Новые пластифицирующие добавки для бетона
В Уральском Промстройниироекте и на кафедре технологии железобетонных изделий Казанского инженерно-строительного института исследованы новые пластифицирующие добавки для бетонов, выделенные i:: отходов химической переработки древесины на Верхне-Синя- чихинском лесокомбинате (Свердловская обл.). Одна из этих добавок — сульфометилярованнын новолак (СМН) — продукт конденсации фенолов растворимой сухоперегонной смолы может быть получена в жидком и порошкообразном виде, не ядовита, хорошо растворима в воде. Другая — углеводно- кислотный концентрат (УКК) —водорастворимая часть законденсированной с формальдегидом смолы, состоящей в основном из оксилактонов и оксикислот.
Для исследований сульфометилированный новолак н нейтрализованный- углеводно - кислотный концентрат (УККН) использовались в виде водных растворов с содержанием сухого остатка соответственно 29,9 и 46,7%. Растворы и бетоны готовили на портландцементе Сухоложского цементного завода. Активность цемента в 28-суточном возрасте 348 кгс/см2; минералогический состав цемента в %: C3S — 59; C2S=S0; С3А=6; C4AF=ill.
В качестве мелких заполнителей использовали дробленые пески, полученные из отходов асбестообогатительных фабрик и обогатительной фабрики Качканарского комбината, а также природный песок Ерзовского месторождения объемной массой 1400, 1740 и 1610 кг/м3, пустотностью в неуплотненном состоянии 46, 48 и 39%; содержанием зерен менее 0,14 мм 0,1; 9,2 и 1,9%; модулем крупности 2,79; 1,94 и 2,58. Применяли гранитный щебень Шарташского карьера объемной массой 1340 кг/м3 (50% фракции 5—10 мм и 50% фракции 10— 20 мм). Пластифицирующее действие новых добавок изучалось параллельно с известной добавкой — сульфитно-спиртовой бардой,
Сроки схватывания цементного теста нормальной густоты с исследованными добавками находятся в пределах требовании ГОСТ 10178—62, однако добавки удлиняют период схватывания: ССБ иа 3 ч 30 мин, CM 11 и УККН на 2 ч.
Исследовано также совместное действие новых добавок с ускорителем твердения— хлористым кальцием. Оптимальное количество СаС12 в комплексной добавке составило 1% от массы цемента.
Период схватывания цементного теста с комплексными добавками (ССБ + +СаС12, СМН+СаС12, УККН+СаС12) оказался равным периоду схватывания цементного теста без добавок.
Кинетика структурообразования цементного теста изучена на пластометре МГУ с углом конуса 30е и Кл =0,956 (при времени перемешивания теста 5 мин), а теплота гидратации — в термосном калориметре (ГОСТ 4798—57). Результаты пластометрических исследований приведены на рис. I.
В первоначальный период пластическая прочность образовавшейся коагуляционной структуры цементного теста нормальной густоты без добавок невелика и период пребывания его в пластическом состоянии равен 3—3,5 ч. Добавки от 0.01 до 0,15% ССБ к СМН не увеличивают период пластического состояния смеси. Введение тех же добавок в количестве 0,2% и более приводит к интенсивному нарастанию пластической прочности с начала затворения теста.
Цементное тесто с добавкой УККН от 0,05 до 0,2 % имеет период пластического состояния от 3,5 до 5 ч. Увеличение количества УККН до 0,5% привело к резкому росту пластической прочности, снижению времени пластического состояния системы до 5—10 мин и уже через 1 ч наблюдалось полное затвердевание системы.
Характеристика процесса гидратации и твердения цементного теста с исследуемыми добавками существенно дополняется данными калориметрических исследований, приведенными на рис. 2.
Температурные кривые в первый период характеризуются небольшим тепловыделением, которое начинается сразу после затворения цемента водой. Во втором, индукционном периоде, тепловыделения нс наблюдается, так как частицы цемента обволакиваются гелеобразными продуктами гидратации и про- цес гидратации» резко замедляется.
Третий период гидратации характеризуется бурным тепловыделением и максимальной температурой цементного теста. Очевидно, это происходит в результате действия воды и добавок на зерна цемента.
Наибольшую и почти равную температуру имеет цементное тесто без до- банок и с добавкой УККН. Однако максимум температурной кривой цементного тсс га с добавкой УККН сдвинут вправо за счет удлинения индукционного периода и более плавного подъема температуры. На температурных кривых цементного- теста с остальными добавками максимум сдвигается вправо и снижается, что свидетельствует о замедлении процессов гидратации.
Четвертый период характеризуется уменьшением тепловыделения. Температурные кривые после максимума плавно опускаются, ассимптотическн приближаясь к горизонтальной осн.
Введение хлористого кальция вместе с пластифицирующими добавками приводит к изменению характера температурных кривых. Резко сокращается индукционный период, увеличивается скорость подъема температуры и максимальная температура: спад температуры происходит значительно быстрее.
Таким образом, введение комбинированных добавок увеличивает тепловыделение цементного тестя, я значит и гидратации.
Свойства растворов изучались в смесях. Состав 1:3 конуса па встряхивающем стандартном столике 140 мм. Добавки вводились с водой затворении в виде водного раствора. Из растворной смеси готовили образцы размером 5X5X5 см.
Режим внброукладки раствора п бетона: амплитуда — 0,35 мм, частота — 3000 кол/мин. Прочность бетона определяли на образцах 10х10х10см.
Растворные бетонные образцы испытывали после пропаривания в возрасте 2 и 28 сут. и после воздушно-влажного хранения при обычцой температуре в возрасте 28 сут. и 3 мес.
Пропаривание образцов производилось при температуре 80±5°С по режиму 3+8 + 3 ч, выдержка образцов перед пропариванием составляла 24 ч
Добавки, вводимые в количестве от 0,05 до 0,3% массы цемента, снижают водопотребность равноконсистеитных растворных смесей на природном песке в количестве от 3,5 до 18%. По пластифицирующему эффекту добавка СМИ превосходит добавку ССБ, добавка УККН немного уступает ей.
Водонотрсбность растворных смесей на искусственных дробленых песках снизилась меньше (до 12%) растворов на природном песке.
Снижение объемной массы отмечалось в основном п растворных смесях с сульфометилированным новолаком (до 5%). Оптимальное содержание добавок в растворах н бетонах: ССБ—0, 15—0,20%, СМИ—0,15—0,20% и УККН—0,15— 0,25%.
При нормальном твердении н при пропаривании прочность на сжатие растворных образцов па природном песке с добавкой СМИ составляла 111 н 103%, УККН— ПО и 129%; на
песке из отходов асбестообогатительных фабрик с добавкой СМИ 119 н 122%, УККН 105 и 118%, с добавкой ССБ 131 и ;о5% (к прочности образцов, затворенных на чистой воде).
Действие добавок на портландцемент более эффективно, чем на портландцемент с гидравлическими добавками (например, трепелом) в особенности при введении сульфометилированного ново- лака и углеводно-жислотиого концентрата. Раствор на портландцементе Сухоложского завода при введении углеводно-кислотного концентрата (пропаренные образцы) показал прочность на 30% выше, чем раствор на цементе с добавкой трепела.
Влияние добавок на структуру растворов и бетонов изучено также петрографическим способом в прозрачных шлифах Введение добавок в цементное тесто приводит к увеличению количества пор до 8—11%. Относительно большим количеством пор Характеризуется цементный камень, в состав которого введены СМН (10%) и ССБ (11%). Тепловлажностная обработка приводит к повышению пористости цементного камня на 3—5% как при введении добавок, так и без них. Комплексные добавки снижают количество пор в цементном камне примерно на 4% в сравнении с количеством пор цементного камня с единичными добавками.
Комбинированные добавки располагаются следующим образом но степени моризуюшего действия на структуру цементного камня: СМН+СаС1;>ССБ-1- +СаС1а>УКК+СяСи.
Поры, как правило, замкнуты. В 1 тлифах с коыяусксиыия добавками наблюдалось зарастание пор кристаллическим веществом. В цементном камне с добавками размер пор меньше, чем в контрольных образцах без добавок.
Свойства бетонных смесей и бетонов изучались при расходе цемента: 340 и 480 кг на 1 л3 бетона. Показатель жесткости бетонных смесей принят 20— 25 сек по техническому вискозиметру. Результаты опытов приведены в таблице п показывают, что введение комплексных добавок приводит, к существенному увеличению прочности бетонов и особенно при меньшем расходе цемента и применении тепловой обработки.
Действие пластифицирующих добавок наиболее эффективно при использовании смесей на природном песке с расходом цемента до 340 кг на 1 л3 бетона. С повышением расхода цемента эффект пластификации в бетонных смесях как на природном, так и дробленом песках почти одинаков.
Из анализа данных прочности пластифицированных бетонов равной консистенции следует, что все добавки повышают прочность бетона. В равнопрочных бетонах введение добавок обеспечивает снижение расхода цемента от 6 до 24% (от 5 до 100 кг цемента на 1 м3 бетона) в зависимости от вида добавки, расхода цемента, вида песка и условий твердения.
Испытанию на морозостойкость подвергали растворные образцы размером 4X4X16 см с добавками ССБ, СМН и УККН в оптимальных количествах, а также в комплексе с хлористым кальцием. После 150 циклов переменного замораживания и оттаивания изменение в весе образцов не превышало 4%; прочность на сжатие, как правило, выше прочности контрольных образцов; динамический модуль упругости почти не изменяется. Таким образом, растворы с исследуемыми добавками показали марку но морозостойкости не менее 150.
Выводы
Сульфометилированный новолак и нейтрализованный углеводнокислый концентрат рекомендуются как пластификаторы в бетонах и растворах взамен дефицитных концентраторов сульфитноспиртовой барды.
Применение этих добавок более эффективно при одновременном введении в бетоны и растворы хлористого кальция, что позволяет снизить расход цемента от 6 до 24%.
Комплексные добавки можно применять для улучшения удобоукладываемости и снижения расхода цемента в жестких, полужестких и подвижных смесях. Но так как наибольший эффект достигается при введении этих добавок в жесткие и полужесткие смеси, подвергаемые пропариванию, целесообразнее пластифицированные бетоны на основе комплексных добавок применять для производства сборных железобетонных изделий.