Суперпластификатор С-3 и его влияние на технологические свойства бетонных смесей

journal homepage:

Наиболее важными технологическими свойствами бетонных смесей являются удобоукладываемость, стойкость против водо- и раствороотделения, сохраняемость свойств во времени, воздухововлечение. Возможность получения высокоподвижных самоуплотняющихся бетонных смесей позволяет производить их укладку в труднодоступные, тонкостенные, густоармированные конструкции, что особенно важно при возведении уникальных зданий и сооружений, таких как объекты тепловой и атомной энергетики, спортивных комплексов, высотных зданий, гидротехнических сооружений. Литая консистенция смеси необходима при использовании бетононасосов, в том числе по напорной технологии [1].

В настоящее время, широко применяются добавки, позволяющие существенно повысить удобоукладываемость бетонных смесей. В зависимости от эффективности они получили название суперпластификаторов (СП) и гиперпластификаторов (ГП). В качестве первых используются, чаще всего, добавки на основе сульфированных нафталин-формальдегидных смол (СНФ), снижающие водопотребность бетонной смеси, примерно на 20-30 %, в качестве вторых – добавки на основе поликарбоксилатов, водоредуцирующая способность которых оценивается в 30-40 %. Существенным достоинством поликарбоксилатов является их способность повышать уровень защиты стальной арматуры от коррозии за счет уменьшения степени карбонизации бетона [2]. Пластифицирующее действие добавок СНФ многие исследователи объясняют увеличением сил электростатического отталкивания между цементными частицами [3]. Установлено, что в присутствии добавок СНФ-группы наблюдается задержка времени схватывания [4], что увеличивает живучесть смеси и допускает ее транспортировку на большие расстояния.

На отечественном строительном рынке имеется обширный выбор добавок на поликарбоксилатной основе, главным образом, зарубежных производителей, крупнейшими из которых являются Basf (Германия), Sika (Швейцария), MC-Bauchemie (Германия). Эффективность этих добавок на 20-30 % выше, чем СНФ-продуктов [5-6], однако стоимость и расход на 1 м3 бетона примерно в 1,5-2 раза выше. Кроме того, как отмечают исследователи [7-11], имеются проблемы совместимости поликарбоксилатов с теми или иными цементами. Совместимость ГП с цементами предполагает также определенное контролируемое вовлечение воздуха в бетонную смесь, соответствующее заданным условиям. Воздухововлечение в этом случае регулируется количеством антивспенивателя в составе добавки [12-13]. Факторами, влияющими на пластифицирующую способность ГП, являются удельная поверхность цемента, содержание в нем С3А, Na2O и SO3 [14-16]. Отмечается также чувствительность поликарбоксилатов к низким температурам, что существенно для районов с суровым климатом.

Результаты сравнительных испытаний на совместимость поликарбоксилатов с цементами

Проблема избирательной совместимости поликарбоксилатов с цементами решается обычно сравнительными испытаниями и выбором наиболее эффективного представителя из тестируемой группы. Однако затруднения могут возникнуть в процессе строительства, если химический состав очередной партии цемента дает случайные отклонения в неблагоприятную сторону. Даже в случае нормированного состава портландцемента, получаемого из одной и той же печи, такое возможно.

В процессе подбора состава и испытаний бетона класса В60 на портландцементе ЦЕМ I 42,5Н ЗАО «Липецкцемент» с добавкой ГП Muraplast FK-63.30 (МС Bauchemie) мы обнаружили, что при замене цемента из одной партии поставки (№ 115) на другую (№ 285) подвижность бетонной смеси резко снизилась. Химический и минералогический состав цементов обеих партий отличался значениями, приведенными в таблице 1.

Таблица 1. Химико-минералогический состав портландцемента ЦЕМ I 42,5Н ЗАО «Липецкцемент» разных партий

№ партии	Химический состав, %										Минералогический состав, %
	SiO 2	Al 2 O 3	Fe 2 O 3	CaO	MgO	SO 3	R 2 O	CaO св	П.п.п.	Сумма	C 3 S	C 2 S	C 3 A	C 4 AF
115	22,04	4,57	3,57	66,25	2,38	0,10	0,43	0,38	0,18	99,90	66,44	13,06	6,06	10,85
285	21,02	4,84	3,79	66,56	1,58	0,18	0,46	1,07	0,28	99,78	73,33	4,94	6,40	11,52

Выбор подходящей добавки

Для выбора новой добавки проводили сравнительные испытания эффективности различных модификаторов на основе поликарбоксилатов с помощью вискозиметра Суттарда. Готовили цементное тесто с В/Ц=0,25, затем вводили добавку в виде жидкого продукта, поставляемого производителем, и перемешивали. Разжиженную таким образом смесь заливали в цилиндр вискозиметра и определяли расплыв теста после вытекания из цилиндра. Результаты испытаний приведены на рисунке 1.

Рисунок 1. Оценка совместимости пластифицирующих добавок с цементами из разных партий

Как это видно из рисунка 1 ГП Muraplast FK-63.30 (МС Bauchemie) и Cimfluid 2002 (Axim) имеют примерно одинаковую эффективность, и при этом на цементе партии № 285 эффективность обеих добавок резко снижается. Для цемента этой партии из номенклатуры поликарбоксилатов производства компании МС Bauchemie удалось выбрать добавку Pawer Floy PF 1180, которая обеспечила заданную удобоукладываемость. В то же время, совершенно неожиданно действие отечественной добавки С-3 (ТУ 5745-001-97474489-2007) оказалось не хуже, а даже немного лучше действия поликарбоксилатов, несмотря на то, что эта добавка относится к суперпластификаторам и характеризуется меньшей эффективностью своего класса. Возможно, что в данном случае пластифицирующая способность поликакбоксилатов не проявилась в полной мере из-за особенностей данного цемента. Важным обстоятельством является то, что добавка С-3 не проявила никакой избирательности, и даже на проблемном цементе, каковым является цемент партии № 285, результат оказался лучше, чем на цементе партии № 115.

Construction of Unique Buildings and Structures, 2014, №6 (21)

С-3 и его влияние на технологические свойства бетонной смеси

Влияние С-3 на свойства бетонных смесей с различными цементами исследовалось достаточно широко. Были установлены определенные различия в степени пластификации смесей в зависимости от вида цемента. Однако для большинства смесей, при замене цемента другим видом, уровень разжижающей способности С-3 изменялся в незначительных пределах [17,18]. Таким образом, добавка С3, обладая стабильным действием, может применяться в бетонах с цементами различного минералогического состава и различных классов по прочности и марок по водонепроницаемости и морозостойкости.

Из рисунка 1 также видно, что с увеличением дозировки добавок подвижность смеси возрастает сначала достаточно интенсивно, а затем рост подвижности замедляется и стремится к своему завершению. То есть происходит своеобразное насыщение смеси добавкой. Увеличение дозировки сверх этого предельного значения не приводит к заметному росту подвижности, и, как правило, вызывает водоотделение. В случае С-3 такое насыщение происходит при значительно меньшей дозировке добавки.

Влияние добавки С-3 на характеристики бетонной смеси (подвижность, связность, воздухововлечение) исследовалось нами на составах с цементами производства ЗАО «Пикалевский цемент» двух классов: ЦЕМ I 42,5Н и ЦЕМ II/А-Ш 32,5Б при трех расходах цемента. Подвижность бетонной смеси характеризовалась осадкой нормального конуса и диаметром его расплыва. Водо- и раствороотделение определяли по ГОСТ 10181-2000, а воздухововлечение замерялось прибором С196 производства Matest и проверялось расчетным способом.

Проведенные испытания подтвердили стабильность действия добавки С-3 на бетонные смеси с цементами как одного, так и другого класса, а также показали одинаковый уровень пластификации этих смесей. Ниже приводим результаты исследования бетонных смесей на портландцементе ЦЕМ I 42,5Н при его содержании 280, 340 и 400 кг/м3, что практически соответствует пределам содержания цемента в бетонах, применяемых на строительстве.

Во всех исследуемых составах доля песка в смеси заполнителей была принята постоянной и равной r =0,4. Такое значение r на 5-12% больше оптимального значения, что способствует уменьшению расслоения и рекомендуется для бетонных смесей, перекачиваемых бетононасосными установками [19].

Основным показателем эффективности действия суперпластификаторов на бетонную смесь является степень их разжижающей способности. За эталон сравнения обычно принимают смесь без добавки с удобоукладываемостью 2-6 см по осадке нормального конуса [20].

Для получения сопоставимых результатов при сравнительном анализе эффективности добавки в бетонных смесях, отличающихся расходом цемента, использовали в опытах равноподвижные бетонные смеси [21], состав которых назначался с учетом закона постоянства водопотребности. Сущность этого закона заключается в том, что при постоянном расходе воды изменение расхода цемента в бетоне в пределах от 200 до 400 кг/м3, мало сказывается на подвижности бетонной смеси и практически подвижность можно считать постоянной. Эта закономерность с успехом применялась при исследованиях бетона с использованием математической теории планирования экспериментов.

В данной работе, в качестве эталонной была принята смесь с ОК=4 см. Такая подвижность является минимальной по условию транспортабельности смеси бетононасосными установками. Остальные составы также отвечают условиям перекачиваемости [22]. Рабочие составы эталонных бетонных смесей с ОК=4 см приведены в таблице 2.

Таблица 2. Составы эталонных бетонных смесей равной подвижности с ОК=4 см

Расход материалов на 1м3 смеси, кг				Параметры состава смеси
Цемент (Ц)	Вода (В)	Гравий (Г)	Песок (П)	В/Ц	П r =----- П + Г
280	190	1143	762	0,68	0,4
340	190	1113	742	0,56	0,4
400	190	1083	722	0,47	0,4

Добавка суперпластификатора С-3 вводилась в бетонную смесь вместе с водой затворения в дозировках (% по сухому веществу добавки) от 0 до 0,8 % от массы цемента, в расчете на сухое вещество добавки. Введение добавки в количестве, превышающем 0,8 %, практически не повышало подвижности бетонной смеси, что подтвердает результаты приведенных выше опытов.

Результаты испытаний по оценке влияния добавки С-3 на свойства бетонных смесей представлены в таблице 3.

На рисунках 2 и 3 показаны зависимости суперпластификатора С-3.

Таблица 3. Свойства бетонных смесей, модифицированных суперпластификатором С-3

N п/п Дозировка добавки, % Параметры состава бетона Основные свойства бетонных смесей Ц, кг/м3 В/Ц r ОК, см Расплыв конуса D, см Водо-отделение, л/м3 Воздухововлечение, % 1 0 400 0,47 0,40 4 20 6,44 1,96 2 0,2 14 32 - 2,0 3 0,4 20 45 5,8 2,05 4 0,6 22,5 56 4,0 2,3 5 0,8 24 60 3,6 2,6 6 0 340 0,56 0,40 4 20 - - 7 0,2 13 30 - - 8 0,4 18 38 - - 9 0,6 20 48 - - 10 0,8 22 53 - - 11 0 280 0,68 0,40 4 20 8 2,5 12 0,2 12 28 8 - 13 0,4 16,5 35 - 2,65 14 0,6 18 40 7 2,9 15 0,8 19 44 6 3,2 свойств бетонных смесей от содержания добавки

Рисунок 2. Зависимость осадки и расплыва конуса бетонных смесей от дозировки суперпластификатора С-3 при расходе цемента: 1 – 280; 2 – 340; 3 – 400 кг/м3

Construction of Unique Buildings and Structures, 2014, №6 (21)

а.

в.

б.

Рисунок 3. Влияние дозировки суперпластификатора С-3 на характер пластификации бетонной смеси с расходом цемента 400 и 280 кг/м3 соответственно а. Бетонная смесь с содержанием: С-3=0,4%;        в. Бетонная смесь с содержанием: С-3=0,4%;

ОК=20см; D=45см                                ОК=16,5см; D=35см б. Бетонная смесь с содержанием: С-3=0,8%;        г. Бетонная смесь с содержанием: С-3=0,8%;

ОК=24см; D=60см                                ОК=19см; D=44см

Рисунок 4. Влияние дозировки суперпластификатора С-3 на водоотделение и воздухововлечение бетонной смеси при расходе цемента: 1 – 280; 2 – 400 кг/м³

Выводы

Из приведенных результатов видно, что степень разжижения смеси добавкой С-3 зависит от расхода цемента. Так, расход цемента Ц=400 кг/м3 (рисунок 2) при содержании добавки 0,8 % позволяет получать более подвижные бетонные смеси с ОК=24 см, D=60 см и, в то же время, более связные с точки зрения водоотделения (рисунок 4), чем смеси с расходом цемента Ц=280 кг/м3 (ОК=19 см, D=44 см). При затворениях бетонной смеси было замечено, что в присутствии суперпластификаторов с увеличением количества смеси водопотребность ее снижается. Так подобранный на малой порции бетона расход воды на больших замесах приходилось снижать. Аналогичные результаты описаны в работе [23]

С увеличением дозировки С-3 при постоянном В/Ц имеет место уменьшение водоотделения смесей (рисунок 4). Это можно объяснить ростом воздухововлечения. При повышении содержания СП от 0 до 0,8 % содержание воздуха в бетонной смеси увеличилось на 0,6-0,7 % (абс.). С уменьшением расхода цемента водоотделение в бетонных смесях возрастает. Для его снижения рекомендуется повышение расхода цемента и применение совместно с СП воздухововлекающей добавки.

Проведенные опыты позволили убедиться в том, что такие показатели, как осадка и расплыв конуса не отражают реологии бетонной смеси. При одинаковом значении ОК смеси, содержащие СП имели разные характеристики текучести, что отмечено также в работе [15]. Кроме того, вязкость бетонных смесей, как тиксотропных систем, зависит от скорости механического воздействия на нее (перемешивания, перекачивания, вибрирования). Учет переменной вязкости тиксотропных систем был предложен в работах [24-26].

Исследования показали способность добавки С-3 к значительному разжижению бетонной смеси. При этом смесь с ОК=4 см разжижалась до подвижности по ОК более 20 см, а в опытах по расплыву теста (по Суттарду) суперпластификатор С-3 показал более высокую эффективность, чем использованные гиперпластификаторы. Кроме того, добавка С-3, в отличие от поликарбоксилатов, не обладает избирательным действием по отношению к различным цементам, что обеспечивает стабильность характеристик бетонной смеси на цементе разных партий, поставляемых в процессе строительства. При увеличении содержания цемента в бетоне эффективность суперпластификатора С-3 возрастает, как в отношении удобоукладываемости, так и в отношении водоотделения бетонной смеси.