МОДИФИЦИРОВАНИЕ БЕТОННОЙ СМЕСИ ДИСПЕРСИЕЙ АКРИЛОВОЙ, ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БЕТОНА

ВВЕДЕНИЕ

В строительстве одним из основных материалов является цементный бетон, который находит широкое применение в конструктивных элементах зданий и сооружений. Бетон – искусственный каменный материал, получаемый в результате отвердевания тщательно подобранной, перемешанной и уплотненной смеси, состоящей из вяжущего вещества, воды, крупного и мелкого заполнителей и вводимых в ряде случаев специальных добавок. Несмотря на появление новых строительных материалов, до сих пор бетон, а также железобетон активно используются в строительстве [1,2,3]. Особо развито сейчас монолитное домостроение, а бетон при этом считается основным конструкционным материалом. Его достоинством является универсальность, так как ему можно придать практически любую форму и изменять его свойства в широких пределах [1]. Бетон в строительных конструкциях обеспечивает их высокую прочность, стойкость и долговечность. Однако, при несоблюдении технологии изготовления и твердения бетонных материалов, использования низкокачественных компонентов для их изготовления, они могут разрушаться преждевременно [2,3]. Исследования конструкций из бетона и железобетона показали, что бетон около 70-80 % от всех сооружений, покрытий и несущих конструкций подвержен морозной деструкции, а также воздействию агрессивных солевых растворов и реагентов [4,5]. Именно из-за этих факторов сооружения из бетона, работающие в условиях высокой влажности и отрицательных температур, разрушаются еще до окончания срока их эксплуатации [6]. Разработка новых методов улучшения физико-технических показателей бетона является одним из направлений эффективных исследований в области строительного материаловедения, а применение различных видов добавок, широко использующихся в различных областях промышленности, приводит к улучшению его свойств [7-10]. В наше время бетон используется при строительстве транспортных объектов, гидросооружений, мостов, создания несущих опор и балок, а допускать риска их разрушения нельзя. Поэтому, проблема применения бетона, устойчивого к знакопеременным температурам и солевому воздействию, является актуальной на данный момент.

Вода в капиллярах бетона разного сечения замерзает постепенно, так как содержит гидроксид кальция, химические добавки, в замкнутых порах может быть повышено давление, поэтому температура замерзания поровой жидкости снижается, и чем тоньше капилляр, тем снижается в большей степени. Морозное разрушение зависит от влажности или степени водонасыщения материала, температуры замерзания влаги в порах и характера пористости. С помощью современных комплексных модифицирующих добавок появляется возможность формировать более плотную, однородную структуру бетона, достигающую марочной прочности [11].

Бетонные материалы чаще всего разрушаются, если они являются водопроницаемыми. Водопроницаемость бетона приводит к вымыванию из его структуры некоторых продуктов твердения цемента, в первую очередь гидратоксида кальция (Са(ОН)₂) [12]. Такое вымывание продуктов из состава бетона называется коррозией цементного камня в бетоне, которое ежегодно наносит огромный ущерб строительным изделиям и сооружениям [13]. Коррозия цементного камня в бетоне возрастает, если через структуру бетона проникает не только чистая вода, но и вода, содержащая соли или другие компоненты, отрицательно влияющие на продукты твердения цемента. В данном случае эти вещества, вступая в реакцию с продуктами твердения цемента, образуют легкоразрушаемые и малопрочные соединения, которые, ослабляя структуру бетона, приводят к его разрушению [14].

Водопроницаемость также отрицательно влияет на морозостойкость бетона: при отрицательных температурах вода замерзает в порах бетона и, как известно, разрушающее действие образующегося льда будет больше, чем действие самой воды [15].

Из изложенного следует, что повышение водонепроницаемости и морозостойкости бетона является важнейшей задачей для увеличения стойкости и долговечности строительных сооружений и изделий. Важной задачей, связанной с использованием цемента, является повышение морозостойкости и прочности строительных материалов. В особенности это относится к регионам Сибири, Севера, Дальнего Востока, Якутии. Для решения указанных проблем необходимо повышение свойств цементных материалов. Разработка новых методов улучшения физико-технических показателей бетона является одним из направлений эффективных исследований в области строительного материаловедения. Применение различных видов добавок, которые широко используются в различных областях промышленности, приводит к улучшению свойств строительных материалов [16].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Целью работы является разработка бетонов с пониженной водопотребностью и повышенной прочностью и морозостойкостью.

Наиболее технологическим способом повышения водонепроницаемости и морозостойкости бетона является модифицирование бетонного состава добавками химического и минерального происхождения, путем их введения и равномерного распределения по всему объему бетонного состава [17].

Следует отметить, что улучшение реологических свойств бетонной смеси необходимо производить без потери прочностных характеристик модифицированного бетона, а также требуется обеспечить улучшение эксплуатационных свойств и увеличение долговечности модифицированного бетона.

Эффективность модифицирования бетона возрастает, если, наряду с понижением водопотребности, повышением водонепроницаемости и морозостойкости бетона, для данной цели применяется добавка из местного сырья [18], производимого на территории города Иркутска, имеющегося в относительно неограниченном количестве, не требующим дополнительных затрат на транспортировку и обладающего приемлемой ценой.

В строительном материаловедении известны многочисленные работы, связанные с изучением влияния модификаторов на свойства бетонных смесей и бетонов, их структурообразование и процессы гидратации портландцемента [2,5,7,8,9,12]. Однако недостаточно исследований, посвященных изучению структурированию цементной матрицы бетона с введением в его состав акриловых дисперсий. В связи с чем, в данной работе выполнено модифицирование цементсодержащих растворов водным раствором водно-дисперсионного связующего материала латекса марки ВДСМ-КИ-02-04, произведенного в городе Иркутске ООО «Капитель».

ХАРАКТЕРИСТИКА ПРИМЕНЯЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ

Цемент: для установления закономерности изменения свойств модифицированных цементных композиций в работе использовался портландцемент местного производства, марки ПЦ М400-Д20, полученный в Иркутской области, в г. Ангарске, состав которого приведен в Таблице 1. Основные характеристики цемента: по назначению – общестроительный; по виду клинкера – изготовлен на основе портландцементного клинкера; по вещественному составу – тип – тип II/А (портландцемент с минеральными добавками, содержащий в качестве основных компонентов портландцементный клинкер и минеральную добавку или смесь минеральных добавок в количестве 20%); по скорости твердения – нормальнотвердеющий, с нормированием прочности в возрасте 2 (7) и 28 сут.; по срокам схватывания – нормальносхватывающийся – с нормируемым сроком начала схватывания от 45 мин до 2 ч. Соответствует требованиям ГОСТ 10178-85.

Таблица 1

Акриловая дисперсия: марки ВДСМ-КИ-02-04, произведена по ТУ 2241-134-05757593-2000. Дисперсия акриловая предназначена для лакокрасочной промышленности. Представляет собой сополимер стирола и акриловых мономеров, полученный эмульсионным методом. Применяется в качестве пленкообразователя для получения высоконаполненных красок общего назначения, а также в качестве основы пропитывающих составов для закрепления поверхностей. Обладает высокой эластичностью и адгезией к различным поверхностям, дисперсия рекомендована к использованию как связующее. Хорошо совмещается со многими современными наполнителями, добавками и компонентами, а именно: с наполнителями на основе карбоната кальция, тальком; с различными марками диоксида титана; с бутилгликолем, бутилдигликольацетатом, тексанолом, бутилацетатом, уайт-спиритом; с диспергаторами и смачивателями Additol XW330, Pigmentverteiler A, полифосфатом натрия,  поверхностно-активными веществами (BYK 346, ОП-7, ОП-10); с пеногасителями на основе силиконов и минеральных масел (например, BYK-037, BYK-034, BYK-024, BYK-025, Tego Foamex 810). При испарении воды при температурах выше минимальной температуры пленкообразования образуется прозрачная, не клейкая, гидрофобная пленка, отличающаяся хорошей светостойкостью, стойкостью к старению и действию щелочной среды. Свойства приведены в Таблице 2.

Таблица 2

Песок природный: зерновой состав песка – крупный, с модулем крупности 2,615, предназначен для применения в качестве заполнителя для бетонов, обладает стойкостью к химическому воздействию щелочей цемента, соответствует требованиям ГОСТ 8736-93. Зерновой состав песка приведен на Рисунке 1.

Рисунок 1. Зерновой состав песка. 1 – верхняя граница доверительного интервала, 2 – нижняя граница доверительного интервала, 3 – зерновой состав песка.

Вода питьевая: не содержит химических соединений и примесей, влияющих на сроки схватывания цемента, скорость твердения, прочность, морозостойкость и водонепроницаемость бетона, соответствует требованиям ГОСТ 23732-2011.

Целесообразность применения ВДСМ-КИ в бетонах определяли по достижению различных технологических и экономического эффектов при эксплуатации изделий из модифицированных составов. В целях выбора оптимального количества вводимой добавки было выполнено испытание и изучение 4 серии образцов модифицированного цементного камня, с концентрацией 0,25-0,50-0,75-1,00 процентного содержания латекса по массе цемента, первая серия – контрольные образцы. Эффективность ВДАМ оценивалась сравнением показателей качества цементного состава и камня, контрольного и модифицированного составов. Испытания произведены в соответствии с ГОСТ 10180-90.

Результаты, отражающие процесс набора прочности каждого из образцов представлен на Рисунке 2. Образцы испытывались на осевое сжатие, с использованием пресса ИП-100, разрушающим методом.

Рисунок 2. Результаты испытаний образцов из цементного камня: а) Диаграмма зависимости прочность образца от концентрации ВДСМ-КИ в составе цементного камня; б) График зависимости прочность образца от концентрации ВДСМ-КИ в составе цементного камня. 1- контрольные образцы, 2 – концентрация 0,25 %, 3 – концентрация 0,50 %, 4 – концентрация 0,75 %, 5 – концентрация 1,0 %.

А также с помощью прибора Вика  определена нормальная густота цементного теста. Проведение измерений произведено в соответствии с ГОСТ 310.3-76. Показания прибора приведены в Таблице 3 и на Рисунке 3.

Таблица 3

Рисунок 3. Изменение нормальной густоты цементного теста в зависимости от концентрации модификатора.

По полученным результатам можно сделать вывод, что оптимальная концентрация дисперсии акриловой составляет 0,50 % и 0,75 %, при которых происходит увеличение пластичности цементного теста, а также некоторое увеличение прочности образцов, испытанных в возрасте 28 суток. При дальнейшем увеличении концентрации введенного в состав цементного теста латекса ВДСМ-КИ пластичность состава снижается, а также прочностные характеристики образцов снижаются. В связи с чем, принято решение для дальнейшего изучения свойств модифицированных цементных составов использовать концентрации 0,5 % и 0,75 % латекса ВДСМ-КИ по массе цемента.

В качестве контрольных образцов бетонной смеси выбран состав мелкозернистого бетона как наиболее распространенного строительного материала для ограждающих, несущих конструкций, в качестве защитного облицовочного слоя конструкций для защиты от воздействий агрессивных сред. Особенности мелкозернистого бетона обусловлены его структурой: высокой степенью однородности и мелкозернистости, большим процентом содержания цементного камня, отсутствие жесткого каменного скелета, повышенными значениями пористости и удельной поверхности твердой фазы. Наряду с оценкой влияния добавки ВДСМ-КИ на изменения физико-механических характеристик бетона, изменение его водоотталкивающих свойств рассматривалось как один из основных положительных эффектов модификации. Эффективность ВДСМ-КИ как гидрофобизирующей добавки определяли по степени уменьшения водопоглощения бетона, использовали средства испытания и вспомогательные устройства по ГОСТ 10180, ГОСТ 10181.1 и ГОСТ 12730.3. Кинетика набора прочности отображена на Рисунке 3.

Проведенные предварительные исследования показали возможность и целесообразность использования в технологии цементных бетонов модифицирующей органической добавки лакокрасочного производства на основе водной дисперсии акрилового мономера (ВДСМ-КИ).

Рисунок 3. Кинетика набора прочности бетонных образцов.

1 – контрольный образец,

2 – концентрация модификатора 0,50 %,

3 – концентрация модификатора 0,75 %

Показатель эффективности действия добавки оценивали согласно ГОСТ 24211-91. Были изготовлены 3 серии образцов, количество вводимой добавки: 0,5 % и 0,75 % от массы вяжущего вещества, 1-я серия – контрольные образцы. Результаты измерений приведены на Рисунках 5 и 6.

Рисунок 5. График изменения морозостойкости бетона от концентрации модификатора в составе бетонной смеси.

Испытания произведены в 28-и суточном возрасте образцов, определение морозостойкости в соответствии с ГОСТ 10060.1 и ГОСТ 10060, базовым методом.

Рисунок 6. Результаты испытания бетонных образцов: а) график изменения прочности; б) график изменения плотности; в) график изменения пористости; г) график изменения водопоглащения. 1 – контрольный образец, 2 – концентрация модификатора 0,50 %, 3 – концентрация модификатора 0,75 %.

Рост прочности и плотности при сжатии образцов мелкозернистого бетона, модифицированных ВДСМ-КИ (Рисунок 6, а, б), составил около 20 и 25 % соответственно. Снижение пористости и показателя водопоглощения составил около 30 и 45 % соответственно (Рисунок 6, в, г) при варьировании количества вводимой добавки ВДСМ-КИ от 0,5 до 0,75 % (Рисунок 6, а-г). Но, при введение ВДСМ-КИ в количестве от 0,75 до 2 % наблюдается некая тенденция спада положительного эффект изменения физико-механических показателей, что говорит о нецелесообразном использовании дозировки модификатора более 0,75 %.

ВЫВОДЫ

Эффективность управления структурными изменениями в модифицированной цементной системе обусловлена получением более плотной структуры композита, уменьшением порового пространства, повышение вяжущего потенциала цемента, развитие пластифицирующего эффекта в модифицированной ВДСМ-КИ цементной матрице, что в свою очередь оказывает влияние на направленное изменение механизма гидратации клинкерных минералов. А это обеспечивает более высокое использование заложенного потенциала прочности кристаллогидратов, повышает качество совместной работы всех компонентов бетонной композиции.

Предотвращение разрушения цементного камня в бетоне напрямую зависит от возрастания водонепроницаемости и морозостойкости бетона, позволяет сохранить существующие и увеличить долговечность строящихся сооружений, и тем самым сэкономить огромные затраты при производстве бетонных изделий и сооружений. В целях решения данной задачи в моей работе выполнено изучение свойств цементного бетона модифицированного акриловой дисперсией ВДСМ-КИ-02-04, которая обеспечивает создание высококачественного композиционного материала с высокими эксплуатационными и технологическими свойствами.

Модифицирующий эффект добавки ВДСМ-КИ проявляется как результат различных физических процессов, протекающих в твердеющей системе, а также за счет химических процессов на границе раздела фаз «цементный камень — зерно заполнителя», «цементный камень – поровая структура».

Гидрофобизирующие свойства добавки ВДАМ проявляются в формировании плотной и однородной структуры модифицированной композиции бетона. Уменьшается количество и размеры макропор. Система равномерно распределенных пор с гидрофобизированной поверхностью в затвердевшем модифицированном бетоне снижает капиллярный подсос, уменьшает проницаемость бетона. При контакте с продуктами гидратации цемента ВДСМ-КИ осаждается в виде мельчайших капелек на стенках мелких пор и капилляров, образуя гидрофобные покрытия, в результате возникает контакт, имеющий обратный угол, при котором силы поверхностного натяжения выталкивают воду из пор.

Эффективность гидрофобизирующих свойств ВДСМ-КИ оценивалась по степени уменьшения водопоглощения бетона (ГОСТ 30459—96).

При управлении процессами гидратации и структурообразования цементных систем при введении добавки ВДАМ важным остается вопрос установления закономерностей между свойствами твердеющей цементной системы и бетона, с одной стороны, и дозировкой вводимой добавки — с другой. Предварительные исследования показали возможность и целесообразность использования в технологии цементных бетонов модифицирующей органической добавки лакокрасочного производства на основе водной дисперсии акрилового мономера (ВДСМ-КИ).

Оптимизацию структуры, свойств и технологий производства бетона введением модификатора ВДСМ-КИ можно оценить как одно из прогрессивны направлений совершенствования процесса управления свойствами цементных композитов с высокоразвитой пространственной мелкоразмерной и малодефектной структурой.

1. Калашников, В.И. Терминология науки о бетоне нового поколения // Строительные материалы. – 2011. – № 3. – С. 103–106.
2. Каприелов С.С. Уникальные бетоны и опыт их реализации в современном строительстве // Промышленное и гражданское строительство. – 2013. – №1. – С. 42–47.
3. Шатов А.Н. Высокопрочные бетоны. Доступные способы химической модификации // Технологии бетонов. – 2012. – № 9-10. – С. 9-12.
4. Данилов А.М. Системный подход к конструированию композиционных материалов // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. – 2012. – № 7. – С. 23–25.
5. Пантилеенко В. Н., Ерохина Л. А. О повышении долговечности конструкций нефтегазопромысловых сооружений // Науч. труды III Всерос. (II Международной) конф. по бетону и железобетону. Т. 3. М., 2014. C. 348—55.
6. Дубенский, М.С. Микрокремнезем отход или современная добавка / М.С. Дубенский, А.А. Каргин // Вестник Кузбасского государственного технического университета. – 2012. – №1. – С. 119–120.
7. Федорова, Г.Д. Экспериментальное исследование прочности бетона с комплексной добавкой / Г.Д. Федорова, А.Т. Винокуров, О.Н. Кравцова, А.М. Тимофеев // Строительные материалы. – 2012. – № 4. – С.70 – 71.
8. Бердов, Г.И. Влияние минеральных микронаполнителей на свойства строительных материалов / Г.И. Бердов, Л.В. Ильина, В.Н. Зырянова, Н.И. Никоненко, В.А. Сухаренко // Строительные материалы. – 2012. – №9. – С. 79-83.
9. Ali, I. New generation absorbents__82. Ерохина Л. А., Майорова Н. С. Исследование структуры тяжелого бетона с целью повышения его морозостойкости. Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. 2015. № 42(61). С. 58-68.
10. Фаликман В. Р., Калашников О. О. Особо высокопрочные быстротвердеющие бетоны //Бетон и железобетон. 2015. № 1. С. 2—9.
11. Баженов Ю. М., Чернышов Е. М., Коротких Д. Н. Конструирование структур современных бетонов: определяющие принципы и технологические платформы // Строительные материалы. 2014. № 3. С. 6—4.
12. Розенталь Н. К., Чехний Г. В. Гидрофобизация бетона как средство для повышения долговечности строительных конструкций // Бетон и железобетон. 2015. № 2. С. 24—7.
13. Перфилов В. А., Аткина А. В., Кусмарцева О. А. Применение модифицирующих микроармирующих компонентов для повышения прочности ячеистых материалов // Известия вузов. Строительство. 2010. № 9. С. 11—4.
14. Adams B. L., Wright S. I., Kunze K. Orientation imaging: The emergence of a new microscopy.// Metallurgical and Materials Transactions A. Vol. 24. № 4. 1993. Pp. 819—831.
15. Functional micro-concrete: The incorporation of zeolites and inorganic nano-particles into cement microstructures / S. L. Colston, D. O’Connor, P. Barnes, E. L. Mayes, S. Mann, H. Freimuth, W. Ehrfeld // Journal of Materials Science Letters. 2000. Vol. 19. № 12. Pp. 1085—1088.
16. Кафтаева, М.В. Применение минеральных добавок в мелкозернистых прессованных бетонах / М.В. Кафтаева, Р.В. Лесовик, А.В. Черноусов //Строительные материалы. – 2007. – № 8. – С. 44-45.
17. Технология бетона, строительных изделий и конструкций : учебник / Ю. М. Баженов, Л. А. Алимов, В. В. Воронин, У. Х. Магдеев. М. : АСВ, 2004. 256 с.

Все статьи автора «Крисман А.Е.»