Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,674

THE EFFECT OF THE ORGANIC-MINERAL MODIFIER ON PHYSICAL AND MECHANICAL DEFORMATION PROPERTIES OF THE CONCRETE

Tkach E.V. 1 Rakhimov M.A. 2 Toimbaeva B.M. 2 Rakhimova G.M. 2
1 National Research University Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), Moscow
2 Karaganda State Technical University, Karaganda
There is shown the possibility of increasing the complex of concrete mixture and concrete physical-and-technical properties when using an organic-mineral modifier that affects significantly physical-and-chemical processes of binders hardening. The optimum composition of the organic-mineral modifier was determined. To obtain the modifier there were used various organic and inorganic compounds. Comparative experiments were conducted with a super-plasticizer and water-repellent plasticizing additive to study the effect of the water-repellent organic-mineral agent on cement materials quality. The analysis results showed that strength of the concrete with the organic-mineral modifier was 1,7 to 1,8 higher as compared to the concrete without additives and 50 % higher as compared to the concrete with other modifiers. High prism strength of the concrete with the organic-mineral modifier (it exceeds more than 1,5 times the concrete composition without the modifier) indicates its crack growth resistance.
concrete
concrete mixture
organic- mineral modifier
super-plasticizer
water-repellent plasticizer
deformation properties
1. Bazhenov Yu.M. Tekhnologia betona [Concrete technology]. Moscow. ASV Publ., 2002. 500 p.
2. Batrakov V.G. Modifitsirovanyie betony. Teoria i praktika [Modified concrete. Theory and practice]. Moscow, 1998. 768 p.
3. Dvorkin L.I. Osnovy betonovedenia [Concrete science basis]. Sankt -Peterburg. Stroybeton Publ., 2006. pp. 511-547.
4. Ratinov V.B., Rozenberg T.I., Kuthcheryayeva G.D. Beton i zhelezobeton -Concrete and reinforced concrete, 1981, no. 9, p. 9-10.
5. Khigerovitch. M.I., Bayer V.E. Gidrofobno-plastifitsiruyushchiye dobavki dlya tsementa, rastvorov i betonov [Water-repellent - plasticizing additives for cement, mixtures and concrete]. Moscow. Stroyizdat Publ., 1979. 141 p.

Одним из наиболее перспективных направлений технического прогресса в технологии бетона является формирование благоприятной структуры цементного камня, позволяющее значительно повысить его стойкость и улучшить комплекс физико-технических свойств бетона с помощью различных химических модификаторов, которые при введении в малых количествах существенно влияют на физико-химические процессы твердения вяжущих, технологические свойства бетонных смесей и физико-технические свойства бетона [1].

Наиболее широко в технологии бетона применяются модификаторы структурирующего, пластифицирующего действия, регуляторы твердения бетона, а также комплексные модификаторы полифункционального действия. В состав комплексных модификаторов могут входить активные и малоактивные компоненты типа высокодисперсного микрокремнезема, золы-уноса и некоторые другие, позволяющие существенно улучшить технологические свойства бетонных смесей и физико-технические свойства бетонов [2].

Еще больше повышает актуальность применения модификаторов возможность утилизировать многотоннажные неорганические отходы производства. Особая роль в этом плане принадлежит ультрадисперсным наполнителям, содержащим кремнезем. На их основе можно получить комплексные порошкообразные модификаторы полифункционального действия [4].

В этой связи особый интерес представляют модификаторы, содержащие гидрофобизирующие ингредиенты, которые в составе многокомпонентных добавок обеспечивают регулирование конструктивных и деструктивных процессов в цементных материалах во времени (в период эксплуатации) [5].

В наших исследованиях сделан упор на разработку составов модификаторов, которые обладают пролонгированным действием в направлении регулирования процессов формирования стабильной макро- и микроструктуры, массообмена, самозалечивания цементного камня, эксплуатируемого в тяжелых условиях.

В основе назначения ингредиентов модификатора были использованы работы ученых стран СНГ и дальнего зарубежья, а также опыт, накопленный школой М.И. Хигеровича и его учениками. Для приготовления органоминерального модификатора ОМД-М в качестве ингредиентов применяли различные органические и неорганические соединения: гидрофобизатор - синтетические жирные кислоты (СЖК), пластификатор - технические лигносульфонаты (ЛСТ), трегер (носитель) - зола-унос ТЭС. В качестве высокоактивного минерального ингредиента применяли ультрадисперсные отходы производства ферросплавов, так называемый микрокремнезем (МК) [3].

Были определены составы органоминеральных модификаторов (табл. 1).

Таблица 1 Состав модификатора ОМД-М

Массовая доля компонентов в составе, % (в пересчете на безводные продукты)

Технические лигносульфонаты

Синтетические жирные кислоты (СЖК)

Тиосульфат натрия

Зола-унос

Микрокремнезем

Вода

0,15

0,15

3,00

15

20

Остальное

Для исследования влияния гидрофобизирующего органоминерального модификатора ОМД-М на качество цементных материалов, нами были проведены опыты с достаточно изученнными суперпластификатором С-3 и известной гидрофобизирующей добавкой ГПД.

Опытным путем определили зависимость прочности бетона от дозировки гидрофобизирующего органоминерального модификатора при В/Ц = 0,4 и установили оптимальную дозировку органоминерального модификатора ОМД-М - 12...13 % от массы цемента, С-3 (суперпластификатора) и ГПД (гидрофобно-пластифицирующей добавки) - соответственно 0,4 и 0,3 %.

При оптимальных дозировках модификатора ОМД-М нормальная густота цементных паст составила 22 и 24 % (цементной пасты без модификаторов - 26 %).

Результаты показывают, что модификатор ОМД-М улучшает реологические свойства цементных паст благодаря умеренному структурирующему действию на цементные системы синтетических жирных кислот (СЖК).

Исходя из приведенных пошаговых целевых индикаторов качества бетона, нами были проведены исследования основных физико-технических свойств цементного камня, бетонных смесей и бетона, приготовленного с использованием органоминерального модификатора типа ОМД-М. Известно, что поведение бетона в конструкциях в значительной мере определяется его упруго-пластическими деформациями.

Деформации бетона возникают при твердении, эксплуатации и испытании бетона. Величина деформаций и характер их развития обусловливают объемно-напряженное состояние бетона и зависят от особенностей нагружения бетона в конструкциях, его структуры и состава, свойств отдельных компонентов, действия окружающей среды.

В данной работе проведены исследования физико-механических свойств бетона без добавок и с модификаторами, которые проводились на образцах как нормального твердения, так и прошедших тепловлажностную обработку по оптимальным режимам (см. табл. 1). В экспериментах использованы три состава бетона: 1 - эталонный, без добавок; 2 - с модификатором 12 % ОМД-М (модифицированная органоминеральная добавка); 3 - 0,3 % ГПД (гидрофобно-пластифицирующая добавка) плюс 3 % ТСН (тиосульфат натрия) % и 4 - 0,4 % С-3 (суперпластификатор) плюс 4 % ТСН. Исследования деформативных свойств тяжелых бетонов с комплексными гидрофобизирующими модификаторами проведены в соответствии с методическими рекомендациями НИИЖБа. Испытывали по шесть образцов каждой серии (возраст образцов - 90 сут). Ступени нагружения приняты равными 0,1 Rpaзp. На каждой ступени делали выдержку, необходимую для снятия отсчетов по приборам. На боковых гранях призм устанавливали искательные головки ультразвукового прибора УКБ-1, с помощью которого фиксировали микроразрушения бетона. Результаты испытаний приведены в табл. 2.

Таблица 2 Лабораторные составы бетонных смесей

№ пп

Марка модификатора бетона, дозировка модификатора, % масс.цемента

Состав бетонной смеси

ВЦ

Свойства бетонной смеси

Ц

П

Щ

ρ0, кгм3

Vвв, %

ОК, см

1.

Без модификатора

500

730

1100

0,51

2485

2,2

3-4

2.

12 % ОМД-М

500

730

1100

0,38

2580

2,8

3-4

3.

0,3 % ГПД плюс 3 % ТСН

500

730

1100

0,48

2570

3,0

3-4

4.

0,4 % С-3 плюс 4 % ТСН

500

730

1100

0,44

2550

3,2

3-4

Далее нами были проведены опыты по определению вязкости разрушения бетона. Результаты определения вязкости разрушения образцов приведены в табл. 3.

Таблица 3 Прочностные и деформативные свойства бетона

Модификатор, % от массы цемента

Прочность, МПа

Деформативные свойства

кубиковая

призменная

на растяжение при изгибе

модуль упругости Е·103 МПа

eус105

eполз105

1. Без модификатора (контрольный)

33,20

28,3

3,7

42,8

40,4

29,3

2. 12 % ОМД-М

61,40

45,2

6,80

50,4

37,3

31,3

3. 0,3 % ГПД плюс 3 % ТСН

39,16

33,6

5,30

47,8

39,6

32,3

4. 0,4 % С-3 плюс 4 % ТСН

41,2

35,4

5,46

48,5

38,4

33,1

Затем провели испытания бетона с различными модификаторами на усталостную прочность. Исследования проводились на пульсирующем прессе при нагружении в один миллион колебаний, результаты показаны в табл. 4.

Таблица 4 Значение вязкости разрушения бетонов в возрасте 28 суток

Номер состава

Вид добавки, дозировка, %

Прочность, МПа

Вязкость разрушения, Нм/м

Rкуб

Rпр

1.

Без добавок

33,2

28,3

3,52

2.

12 % ОМД-М

61,4

45,2

4,1

3.

0,3 % ГПД плюс 3 % ТСН

39,16

33,6

3,8

4.

0,4 % С-3 плюс

4 % ТСН

41,2

35,4

3,9

Анализ полученных данных, приведенных в табл. 3-5, показывает, что прочность бетона с модификатором ОМД-М выше в 1,7-1,8 раза в сравнении с бетоном без добавок и на 50 % выше со сравниваемым бетоном с модификатором С-3 плюс ТСН. Высокая призменная прочность бетона с модификатором ОМД-М (она превышает более чем в 1,5 раза состав бетона без модификатора) указывает, как следствие, на высокую трещиностойкость.

Улучшены деформативные свойства у бетона с модификатором ОМД-М, что, по сути, обеспечивает надежное сцепление цементного камня с компонентами бетона, а значит и железобетона (арматурной сталью). Известно, что способность бетона деформироваться во времени при длительном действии постоянной нагрузки называют ползучестью. Так вот, бетоны с модификатором ОМД-М также имеют лучший характер развития деформаций ползучести, в сравнении с бетоном без добавок и контрольными образцами. Полученные характеристики деформативных свойств указывают на возможность изготовлять бетонные и железобетонные изделия и конструкции высокой надежности и долговечности, в том числе и эффективные предварительно напряженные изделия (к минимуму сводится потеря напряжения бетона при улучшенных характеристиках деформативности бетона).

Таблица 5 Усталостная прочность бетона

Материал

Прочность бетона, МПа

Куст.п.

R28

Rд28

Без добавок

34,3

30,2

0,13

12 % ОМД-М

62,4

59,7

0,05

0,3 % ГПД плюс3 % ТСН

39,2

35,4

0,1

0,4 % С-3плюс 4 % ТСН

40,5

37,2

0,08

Примечание. Куст п - коэффициент усталостной прочности, определяемый по формуле:  где R28 - предел прочности бетона на сжатие в возрасте 28 суток; RД 28 - то же, после испытания на пульсирующем прессе.

Рецензенты:

  • Соловьев В.И., д.т.н., профессор, генеральный директор органа по подтверждению соответствия систем менеджмента «Euroasia MS», г. Алматы;
  • Удербаев С.С., д.т.н., зав. кафедрой «Безопасность жизнедеятельности и защита окружающей среды» Кызылординского государственного университета имени Коркыт Ата, г. Кызылорда.

Работа поступила в редакцию 17.02.2012.