Отправить статью по E-mail Влияние поликарбоксилатного суперпластификатора и минеральных добавок на прочностные показатели цементных композитов
- Авторы: Балыков А.С., Володин С.В., Коровкин Д.И., Володин В.В., Низина Т.А.
- Выпуск: Том 10, № 3 (2022)
- Раздел: Статьи
- Статья получена: 14.12.2024
- Статья одобрена: 14.12.2024
- URL: https://ogarev-online.ru/2311-2468/article/view/273180
- ID: 273180
Цитировать
Полный текст
Аннотация
В работе представлены результаты исследования влияния минеральных добавок различного состава (кремнеземистая, алюмосиликатная, сульфоалюминатная, карбонатная) и поликарбоксилатного суперпластификатора на подвижность, плотность и предел прочности при сжатии цементных систем. Выявлены оптимальные концентрации добавок, позволяющие получать модифицированные цементные композиты с повышенными прочностными показателями.
Полный текст
Разработка эффективных составов цементных бетонов с улучшенными физико-механическими свойствами является одним из ключевых направлений в развитии современного строительства. Получение бетонов с заданными показателями свойств при сокращении энергетических и материальных затрат является характерной особенностью современной строительной технологии.
Наиболее эффективным способом улучшения эксплуатационных качеств бетона является введение в его состав модифицирующих добавок и частичной замены ими клинкера. Из всего их многообразия на сегодняшний день наибольшую эффективность показали [1]:
- суперпластификаторы на основе поликарбоксилатов, позволяющие снизить водоцементное отношение (до 35÷40% и более) [2; 3]. Они обладают высокой разжижающей способность по сравнению с традиционными добавками данного типа;
- сульфоалюминатные добавки, введение которых в состав композита позволяет регулировать линейные и объемные деформации в процессе твердения [4; 5];
- карбонатные добавки (известняки, доломиты), применение которых приводит к повышению прочностных показателей за счет способности кальцита, являющегося составной частью добавок данного типа, выступать в качестве центра кристаллизации новообразований, что приводит к формированию кристаллизационных оболочек и срастанию частиц [6–8];
- высокодисперсные пуццолановые добавки (микрокремнезем и метакаолин), обладающие высокой реакционной активностью [9].
Целью исследования является установление закономерностей влияния поликарбоксилатного суперпластификатора и минеральных добавок (МД) различного состава (кремнеземистая, алюмосиликатная, сульфоалюминатная, карбонатная) на физико-механические свойства цементных систем с выявлением наиболее эффективных модификаторов и их комплексов. Исследования проводились на цементных системах с суммарной дозировкой минеральных добавок 20% от массы вяжущего (Ц+МД) при фиксированном водовяжущем отношении В/(Ц+МД) = 0,24. Основным компонентом вяжущего являлся портландцемент 500-Д0-Н (Ц) производства ПАО «Мордовцемент». В качестве контрольного принят состав без минеральных добавок с равным водосодержанием и дозировкой пластификатора 1% от массы портландцемента.
Планирование экспериментального исследования осуществлялось на основе специально синтезированного плана (табл. 1), содержащего 18 опытных точек [9]. При этом варьировалось две группы факторов (табл. 2, 3):
Таблица 1. План экспериментального исследования в кодированных величинах
№ состава | Варьируемые факторы в кодированных величинах | ||||
Первая группа факторов | Вторая группа факторов | ||||
Вид и содержание наполнителя и суперпластификатора | Вид и содержание АМД | ||||
x1 (СП Melflux) | x2 (МКМ) | v1 (МК) | v2 (ВМК) | v3 (РСАМ) | |
1 | -1 | -1 | 1 | 0 | 0 |
2 | -1 | -1 | 0 | 1 | 0 |
3 | -1 | -1 | 0 | 0 | 1 |
4 | -1 | 0 | 0,5 | 0 | 0,5 |
5 | -1 | 1 | 0 | 0 | 1 |
6 | -1 | 1 | 0,5 | 0,5 | 0 |
7 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 |
8 | 0 | -1 | 0 | 0,5 | 0,5 |
9 | 1 | 0 | 0,5 | 0,5 | 0 |
10 | 0 | 0 | 0,333 | 0,333 | 0,333 |
11 | 1 | -1 | 1 | 0 | 0 |
12 | 1 | -1 | 0 | 0 | 1 |
13 | 1 | 0 | 0,5 | 0 | 0,5 |
14 | 1 | 1 | 0 | 0,5 | 0,5 |
15 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 |
16 | 1 | -1 | 0 | 1 | 0 |
17 | 0 | 1 | 0,5 | 0 | 0,5 |
18 | 0 | -1 | 0,5 | 0,5 | 0 |
Контроль | 0 | -1 | 0 | 0 | 0 |
Таблица 2. Уровни варьирования первой группы исследуемых факторов в кодированных величинах и их численные значения
Факторы | Уровни варьирования | ||||
-1 | 0 | +1 | |||
Вид компонента | x1 | СП, % от массы вяжущего (Ц + МД) | 0,5 | 1,0 | 1,5 |
x2 | МКМ, % от массы МД (МК+ВМК+РСАМ+МКМ) | 0 | 25 | 50 | |
Таблица 3. Уровни варьирования второй группы исследуемых факторов в кодированных величинах и их численные значения
Факторы | Уровни варьирования | |||||
0 | 0,333 | 0,5 | 1,0 | |||
Вид добавки | v1 | МК, % от массы вяжущего (Ц + МД) | 0 | 6,67/5/3,33* | 10/7,5/5* | 20/15/10* |
v2 | ВМК, % от массы вяжущего (Ц + МД) | 0 | 6,67/5/3,33* | 10/7,5/5* | 20/15/10* | |
v3 | РСАМ, % от массы вяжущего (Ц + МД) | 0 | 6,67/5/3,33* | 10/7,5/5* | 20/15/10* | |
Примечание. *Количество АМД при содержании карбонатного наполнителя МКМ соответственно 0/25/50% от массы МД (МК+ВМК+РСАМ+МКМ).
– содержание пластифицирующей добавки и карбонатного наполнителя: x1 (поликарбоксилатный суперпластификатор Melflux 1641 F (СП)); x2 (микрокальцит (МКМ));
– тип и дозировка активных минеральных добавок (АМД): v1 (кремнеземистая АМД – микрокремнезем конденсированный неуплотненный производства АО «Кузнецкие ферросплавы» (МК)); v2 (алюмосиликатная АМД – высокоактивный метакаолин производства ООО «Пласт-Рифей» (ВМК)); v3 (расширяющий сульфоалюминатный модификатор производства ООО «Парад Русь» (РСАМ)).
Для обработки результатов экспериментальных исследований применялись методы математической статистики, а для их графической интерпретации – треугольные диаграммы Гиббса-Розебома, построенные с применением программы Statistica 10.0.1011.6.
В качестве основных исследуемых факторов были выбраны: подвижность, предел прочности при сжатии и плотность в нормальных влажностных условиях (28 суток). За показатель подвижности цементной системы принимался диаметр расплыва после 15-ти секундного истечения теста из усеченного мини-конуса (кольцо к прибору Вика по ГОСТ 310.3).
В качестве контрольного в данном исследовании был принят состав без минеральных добавок с содержанием 1% пластификатора Melflux 1641 F от массы вяжущего. Расплыв данного состава из мини-конуса составил 275 мм, предел прочности при сжатии – 98,3 МПа; плотность в равновесном состоянии – 2150 кг/м3.
Для комплексной оценки эффективности влияния минеральных добавок различного вида, а также концентрации суперпластификатора проведем анализ полученных результатов в относительных величинах (рис. 1–3). Судя по полученным данным, ряд модифицированных цементных систем превосходят контрольный состав как по отдельным показателям, так и по их комплексам, что свидетельствует о возможности разработки эффективных цементных вяжущих на их основе.
Рис. 1. Изменение относительной подвижности цементного теста (диаметр расплыва из мини-конуса) в зависимости от состава (табл. 1)
Рис. 2. Изменение относительной плотности модифицированного цементного камня в нормальных влажностных условиях (28 суток) в зависимости от состава (табл. 1)
Рис. 3. Изменение относительного предела прочности при сжатии модифицированного цементного камня (28 суток) в зависимости от состава (табл. 1)
Установлено, что варьирование относительного предела прочности при сжатии в возрасте 28 суток для 18 исследуемых составов по сравнению с контрольным происходит в интервале от 0,9 до 1,2 отн. ед. (рис. 3), изменение относительной плотности в нормальном влажностном состоянии – от 0,96 до 1,02 отн. ед. (рис. 2). При этом введение в состав цементного теста минеральных добавок различного вида приводит к снижению подвижности смесей с учетом концентрации пластифицирующей добавки 0,5, 1,0 и 1,5% от массы вяжущего, соответственно, на 16-73%, до 25 и 27%.
Проведем анализ треугольных диаграмм Гиббса-Розебома, описывающих изменение относительного предела прочности при сжатии модифицированных цементных композитов в зависимости от варьируемых параметров (рис. 4). Установлено, что увеличение содержания в составах пластифицирующей добавки приводит к повышению прочностных показателей модифицированного цементного камня в возрасте 28 суток. Наибольший потенциальный прирост прочностных показателей, достигающий согласно модельным значениям 45% по сравнению с контрольным составом, может быть получен при максимальной концентрации суперпластификатора Melflux 1641 F (1,5% от массы вяжущего) и замене 20% портландцемента на минеральные добавки ВМК и РСАМ, вводимые в равном соотношении.
Рис. 4. Треугольные диаграммы Гиббса-Розебома изменения относительного предела прочности при сжатии (отн. ед.) модифицированного цементного камня (28 суток) в зависимости от варьируемых факторов: x1 – Melflux 1641 F; x2 – МКМ; v1 – МК; v2 – ВМК; v3 – РСАМ
Увеличение доли карбонатного наполнителя при всех концентрациях пластификатора приводит к снижению предела прочности при сжатии (рисунок 4), способствуя при этом повышению подвижности смесей. В целом, для всех комбинаций варьируемых факторов x1 (суперпластификатор Melflux 1641 F) и x2 (МКМ) могут быть получены составы, не уступающие контрольному пластифицированному (1% от массы вяжущего) композиту без МД. При этом следует выделить следующие комбинации варьируемых факторов, использование которых способствует достижению высоких прочностных показателей (более 20% по сравнению с контрольным составом) при различных концентрациях суперпластификатора Melflux 1641 F от массы вяжущего (Ц + МД):
- 1,5% СП; 25% МКМ, 37,5% ВМК и 37,5% РСАМ от общей массы минеральных добавок;
- 1,0% СП; МК, ВМК и РСАМ в равном соотношении;
- 0,5% СП; 50% МК и 50% ВМК от общей массы минеральных добавок.
Полученные результаты свидетельствуют о перспективности использования комплексной модификации при разработке эффективных составов цементных вяжущих с повышенными прочностными показателями. Дальнейшее направление исследований будет связано с проведением многокритериальной оптимизации как экспериментальных, так и модельных составов с использованием метода экспериментально-статистического моделирования [10], что позволит выявить составы с комплексом повышенных показателей (подвижность, плотность, предел прочности при сжатии, скорость набора прочности и др.).
Об авторах
А. С. Балыков
Автор, ответственный за переписку.
Email: ogarevonline@yandex.ru
Россия
С. В. Володин
Email: ogarevonline@yandex.ru
Россия
Д. И. Коровкин
Email: ogarevonline@yandex.ru
Россия
В. В. Володин
Email: ogarevonline@yandex.ru
Россия
Т. А. Низина
Email: ogarevonline@yandex.ru
Россия
Список литературы
- Низина Т. А., Балыков А. С., Коровкин Д. И., Володин С. В., Володин В. В. Влияние комплексных модификаторов на основе поликарбоксилатного суперпластификатора и минеральных добавок различного состава на технологические и физико-механические свойства цементных систем // Региональная архитектура и строительство. – 2022. – №1. – С. 28-36.
- Smirnova O. M. Compatibility of portland cement and polycarboxylate-based superplasticizers in high-strength concrete for precast constructions // Magazine of Civil Engineering. – 2016. – Vol. 66(6). – P. 12-22.
- Huang H. Improvement on microstructure of concrete by polycarboxylate superplasticizer (PCE) and its influence on durability of concrete // Construction and Building Materials. – 2016. – Vol. 110. – P. 293-299.
- Carballosa P. Influence of cement and expansive additive types in the performance of self-stressing and self-compacting concretes for structural elements // Construction and Building Materials. – 2015. – Vol. 93. – P. 223-229.
- Le Saoût G. Hydration of Portland cement with additions of calcium sulfoaluminates // Cement and Concrete Research. – 2013. – Vol. 43. – P. 81-94.
- Lollini F. Effects of portland cement replacement with limestone on the properties of hardened concrete // Cement and Concrete Research. – 2014. – Vol. 46. – P. 32-40.
- Tang J. Synergistic effect of metakaolin and limestone on the hydration properties of Portland cement // Construction and Building Materials. – 2019. – Vol. 223. – P. 177-184.
- Низина Т. А., Балыков А. С., Коровкин Д. И., Володин В. В., Володин С. В. Оценка физико-химической эффективности минеральных добавок различного состава в цементных системах // Эксперт: теория и практика. – 2021. – №5. – С. 41-47.
- Балыков А. С., Низина Т. А., Сарайкин А. С., Володин В. В., Потекаев А. В. Исследование водопотребности модифицированной фибробетонной смеси и ее влияния физико-механические характеристики мелкозернистых бетонов [Электронный ресурс] // Огарёв-online. – Раздел «Технические науки». – 2016. – Выпуск 5. – Режим доступа: http://journal.mrsu.ru/arts/issledovanie-vodopotrebnosti-modificirovannoj-fibrobetonnoj-smesi-i-eyo-vliyaniya-na-fiziko-mexanicheskie-xarakteristiki-melkozernistyx-betonov (дата обращения 23.03.2022).
- Ляшенко Т. В., Вознесенский В. А. Методология рецептурно-технологических полей в компьютерном строительном материаловедении. – Одесса: Астропринт, 2017. – 168 c.
Дополнительные файлы
