Исследование реотехнологических характеристик цементных и минеральных суспензий при разработке самоуплотняющихся бетонных смесей

За последние десятилетия произошел значительный прогресс бетоноведения, позволивший превратить бетоны в сложный многокомпонентный композиционный материал с высокой функциональностью каждого из компонентов, бетонной смеси и бетона в целом [1]. На сегодняшний день эффекты функциональности хорошо совместимых компонентов бетона проявляются на стадиях приготовления, транспортирования, укладки, твердения и эксплуатации композитов, что доказано с позиции многих фундаментальных и прикладных наук, в том числе и с применением методов и подходов относительно молодых и стремительно развивающихся научных направлений – метода экспериментальностатистического моделирования [2; 3], фрактального анализа [4; 5] и др.

В настоящее время происходит становление современных бетонов, однозначно относимых мировым технологическим сообществом к категории бетонов нового поколения (БНП) с высокими показателями прочности, удобоукладываемости, стабильности объема и долговечности [6–10]. Особое место среди бетонов нового поколения занимают самоуплотняющиеся бетоны (СУБ) – Self-Compacting Concrete (SCC, англ.), Selbstverdichtender Beton (SVB, нем.), Beton autoplacant (BAP, франц.), получившие в настоящее время за рубежом достаточно широкое распространение. Данный термин, предложенный в 1986 году японским профессором Х. Окамурой, объединяет бетонные смеси с высокими показателями удобоукладываемости (расплыв стандартного конуса свыше 55-60 см при сниженных значениях водоцементного отношения до 0,35-0,4 и менее), обусловленными высокой деформативностью суспензионной матрицы наряду с ее высоким сопротивлением сегрегации или расслоению при перемещении [11].

В рецептуре самоуплотняющихся бетонных смесей необходимо наличие значительного количества дисперсных микроразмерных частиц цемента или минеральных наполнителей (преимущественно 1-100 мкм), увеличивающих совместно с портландцементом объем дисперсно-водной суспензии и повышающих ее реотехнологические показатели. При этом не всякие наполнители способны обеспечивать более высокую текучесть в суспензии с суперпластификатором, чем цементные суспензии. Для характеристики такой способности профессором В. И. Калашниковым был введен термин «реологически активный наполнитель в суспензии с суперпластификатором» [12].

Многообразие горных пород различного происхождения вызывает научный интерес к исследованию возможности их использования в качестве реологически активного минерального наполнителя в самоуплотняющихся бетонных смесях. Проведенные научные исследования отечественных [13] и зарубежных [14] авторов показали эффективность применения тонкомолотых кварцевых песков в качестве тонкодисперсных наполнителей высокоподвижных бетонных смесей, обусловленную явлением перезарядки отрицательной поверхности частиц кислых кварцсодержащих пород (пылевидный кварц, гранит, диабаз, базальт, опока, диатомит) в присутствии портландита Ca(OH)2, вызывающего сильное разжижение водных дисперсий с поликарбоксилатными суперпластификаторами. Однако наиболее совместимыми с анионоактивными разжижителями являются карбонатные породы (известняк, мрамор, доломит) [7; 13], имеющие частицы со значительной долей положительно заряженных активных центров. При этом известно [15], что некоторые виды известняков в смеси с высокоэффективными поликарбоксилатными суперпластификаторами позволяют получать гравитационно-растекающиеся агрегативно-устойчивые системы с предельно высокой объемной концентрацией твердой фазы, достигающей 70-74%.

Обобщая вышесказанное, можно отметить, что исследования в области самоуплотняющихся бетонных смесей является наукоемкой задачей, для осуществления которых необходимо задействовать положения реологии и физико-химической динамики дисперсных систем. При этом получение самоуплотняющихся бетонных смесей необходимо начинать с разработки реологически активной рецептуры цементно-минеральных суспензий, что является основной целью данного исследования. С учетом того, что самоуплотняющиеся бетонные смеси отличаются повышенным содержанием пластифицированной суспензионной составляющей, основным критерием эффективности данной рецептуры является полнота использования пластифицирующих и водоредуцирующих возможностей суперпластификаторов, позволяющих формировать малоструктурные агрегативноустойчивые суспензии с предельно-высокой концентрацией твердой фазы, низкими значениями предельного напряжения сдвига и пластической вязкости при высокой гравитационной текучести под действием собственного веса (расплыв из стандартного конуса (ГОСТ 10181) и конуса Хегерманна (ГОСТ 310.4) – не менее 550 и 280 мм соответственно). При этом эффективность пластифицирующих добавок будет зависит от многих факторов – способа введения и оптимальной дозировки разжижителя, реологической активности применяемых наполнителей и др.

Поставленная цель исследования достигалась решением следующих задач:

• 1)    исследованием водоредуцирующей эффективности поликарбоксилатного суперпластификатора в цементных суспензиях в зависимости от способа введения; выбор наиболее эффективного способа;

• 2)    анализом реотехнологической эффективности рецептуры цементно-минеральных суспензий с установлением влияния дозировки компонентов на текучесть дисперсных систем;

• 3)    установлением оптимальной дозировки поликарбоксилатного суперпластификатора и реологически активного минерального наполнителя в цементноминеральных суспензиях при разработке самоуплотняющихся мелкозернистых бетонных смесей.

Для изучения влияния процедуры введения суперпластификатора в цементную суспензию на его водоредуцирующую эффективность использовались: портландцемент класса ЦЕМ I 32,5Б производства ПАО «Мордовцемент» и порошковый поликарбоксилатный суперпластификатор марки «Melflux 5581 F» (BASF Construction Solutions (Trostberg, Германия)). Пластифицирование цементных суспензий осуществлялось при концентрации разжижителя, составляющего 1% от массы портландцемента.

Введение суперпластификатора производилось следующими способами: 0 – приготовление цементного теста без разжижителя; 1 – сухое введение суперпластификатора в виде порошка и его дискретное распределение при перемешивании с портландцементом на начальном этапе приготовления смеси и дальнейшее затворение сухой смеси требуемым количеством воды; 2 – растворение порошкового суперпластификатора в требуемом количестве воды и затворение портландцемента получившимся водным раствором разжижителя; 3 – затворение портландцемента первой порцией воды (половиной объема воды затворения) с последующим введением раствора оставшегося объема воды и суперпластификатора.

Количество воды затворения для каждого способа введения суперпластификатора подбиралось экспериментально с учетом получения цементного теста нормальной густоты (ГОСТ 310.3).

В качестве критерия оценки эффективности способов введения разжижителя в цементные суспензии использовали величину объемной концентрации твердой фазы дисперсных систем в процентах или в долях единицы

^/Рт.ф.

водоцементное отношение

У~1/р^+В/Т, где ртф - истинная плотность цемента, ртф = 3,1 г/см3; В/Ц — непластифицированного ((В/Ц)Нг) или пластифицированного ((В/Ц)Нг) цементного теста нормальной густоты.

Результаты исследования представлены в таблице 1.

Таблица 1

Способ введения и водоредуцирующая эффективность пластификатора

Способ введения	(В/Ц) нг , отн. ед.	(В/Ц) нг , отн. ед.	С у , %
0	0,265	-	55
1	-	0,14	70
2	-	0,16	67
3	-	0,18	64

Как следует из анализа табл. 1, наибольшая водоредуцирующая эффективность порошкового суперпластификатора «Melflux 5581 F» зафиксирована при его сухом введении в виде порошка на начальном этапе приготовления смеси (способ № 1), что позволило получить пластифицированные цементные суспензии с максимальной объемной концентрацией твердой фазы в изореологическом состоянии С у = 70%.

На втором этапе производилось исследование реотехнологической эффективности цементно-минеральных суспензий с установлением влияния дозировки компонентов на текучесть дисперсных систем. В ходе экспериментальных исследований изучались реотехнологические характеристики не только чистых цементных суспензий, но и суспензий различных    дисперсных    наполнителей,    а также    бинарных    суспензий

(портландцемент + микрокальцит). Определение реотехнологических свойств приготовленных суспензий осуществлялось путем фиксации их расплывов из малого вискозиметра Суттарда диаметром 10 мм, высотой 40 мм по методике, разработанной в Пензенском университете архитектуры и строительства [16].

В качестве исходных компонентов дисперсных систем использовались бездобавочные портландцементы ЦЕМ I 42,5Б и 32,5 Б ПАО «Мордовцемент», а также ЦЕМ I 42,5Б ПАО «Сенгилеевский цементный завод», карбонатный наполнитель (микрокальцит КМ100 (МКМ)), активные минеральные добавки (микрокремнезем, метакаолин, «Пенетрон Адмикс», поликарбоксилатные суперпластификаторы Melflux 1641 F и Melflux 5581 F, содержание которых было фиксированным и составляло 1% от массы твердой фазы. Для приготовления суспензий использовался наиболее эффективный способ введения разжижителя (способ № 1, табл. 1)

В ходе проведения экспериментального исследования было изготовлено 68 непластифицированных и пластифицированных, одинарных и бинарных, цементных и минеральных суспензий и исследованы их реотехнологические показатели. По итогам установлена зависимость диаметра расплыва суспензии (у, мм) из минивискозиметра Суттарда (диапазон 10^60 мм) от содержания компонентов (г , , отн. мас. ед.; 0 < V , < 1; £^ = 1; i = 1,2,3.....12)

у = b 1 • V 1 + b₂ • v₂ + b₃ • v₃ + b₄ • v₄ + b₅ • v₅ + b₆ • v₆ +

+ b7 • V7 + b8 • V8 + b9 • Vg + bio • Vlo + b11 • V11 + b12 ' V12, где  b1, b2,..., b12 — коэффициенты  полиномиального уравнения, показывающие вклад каждого компонента в достижение требуемого расплыва суспензии; V1 — водосодержание цементных или минеральных суспензий (0,13^0,57 отн. мас. ед.); v2,v3,v4 — содержание портландцементов ЦЕМ I 42,5Б, ЦЕМ I 32,5Б ПАО «Мордовцемент» и портландцемента ЦЕМ I 42,5Б ПАО «Сенгилеевский цементный завод» соответственно (0÷0,86 отн. мас. ед.); v5,v6 — содержание супепластификаторов Melflux 1641 F и Melflux 5581 F соответственно (0^0,03 отн. мас. ед.); г7 — содержание микрокальцита КМ 100 (0^0,87 отн. мас. ед.); v8,vg — содержание микрокремнезема конденсированного уплотненного (МКУ-85) и неуплотненного (МК-85) соответственно (0^0,54 отн. мас. ед.); v10, V11, v12 — содержание метакаолина белого, серого и «Пенетрон Адмикс» соответственно (0÷0,66 отн. мас. ед.).

Коэффициенты полиномиального уравнения (2) представлены в таблице 2.

Таблица 2

Значение коэффициентов полиномиального уравнения (2)

b 1	b 2	b 3	b 4	b 5	b 6	b 7	b 8	b 9	b 10	b 11	b 12
-55,6	76,3	64,0	67,3	-640,4	-133,4	66,4	123,8	124,1	117,1	92,4	90,7

На третьем этапе осуществлялось установление оптимальной дозировки поликарбоксилатного суперпластификатора и реологически активного минерального наполнителя в цементно-минеральных суспензиях при разработке самоуплотняющихся мелкозернистых бетонных смесей. Для приготовления суспензий использовался портландцемент класса ЦЕМ I 32,5Б производства ПАО «Мордовцемент». Минеральная часть включала в себя карбонатный наполнитель – микрокальцит КМ100 (МКМ) с дозировкой 0÷300% от массы портландцемента (0÷75% от массы твердой фазы) с шагом варьирования 100%.

На начальном этапе определялась нормальная густота цементного и цементноминерального теста по методике ГОСТ 310.3 с учетом дозировки микрокальцита в смеси. Результаты представлены на рисунке 1. Согласно представленным данным, при повышении доли микрокальцита с 0 до 300% от массы портландцемента нормальная густота цементноминерального теста снижается с 26,5 до 24,6%. Представленные результаты свидетельствуют о сниженной водопотребности используемого карбонатного наполнителя и повышенной водоредуцирующей эффективности суспензий «портландцемент – микрокальцит» по сравнению с цементными суспензиями при получении минерального теста требуемой консистенции.

Содержание микрокальцита в смеси: % от массы портландцемента

Рис. 1. Нормальная густота цементно-минерального теста в зависимости от дозировки наполнителя.

Исследование влияния дозировки поликарбоксилатного суперпластификатора и микрокальцита КМ100 на текучесть цементных и цементно-минеральных суспензий с установлением оптимальной дозировки компонентов проводились при фиксированном водотвердом отношении В/Т = 0,15.

В процессе проведения исследования варьируемыми факторами являлись:

• -    содержание микрокальцита (МКМ) в смеси твердой фазы «портландцемент + микрокальцит» (Ц + МКМ) - отношение МКМ / Ц, % 1 = 0-3,0 отн. ед.;

• -    содержание суперпластификатора «Melflux 5581 F» (СП) – отношение СП / (Ц + МКМ), х₂ = 0-1,5%.

По результатам исследования осуществлялось построение экспериментальностатистической модели зависимости диаметра расплыва цементно-карбонатных суспензий («портландцемент - микрокальцит») (у, мм) из конуса Хегерманна (ГОСТ 310.4) от содержания варьируемых факторов Х1 и х2. ЭС-модели задавались в виде приведенного полинома у = Ьо + Ь1^Х1 + Ъ2^Х2+Ъ12^Х1^Х2 + Ьц • х2 + 1^ • х2 + Ъщ • х3 +

+ ^ 222 • Х 3 + Ъ 122 • Х 1 • Х 2 + Ъц 2 • Х 2 • Х 2 + Ъц 22 • Х 2 • Х 2 (3) где Ъ₀, Ъ 1 , Ъ₂, Ъ₁₂, Ъ₁₁, Ъ₂₂, Ъ₁₁₁, Ъ₂₂₂, Ъ₁₂₂, Ъ₁₁₂, Ъ₁₁₂₂ - коэффициенты полиномиального уравнения; х 1 , х₂ - значения варьируемых факторов.

Используя полином (3), были построены изолинии изменения диаметра расплыва цементно-карбонатных суспензий из конуса Хегерманна (рис. 2) в зависимости от значений факторов х1 и х2 в натуральных величинах при варьировании их в указанных выше диапазонах.

Рис. 2. Изменение диаметра расплыва цементно-карбонатных суспензий из конуса Хегерманна в зависимости от дозировки суперпластификатора и степени наполнения микрокальцитом.

При анализе ЭС-модели (3) и рис. 2 установлены оптимальные уровни варьируемых факторов, позволяющие достичь самоуплотняемости суспензий при значениях диаметра расплыва из конуса Хегерманна более 280 мм и водотвердом отношении равном 0,15 отн. ед.: дозировка суперпластификатора Melflux 5581 F – 0,5÷1,0% от массы твердой фазы; степень наполнения суспензии микрокальцитом – не менее 105% от массы портландцемента. При этом повышение содержания пластификатора до 1,5% от массы портландцемента не приводит к существенному приросту реотехнологических показателей. Достижение самоуплотняемости дисперсных систем при сниженных дозировках суперпластификатора, равных 0,45÷0,6% от массы твердой фазы, возможно при содержании наполнителя, превышающем 180% от массы портландцемента.

Полученные в ходе проведенных исследований реотехнологических свойств цементных и минеральных суспензий результаты станут основой при разработке самоуплотняющихся и высокоподвижных мелкозернистых бетонных смесей.