ИК-спектры суперпластификатора СП-2ВУ и цементного раствора с добавкой

На сегодняшний день бетон является одним из наиболее распространенных строительных материалов, применяемых практически во всех отраслях строительства.

Для повышения эффективности, качества и долговечности бетона, а также совершенствования его свойств применяют различные

технологические приемы, наиболее доступным из которых является введение в бетонную смесь химических добавок [1–6]. Последние позволяют существенно снизить уровень затрат на единицу продукции, повысить качество и эффективность бетонных и железобетонных конструкций, увеличить срок их службы, а также зданий и сооружений в целом [7–12].

Проведенные ранее исследования [13] показали, что введение в бетонную смесь суперпластификатора «ПОЛИПЛАСТ СП-3» (производитель ОАО «Полипласт») позволяет регулировать строительно-технические свойства в разных направлениях. Так, содержание 0,5–1,0% регулятора в составе композиции приводит к ускорению скорости схватывания смеси за счет пептизирующего действия добавки. При этом выявлено оптимальное содержание модификатора, способствующее набору необходимой скорости структурообразования системы и формированию прочных структур твердения с определенными эксплуатационными характеристиками. Так, при введении в бетонную смесь 0,5% суперпластификатора СП-3 наблюдается прирост прочности образцов на 22%.

Еще одним представителем группы суперпластификаторов является добавка Полипласт СП-2ВУ, представляющая собой смесь нейтрализованных едким натром полимерных соединений с различной средней молекулярной массой и шириной молекулярно-массового распределения.

Цель работы – изучить влияние введения суперпласификатора СП-2ВУ в бетон в чистом виде и в составе затвердевшего цементного раствора (0,1–0,9%) с помощью анализа ИК–спектров.

Материалы и методы

В качестве вяжущего вещества в бетонной смеси использовали портландцемент марки ЦЕМ I 42,5 Б ОАО «Мордовцемент», соответствующий требованиям ГОСТ 31108–2003 [14] (минералогический состав его клинкера (массовое содержание, %): С 3 S – 62; С 2 S – 14; С 3 A – 6,5; С 4 AF – 12).

Заполнителями бетона являлись обогащенный кварцевый песок Хромцовского месторождения с модулем крупности 2,4, отвечающий требованиям ГОСТ 8736–2014 [15], и гранитный щебень Орского месторождения фракции 5–20 мм с водопоглощением 0,2%, соответствующий требованиям ГОСТ 8267–93 [16]. В качестве регулятора использовали суперпластификатор со стабилизирующим эффектом для бетонов и растворов «Полипласта СП-2ВУ» (СП-2ВУ), который выпускает ООО «Полипласт Новомосковск» в форме водного раствора коричневого цвета по ТУ 5745–015–58042865–2006 [17].

Анализ ИК-спектроскопии материала осуществляли с помощью прибора Avatar 360-FT–IP (фирма «Nicolet») в области 500–4000 см-1.

Регулирование свойств бетона введением добавки оценивали по пределу прочности при сжатии бетонной композиции в 3-, 7- и 28-суточном возрасте в соответствии с ГОСТ 310.3–76 [18]. Для определения прочностных характеристик готовили бетонную смесь М300 с соотношением компонентов, представленным в таблице 1.

Таблица 1.

Соотношение компонентов в бетонной смеси

Table 1.

The Ratio of Components in Concrete Mix

Состав бетонной смеси The composition of the concrete mix	Массовое содержание, % Mass content, %
	без добавки no additive	с добавкой with additive
Цемент | Cement	13,83	12,83
Песок | Sand	32,31	34,18
Гравий | Gravel	46,95	46,58
Вода | Water	6,91	6,41
Добавка СП-2ВУ Additive SP-2VU	–	0,30

Введение добавки СП-2ВУ осуществляли в виде водного раствора с массовым содержанием 0,1–0,9% от массы цемента, при этом она вводится сверх 100% состава бетонной смеси.

Твердение бетонных композиций осуществлялось при тепловлажностной обработке образцов в пропарочной камере при температурах до 80 °С и давлении 0,3 МПа.

Результаты и обсуждение

Проанализирован химический состав добавки в чистом виде и в составе затвердевшего цементного раствора с помощью ИК–спектро-скопии. Полученные ИК–спектры СП-2ВУ представлены на рисунке 1.

Рисунок 1. ИК–спектр водного раствора Полипласт СП-2ВУ

• Figure 1.    IR spectrum of an aqueous solution of Polyplast SP–2VU

  В связи с тем что добавка взята в виде водного раствора, для нее характерна очень широкая полоса в области 3100–3650 см^-1, в которой поглощают ОН–группы, соединенные водородными связями. Присутствует полоса ~1600 см^-1, свойственная свободной воде. При 2927 см^-1 поглощают метиленовые группы – СН 2 –СН 2 –. Умеренно интенсивные колебания метиленовых мостиков наблюдаются и в области 680–900 см^-1. Заметные полосы соответствуют группам –С–ОН (1512, 1452 см^-1), – С = О (перегиб при 1785 см^-1), – С–О–С– (1188,1038 см^-1).

При 2230 см-1 обнаруживается полоса, предположительно отвечающая колебаниям акрилонитрильной группы – С ≡ N, и компонент сложной полосы (1667 см-1) – для амидной группы. Можно отметить полосы ~1300 и ~1100 см-1, свойственные валентным колебаниям сульфогруппы.

В ходе работы были изучены ИК–спектры цементного раствора с добавкой содержат в основном полосы поглощения, характерные для гидратированных клинкерных минералов. Это полосы валентных колебаний –Si–O-связей, присутствующих в изолированных (900–950 см-1) и в связанных (1100–1200, 833 см-1) кремнийкислородных тетраэдрах, алюмокислородных октаэдрах (707–718, 592 см-1). Достоверность цементного раствора с регулятором с концен-      полученных данных подтверждается иденти- трацией 0,1 и 0,5% (рисунок 2). Спектры      фикацией основных пиков.

Рисунок 2. ИК-спектр цементных растворов с добавкой СП-2ВУ. Концентрация добавки, масс. %: a – 0,1; b – 0,5

• Figure 2.    The IR spectrum of cement mortars with the addition of SP–2VU. The concentration of the additive, wt. %: a – 0.1; b – 0.5

При малом содержании добавки (рисунок 2, а ) полосы имеют нечеткие очертания, что свидетельствует о недостаточно упорядоченной структуре новообразований.

Основные различия спектров (рисунок 2) заключаются в характере полос, соответствующих валентным колебаниям протона относительно кислорода в гидратированных соединениях (области 3100–3700 и 2100–2920 см-1).

Первая полоса в спектре на рисунке 2, а является сложной, состоящей из компонентов для преимущественно мономерных (~ 3640 см^-1), димерных (~ 3500 см^-1) и полимерных (~3390 см^-1) ОН-групп, тогда как в спектре на рисунке 2, b данная полоса отвечает колебаниям полимерных гидроксилов.

Поглощение при 2850 и 2920 см-1 в последнем случае также более выражено. Полосы для комбинации деформационных и крутильных колебаний Н2 О (2100–2300 см-1) в спектре на рисунке 2, а практически не наблюдаются (в отличие от рисунка, b). Полоса 1621–1626 см-1 для межслоевой воды также более дифференцирована (рисунок 2, b). ИК-спектры подтверждают формирование более упорядоченной и стабильной структуры при введении СП2-ВУ в количестве 0,5% (рисунок 3), объясняя повышенную (в этом случае) прочность цементного камня. Тогда как с увеличением содержания добавки в бетонной смеси наблюдается некоторое снижение набора прочности бетона.

Рисунок 3. Зависимость предела прочности при сжатии от возраста бетона с добавкой СП-2ВУ. Концентрация добавки, %: 1 – 0; 2 – 0,1; 3 – 0,3;

4 – 0,5; 5 – 0,8

Figure 3. Dependence of compressive strength on the age of concrete with the addition of SP–2VU. Concentration of the additive, %: 1 – 0; 2 – 0.1; 3 – 0.3;

4 – 0.5; 5 – 0.8

Заключение

Таким образом, изучение ИК–спектров суперпласификатора СП-2ВУ показало, что введение добавки в бетон приводит к изменению структуры и прочностных характеристик бетонной композиции. Так, выявлено формирование более упорядоченной и стабильной структуры при введении СП-2ВУ в количестве 0,5%, объясняя повышенную (в этом случае) прочность цементного камня. За счет модифицирования