На современном этапе строительство испытывает потребность в увеличении производства качественных бетонных и сухих растворных смесей с минеральными добавками на основе местных минеральных ресурсов. Применение минеральных добавок в цементах оказывает положительное влияние на стойкость цементного камня к коррозии, но замедляет твердение бетонных конструкций в ранние сроки. В качестве минеральных добавок используют активные и инертные материалы природного и техногенного происхождения [1, 6]. В наполненном минеральными добавками цементном вяжущем частицы минеральной добавки могут быть крупнее и мельче среднего размера частиц цемента и могут в разной степени проявлять свою химическую активность. Размер частиц применяемых минеральных добавок – от 160 до 0,05 мкм. Рациональный размер частиц минеральных добавок в бетонах связан с их поверхностной активностью. Например, удельная поверхность высокоактивного микрокремнезема составляет 15000…20000 м2/кг при среднем размере частиц 0,50…0,05 мкм, что в 100 раз меньше чем у цемента. Располагаясь в межзерновой пустотности цемента, частицы микрокремнезема как наполнитель уплотняют структуру цементного камня [1, 6]. Проявляя при этом высокую поверхностную активность и взаимодействуя с портландитом, они способствуют упрочнению контактной зоны между цементным камнем и заполнителем в бетонах и растворных смесях [7]. При использовании инертной добавки, например кварцевого наполнителя, как показывают исследования, уменьшение удельной поверхности с 900 до 100 м2/кг понижает водопотребность составов, способствует снижению объемных деформаций усадки и уменьшению поврежденности трещинами композитов при длительных периодах эксплуатации [5]. Понижение водопотребности цементных композиционных материалов с минеральными добавками достигается совместным применением минеральных добавок с суперпластификаторами, обладающими значительным водоредуцирующим эффектом [3, 4, 2]. Наибольший водоредуцирующий эффект можно получить при использовании суперпластификаторов на основе поликарбоксилатного эфира (РСЕ) [2]. Если действие традиционных суперпластификаторов типа SMFC и SNFC связано с электростатическим отталкиванием частиц цемента, то действие PSE суперпластификаторов дополнительно обусловлено стерическим эффектом [2].
При возведении монолитных бетонных конструкций кинетика набора ранней прочности диктует темпы и качество строительных работ. В случае использования суперпластификаторов совместно с минеральными добавками важно оценить влияние их дозировки на кинетику набора ранней прочности бетонов. При выявлении эффекта замедления кинетики твердения на ранней стадии необходимо найти способ его устранения. Представляется целесообразным исследовать влияние содержания суперпластификатора и минерального наполнителя на кинетику ранней прочности в присутствии ускорителя твердения.
Целью исследования являлось изучение кинетики набора ранней прочности мелкозернистого бетона с ускорителем твердения в зависимости от содержания PСE суперпластификатора и кварцевого наполнителя.
Материалы и методы исследования
Исследования выполнены на мелкозернистом бетоне с кварцевым наполнителем, полученным помолом местного природного мелкозернистого кварцевого песка до удельной поверхности Sуд = 100 м2/кг. Для приготовления мелкозернистого бетона применялся портландцемент ЦЕМ 42,5Н производства ЗАО «Ульяновскцемент». В качестве заполнителя использовался природный кварцевый песок с модулем крупности Мк = 1,9. Кварцевый наполнитель с удельной поверхностью Sуд = 100 м2/кг вводился взамен части кварцевого песка. Эффект самоуплотнения и водопонижения достигался использованием суперпластификатора Glenium® ACE 430 компании BASF. В качестве ускорителя твердения во всех составах использовалась добавка X–SEED®100 в количестве 0,5 % от массы цемента. Химические добавки вводились в бетонную смесь с последней третью воды затворения. Приготавливались равноподвижные смеси, содержащие такое минимальное количество воды, при котором они переходили в литую консистенцию и приобретали способность к самоуплотнению: диаметр растекания смесей контролировался испытанием в конусе Хегерманна и составлял 220…240 мм. Прочность составов определялась в возрасте 1, 2 и 3 суток испытанием на прессе образцов размером 20×20×20 мм.
Результаты исследования и их обсуждение
Исследовано влияние содержания цемента (по соотношению цемент:песок), содержания кварцевого наполнителя (по частичной замене наполнителем кварцевого песка) и влияние содержания суперпластификатора Glenium® ACE 430 в присутствии 0,5 % ускорителя твердения X – SEED®100 на раннюю прочность мелкозернистого бетона и формирование водопотребности равноподвижных самоуплотняющихся смесей. Границы варьирования переменных факторов приведены в таблице.
Уровни варьирования переменных факторов
|
Наименование переменных факторов |
Уровни варьирования переменных факторов |
||
|
–1 |
0 |
+1 |
|
|
1. Соотношение цемент: песок по массе |
0,5 |
0,75 |
1 |
|
2. Частичная замена песка П кварцевым наполнителем Н с удельной поверхностью Sуд = 100 м2/кг, Н/(П + Н), % |
0 |
12,5 |
25 |
|
3. Содержание суперпластификатора Glenium® ACE 430, % от массы цемента |
0,6 |
0,7 |
0,8 |
Исследования показали, что присутствие кварцевого наполнителя положительно сказывается на снижении расслаиваемости и способности смеси к самоуплотнению, но при введении его вместо части песка повышает водопотребность составов. Анализ водопотребности исследуемых составов позволил количественно оценить влияние кварцевого наполнителя и суперпластификатора Glenium® ACE 430 на водоцементное отношение (В/Ц).
Результаты формирования водопотребности составов по показателю В/Ц представлены на рис. 1.
Рис. 1. Влияние содержания суперпластификатора Glenium® ACE 430 на водопотребность смесей без наполнителя (составы № 1 и 3) и при замене 25 % песка кварцевым наполнителем (составы № 2 и 4); соотношение цемент:песок по массе в составах № 1 и 2 равно 1,0, а в составах № 3 и 4 равно 0,5
Водопотребность составов с соотношением цемент:песок (Ц/П) = 1,0 (составы № 1 и 2) при прочих равных условиях ниже, чем в составах с соотношением Ц:П = 0,5 (составы № 3 и 4) на 7…20 %. Разница в водопотребности этих составов уменьшается с 16…20 до 7…11 % с увеличением содержания суперпластификатора Glenium® ACE 430 от 0,6 до 0,8 % от массы цемента.
Рис. 1 наглядно показывает, что в составах без наполнителя (составы № 1 и 3) водоцементное отношение также снижается, причем наиболее интенсивно оно снижается при повышении содержания Glenium® ACE 430 с 0,6 до 0,7 % от массы цемента. Замена в составах песка на 25 % кварцевым наполнителем в сравнении с составами без наполнителя повышает показатель В/Ц в составах с соотношением Ц/П = 1,0 на 7…15 %, а при соотношении П/Ц = 0,5 – на 11…20 %. Увеличение содержания суперпластификатора от 0,6 до 0,8 у состава № 4 с соотношением П/Ц = 0,5 и при замене 25 % кварцевого песка наполнителем снизило показатель В/Ц на 16 %.
Анализ формирования водопотребности составов по водотвердому отношению (В/Т) выявил, что в условиях равноподвижности этот показатель снижается в пределах исследуемого диапазона варьирования факторов за счет снижения расхода цемента, кварцевого наполнителя и увеличения содержания суперпластификатора Glenium® ACE 430 с 13,8 до 7,9 % по массе.
На рис. 2 приведены результаты исследования прочности при сжатии в суточном возрасте составов с соотношением цемент:песок = 1,0 и 0,5 в присутствии 0,5 % ускорителя твердения X – SEED® 100.
Анализ результатов показал, что при повышении содержания Glenium® ACE 430 с 0,6 до 0,7 % от массы цемента прочность всех составов возрасте 1 календарного дня сохраняется практически на одном уровне. Дальнейшее увеличение в них содержания суперпластификатора Glenium® ACE 430 свыше 0,7 % от массы цемента снижает раннюю суточную прочность.
Состав № 2 с кварцевым наполнителем имеет прочность выше, чем состав № 1 без наполнителя. Максимальная суточная прочность получена у состава № 2 – 34 МПа при содержании суперпластификатора Glenium® ACE 430 с 0,6 % от массы цемента. У состава № 3 с соотношением Ц/П = 0,5, не содержащего кварцевого наполнителя суточная прочность выше, чем у состава № 4, в котором 25 % песка заменены кварцевым наполнителем. Полученные результаты свидетельствуют о существенном влиянии соотношения Ц/П на эффективность применения кварцевого наполнителя, с удельной поверхностью Sуд = 100 м2/кг. В составе № 2 его положительная роль проявилась в повышении кинетики нарастания суточной прочности при использовании суперпластификатора Glenium® ACE 430.
На рис. 3 приведены значения прочности составов мелкозернистого бетона в трехсуточном возрасте.
Рис. 2. Суточная прочность составов мелкозернистого бетона при соотношении цемент:песок (Ц/П) = 1,0 (составы № 1 и 2) и Ц/П = 0,5 (составы № 3 и 4); частичная замена кварцевого песка кварцевым наполнителем с Sуд = 100 м2/кг: в составах № 2 и 4 – 25 %, в составах № 1 и 3 – 0 %
Рис. 3. Трехсуточная прочность составов мелкозернистого бетона при соотношении цемент:песок (Ц/П) = 1,0 (составы № 1 и 2) и Ц/П = 0,5 (составы № 3 и 4); частичная замена кварцевого песка кварцевым наполнителем с Sуд = 100 м2/кг: в составах № 2 и 4 – 25 %, в составах № 1 и 3 – 0 %
Анализ результатов показал, что увеличение содержания Glenium® ACE 430 с 0,6 до 0,7 % от массы цемента в составах № 1 и 2 приводит к росту трехсуточной прочности. Увеличение содержания суперпластификатора с 0,6 до 0,7 % от массы цемента позволило повысить прочность состава № 1 с 47 до 59 МПа, а состава № 2 – с 57 до 69 МПа. Дальнейшее повышение содержания суперпластификатора Glenium® ACE 430 с 0,7 до 0,8 % от массы цемента приводит к понижению трехсуточной прочности, что связано с увеличением индукционного периода твердения цемента. Состав № 2 с кварцевым наполнителем имеет прочность выше, чем состав № 1 без наполнителя.
В составах № 3 и 4 с ростом содержания суперпластификатора от 0,6 до 0,8 % от массы цемента отмечается рост прочности во всем диапазоне. При соотношении цемент:песок = 0,5 присутствие кварцевого наполнителя с удельной поверхностью 100 м2/кг понижает прочность составов на 5 %.
Применение ускорителя твердения X – SEED®100 позволило через сутки получить прочность исследуемых составов в пределах 10…34 МПа, а в возрасте трех суток – от 42 до 69 МПа.
Выводы
1. В присутствии ускорителя твердения X–SEED®100 получены составы мелкозернистого бетона с высокой прочностью в возрасте 1…3 календарных дней. Отмечено сдерживание роста ранней прочности составов с соотношением цемент:песок = 1,0 при повышении содержания суперпластификатора Glenium® ACE 430 свыше 0,7 % от массы цемента.
2. Введение кварцевого наполнителя взамен части песка позволяет регулировать концентрацию суперпластификатора на поверхности твердых частиц, что открывает дополнительную возможность регулирования кинетики ранней прочности мелкозернистого бетона и решения задачи ускорения темпов строительства.
3. Соотношение цемент:песок, содержание кварцевого наполнителя и концентрация суперпластификатора Glenium® ACE 430 в целом отражают взаимосвязь формирования водопотребности смесей и ранней прочности мелкозернистого бетона в присутствии ускорителя твердения X–SEED®100.
Рецензенты:
Краснов А.М., д.т.н., профессор кафедры строительных технологий и автомобильных дорог, ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет», г. Йошкар-Ола;
Салихов М.Г., д.т.н., профессор кафедры строительных технологий и автомобильных дорог, ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет», г. Йошкар-Ола.
Работа поступила в редакцию 12.11.2014.