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 |
eус105 |
eполз105 |
|
|
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.