На правах рукописи НГУЕН ТХЕ ВИНЬ

На правах рукописи
НГУЕН ТХЕ ВИНЬ
ВЫСОКОПРОЧНЫЕ БЕТОНЫ С ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫМ МОДИФИКАТОРОМ, СОДЕРЖАЩИМ РАСШИРЯЮЩИЙ КОМПОНЕНТ
Специальность 05.23.05 — Строительные материалы и изделия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования
«Московский государственный строительный университет»
Научный руководитель:
- Доктор технических наук, профессор
Баженов Юрий Михайлович.
Официальные оппоненты:
- Доктор технических наук, профессор
Нисаев Игорь Петрович
- Кандидат технических наук
Суханов Михаил Александрович
Ведущая организация:
Государственное унитарное предприятие
«Научно-исследовательский институт
московского строительства»
Защита состоится “20” марта 2012 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.138.02 в ФГБОУ ВПО «Московский государственный
строительный университет» по адресу: 129337, Москва, Ярославское ш., д.26
в аудитории 223.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет».
Автореферат разослан “20” февраля 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Алимов Л.А.
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. По объемам производства, эксплуатационностроительным свойствам бетон и железобетон являются основными конструкционными материалами. Только в России в XX веке в строительстве
было использовано около 10 миллиардов кубометров бетона и железобетона.
Мировой объем производства этой продукции достигает трех миллиардов кубометров в год.
Современные высокопрочные (ВПБ) и высококачественные (ВКБ) бетоны, отвечая задачам технологического прогресса, позволяют существенно
снизить материалоемкость и повысить эффективность строительства. Вместе
с тем, сегодня предъявляется новый уровень требований к бетонам. Это обусловлено применением их не только в обычных, но и в особых экстремальных условиях, в конструкциях новых архитектурных форм, оболочках,
трубах, резервуарах, покрытиях дорог, аэродромов, защитных элементов и
т.д., где необходимы повышенная трещиностойкость, прочность на растяжение, высокая ударная вязкость и изностойкость. Усадка цементного камня,
твердевшего на воздухе в течение 5 лет, может достигать 3 мм на 1 м. Для
бетонов этот показатель составляет примерно 0,4 – 0,5 мм на 1 м и зависит от
вида и свойств заполнителя. Так усадка бетона, содержащего мелкозернистый песок и пористый заполнитель, больше по сравнению с усадкой бетона,
изготовленного
на
основе
гравия
и
щебня.
Железобетон имеет в 2 раза меньшую усадку, чем обычный бетон, но усадка
железобетонных конструкций полностью не заканчивается даже через 15 лет.
При этом отмечено уменьшение предварительного напряжения у бетонов,
твердеющих на воздухе, на 38–45 % от исходной величины. Повышение эксплуатационных свойств бетона достигается в последние годы за счет низких
В/Ц отношений, комплексного использования органоминеральных добавок,
содержащих в своем составе высокоэффективный суперпластификатор (СП)
и тонкоизмельченный минеральный наполнитель. Введение расширяющей
добавки в процессе приготовления бетонной смеси регулирует энергию рас3
ширения вяжущего, что позволяет получать бетоны для сборного и монолитного строительства как с компенсированной усадкой, так и напрягающие с
различной энергией самонапряжения, обеспечивая высокое качество изделий.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическим
планом научно-исследовательских работ МГСУ по программе «Архитектура
и Строительство».
Цель и задачи исследования.
Целью работы является получение высокопрочных бетонов с прочностью от 40 МПа до 60 МПа с улучшенными деформативными характеристиками с использованием органоминеральных модификаторов, содержащих
расширяющие компоненты.
В соответствии с поставленной целью работы определены следующие
задачи:
1. Изучить влияние вида, степени дисперсности и дозировки наполнителей, как составной части цементной матрицы, на физико-механические
свойства, усадку и усадочную трещиностойкость цементного камня и бетона
2. Разработать составы новых органоминеральных модификаторов,
бетонов которые будут отличаться улучшенными физико-техническими
свойствами за счёт введения расширяющего компонента, эффективностью
действия, расширенной сырьевой базой.
3. Исследовать влияние разработанных органоминеральных модификаторов на усадку и прочностные свойства цементного камня.
4. Исследовать влияние органоминеральных модификаторов с расширяющим компонентом на усадку, прочностные и деформативные характеристики разработанных бетонов.
5. Осуществить внедрение разработанных модифицированных тяжёлых бетонов с оценкой их технико-экономической эффективности.
4
Научная новизна работы. Научная новизна работы определяется
решением проблемы снижения усадки и повышения усадочной трещиностойкости высокопрочных бетонов с использованием ультрадисперсных минеральных наполнителей низкой водопотребности на основе сульфоалюмината кальция, который в результате реакции с водой образует эттрингит и
расширяются. Полагают, что образование эттрингита не происходит в жидкой фазе цемента. Соединение C4A3S и оксид кальция реагируют с образованием твердого раствора, состоящего из пластинчатых кристаллов гексагонального типа моносульфата и гидрата алюмината кальция типа C4AHi3. При
последующей реакции моносульфата с гипсом образуются игольчатые кристаллы эттрингита. Очевидно, что моносульфат не содействует расширению,
в то время как образование эттрингита обеспечивает расширение.
Расширение наряду с увеличением прочности вызывает сжимающие
усилия в бетоне, уменьшающие растягивающие напряжения, связанные с
усадкой от высыхания. Поэтому как трещинообразование, так и усадка при
высыхании уменьшаются.
Практическая значимость работы:
Варьирование количеством расширяющей композиции в составе минеральной части модификатора позволил управлять деформациями расширения-усадки и получать бетоны из высокоподвижных смесей с улучшенными
деформационными свойствами – повышенным модулем упругости и пониженной ползучестью, с компенсированной усадкой или расширением.
Используя комплексные органоминеральные модификаторы можно
получать высокопрочные (в том числе мелкозернистые) бетоны, обладающие
высокими деформационными характеристиками, пониженным трещинообразованием и высокими эксплуатационными и технологическими свойствами.
Применение данных видов бетонов позволит существенно снизить трудозатраты и стоимость работ при строительстве массивных бетонных объектов и
сооружений, а также повысить их качество и долговечность.
5
Внедрение результатов исследований:
Разработана технологическая схема и рекомендации по производству
изделий из бетонных смесей с комплексным модификатором и сделан расчет
технико-экономической эффективности в сравнении с аналогичным производством изделий из обычных смесей. Разработаны технические условия на
модификатор бетона серии ЭМБЭЛИТ, позволяющий получать бетоны с
компенсированной усадкой.
Результаты исследований внедрены при строительстве «Дворца водных видов спорта» в г. Казань. В результате использования разработанного
модификатора ЭМБЭЛИТ 1,5-100.Л. экономический эффект составил 4,594
млн. рублей, при этом значительно упростилась технология укладки смеси,
ее технологические свойства, была обеспечена термическая трещиностойкость конструкции и достигнута высокая прочность бетона в конструкции (в
возрасте 32 суток прочность бетона в конструкции составляла 46,6…70,6
MПа, что выше значения требуемого регламентом Rтp=46,0 МПа).
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлялись и докладывались на кафедре Строительных
материалов МГСУ.
На защиту выносится:
- составы разработанных комплексных модификаторов для бетонов,
позволяющие получать высокопрочные бетоны с компенсированной усадкой;
- составы высокопрочных бетонов содержащих комплексный модификатор, позволяющий компенсировать их усадку и повышать деформативные свойства;
- установленные зависимости влияния разработанных модификаторов на свойства бетонных смесей и бетонов;
- прочностные и деформативные свойства высокопрочных бетонов с
комплексным модификатором;
- технологическая схема и рекомендации по производству изделий из
высокопрочных бетонов с комплексным модификатором.
6
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из
введения, 5 глав, основных выводов, списка использованной литературы из
150 наименований, изложена на 123 страницах машинописного текста, содержит рисунков 20, таблиц 31 и 2 приложения.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Актуальность выбранного направления исследования, обусловлена
современным развитием технологии бетона и повышающими требованиями к
качеству бетонных конструкций и сооружений.
При обзоре и анализе научно-технической литературы в области разработки высокопрочного бетона повышенной долговечности, рассмотрены
основные закономерности развития усадочных деформаций в зависимости от
рецептурно-технологических факторов, а также выявлен анализ влияния суперпластификаторов и микронаполнителей на усадку и усадочную трещиностойкость цементного камня и высокопрочного бетона.
В механизме действия суперпластификаторов типов НФ, МФ и ЛСТ
преобладает эффект электростатического отталкивания частиц цемента и
стабилизации, вызванный тем, что адсорбционные слои из молекул суперпластификаторов повышают величину дзета-потенциала на поверхности цементных частиц. Величина дзета-потенциала зависит от адсорбционной способности суперпластификаторов, т.е. чем выше величина адсорбции, тем
больше абсолютная величина этого потенциала, имеющего отрицательный
знак.
В механизме действия суперпластификаторов типа П роль дзетапотенциала меньше, а взаимное отталкивание частиц цемента и стабилизация
суспензии обеспечивается за счет преобладания стерического эффекта, обусловленного тем, что поперечные звенья полимерной цепи создают адсорбционную объемную защитную оболочку вокруг частиц твердой фазы,
предотвращая слипание частиц и способствуя их взаимному отталкиванию.
Следует отметить, что толщина адсорбционного слоя, как правило, больше,
чем в случае с другими типами суперпластификаторов, а это значит, что в
7
общем объёме свободной и адсорбционно-связанной воды в системе доля последней увеличивается.
Силы взаимного отталкивания, вызываемые суперпластификаторы
типа П, почти вдвое больше сил отталкивания, вызываемых МФ и НФ, и
втрое больше сил, вызываемых ЛСТ.
Благодаря своим особенностям суперпластификаторов типа ЛСТ и П
более эффективны по сравнением с остальными суперпластификаторами, что
выражается в сравнительно низких дозировках, низкой чувствительности к
виду и составу цемента, в длительном сохранении бетонными смесями первоначальной консистенции и в их повышенной связности — нерасслаиваемости, что делает их предпочтительными для получения высокоподвижных и
стабильных бетонных смесей.
В бетоне и растворе могут развиваться трещины при усадке 0,4 мм/м
или больше. Поскольку сжатие из-за усадки в процессе твердения бетона
может достигать 0,7—0,8 мм/м, для предотвращения появления трещин в
ненапряженном бетоне требуется тщательный контроль материалов бетона,
укладки и выдержки. При использовании расширяющих добавок можно добиться снижения потенциального трещинообразования в бетоне.
Преобладающее большинство способов получения расширяющихся
цементов основано на кристаллизации гидросульфоалюмината кальция при
взаимодействии сульфата кальция с вводимым цементом или образующимися при его гидратации гидроалюминатами кальция. Хотя по выполнению эти
способы различны, все они сводятся к использованию глиноземистого или
сульфо-алюмннатного цемента в смеси с портландцементом, известью, гипсом или в других сложных композициях.
В последние 20 лет применяют два типа добавок на основе сульфоалюмината кальция (CSA) и оксида кальция (извести), которые предотвращают изменение объема из-за усадки. Компенсация усадки достигается
при меньшем количестве добавки, в то время как химическое предварительное напряжение бетона получают при более высоких дозах.
8
Одна из добавок на основе сульфоалюмината кальция носит название
Денка CSA. Используются также и другие составные добавки этого типа, а
также смеси CaSO4 и СаО.
Добавки на основе извести были разработаны в начале 70-х годов. К
ним относится продукт, называемый «Онода Экспан»; он имеется на рынке. Добавки указанного типа используются в больших количествах в Японии,
Австралии и некоторых странах Юго-Восточной Азии. В Канаде проводятся
работы по применению этих материалов для закрытия скважин.
Хотя реакции, которые вызывают расширяющие усилия в смесях на
основе CSA и извести, различны, их влияние на свойства бетонов и растворов и их применение одинаковы.
Наиболее широко используемая однокомпонентная добавка — сульфоалюминат кальция — состоит из 30% C4A3S, 50% CaSO4 и 20% СаО.
Другие материалы типа CSA включают смеси C4ASH12 и C2S (моносульфат и гипс) и смеси из цемента типа I, высокоалюминатного цемента,
CaSО4-2H20, Ca(OH)2 и СаО.
При использовании в таких специальных областях строительства, как
подливка конструкций раствором и тампонирование нефтяных скважин, безводный сульфоалюминат кальция комбинируют с двумя или более добавками, указанными ниже: диспергирующими, агентами, выделяющими газ,
например, порошком алюмнии или частицами обезвоженного кокса, порошкообразным акриловым латексом для увеличения сил сцепления, а также с
веществами, увеличивающими или уменьшающими плотность раствора —
баритами или бентонитами.
Продукты, содержащие известь гранулометрического состава в пределах 80—96%, используются как однокомпонентные добавки на основе извести.
Безводный сульфоалюминат кальция получают при обжиге извести,
гипса и боксита. Активный расширяющий агент C4A3S образуется или в результате реакции, протекающей в твердой фазе между CaSО4 и смесью со9
единений, содержащих СаО и Аl2Оз, или в результате взаимодействия газообразного SO3 со смесью указанных соединений. Чтобы сохранить возможность расширения в течение длительного периода, необходимо, чтобы рост
кристаллов CSA проходил в медленном темпе.
Обычно для компенсации усадки используют отношение добавки к
цементу, равное 9—11 (добавка): 91 — 89 (цемент). При таких соотношениях
свойства бетона с добавкой CSA аналогичны свойствам портландцементных
бетонов с подобным же составом смесей. Однако при дозировке смеси больше 11% удобоукладываемость бетона и прочность уменьшаются с увеличением расширения и воздухововлечения. При неограниченном расширении,
превышающем 3 мм/м, прочность уменьшается.
Применение добавки на основе извести при дозировке 6—7% дает
возможность выпускать бетон со свойствами, аналогичными свойствам портландцементных бетонов. Снижение прочности, вызываемое более высокими
дозировками (в отсутствие ограничений), более значительно в связи с большим расширением и восприимчивостью добавки к влаге. При больших дозах
добавки
(>9%)
наблюдаются
вспенивание
и
увеличенное
воздухо-
вовлечение.
Если дозировки добавок составляют 8—11% для CSA и 6—7% для содержащих известь бетонов, то при водной выдержке бетона или при 100%-ой
относительной влажности расширение больше, чем при выдержке в изолированных камерах с другими добавками. В условиях выдержки при 50%-ой относительной влажности (воздушная выдержка) расширение
небольшое
(0,05%), а усадка происходит через 7 сут. Прочность при сжатии материала
после водной выдержки немного ниже, чем у материала после воздушной
выдержки. Указанные эффекты в большей степени проявляются в предварительно напряженных изделиях, так как для них используются более высокие
дозировки добавок. При отсутствии ограничений в условиях влажной выдержки может произойти расширение с разрушением.
10
Для проведения основных экспериментальных работ были использованы портландцемент Воскресенского завода М500. Основные свойства цементов определенные по ГОСТ 310.3-84 - 310.4-84. Нормальная густота:
26,5%;
;
; C3S=63%; C2S=16%; C3A=7%;
C=14%; В качестве мелкого заполнителя для бетона использовали речной,
кварцевый песок Подмосковного месторождения (содержание отмучиваемых
частиц в нём не более 1% по массе согласно ГОСТ 10268-80, модуль крупности 2,66). Его свойства были определены в соответствии с ГОСТ 8735-88*.
Песок удовлетворяет требованиям ГОСТ 8736-93. Истинная плотность-2,67
г/см3; Объёмная насыпная плотность-1595кг/м3; Пустотность-40,26%; Водопотребность-6,3%; Модуль крупности-2,66Мк. При приготовлении бетонов в
качестве крупного заполнителя использовали гранитный щебень фракции
5…20 мм. Истинная плотность-2,69 г/см3; средняя насыпная плотность-1425
кг/м3; водопоглощение-0,2%; содержание ила, пыли-0,15%. В качестве суперпластификатора использовали С-3 ( производитель ООО «Полипласт Новомосковск ) г. Новомосковск, партия № 813 от 02.10.2006) соответствующий ТУ 5870005-58042865-05; Лигносульфонаты технические жидкие (ЛСТ) – ТУ – 130281036-029-94 Однородная густая жидкость тёмно-коричневого цвета (взамен
ТУ -13-0281036-05-89, ОСТ 13-183-83, ОСТ 81-04-546-79- концентраты
сульфитно-дрожжевой бражки, концентраты бардяные жидкие).
Определение прочности высокопрочного бетона при сжатии и изгибе
производили в соответствии с требованиями ГОСТ 10180. Призменную
прочность, модуль упругости и коэффициент Пуассона определяли в соответствии с требованиями ГОСТ 24452 на образцах-призмах квадратного сечения с отношением высоты к ширине (диаметру), равным 4. Ширина (диаметр) образцов принималась равной 70 мм. Деформации расширения-усадки
и ползучесть (при уровне нагружения 0,3Rbn) определяли на образцах
100×100×400 мм в соответствии с ГОСТ 24544 и ТУ 5743-157-46854090-03.
Самонапряжение бетонов определяли по величине деформаций расширения
образцов 50×50×200 мм в условиях одноосного упругого ограничения, со11
здаваемого динамометрическими кондукторами в соответствии с ТУ 5743157-46854090-03.
Для оценки эффективности действия и выбора оптимального расширяющего компонента для получения бетонов с улучшенными деформативными свойствами были проведены предварительные испытания, в которых
исследовались различные микронаполнители: микрокремнезем (МК), зола
уноса (ЗУ), зола от сжигания рисовой шелухи (ЗРШ), метакаолин (МКЛ), метакаолин в комбинации с гипсом с отношением 1:1, минеральный порошок
из известняковых пород (ИП) и минеральный порошок из отходов производства газобетонных блоков (ГП). При проведении испытаний 10 % цемента по
массе заменялось различными микронаполнителями. Эффективность микронаполнителей в качестве расширяющихся компонентов оценивалась, прежде
всего, по значению усадки цементного камня в возрасте от 1 до 28 суток, а
также по значениям подвижности (расплыву мини-конуса dверх=35 мм, dнижн=
65 мм, h=60 мм) и индексу активности. Водотвердое отношение для каждого
состава составляло 0,4. Для увеличения пластичности цементного теста в
каждый состав вводился суперпластификатор С-3 (ТУ 5870-005-5804286505), в количестве 0,5 % от массы твердого вещества. Результаты испытаний
по определению эффективности микронаполнителей приведены в таблице 1.
Таблица 1 Результаты испытаний по определению эффективности микронаполнителей
Усадка цементного камня, мм/м
№
Состав цементного теста
1
2 дня
день
1 Цемент 100%
0
-0,08
2 Цемент + 10% МК
0
-0,13
3 Цемент + 10% ЗУ
0
-0,04
4 Цемент + 10% ЗРШ
0
-0,32
5 Цемент + 10% МКЛ
0
0,10
6 Цемент + 10% (МКЛ+Гипс) 0
0,12
7 Цемент + 10% ИП
0
-0,08
8 Цемент + 10% ГП
0
-0,09
Р: Расплыв мини-конуса, И: Индекс активности
3 дня
-0,13
-0,13
-0,04
-0,36
0,16
0,18
-0,1
-0,12
7
дней
-0,13
-0,21
-0,04
-0,37
0,18
0,22
-0,15
-0,16
28
дней
-0,17
-0,33
-0,04
-0,38
0,20
0,26
-0,17
-0,23
Р,
мм
И
192,5
187,5
192,5
155,0
252,5
252,5
137,5
207,5
1
1,2
1,1
1,1
1,3
1,3
1,0
1,3
Анализируя результаты испытаний, приведенные в таблице 1, можно
сделать вывод, что из всех представленных микронаполнителей наиболее
12
подходящим в качестве расширяющегося компонента для высокопрочных
бетонных смесей с компенсированной усадкой можно считать метакаолин, а
также смесь метакаолина и гипса. Данные микронаполнители при добавке в
цемент в количестве 10% от массы способствуют расширению цементного
камня до 0,2 и 0,26 мм/м, увеличивают подвижность цементного теста до
252,5 мм, а также увеличивают до 1,3 индекс активности. Из остальных добавок можно выделить золу уноса, которая приводит к снижению усадки до
0,04 мм/м, не снижает подвижности цементного теста и приводит к увеличению индекса активности до 1,1.
В дальнейших исследованиях были использованы комплексные органоминеральные модификаторы, в которых кроме расширяющего компонента
(смесь метакаолина и гипса в отшении 1:1), также присутствовали пластификаторы (С-3 и лигносульфонаты технические жидкие (далее ЛСТ). Но результатам предварительных испытаний цементных паст на мини-конусе были назначены следующие дозировки суперпластификаторов в расчете на сухое вещество: для С-3 – 8 и 10% от массы микронаполнителя, для ЛСТ – 1,0;
1,5; 2,0 и 2,5%. В зависимости от состава модификаторы подразделяются на
марки, в наименовании которых по аналогии с уже известными модификаторами серии ЭМБЭЛИТ первая цифра показывает процентное содержание органической части - суперпластификатора (от массы модификатора), вторая
цифра через тире указывает долю минеральной части, представленной различными минеральными расширяющимися композициями (в данном исследовании в каждом составе 100, т.к. в каждом составе минеральная часть
представлена только расширяющимя компонентом). Состав и обозначение
комплексных органоминеральных модификаторов приведены в таблице 2.
13
Таблица 2 Состав комплексных органоминеральных модификаторов
Состав в % по массе
№
1
2
3
4
5
6
Обозначение
Минеральная часть
Органическая часть
Доля
расширяющийся компонент
расширяющегося
Метакаолин
Гипс
компонента, %
ЭМБ 8-100
ЭМБ 10-100
ЭМБ 1-100.Л
ЭМБ 1,5-100.Л
ЭМБ 2-100.Л
ЭМБ 2,5-100.Л
46
45
49,5
49,25
49
48,75
46
45
49,5
49,25
49
48,75
92
90
99
98,5
98
97,5
С-3
ЛСТ
8
10
-
1
1,5
2
2,5
В дальнейших исследованиях оценивалась эффективность использования в органоминеральных модификаторах (серии ЭМБЭЛИТ) двух видов
суперпластификаторов (С-3 и ЛСТ) с различным механизмом действия на
цементную систему. Оценка эффективности суперпластификаторов проводилась по значению подвижности (расплыву мини-конуса) и прочности при
сжатии в возрасте 28 суток. Образцы изготавливались из смеси цемента (90
%) и органоминерального модификатора (10 %) с постоянным водоцементным отношением 0,35. В состав цементной системы суперпластификаторы
водили в растворенном виде вместе с водой затворения. Результаты испытаний приведены в таблице 3.
Таблица 3 Свойства цементного теста с органоминеральными модификаторами
№
1
2
3
4
5
6
Модификатор
ЭМБ 8-100
ЭМБ 10-100
ЭМБ 1-100.Л
ЭМБ 1,5-100.Л
ЭМБ 2-100.Л
ЭМБ 2,5-100.Л
Подвижность,
мм
210
215
105
119
122
140
ρ,
кг/м3
2136
2120
2195
2200
2212
2235
R28,
МПа
67,0
62,4
61,0
66,4
63,0
62,8
На основании данных результатов испытаний, приведенных в таблице
3, удалось установить, что из разработанных составов органоминеральных
модификаторов наиболее эффективными по критерию прочности оказались
составы ЭМБ 8-100 и ЭМБ 1,5-100.Л, которые повысили прочность цементного камня до 67,0 и 66,4 МПа. При этом, данные модификаторы способствовали увеличению подвижности цементного теста (по значению расплыва
мини-конуса) до 210 и 119 мм. Очевидно, что для получения высокоподвижных и литых бетонных смесей целесообразнее использовать модификаторы с
14
пластификатором С-3 (ЭМБ 8-100 и ЭМБ 10-100), т.к. они имеют более значительный эффект пластификации, чем модификаторы на основе ЛСТ, которые рекомендуется примять для бетонных смесей с невысокой подвижностью.
Далее для определения оптимальной дозировки органоминеральных
модификаторов для высокопрочных бетонов с компенсированной усадкой
были проведены дополнительные исследования, в которых количество вводимой добавки двух видов модификаторов (ЭМБ 8-100 ЭМБ 1,5-100.Л) составляло 10, 15 и 20 % от массы цемента. Исследования проводили на цементных пастах с В/(Ц+модификатор)=0,4, так как согласно приведенным
выше данным, при этом водотвердом отношении независимо от состава минеральной части, эффективность выбранных органоминеральных модификаторов приблизительно одинакова. Результаты испытаний приведены в таблице 4 и на рисунках 1 и 2.
Таблица 4. Свойства цементного камня с различными дозировками
модификаторов
№
Обозначение
1
2
3
4
5
6
ЭМБ 8-100
ЭМБ 8-100
ЭМБ 8-100
ЭМБ 1,5-100.Л
ЭМБ 1,5-100.Л
ЭМБ 1,5-100.Л
Кол-во модификатора, % от массы
цемента
10%
15%
20%
10%
15%
20%
15
Подвижность,
мм
ρ,
кг/м3
R28,
МПа
210
230
270
119
125
129
2136
2213
2210
2200
2205
2210
67,0
64,1
61,2
66,4
70,1
50,2
Рисунок 1 Усадка цементного камня с различными дозировками модификатора
ЭМБ 8-100
Рисунок 2 Усадка цементного камня с различными дозировками модификатора
ЭМБ 1,5-100.Л
16
Согласно полученным данным, максимальная прочность при сжатии
цементного камня с модификатором ЭМБ 8-100, достигается при его дозировке в количестве 10% от массы цемента, и составляет 67,0 МПа. При повышении дозировки модификатора ЭМБ 8-100 до 20% наблюдается незначительное снижение прочности при сжатии до 61,2 МПа, что обусловлено увеличением водоцементного отношения. При этом наблюдаются значительные
изменения в значениях расширения модифицированного цементного камня в
зависимости от дозировки: при добавке 10 % модификатора усадка к 30 суткам составляет 0,6 мм/м, при 15 % - 2,2 мм/м и при 20 % - 3,0 мм/м.
При использовании модификатора ЭМБ 1,5-100.Л максимальная
прочность при сжатии цементного камня достигается при его дозировке в количестве 15% от массы цемента, и составляет 70,1 МПа. Значения расширения при использовании модификатора ЭМБ 1,5-100.Л значительно меньше,
чем при использовании ЭМБ 8-100 и к 30 суткам достигают значений 0,1, 0,5
и 0,6 мм/м при дозировке модификатора 10,15 и 20 % соответственно.
Полученные экспериментальные данные о влиянии органоминеральных модификаторов серии ЭМБЭЛИТ с расширяющим компонентом на подвижность цементного теста, прочность и усадку цементного камня, позволяют рекомендовать их для применения при производстве бетонов с компенсированной усадкой. Варьирование вида и количества разработанных органоминеральных модификаторов в составах высокопрочных тяжелых и мелкозернистых бетонов позволяет управлять их деформациями расширенияусадки, получать высокоподвижные технологические смеси, и в результате
улучшать деформационные свойства и долговечность конструкций и сооружений из данных видов бетонов.
Для определения свойств высокопрочных бетонов с разработанными
органоминеральными модификаторами были проведены дополнительные
исследования, в которых исследовались значения прочности при сжатии,
прочности на растяжение при изгибе, призменной прочности, деформации
17
расширения, модуль упругости и водонепроницаемость. Составы бетонов, а
также свойства бетонной смеси приведены в таблице 5.
Таблица 5 Состав и свойства бетонных смесей с органоминеральными модификаторами
№
Вид модифи-
Фактический состав бетона, кг/м3
Характеристики бетонной смеси
катора
1
ЭМБ 8-100
504
76
640
1007
171
21
воздухововлечение, %
5,2
2
ЭМБ 1,5-100.Л
508
87
645
1016
179
0
3,1
2425
3
ЭМБ 1,5-100.Л
471
71
598
942
210
15
6,6
2293
Ц
МБ
П
Щ
В
ОК, см
ρ,кг/м3
2397
Следует отметить изменение свойств смеси в зависимости от состава
органической части модификатора - увеличение подвижности, характеризуемой расплывом конуса. Очевидно также, влияние состава минеральной части
модификатора на объем вовлеченного воздуха и на плотность смеси независимо от вида суперпластификатора; наибольшее воздухе вовлечение и
наименьшую плотность имеет бетонная смесь, содержащая модификатор
ЭМБ 1,5-100.Л с расходом воды 179 кг/м3, наименьшее воздухововлечеиие и
максимальная плотность у бетонной смеси с ЭМБ 1,5-100.Л с расходом воды
210 кг/м3, бетонная смесь с модификатором ЭМБ 8-100, занимает промежуточное положение.
По-видимому, такая зависимость объясняется увеличением плотности
упаковки частиц цементного теста и снижением вероятности защемления
воздуха между частицами, обусловлена формой, размерами частиц и гранулометрией крупного и мелкого заполнителя.
Значения прочности при сжатии исследуемых бетонов в разные сроки
твердения приведены в таблице 6 и на рисунке 3.
18
Таблица 6 Состав и свойства бетонов с органоминеральным модификатором
№
Вид применяемого
модификатора
Прочность бетона при сжатии,
Мпа, сут
1
3
7
28
90
1
ЭМБ 8-100
36,5 59,7
62,3
85,1
86,3
2
ЭМБ 1,5-100.Л
29,8 59,8
61,2
77,0
78,5
3
ЭМБ 1,5-100.Л*
6,7
35,8
47,9
48,4
24,7
Рисунок 3 Кинетика твердения бетонов с разными модификаторами
При сравнении влияния модификаторов ЭМБ 8-100 и ЭМБ 1,5-100.Л
на кинетику набора прочности из условия равноподвижности бетонных смесей (составы №1 и 3 по таблице 4.2), установлено, что за счет меньшего пластифицирующего эффекта введение модификатора ЭМБ 1,5-100.Л позволяет
достигнуть прочности 47,9 МПа, а введение модификатора ЭМБ 8-100 - 85,1
МПа.
Испытания по определению прочности бетонов с различными органоминеральными модификаторами осуществлялись и в возрасте 90 суток для
оценки степени гидратации этом возрасте. По результатам исследований
установлено, что прочность бетонов с различными видами органоминераль19
ных модификаторов с 28 по 90 сутки изменяется незначительно, что и составляет для бетонов с модификатором ЭМБ 8-100 - 1,2 МПа, для ЭМБ 1,5100.Л – от 0,5 до 1,5 МПа.
Кинетику деформаций усадки-расширения бетонов с органоминеральными модификаторами исследовали на образцах-балочках размером
50x50x200 мм.
Результаты, проведенных исследований представлены в таблице 7 и
рисунке 4.
Таблица 7 Деформации расширения-усадки бетонов процессе твердения
Модификатор
Возраст, сут
0
3
7
13
26
0
0,208
0,25
0,25
0,375
0
0,167
0,167
0,167
0,292
0
0,25
0,278
ЭМБ 1,5-100.Л - ЭМБ с увеличением воды до подвижности
0,278
0,333
ЭМБ 8-100
ЭМБ 1,5-100л
ЭМБ 1,5-100л
*
*
Рисунок 4.2 Зависимость деформации расширения-усадки бетонов от
времени твердения
20
При рассмотрении результатов расширения бетона с модификатором
ЭМБ 1,5-100Л возможно установить, что состав с увеличенным количеством
воды (№3), несмотря на меньшее содержание расширяющего компонента
имеет большее расширение, чем состав №2 (по таблице 7). Очевидно, что
данное развитие деформаций расширения для составов с модификатором
ЭМБ 1,5-100Л и большим количеством воды связано с модификатором ЭМБ
1,5-100Л с увеличением интенсивности протекания реакций в водонасыщенном растворе, результатом которых становится образование эттрингита в
больших количествах.
В результате проведенных исследований установлено, что у бетонов с
модификатором ЭМБ 8-100 расширение в процессе твердения развивается по
логарифмическому закону и составляет 0,375 мм/м на 28 сутки. Для бетонов
с модификатором ЭМБ 8-100 расширение в процессе твердения также развивается по логарифмическому закону и составляет 0,292 до 0,333 мм/м на 28
сутки. В результате исследований установлено, что значение расширения
увеличивается при увеличении водотвердого отношения за счет более интенсивных реакций, протекающих при твердении бетона и способствующих образованию эттрингита и расширению цементного камня.
Прочностные показатели различных составов бетонов в период формирования прочности в возрасте 28 суток приведены в таблице 8.
Таблица 8 Прочность высокопрочного бетона с органоминеральными модификаторами
№
Состава
R3сж
1
ЭМБ 8-100
59,7
R7сж
62,3
R28сж
85,1
R3изг
5,1
R7изг
6,5
R28изг
8,4
R28приз
61,4
2
ЭМБ 1,5-100л
59,8
61,2
77,0
5,0
6,3
7,9
59,3
3
ЭМБ 1,5-100л*
24,7
35,8
47,9
2,1
3,6
5,3
41,2
В результате проведенных исследований установлено, что прочность
при сжатии бетонов с органоминеральным модификатором ЭМБ 8-100 достигает значений 85,1 МПа, прочность на растяжение при изгибе – до 7,9
21
МПа, призменная прочность - до 61,4 МПа. Прочность при сжатии бетонов с
органоминеральным модификатором ЭМБ 1,5-100л достигает значений от
47,9 до 77,0 МПа, прочность на растяжение при изгибе от 5,3 до 7,9 МПа,
призменная прочность от 41,2 до 59,3 МПа.
Экспериментальные данные, полученные, при испытаниях высокопрочного бетона с разработанными органоминеральными модификаторами
приведены в таблице 9.
Таблица 9 Значения начального модуля упругости высокопрочного бетона с
органоминеральными модификаторами
№
1
2
3
Модификатор
ЭМБ 8-100
ЭМБ 1,5-100л
ЭМБ 1,5-100л*
Кубиковая
прочность
МПа
Еδ.103
Еδ.103
для класса
Отношение
экспериментального и
нормативного значений
85,1
77,0
47,9
45,6
43,2
36,3
40,5
39,5
34,5
В65
В55
В35
1,13
1,09
1,05
По СниП 2.03.01-84*
В результате проведенных исследований установлено, что модуль
упругости бетонов с органоминеральным модификатором ЭМБ 8-100
45,6·103 МПа, что превышает нормативное значение на 13 %. Модуль упругости бетонов с органоминеральным модификатором ЭМБ 1,5-100л 43,2·103
МПа, что превышает нормативное значение на 9 %.
Более высокие экспериментальные значения модуля упругости высокопрочного бетона с органоминеральными модификаторами, превышающие
на 15...20% нормативные значения для обычного тяжелого бетона естественного твердения являются следствием применения расширяющих компонентов в составе органоминеральных модификаторов, которые положительно
влияют на деформативные свойства бетонов и способствуют повышению модуля упругости данных бетонов.
Результаты испытаний приведены по определению водонепроницаемости исследуемых бетонов приведены в таблице 10.
22
Таблица 10 Результаты испытаний по определению водонепроницаемости бетонов с органоминеральными модификаторами
№
1
2
3
Модификатор
Марка по водонепроницаемомти
ЭМБ 8-100
ЭМБ 1,5-100л
ЭМБ 1,5-100л*
W16
W16
W16
В результате испытаний установлено, что водонепроницаемость бетонов, определенная по ГОСТ 12730.5-84 по методу мокрого пятна, с разработанными органоминеральными модификаторами соответствует марке W16.
По всей вероятности, водонепроницаемость бетонов зависит от дозировки
модификатора и не изменяется от типа применяемого пластификатора. Для
получения бетонов с более высокой маркой по водонепроницаемости необходимо увеличивать дозировку органоминерального модификатора.
Разработаны технические условия на органоминеральный модификатор с расширяющим компонентом для получения высокопрочных бетонов с
компенсированной усадкой.
По результатам исследований разработаны технологическая схема и
рекомендации по возведению фундаментных плит из бетона класса В40
(марки 400).
В диссертации выполнен подробный технико-экономический расчет
производства этих фундаментных плит с годовым экономическим эффектом.
Общий экономический эффект от использования разработанного модификатора ЭМБЭЛИТ 1,5-100.Л. в качестве замены модификатору ЭМБЭЛИТ 1,5100.Л. при возведении «Дворца водных видов спорта» в г. Казань, составил
4,594 млн. рублей.
23
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1.
С помощью выбранных методов исследования произведена оцен-
ка влияния микронаполнителей на свойства цементного теста и камня по
определяющим механизм их действия параметрам: подвижность, усадкарасширение и индекс активности. Установлено, что наиболее эффективным
микронаполнителем является смесь гипса и метакаолина в соотношении 1:1,
который значительно увеличивает пластичность цементного теста, прочность
цементного камня и способствует его расширению до 0,26 мм/м.
2.
Разработаны оптимальные органоминеральные композиции —
модификаторы, содержащие в минеральной части выбранный комплексный
микронаполнитель, а в органической части суперпластификатор (С-3 или
ЛСТ) в следующих соотношениях:
- ЭМБ 8-100 [ 8% СП С-3 + 92% ( гипс + метакаолин) ]
- ЭМБ 1,5-100.Л [ 1,5% ЛСТ + 98,5% (гипс + метакаолин) ]
3.
Исследовано влияние разработанных органоминеральных моди-
фикаторов на усадку и прочность цементного камня. Установлено, что при
введении модификатора ЭМБ 8-100 в количестве 10,15 и 20 % от массы цемента, расширение цементного камня после 28 суток твердения в нормальных условиях составляет 0,62, 2,17 и 2,85 мм/м, а прочность от 67,0 до 61,2
МПа. При введении в состав цемента ЭМБЭЛИТ 1,5-100.Л в количестве
15%, прочность образцов цемента достигает максимального значения 70
МПа, за счет снижения количества дефектов, возникающих в цементном
камне в процессе гидратации, по сравнению со значениями прочности при
дозировке модификатора 10% и 20% - 66,4 и 50,2 МПа соответственно.
4. В результате исследований установлено, что кинетика набора прочности бетонов с разработанными модификаторами ЭМБ 8-100 и ЭМБ 1,5100.Л незначительно отличается и позволяет достигать прочности в первые
сутки твердения от 29,8 до 36,5 МПа, а на 28 сутки от 77 до 85,1 МПа. При
этом необходимо отметить, что применение модификатора ЭМБ 8-100 целесообразно в высокоподвижных (марок по подвижности П3-П5) бетонных
24
смесях, а модификатора ЭМБ 1,5-100.Л в бетонных смесях марок П1-П3, либо в высокоподвижных бетонах с прочностью до 50 МПа.
5. В результате проведенных исследований установлено, что у бетонов с модификатором ЭМБ 8-100 расширение в процессе твердения развивается по логарифмическому закону и составляет 0,375 мм/м на 28 сутки. Для
бетонов с модификатором ЭМБ 8-100 расширение в процессе твердения также развивается по логарифмическому закону и составляет 0,292 до 0,333
мм/м на 28 сутки. В результате исследований установлено, что значение
расширения увеличивается при увеличении водотвердого отношения за счет
более интенсивных реакций, протекающих при твердении бетона и способствующих образованию эттрингита и расширению цементного камня.
6. Установлены, что прочность при сжатии бетонов с органоминеральным модификатором ЭМБ 8-100 достигает значений 85,1 МПа, прочность на растяжение при изгибе – до 7,9 МПа, призменная прочность - до
61,4 МПа. Прочность при сжатии бетонов с органоминеральным модификатором ЭМБ 1,5-100л достигает значений от 47,9 до 77,0 МПа, прочность на
растяжение при изгибе от 5,3 до 7,9 МПа, призменная прочность от 41,2 до
59,3 МПа. Водонепроницаемость бетонов, определенная по ГОСТ 12730.5-84
по методу мокрого пятна, с разработанными органоминеральными модификаторами соответствует марке W16.
7. В результате проведенных исследований определено, что модуль
упругости бетонов с органоминеральным модификатором ЭМБ 8-100
45,6·103 МПа, что превышает нормативное значение на 13 %. Модуль упругости бетонов с органоминеральным модификатором ЭМБ 1,5-100л 43,2·103
МПа, что превышает нормативное значение на 9 %. Более высокие экспериментальные значения модуля упругости высокопрочного бетона с органоминеральными модификаторами, превышающие на 9...13% нормативные значения для обычного тяжелого бетона естественного твердения, являются следствием применения расширяющих компонентов в составе органоминеральных модификаторов.
25
8. Разработан технологический регламент по производству бетонных
и арматурных работ, в котором предусмотрено использование бетонных смесей с компенсированной усадкой и осуществлено опытно-промышленное
внедрение разработанных бетонов при строительстве «Дворца водных видов
спорта» в г. Казань. Установлено, что использование разработанного модификатора ЭМБЭЛИТ 1,5-100.Л. для бетонов позволяет достигнуть следующих технических эффекты: упрощения технологии укладки смеси и высоких
технологических свойств смеси, обеспечения термической трещиностойкости конструкции, высокой прочности бетона в конструкции (в возрасте 32
суток прочность бетона в конструкции составляла 46,6…70,6 MПа, что выше
значения требуемого регламентом Rтp=46,0 МПа). Общий экономический
эффект от использования разработанного модификатора ЭМБЭЛИТ 1,5100.Л. в качестве замены модификатору ЭМБЭЛИТ 1,5-100.Л. при возведении «Дворца водных видов спорта» в г. Казань, составил 4,594 млн. рублей.
Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:
1.
Нгуен Тхе Винь, Нгуен Динь Чинь, Баженов Ю.М. Разработка
органоминеральных модификаторов для получения высокопрочных бетонов
с компенсированной усадкой // Вестник МГСУ. № 1 - 2012г. - С. 72-76.
2.
Баженов Ю.М., Нгуен Динь Чинь, Нгуен Тхе Винь. Высокопроч-
ные бетоны с комплексным применением золы рисовой шелухи, золы-уноса
и суперпластификаторов.// Вестник МГСУ. № 1 - 2012г. - С. 77-83.
26