификации бетонной смеси при разных дозировках добавок (В/Ц=const). Контрольный состав бетона следующий: Щ=1010 кг/м3, П=930 кг/м3, Ц=360 кг/м3, В/Ц=0,63. В исследовании применялись: щебень базальтовый 5-20 мм (Киликийского месторождения, Армения), песок речной, мытый (Мкр=2,2), портландцемент Араратского завода CEM II/A 42,5N. Соответствующие результаты увеличения подвижности и изменения прочности с данными суперпластификаторами приведены в работе [2]. Из бетонных смесей отформовывались образцы-цилиндры диаметром и высотой 150 мм, которые впоследствии были испытаны на водонепроницаемость после 28 суток твердения в нормальных условиях.
Испытание водонепроницаемости бетона было осуществлено по EN 12390-8 «Глубина проникновения воды под давлением», суть которого – оценка глубины проникновения воды после 72-часового приложения давления в 0,5 МПа. Основные различия, преимущества и корреляционная зависимость между данным стандартом и отечественным ГОСТ 12730.5 «Бетоны. Методы определения водонепроницаемости» приведены в работе [3].
Результаты испытаний представлены в табл. 2 и на рис. 1.
Таблица 2
| Наименование добавки | Дозировка, % | В/Ц | Глубина проникновения воды, мм | Соответствующая марка по водонепроницаемости, W (по [3]) |
| Sikament F05 | 0 | 0,63 | 96 | 6 |
| 0,5 | 0,63 | 82 | 8 | |
| 0,8 | 0,63 | 135 | 2 | |
| 1 | 0,63 | 132 | 2 | |
| 1,2 | 0,63 | 88 | 8 | |
| 1,5 | 0,63 | 76 | 10 | |
| 1,8 | 0,63 | 66 | 12 | |
| 2 | 0,63 | 55 | 12 | |
| Sikament FFN | 0 | 0,63 | 96 | 6 |
| 0,8 | 0,63 | 130 | 2 | |
| 1 | 0,63 | 132 | 2 | |
| 1,2 | 0,63 | 118 | 4 | |
| 1,5 | 0,63 | 119 | 4 | |
| 1,8 | 0,63 | 115 | 4 | |
| 2 | 0,63 | 108 | 6 | |
| 2,5 | 0,63 | 65 | 12 | |
| 3 | 0,63 | 52 | 14 | |
| Mapeflud N200 | 0 | 0,63 | 96 | 6 |
| 0,5 | 0,63 | 145 | 2 | |
| 0,8 | 0,63 | 145 | 2 | |
| 1 | 0,63 | 125 | 4 | |
| 1,2 | 0,63 | 149 | >2 | |
| 1,5 | 0,63 | — | — | |
| 1,8 | 0,63 | 148 | >2 | |
| 2,5 | 0,63 | 150 | >2 | |
| Rheobuild 1000 | 0 | 0,63 | 96 | 6 |
| 0,5 | 0,63 | 146 | >2 | |
| 0,8 | 0,63 | 148 | >2 | |
| 1 | 0,63 | 145 | 2 | |
| 1,2 | 0,63 | 148 | >2 | |
| 1,5 | 0,63 | 130 | 2 | |
| 1,8 | 0,63 | 136 | 2 | |
| 2,5 | 0,63 | 150 | >2 | |
| Stachement 2428 | 0 | 0,63 | 96 | 6 |
| 0,5 | 0,63 | 73 | 12 | |
| 0,8 | 0,63 | 54 | 14 | |
| 1 | 0,63 | 35 | 16 | |
| 1,2 | 0,63 | 147 | >2 | |
| Полипласт СП-4 (40% водный раствор) | 0 | 0,63 | 96 | 6 |
| 0,5 | 0,63 | 110 | 6 | |
| 0,8 | 0,63 | 108 | 6 | |
| 1 | 0,63 | 119 | 4 | |
| 1,2 | 0,63 | 120 | 4 |
Из данных видно, что для суперпластификаторов на основе нафталинсульфоформальдегида Mapefluid N200, Rheobuild 1000, Полипласт СП-4 с увеличением дозировки наблюдается увеличение глубины проникновения воды вплоть до полного водонасыщения образцов.
Проницаемость воды с суперпластификаторами увеличивается с 96 мм для контрольного состава до 120-150 мм для пластифицированных составов. Объяснить это явление можно следующим образом: при ограниченном водосодержании зерна цемента образуют флокулы, сдерживая внутри себя некоторое количество воды. После схватывания и твердения цемента на месте флокулы образуется замкнутая пора, не являющаяся магистральной по отношению к другим порам, поэтому даже при повышенном давлении вода не проникает внутрь (рис. 2а).
При применении пластифицирующих добавок происходит разрушение флокул путем раздвигания частиц цемента, и мобилизованная во флокуле вода выходит наружу, тем самым пластифицируя бетонную смесь. После твердения образуется сообщающийся с порами канал, который полностью проницаем для воды (рис. 2б). Хотя количество общей пористости для обоих случаев практически одинаковое (соответственно, бетоны имеют равную прочность [2]), так как оно зависит от В/Ц отношения, характер пор разный: замкнутый для первого случая и сообщающийся для второго. Этим объясняется также уменьшение морозостойкости бетонов с суперпластификаторами, встречающееся в работах разных авторов[1, 4].
Несмотря на общую картину увеличения проницаемости бетона с добавками Mapefluid N200, Rheobuild 1000, Полипласт СП-4, количественно бетон с СП-4 менее проницаем. Это объясняется повышенным воздухововлекающим эффектом СП-4 [2]. Мелкие пузырьки воздуха благоприятно влияют на водонепроницаемость бетона, частично блокируя капиллярные проходы, и препятствуют расслоению бетонной смеси.
Для суперпластификаторов Sikament F05 и Sikament FFN наблюдается немного иная картина. В работе [2], в которой исследовался вопрос прочности бетона с данными суперпластификаторами, при той же схеме введения в смесь (В/Ц=const) в зависимости от дозировки наблюдалось повышение прочности от 20-40%. Такое повышение, по-видимому, обусловлено наличием активных минеральных добавок в рецептуре суперпластификаторов линии Sikament.
При исследовании водонепроницаемости с данными добавками при низких дозировках 0,5% и 0,8% наблюдается увеличение проницаемости бетона до 132-135 мм по причине образования каналов из иммобилизованной из флокул воды. Дальнейшее увеличение дозировки суперпластификаторов Sikament приводит к уменьшению проницаемости. Видимо, начиная с дозировки 1,2% количество минеральных частиц в пластификаторе становится достаточным, чтобы блокировать капиллярные каналы. На максимальных дозировках указанных суперпластификаторов проницаемость бетона составляет уже 52-55 мм, что соответствует марке по водонепроницаемости W12-W14 против W6 для контрольного состава.
Для бетонов с суперпластификатором на основе поликарбоксилата Stachement 2428 с увеличением его дозировки до 1% наблюдается уменьшение проницаемости до 35 мм. Такое явление, возможно, объясняется эффектом самоуплотнения и перекрыванием канальной пористости. Кроме того, наблюдается повышенное воздухововлечение смеси с этим суперпластификатором. Плотность бетонной смеси уменьшается на 50-60 кг/м3 [2]. Данное воздухововлечение также положительно влияет на водонепроницаемость бетона. Но уже при дозировке 1,2% происходит расслоение бетонной смеси и сильное водоотделение. Капилляры при этом становятся сообщающимися, и проницаемость бетона увеличивается. Расслоение бетонной смеси для некоторой критической дозировки поликарбоксилатного суперпластификатора вполне закономерно, так как данные добавки очень чувствительны к расходу и В/Ц отношению.
Несмотря на самоуплотнение и уменьшение проницаемости бетона с поликарбоксилатным суперпластификатором в данном случае, в работе [1] наблюдается ухудшение гидрофизических свойств с тем же типом добавки. Скорее всего, улучшение в нашем случае имеет избирательный характер в зависимости пары «цемент – суперпластификатор».
Аналогичные испытания были проведены с другими классами цемента другого производителя – Heidelberg Cement CEMII 32,5 и CEM I 42,5 (Грузия). В ходе экспериментов применялись те же материалы заполнителей, с тем же расходом цемента, по той же схеме, но с другими (меньшими) В/Ц отношениями, так как водопотребность данных классов цемента производства Heidelberg Cement меньше, чем у цемента производства Ararat Cement. Результаты приведены в табл. 3.
Таблица 3
| Производитель, класс цемента, (В/Ц) | Наименование добавки | Дозировка, % | Глубина проникновения воды, мм | Соответствующая марка по водонепроницаемости, W |
| Heidelberg Cement, CEM II 32,5 (В/Ц=0,56) | Sikament F05 | 0 | 87 | 8 |
| 0,8 | 100 | 6 | ||
| 1,2 | 106 | 6 | ||
| 1,5 | 105 | 6 | ||
| 1,8 | 59 | 12 | ||
| Heidelberg Cement, CEM I 42,5 (В/Ц=0,55) | Sikament F05 | 0 | 80 | 8 |
| 0,8 | 113 | 4 | ||
| 1,2 | 120 | 4 | ||
| 1,5 | 51 | 12 | ||
| 1,8 | 65 | 12 |
Результаты табл. 3 показывают аналогичную ситуацию, которая была рассмотрена выше.
Обобщая результаты влияния суперпластификаторов на водонепроницаемость бетона для метода пластификации смеси, надо отметить их негативное воздействие почти во всех случаях. Случаи положительного влияния обусловлены лишь особенностью рецептуры самого суперпластификатора либо его избирательным воздействием на конкретный тип цемента.
Как уже отмечалось, в литературе вопрос водонепроницаемости бетона рассматривается в основном для случая понижения водосодержания, когда пластифицированная бетонная смесь имеет одинаковую по сравнению с контрольной подвижность. Нами также были проведены эксперименты для данного случая на тех же заполнителях с добавками Sikament F05, Mapeflud N200, Stachement 2428. Подвижность бетонных смесей составляет 16-18 см. Расход цемента во всех случаях равен 350 кг/м3. Результаты испытаний водонепроницаемости бетона показаны на рис. 3.
Результаты на рис. 3 вполне закономерны. Для равноподвижных смесей увеличение дозировки любой пластифицирующей добавки (следовательно, уменьшение В/Ц) приводит к снижению величины проникновения воды с 145 мм (для контрольного состава) до 28-30 мм (в случае Sikament F05) и к увеличению марки по водонепроницаемости на 5-7 ступеней. Сравнивать же суперпластификаторы между собой по влиянию на водонепроницаемость корректно при равных В/Ц, что и было сделано в первой серии экспериментов для В/Ц=0,63.
Выводы:
– применение суперпластификаторов изменяет характер пористости цементного камня, уменьшая количество замкнутых пор, и по сравнению с тем же, но бездобавочным составом увеличивает сообщающиеся поры. Как следствие, увеличивается проницаемость бетона и уменьшается его долговечность;
– ввод в бетонную смесь пластифицирующих добавок при низких В/Ц отношениях позволяет надежно достигать высоких значений водонепроницаемости. Использование в таких случаях бездобавочных составов нецелесообразно по причине трудности обеспечения качественного уплотнения.
Библиографический список
1. Несветаев Г.В., Давидюк А.Н. Влияние некоторых гиперпластификаторов на пористость, влажностные деформации и морозостойкость цементного камня // Строительные материалы, №1, 2010, с. 44-46.
2. Антонян А.А., Никогосян В.Н. Изучение вопросов прочностной совместимости цементов с суперпластификаторами // Технологии бетонов, 2017, №1-2, с. 43-47.
3. Антонян А.А. Сравнительная оценка методов определения водонепроницаемости бетонов на примере исследования влияния содержания цемента // Бетон и железобетон. – СПб.: Славутич, №2, 2015, с. 44-47.
4. Зоткин А.Г. Бетоны с эффективными добавками. – М.: Инфра-Инженерия, 2014, – 160 с.
