Влияние поликарбоксилатного суперпластификатора и минеральных добавок на прочностные показатели цементных композитов

Разработка эффективных составов цементных бетонов с улучшенными физикомеханическими свойствами является одним из ключевых направлений в развитии современного строительства. Получение бетонов с заданными показателями свойств при сокращении энергетических и материальных затрат является характерной особенностью современной строительной технологии.

Наиболее эффективным способом улучшения эксплуатационных качеств бетона является введение в его состав модифицирующих добавок и частичной замены ими клинкера. Из всего их многообразия на сегодняшний день наибольшую эффективность показали [1]:

• -    суперпластификаторы на основе поликарбоксилатов, позволяющие снизить водоцементное отношение (до 35:40% и более) [2; 3]. Они обладают высокой разжижающей способность по сравнению с традиционными добавками данного типа;

• -    сульфоалюминатные добавки, введение которых в состав композита позволяет регулировать линейные и объемные деформации в процессе твердения [4; 5];

• -    карбонатные добавки (известняки, доломиты), применение которых приводит к повышению прочностных показателей за счет способности кальцита, являющегося составной частью добавок данного типа, выступать в качестве центра кристаллизации новообразований, что приводит к формированию кристаллизационных оболочек и срастанию частиц [6-8];

• -    высокодисперсные пуццолановые добавки (микрокремнезем и метакаолин), обладающие высокой реакционной активностью [9].

Целью исследования является установление закономерностей влияния поликарбоксилатного суперпластификатора и минеральных добавок (МД) различного состава (кремнеземистая, алюмосиликатная, сульфоалюминатная, карбонатная) на физикомеханические свойства цементных систем с выявлением наиболее эффективных модификаторов и их комплексов. Исследования проводились на цементных системах с суммарной дозировкой минеральных добавок 20% от массы вяжущего (Ц+МД) при фиксированном водовяжущем отношении В/(Ц+МД) = 0,24. Основным компонентом вяжущего являлся портландцемент 500-Д0-Н (Ц) производства ПАО «Мордовцемент». В качестве контрольного принят состав без минеральных добавок с равным водосодержанием и дозировкой пластификатора 1% от массы портландцемента.

Планирование экспериментального исследования осуществлялось на основе специально синтезированного плана (табл. 1), содержащего 18 опытных точек [9]. При этом варьировалось две группы факторов (табл. 2, 3):

• -    содержание пластифицирующей добавки и карбонатного наполнителя: х 1 (поликарбоксилатный суперпластификатор Melflux 1641 F (СП)); х₂ (микрокальцит (МКМ));

• -    тип и дозировка активных минеральных добавок (АМД): V 1 (кремнеземистая АМД -микрокремнезем конденсированный неуплотненный производства АО «Кузнецкие ферросплавы» (МК)); V 2 (алюмосиликатная АМД - высокоактивный метакаолин производства ООО «Пласт-Рифей» (ВМК)); v₃ (расширяющий сульфоалюминатный модификатор производства ООО «Парад Русь» (РСАМ)).

Таблица 1

План экспериментального исследования в кодированных величинах

Й й н □ □	Варьируемые факторы в кодированных величинах
	Первая группа факторов		Вторая группа факторов
	Вид и содержание наполнителя и суперпластификатора		Вид и содержание АМД
	* 1 (СП Melflux)	* 2 (МКМ)	14 (МК)	1 2 (ВМК)	1 3 (РСАМ)
1	-1	-1	1	0	0
2	-1	-1	0	1	0
3	-1	-1	0	0	1
4	-1	0	0,5	0	0,5
5	-1	1	0	0	1
6	-1	1	0,5	0,5	0
7	0	1	0	1	0
8	0	-1	0	0,5	0,5
9	1	0	0,5	0,5	0
10	0	0	0,333	0,333	0,333
11	1	-1	1	0	0
12	1	-1	0	0	1
13	1	0	0,5	0	0,5
14	1	1	0	0,5	0,5
15	1	1	1	0	0
16	1	-1	0	1	0
17	0	1	0,5	0	0,5
18	0	-1	0,5	0,5	0
Контроль	0	-1	0	0	0

Таблица 2

Уровни варьирования первой группы исследуемых факторов в кодированных величинах и их численные значения

Факторы			Уровни варьирования
			-1	0	+1
Вид компонента	* i	СП, % от массы вяжущего (Ц + МД)	0,5	1,0	1,5
	* 2	МКМ, % от массы МД (МК+ВМК+РСАМ+МКМ)	0	25	50

Таблица 3

Уровни варьирования второй группы исследуемых факторов в кодированных величинах и их численные значения

Факторы			Уровни варьирования
			0	0,333	0,5	1,0
Вид добавки	^ 1	МК, % от массы вяжущего (Ц + МД)	0	6,67/5/3,33*	10/7,5/5*	20/15/10*
	^ 2	ВМК, % от массы вяжущего (Ц + МД)	0	6,67/5/3,33*	10/7,5/5*	20/15/10*
	^ 3	РСАМ, % от массы вяжущего (Ц + МД)	0	6,67/5/3,33*	10/7,5/5*	20/15/10*

Примечание. *Количество АМД при содержании карбонатного наполнителя МКМ соответственно 0/25/50% от массы МД (МК+ВМК+РСАМ+МКМ).

Для обработки результатов экспериментальных исследований применялись методы математической статистики, а для их графической интерпретации – треугольные диаграммы Гиббса-Розебома, построенные с применением программы Statistica 10.0.1011.6.

В качестве основных исследуемых факторов были выбраны: подвижность, предел прочности при сжатии и плотность в нормальных влажностных условиях (28 суток). За показатель подвижности цементной системы принимался диаметр расплыва после 15-ти секундного истечения теста из усеченного мини-конуса (кольцо к прибору Вика по ГОСТ 310.3).

В качестве контрольного в данном исследовании был принят состав без минеральных добавок с содержанием 1% пластификатора Melflux 1641 F от массы вяжущего. Расплыв данного состава из мини-конуса составил 275 мм, предел прочности при сжатии – 98,3 МПа; плотность в равновесном состоянии – 2150 кг/м3.

Для комплексной оценки эффективности влияния минеральных добавок различного вида, а также концентрации суперпластификатора проведем анализ полученных результатов в относительных величинах (рис. 1–3). Судя по полученным данным, ряд модифицированных цементных систем превосходят контрольный состав как по отдельным показателям, так и по их комплексам, что свидетельствует о возможности разработки эффективных цементных вяжущих на их основе.

Номер состава

Рис. 1. Изменение относительной подвижности цементного теста (диаметр расплыва из мини-конуса) в зависимости от состава (табл. 1).

Установлено, что варьирование относительного предела прочности при сжатии в возрасте 28 суток для 18 исследуемых составов по сравнению с контрольным происходит в интервале от 0,9 до 1,2 отн. ед. (рис. 3), изменение относительной плотности в нормальном влажностном состоянии – от 0,96 до 1,02 отн. ед. (рис. 2). При этом введение в состав цементного теста минеральных добавок различного вида приводит к снижению подвижности смесей с учетом концентрации пластифицирующей добавки 0,5, 1,0 и 1,5% от массы вяжущего, соответственно, на 16-73%, до 25 и 27%.

Номер состава

Рис. 2. Изменение относительной плотности модифицированного цементного камня в нормальных влажностных условиях (28 суток) в зависимости от состава (табл. 1).

Рис. 3. Изменение относительного предела прочности при сжатии модифицированного цементного камня (28 суток) в зависимости от состава (табл. 1).

Проведем анализ треугольных диаграмм Гиббса-Розебома, описывающих изменение относительного предела прочности при сжатии модифицированных цементных композитов в зависимости от варьируемых параметров (рис. 4). Установлено, что увеличение содержания в составах пластифицирующей добавки приводит к повышению прочностных показателей модифицированного цементного камня в возрасте 28 суток. Наибольший потенциальный 5

прирост прочностных показателей, достигающий согласно модельным значениям 45% по сравнению с контрольным составом, может быть получен при максимальной концентрации суперпластификатора Melflux 1641 F (1,5% от массы вяжущего) и замене 20% портландцемента на минеральные добавки ВМК и РСАМ, вводимые в равном соотношении.

Рис. 4. Треугольные диаграммы Гиббса-Розебома изменения относительного предела прочности при сжатии (отн. ед.) модифицированного цементного камня (28 суток) в зависимости от варьируемых факторов: х 1 - Melflux 1641 F; х₂ - МКМ;

V ! - МК; V 2 - ВМК; V 3 - РСАМ.

Увеличение доли карбонатного наполнителя при всех концентрациях пластификатора приводит к снижению предела прочности при сжатии (рисунок 4), способствуя при этом повышению подвижности смесей. В целом, для всех комбинаций варьируемых факторов х 1 (суперпластификатор Melflux 1641 F) и х₂ (МКМ) могут быть получены составы, не уступающие контрольному пластифицированному (1% от массы вяжущего) композиту без МД. При этом следует выделить следующие комбинации варьируемых факторов, использование которых способствует достижению высоких прочностных показателей (более

20% по сравнению с контрольным составом) при различных концентрациях суперпластификатора Melflux 1641 F от массы вяжущего (Ц + МД):

• –    1,5% СП; 25% МКМ, 37,5% ВМК и 37,5% РСАМ от общей массы минеральных добавок;

• –    1,0% СП; МК, ВМК и РСАМ в равном соотношении;

• –    0,5% СП; 50% МК и 50% ВМК от общей массы минеральных добавок.

Полученные результаты свидетельствуют о перспективности использования комплексной модификации при разработке эффективных составов цементных вяжущих с повышенными прочностными показателями. Дальнейшее направление исследований будет связано с проведением многокритериальной оптимизации как экспериментальных, так и модельных составов с использованием метода экспериментально-статистического моделирования [10], что позволит выявить составы с комплексом повышенных показателей (подвижность, плотность, предел прочности при сжатии, скорость набора прочности и др.).