Влияние универсальной добавки бест на свойства бетона

Для повышения эффективности, качества и долговечности бетона, а также совершенствования его свойств применяют различные технологические приемы [1–6], наиболее доступным из которых является введение в бетонную смесь химических добавок. 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].

Ранее [13] нами было выявлено модифицирование бетонной смеси суперпластификатором

«ПОЛИПЛАСТ СП-3», производитель ОАО «Полипласт». Установлено, что при содержании 0,5–1,0% регулятора в составе композиции позволяет ускорить ее скорость схватывания за счет с пептизирующего действия добавки, тогда как при меньших количествах добавки процесс схватывания бетонной смеси замедляется. Кроме того, найдено оптимальное содержание модификатора, способствующее набору необходимой скорости структурообразования системы и формированию прочных структур твердения с определенными эксплуатационными характеристиками. Введение 0,5% СП-3 в бетонную смесь способствует приросту прочности образцов на 22%.

Представлены результаты регулирования скорости схватывания, прочности и морозостойкости бетона, модифицированного универсальной противоморозной добавкой БЕСТ.

Материалы и методы

В качестве вяжущего вещества в бетонной смеси использовали портландцемент марки ЦЕМ I 42,5 Б ОАО «Мордовцемента», 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 противомо-розную универсальную добавку для бетонов и растворов «БЕСТ» (БЕСТ), которую выпускает ООО «МаКра», г. Новочебоксарск в форме водорастворимых гранул белого цвета по ТУ 5775–001–94089809–2007 [17].

Регулирование свойств бетона введением добавки оценивали по скорости схватывания цементного теста нормальной густоты, приготовленного смешиванием регулятора с водой и цементом. Предел прочности при сжатии бетонной композиции в 3-, 7- и 28-суточном возрасте определяли в соответствии с ГОСТ 310.3–76 [128]. 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 БЕСТ Supplement BEST	–	0,30

Введение добавки БЕСТ осуществляли в виде водного раствора с массовым содержанием 0,3–1,0% от массы цемента, при этом она вводилась 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. Морозостойкость готового изделия определяли по стандартной методике по ГОСТ 10060-2012 [19]. При этом проверяли образцы в возрасте 28 сут после попеременного замораживания и оттаивания в 5%-ном растворе хлористого натрия на 20 и 30 циклы (по ускоренному методу).

Результаты и обсуждение

Интенсивное изменение пластических свойств цемента, как главной составляющей бетона, происходит в период схватывания композиции. Схватывание – это частичная, а затем и полная потеря подвижности и способности формоваться цементного теста, соответствующая началу и концу процесса. В это время смесь обладает незначительной механической прочностью и в ней проявляются свойства хрупкой смеси, т. е. способность разрушаться без пластической деформации.

Скорость схватывания можно регулировать, например, добавлением гипса, объемом воды, температурой воздуха, а также введением различных добавок. Так, нами были определены сроки схватывания композиции с различным содержанием добавки БЕСТ (таблица 2).

Таблица 2. Влияние количества введения добавки БЕСТ на сроки схватывания, ч-мин

Table 2.

The influence of the additive BEST amount on the setting time, h-min

Количество добавки, % Amount of additive, %	Начало схватывания Start setting	Конец схватывания End of setting
0	2–20	3–55
0,3	4–01	6–02
0,5	1–58	2–51
0,8	1–35	2–21
1,0	1–01	2–44

Установлено, что введение добавки БЕСТ неоднозначно воздействовало на скорость схватывания вяжущих композиций. Небольшое содержание модификатора (0,3%) в бетонной смеси приводило к некоторому замедлению схватывания вяжущей композиции по сравнению с бездобавочным цементом. Предположительно, это может быть связано с тем, что при малой концентрации регулятора в системе он ведет себя как пластификатор. Механизм действия последнего заключается в образовании адсорбционного слоя добавки на поверхности зерен цемента, непроницаемого для воды. При этом продолжительность схватывания замедляется по времени приблизительно в ~1,5 раза, что приведет к существенному увеличению предварительной выдержки железобетонных изделий при их производстве, которая может отрицательно отразится на сроках изготовления конструкций.

Повышение содержания регулятора влечет за собой существенное ускорение схватывания вяжущей композиции, при этом положительно сказываясь на формировании структуры цементного камня. Возможно такой эффект объясняется тем, что при концентрации модификатора от 0,5 до 1,0% за счет дефлокулирующего действия поверхностно-активной добавки растет площадь контакта цемента с водой, и количество новообразований увеличивается.

Активизация процесса гидратации цемента с введением 0,5–0,8% регулятора способствует сокращению периода схватывания вяжущей системы в ~2 раза (с 1,5 ч до 46 мин), что позволит сократить продолжительность предварительной выдержки железобетонных изделий при их производстве, которая приведет к увеличению оборачиваемости форм.

В результате введения добавки БЕСТ в количестве 0,3–0,8% отчетливо обнаруживается существенное повышение прочностных показателей бетонных композиций по сравнению с прочностью обычного бетона (рисунок 1). Данный эффект можно объяснить тем, что в присутствии исследуемой добавки наблюдается уменьшение объема межзернового пространства за счет более тесного контакта оболочек гидратированных продуктов на поверхности соседних зерен вяжущего, что приводит к образованию плотного и прочного конгломерата. Более того, происходит формирование более прочных соединений частиц растворенной добавки с молекулами воды (сольватов).

Возраст бетона, сут Concrete age, days

Рисунок 1. Зависимость предела прочности при сжатии от возраста бетона с добавкой БЕСТ. Концентрация добавки, %: 1 – 0; 2 – 0,3; 3 – 0,5; 4 – 0,8; 5 – 1,0

Figure 1. The dependence of the compressive strength on the age of concrete with the addition of BEST. Additive concentration, %: 1 – 0; 2 – 0,3; 3 – 0,5; 4 – 0,8; 5 – 1,0

Максимальные пределы прочности при сжатии бетона соответствуют введению в бетонную смесь модификатора в количестве 0,5–0,8% (рисунок 1, кривые 3 и 4).

Однако дальнейшее увеличение количества регулятора в бетоне приводит к снижению прочностных характеристик материала одновременно с сокращением сроков схватывания. Известно, что формирование прочности цементных бетонов обеспечивается образованием гидросиликатов кальция (ГСК), состав которых варьируется в широких пределах. При быстро протекающем структурообразовании могут фиксироваться промежуточные ГСК, имеющие меньшую прочность. Переход ГСК одного состава в другие соединения в уже схватившейся смеси сопровождается перестройкой структуры, а значит и понижением прочности.

Производителем добавки БЕСТ заявлен ее противоморозный эффект, который проявляется в способности бетонной композиции в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание. В таких условиях разупорядоче-ние структуры бетона и его последующее разрушение происходит за счет создаваемого замерзающей водой давления на стенки пор и устья микротрещин.

Критерием морозостойкости бетона является количество циклов, при котором потеря массы образца менее 5%, а его прочность снижается не более чем на 25%.

Результаты испытаний на морозостойкость бетона в зависимости от концентрации регулятора представлены в таблице 3.

Таблица 3.

Морозостойкость бетона

Concrete frost resistance

Table 3.

Массовое содержание добавки БЕСТ, % Mass content supplements BEST,%	Предел прочности на сжатие образцов в возрасте 28 сут, МПа Compressive strength, MPa, when tested for frost resistance	Предел прочности на сжатие, МПа, при испытании на морозостойкость Compressive strength of specimens at the age of 28 days, MPa
		20 циклов 20 cycles	30 циклов 30 cycles
0,0	32,7	29,2	22,0
0,5	43,7	44,2	40,0

Примечание: Погрешность измерений находится в пределах 5%

Note: Measurement Error is within 5%

Использование добавки БЕСТ в бетонной смеси приводит не только к сохранению показателя прочности, но и к его значительному повышению в ~1,5 раза по сравнению с обычным бетоном. Возможно, это связано со снижением температуры замерзания воды и активизацией процесса гидратации цемента с ускоренным образованием гелей. Вследствие реакций обмена в раствор ускоренно выделяется свободный оксид кальция и повышается растворимость силикатных цементных составляющих, что ведет к формированию гелей гидроксидов кальция.

Заключение

Проведенные исследования подтвердили возможность регулирования свойств бетонов за счет введения добавки БЕСТ. Установлено, что введение регулятора в количестве 0,5–0,8% от массы цемента приводит к значительному ускорению скорости схватывания. Однако при содержании 0,3% модификатора в бетонной системе наблюдается существенное замедление процесса твердения с длительным сохранением