Влияние кремний содержащих добавок на свойство водонепроницаемости бетонных образцов
Автор: Бутакова Марина Дмитриевна, Михайлов Александр Владимирович, Сарибекян Севак Сейранович
Рубрика: Строительные материалы и изделия
Статья в выпуске: 2 т.17, 2017 года.
Бесплатный доступ
В статье исследуется влияние кремний содержащих добавок на свойство водонепроницаемости бетонных образцов. Приведен литературный обзор общих подходов и технологий, повышающих водонепроницаемость бетонных и железобетонных конструкций. Получены образцы нормального твердения на основе бетонов, содержащих в своем составе микрокремнезем, аэросил или золу, или их комбинации. Данное исследование направлено на изучение влияния комплексного модификатора на основе метакаолина, суперпластификатора и кремний содержащих добавок на свойство водонепроницаемости бетона. Указано на необходимость применения суперпластификатора для снижения водоцементного отношения и метакаолина как ускорителя твердения и набора прочности. Данная статья описывает часть результатов эксперимента, проводимого для поиска альтернативных вариантов кольматирующим дорогостоящим добавкам, используемых при бетонировании фундаментов частного домостроительства. Реализация научной работы не только внесет ясность в данную область, но и расширит знания о такой добавке, как аэросил.
Метакаолин, комплексный модификатор, микрокремнезем, аэросил, активная минеральная добавка, зола-уноса
Короткий адрес: https://sciup.org/147154483
IDR: 147154483 | DOI: 10.14529/build170205
Текст научной статьи Влияние кремний содержащих добавок на свойство водонепроницаемости бетонных образцов
В настоящий момент времени тяжёлый бетон – самый выпускаемый по объёму строительный материал. Он получил такое распространение благодаря способности сохранять свои качества, находясь под влиянием химических сред и воздействием физических нагрузок. В свою очередь, состав и структура искусственного камня слагают его будущий спектр свойств.
Одним из ключевых факторов, влияющих на долговечность подземных и заглубленных частей зданий и сооружений, является воздействие воды. Вода, проникшая внутрь строительных конструкций, вызывает коррозию арматуры и разрушения бетона, что приводит к снижению конструкционных свойств и в итоге вызывает полное разрушение материала. При допущении попадания воды во внутренние помещения подземной части сооружений происходит снижение их эксплуатационных качеств, это приводит к нарушению работы технологического оборудования, ухудшает микроклимат помещений и т. п.
Согласно данным различных исследований, порядка 90 % заглубленных и подземных сооружений имеют проблемы с гидроизоляцией, которые проявляются уже на ранней стадии эксплуатации и приводят к ускоренному износу несущих конструкций.
Большая часть проблем в работе гидроизоляции связана с выбором некачественных или неправильных для данного случая технологических решений. Чтобы снизить риски возникновения этих проблем необходимо и важно выбирать верные технологические решения по обустройству гидроизоляции, которые способствуют практически полному исключению протечки воды, а также снижают потенциальные расходы на восстановление гидроизоляции. Система гидроизоляции обеспечивает:
– защиту подземной части сооружения от проникновения воды;
– защиту подземных частей сооружений от увлажнения подземными водами;
– возможность эксплуатировать подземные части сооружений с минимальными затратами на их содержание и практически без ограничений;
– защиту системы жизнеобеспечения, инженерного оборудования и коммуникаций;
– устойчивость к воздействию на подземную часть конструкций статических и динамических, подземных и поверхностных вод [1].
Проницаемость бетона – свойство бетона пропускать через себя газы или жидкости при наличии градиента давления (регламентируется маркой по водонепроницаемости W) [2].
Для конструкции фундаментов, гидротехнических сооружений и ряда других одной из главных характеристик является их проницаемость. Это свойство в известной мере определяет способность материала сопротивляться процессам замораживания-оттаивания, увлажнение и высушивания, а также воздействия атмосферы и агрессивных сред. На практике наибольшее значение имеет водонепрони- цаемость бетона. Проникновение в толщу бетона, согласно исследованиям А.М. Невилля, В.М. Москвина, Ф.М. Иванова, С.Н. Алексеева, Е.А. Гузеева [3, 11], влияет на его долговечность, например, вымывание гидроксида кальция или воздействие агрессивных растворов и сред.
Бетон – это капиллярно пористый материал, неотъемлемой частью которого является сеть тончайших пор и капилляров различных размеров. Мелкие поры (микропоры) размером менее 10–5 см практически не проницаемы для воды. В основном это поры цементного геля. Капилляры и макропоры большего размера не препятствуют фильтрации воды, происходящей вследствие давления, осмотического давления или градиентов влажности. Поэтому проницаемость бетона напрямую коррелирует с объемом микропор капилляров в бетоне [4].
Объём макропор в бетоне может составлять от 0 до 40 % от всего объема. Снижение В/Ц, уменьшение воздухововлечения, увеличение степени гидратации цемента, а также введение различных добавок позволяют понижать макропористость [5].
Наглядно демонстрирует зависимость между проницаемостью от водоцементного отношения рис. 1 [6].
Рис. 1. Зависимость коэффициента проницаемости бетона k пр от В/Ц отношения
В реальных условиях можно проследить существенное отклонение от этих зависимостей, так как процесс создания бетона включает себя много факторов, например, степень уплотнения, которые могут существенно влияет на проницаемость бетона.
Микрокапилляры, заполненные водой, создают так называемый эффект кольматации пор и капилляров, что снижает проницаемость бетона [1].
С увеличением возраста бетона растёт степень гидратации цемента и, как следствие, уменьшается объём микропор, в результате чего снижается и проницаемость бетона.
На проницаемость бетона также оказывает влияние заполнитель. Чем больше его открытая пористость, тем меньшей водонепроницаемостью будет обладать бетон [3].
Для повышения непроницаемости бетона применяют специальные методы, приведенные в табл. 1.
Применение специальных добавок или веществ в ходе производства бетона – это относительно легкие эффективные мероприятия по увеличению водонепроницаемости. Различного рода ПАВ, водорастворимые смолы, эмульсии (например, битумная), ГКЖ и другие способы, хорошо изучены и проверены временем [9].
Иногда используются тонкомолотые порошки полимерных веществ или схожих с ними, например, пек [10, 12]. Хорошие показатели по водонепроницаемости получают с применением комплексных добавок или специальных вяжущих, обладающих безусадочными или расширяющимися свойствами.
Пропитка бетона серой, жидким стеклом, парафином, петролатумом позволяет хорошо за-кольматировать капилляры и поры [13]. Также могут применяться механические методы, например прессование.
Среди применяемых в технологии бетона добавок особое место занимают две большие группы – активные минеральные добавки (АМД) и добавки-пластификаторы. Использование высокоэффективных АМД способствует повышению прочности, стойкости при химической и морозной агрессии и экономии цемента в производстве бетона [17]. По исследованиям Е. Гамалий, Б. Трофимова, Л. Крамар и др. известно, что применение микрокремнезема позволяет получать цементную матрицу с высокой плотностью и водонепроницаемостью, способствует ускорению гидратации клинкерных минералов, приводит к формированию в
Таблица 1
Методы и степень понижения проницаемости бетона
|
Метод |
Степень понижения, раз |
|
Введение в бетонную смесь органических и гидрофобных добавок |
2–10 |
|
Введение в бетонную смесь неорганических добавок |
5–1000 |
|
Введение в бетонную смесь загустевающих веществ или термопластничных полимеров |
10–500 |
|
Пропитка после изготовления специальными веществами |
50–1000 |
|
Гидрофобизация поверхностных слоев бетона |
2–10 |
|
Покрытие специальными пленкообразующими составами |
10–100 |
|
Пропитка мономером с последующей полимеризацией |
50–1000 |
Строительные материалы и изделия цементном камне стабильных высокопрочных структур из низкоосновных гидросиликатов кальция [7, 14–16].
Влияние введения тонкодисперсных систем, в том числе и микрокремнезема изучались А. Брыковым, М. Воронковым и М. Мокеевым [8].
Однако данный вопрос до конца не изучен и представляет научный интерес.
На основании литературного обзора, была поставлена следующая цель: исследовать влияние добавок микрокремнезема и аэросила на непроницаемость бетона.
Экспериментальные данные
Для предварительных испытаний использовался песчаный бетон состава 1:3 с консистенцией нормальной густоты.
В качестве компонентов вяжущего использовался ЦЕМ II/А – Ш 42,5Н ООО «Дюккер-хофф Коркино цемент», микрокремнезем Челябинского электрометаллургического комбината марки МКУ-85, аэросил марки «380» от кампании «Evonik Degussa GmbH», суперпластификатор С-3.
Для выполнения поставленной задачи в лабораторных условиях был реализован двухфакторный эксперимент, а варьируемыми факторами были количество АМД (микрокремнезем или аэросил), (фактор Х) и суперпластификатора (СП)
(фактор Y). Анализ полученных в ходе опытов результатов включал в себя математическую обработку результатов исследования с целью получения значений полинома второй степени. План-матрицы экспериментов с аэросилом и МКУ и их результаты представлены в табл. 2, 3 и 4, 5 соответственно.
После формования образцы (40 x 40 x 160 мм) хранили 28 суток в условиях нормального твердения.
Согласно результатам эксперимента, представленным в табл. 3, очевидно, что введение аэросила в размере 3 % вместо цемента заметно снижает прочность, поэтому для следующих опытов было принято решение использовать замену вяжущего аэросилом на 1,5 %.
Отклики из табл. 5 позволяют сделать однозначный вывод, что наилучшими показателями обладают составы, где заменялось 8 % от массы вяжущего вещества на микрокремнезем. И для дальнейших экспериментов будет применяться именно эта дозировка.
В случаях и с аэросилом, и с микрокремнеземом наименьшие значения нормальной консистенции были получены при введении 1 % суперпластификатора, и данные составы обладали самым низким В/Ц отношением в серии. Как было указано в литературном обзоре данной статьи, чем меньше В/Ц отношение, тем меньше
Таблица 2
План-матрица эксперимента с добавкой аэросила
|
№ состава |
Содержание АМД |
Содержание СП |
||
|
Кодовое значение |
В % |
Кодовое значение |
В % |
|
|
1 |
–1 |
0 |
–1 |
0,8 |
|
2 |
–1 |
0 |
0 |
0,9 |
|
3 |
–1 |
0 |
+1 |
1 |
|
4 |
0 |
1,5 |
–1 |
0,8 |
|
5 |
0 |
1,5 |
0 |
0,9 |
|
6 |
0 |
1,5 |
+1 |
1 |
|
7 |
+1 |
3 |
–1 |
0,8 |
|
8 |
+1 |
3 |
0 |
0,9 |
|
9 |
+1 |
3 |
+1 |
1 |
Таблица 3
Результаты эксперимента с добавкой аэросила
По результатам математического метода планирования были получены регрессионные уравнения следующего вида:
M1(x,y) = b 0 + b 1 x + b 2 y + b 11 x2 + b 22 y2 + b 12 xy, (1)
где b 0 , b 1 , b 2 , b 11 , b 22 , b 12 – коэффициенты регрессионного уравнения; x, y – варьируемые факторы.
Значения коэффициентов b 0 , b 1 , b 2 , b 11 , b 22 , b 12 и Фишера (FR) для двухфакторных экспериментов представлены в табл. 6.
Таблица 4
|
№ состава |
Содержание АМД |
Содержание СП |
||
|
Кодовое значение |
В % |
Кодовое значение |
В % |
|
|
1 |
–1 |
0 |
–1 |
0,8 |
|
2 |
–1 |
0 |
0 |
0,9 |
|
3 |
–1 |
0 |
+1 |
1 |
|
4 |
0 |
4 |
–1 |
0,8 |
|
5 |
0 |
4 |
0 |
0,9 |
|
6 |
0 |
4 |
+1 |
1 |
|
7 |
+1 |
8 |
–1 |
0,8 |
|
8 |
+1 |
8 |
0 |
0,9 |
|
9 |
+1 |
8 |
+1 |
1 |
Таблица 5
|
№ состава |
Нормальная консистенция, НК % |
Прочность при изгибе в различные сроки твердения, МПа |
Прочность при сжатии в различные сроки твердения, МПа |
||||
|
1 |
7 |
28 |
1 |
7 |
28 |
||
|
1 |
38,8 |
2,01 |
6,10 |
7,56 |
10,1 |
31,4 |
45,6 |
|
2 |
37,5 |
2,35 |
6,88 |
7,68 |
11,2 |
32,0 |
49,6 |
|
3 |
36,3 |
2,89 |
6,90 |
8,48 |
12,8 |
35,4 |
58,6 |
|
4 |
45,1 |
2,12 |
7,59 |
9,91 |
17,1 |
27,3 |
50,3 |
|
5 |
44,0 |
2,43 |
7,70 |
10,3 |
19,2 |
29,1 |
51,4 |
|
6 |
42,2 |
2,59 |
7,96 |
10,4 |
20,0 |
31,3 |
54,5 |
|
7 |
48,3 |
2,57 |
8,44 |
10,59 |
21,4 |
35,7 |
57,5 |
|
8 |
47,1 |
2,73 |
8,87 |
10,69 |
23,1 |
39,6 |
63,6 |
|
9 |
45,9 |
2,81 |
8,94 |
11,0 |
24,5 |
41,5 |
64,1 |
Таблица 6
Значения коэффициентов регрессионных уравнений и Фишера
|
АМД |
Коэффициенты |
Значение коэффициентов при определении прочности при изгибе в различные сроки твердения |
Значение коэффициентов при определении прочности при сжатии в различные сроки твердения |
Значение коэффициентов при определении НК |
||||
|
1 сут |
7 сут |
28 сут |
1 сут |
7 сут |
28 сут |
|||
|
Аэросил |
b 0 |
2,859 |
6,555 |
7,223 |
13,900 |
31,244 |
38,767 |
29,569 |
|
b 1 |
0,432 |
0,420 |
0,377 |
1,350 |
2,257 |
3,700 |
2,748 |
|
|
b 2 |
0,160 |
–0,892 |
–1,057 |
–1,167 |
–4,150 |
–10,167 |
–0,321 |
|
|
b 11 |
0,122 |
–0,273 |
0,160 |
0,150 |
–0,067 |
1,100 |
0,459 |
|
|
b 12 |
–0,170 |
–0,013 |
–0,160 |
–0,300 |
–0,350 |
–2,100 |
–0,250 |
|
|
b 22 |
–0,363 |
–0,638 |
–0,480 |
–3,800 |
–2,417 |
1,600 |
–1,043 |
|
|
FR |
98,603 |
6,958 |
31,848 |
3,352 |
41,394 |
26,209 |
34,719 |
|
|
МКУ |
b 0 |
2,383 |
7,858 |
10,137 |
18,889 |
29,100 |
51,911 |
28,006 |
|
b 1 |
0,265 |
0,278 |
0,303 |
1,450 |
2,300 |
3,967 |
4,412 |
|
|
b 2 |
0,143 |
1,062 |
1,427 |
5,817 |
3,000 |
5,233 |
4,501 |
|
|
b 11 |
–0,005 |
–0,162 |
0,100 |
–0,183 |
0,200 |
0,233 |
–0,067 |
|
|
b 22 |
–0,160 |
–0,075 |
–0,128 |
0,100 |
0,450 |
–1,600 |
–0,281 |
|
|
b 12 |
0,180 |
–0,062 |
–0,870 |
–1,583 |
6,700 |
4,433 |
5,524 |
|
|
FR |
4,038 |
27,279 |
25,326 |
0,775 |
6,257 |
58,298 |
14,105 |
|
План–матрица эксперимента с добавкой микрокремнезема
Результаты эксперимента с добавкой микрокремнезема
Строительные материалы и изделия
Проанализировав результаты предварительных экспериментов, было принято решение, что для исследований водонепроницаемости бетонов будут применены следующие дозировки компонентов: аэросил – 0,2, 0,8 и 1,5 %, микрокремнезем – 6 и 8 %, суперпластификатор С-3 – 1 %. Дополнительные составы с дозировками аэросила по величине 0,2 и 0,8 % от массы цемента были введены с целью исследования области дозировок добавки аэросила меньших 1,5 %. А также дополнительно были применены метакаолин (МТК) фирмы «Пласт Рифей» и зола-уноса от сжигания угля на Рефтинской ГРЭС. Их дозировки в размере 2,5 и 6 % соответственно были взяты согласно исследованиям, проведенным на кафедре «Строительные материалы» ЮУрГУ г. Челябинска А.А. Кирсановой и др. исследователями.
Решение применить метакаолин обосновывается тем, что в масштабах всей работы исследование затрагивает проблемы бетонирования фундаментов частного домостроительства, где строительный период короток, особенно в условиях Сибири и Урала. А применение золы-уноса в небольших дозировках позволит снизить стоимость бетонной смеси. Запроектированные составы представлены в табл. 7.
На исследуемых составах были получены отклики по прочностям и водонепроницаемости и сведены в табл. 8.
Согласно полученным данным, представленным в табл. 8, оптимальные результаты по показателям прочности при сжатии и водонепроницаемости были получены на составе № 1. Что еще раз подтверждает проведенные ранее исследования по применению микрокремнезема в бетоне как модификатора его структуры и доказывает, что введе- ние в состав бетона микрокремнезема приводит к образованию низкоосновных гидросиликатов кальция слоистой структуры, увеличивающих водонепроницаемость и другие свойства материала. Состав № 5 был взят из литературных источников и приведён для сравнения [7].
Согласно результатам проведённых опытов на составах под номерами 2, 3 и 4 с добавкой аэросила, можно сделать вывод, что аэросил не вступает во взаимодействие с Ca(OH) 2 бетона, то есть не образовывает соединения подобно тем, что получаются при взаимодействии микрокремнезема с Ca(OH) 2 . Это означает, что повышение водонепроницаемости с увеличением дозировки аэросила происходит лишь благодаря уплотнению самой структуры бетона путем кольматации пор. Эту позицию доказывают результаты дериватографического (ДТ) анализа, представленные на рис. 2 и 3.
Выводы
Исходя из полученных данных, можно сделать вывод, что уплотнение структуры и увеличение водонепроницаемости бетона путём введение микрокремнезема или микрокремнезема с золой эффективно и целесообразно. А применение аэросила для получения аналогичных свойств по водонепроницаемости не обосновано, так как его цена заметно выше, чем у составов с микрокремнеземом и золой. А также гидросиликаты, образуемые в ходе взаимодействия МКУ с гидроксидом кальция, более долговечны и устойчивы благодаря своей низкой основности и аморфной слабозакри-сталлизованной структуре. Поэтому данные составы могут быть рекомендованы для бетонирования фундаментов частного домостроения.
Таблица 7
Составы применяемых бетонных смесей на 1 м3
|
№ состава |
Цемент, кг |
Песок, кг |
Щебень, кг |
Вода, кг |
С-3, кг |
МКУ, кг |
Аэросил, кг |
Зола, кг |
МТК, кг |
|
1 |
322 |
850 |
1150 |
136 |
3,5 |
28 |
0 |
0 |
8,05 |
|
2 |
344,75 |
850 |
1150 |
136 |
3,5 |
0 |
5,25 |
0 |
8,05 |
|
3 |
347,2 |
850 |
1150 |
136 |
3,5 |
0 |
2,8 |
0 |
8,05 |
|
4 |
349,3 |
850 |
1150 |
136 |
3,5 |
0 |
0,7 |
0 |
8,05 |
|
5 |
308 |
850 |
1150 |
136 |
3,5 |
21 |
0 |
21 |
8,05 |
|
6 |
350 |
850 |
1150 |
136 |
3,5 |
0 |
0 |
0 |
8,05 |
Таблица 8
Значения пределов прочности и водонепроницаемости
|
№ состава |
Прочность при сжатии в различные сроки твердения, МПа |
Водонепроницаемость, по классу W |
|||
|
1 сутки |
3 сутки |
7 сутки |
28 сутки |
||
|
1 |
18,94 |
30,00 |
27,87 |
61,28 |
16 |
|
2 |
12,13 |
21,29 |
31,09 |
47,42 |
18 |
|
3 |
24,24 |
29,11 |
34,60 |
42,48 |
14 |
|
4 |
24,07 |
28,24 |
34,26 |
44,95 |
10 |
|
5 |
17,44 |
23,82 |
32,79 |
49,47 |
20 |
|
6 |
22,81 |
27,15 |
31,03 |
40,49 |
4 |
Рис. 2. ДТ анализ состава № 2
Рис. 3. ДТ анализ состава № 4
Список литературы Влияние кремний содержащих добавок на свойство водонепроницаемости бетонных образцов
- Баженов, Ю.М. Технология бетонов XXI века/Ю.М. Баженов. -Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2005. -507 c.
- ГОСТ 24211-2003. Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия. -М.: Изд-во стандартов, 2004. -19 с.
- Невилль, А.М. Свойства бетона/А.М. Невилль -М.: Изд-во литературы по строительству, 1972. -344 с.
- Изотов, В.С. Химические добавки для модификации бетона: моногр./В.С. Изотов -М.: Казан. гос. архит.-строит. ун-т: Изд-во «Палеотип», 2006. -109 с.
- Рамачандран, В.С. Добавки в бетон: справочное пособие/В.С. Рамачандран, Р.Ф. Фельдман, М. Коллепарди. -М.: Стройиздат, 1988. -575 с.
- Lea, F.M. The Chemistry of Cement and Concrete/F.M. Lea. -New York: Chemical Publishing Company Inc, 1971. -397 p.
- Гамалий, Е.А. Структура и свойства цементного камня с добавками микрокремнезема и поликарбоксилатного пластификатора/Е.А. Гамалий, Б.Я. Трофимов, Л.Я. Крамар//Вестник ЮУрГУ. Серия «Строительство и архитектура». -2009. -Вып. 10, № 5. -С. 29-35.
- Brykov, A. Ultrafine silica additives behavior during alkali-silica reaction long-term expansion test/A. Brykov, M. Voronkov, M. Mokeev//Materials Sciences and Applications. -2014. -V. 72, № 5. -Р. 66-72.
- Вавржин, Ф. Химические добавки в строительстве/Ф. Вавржин, Р. Крчма. -М.: Стройиздат, 1964. -288 с.
- Изотов, В.С. Химические добавки для модификации бетона: моногр./В.С. Изотов, Ю.А. Соколова. -М.: Казан. гос. архит.-строит. ун-т: Изд-во «Палеотип», 2006. -244 с.
- Москвин, В.М. Коррозия бетона и железобетона, методы их защиты/В.М. Москвин, Ф.М. Иванов, С.Н. Алексеев, Е.А. Гузеев. -М.: Стройиздат, 1980. -536 с.
- Баженов, Ю.М. Бетонополимеры/Ю.М. Баженов. -М.: Стройиздат, 1983. -472 с.
- Волгушев, А.Н. Применение серы для пропитки поровой структуры строительных материалов/А.Н. Волгушев, В.В Патуроев//Бетон и железобетон. -1976. -№ 11. -С. 38-39.
- Политаева, А.И. Роль микрокремнезема в структурообразовании цементной матрицы и формировании высолов в вибропрессованных изделиях/А.И. Политаева, Г.И. Яковлев, И. Гавранек//Строительные материалы. -2015. -№ 2. -С. 49-55.
- Quercia, G. Characterization of morphology and texture of several amorphous nano-silica particles used in concrete/G. Quercia, A. Lazaro, J.W. Geus//Cement&Concrete Composites. -2013. -V. 44. -P. 77-92.
- Pengkun, Hou. Effects of the pozzolanic reactivity of nano SiO2 on cement-based materials/Hou Pengkun, Qian Jueshi, Cheng Xin//Cement & Concrete Composites. -2015. -V. 55. -P. 250-258.
- Singh, L.P. Beneficial role of nanosilica in cement based materials/L.P Singh, S.R. Karade, S.K. Bhattacharyya//Construction and Building Materials. -2013. -V. 47. -P. 1069-1077.
