Ключевыми элементами технологии самоуплотняющихся бетонов являются применение высокоэффективных суперпластификаторов и тонкодисперсных наполнителей [1]. Первые обеспечивают высокую текучесть бетонной смеси, а вторые – её стойкость к расслоению. Совместное использование дисперсного наполнителя и суперпластификатора повышает структурную однородность бетона и его долговечность [2].

При проектировании состава самоуплотняющегося бетона большое значение имеет выбор дисперсного наполнителя и суперпластификатора, который во многом определяет реологические свойства бетонной смеси. В качестве такого компонента могут использоваться дисперсные промышленные отходы – пыль газоочистки, тонкие фракции отходов камнедробления и другие материалы [1, 3, 4]. Природа этих материалов может быть различной, поэтому они могут, как повышать водопотребность смеси, так и снижать ее. Кроме того, дисперсные наполнители будут оказывать влияние на эффективность суперпластификаторов в бетонных смесях [5, 6].

Целью настоящей работы является исследование водоредуцирующей эффективности различных суперпластификаторов в системе «вода-наполнитель», а также в растворной смеси состава 1:1 при замещении 40 % цемента дисперсным наполнителем.

Методы и материалы

В работе были исследованы 6 суперпластификаторов различных производителей. Три исследованные добавки – Sika ViscoCrete 20HE, Sika ViscoCrete 800 3 New и ViscoCrete 800 5 New производятся фирмой Sika AG (Швецария), ещё две – Diamon SP-1 и Diamon SP-3 – фирмой Mapei (Италия) и одна добавка – «Полипласт СП СУБ» производства российской фирмы ЗАО «Полипласт». Дозировка добавок во всех составах составляла 0,5 % от массы дисперсного наполнителя или вяжущего смешанного с этим наполнителем.

Все добавки зарубежного производства изготовлены на основе поликарбоксилатных соединений [7]. Они предназначены для производства самоуплотняющихся бетонов, а также для высокоподвижных бетонных смесей. Суперпластификатор российского производства СП-СУБ также предназначен для применения в самоуплотняющихся бетонах. Его химическая основа производителем не разглашается. Целью первой части исследования являлось определения наиболее эффективного суперпластификатора в минерально-водной суспензии.

Исследования добавок проводились на двух дисперсных наполнителях, которые измельчались до удельной поверхности 350 м²/кг – пылевидном отходе дробления гранитного щебня Павловского месторождения и тонких фракциях продуктов дроблённого бетонного лома. Тонкие фракции лома образуются при переработке бетонного лома во вторичный щебень и состоят в основном из частиц цементного камня [8].

Водопотребность суспензии на основе дисперсного наполнителя для бетона определялась по её расплыву на стеклянной поверхности [6]. Для определения текучести смеси использовался цилиндрический вискозиметр диаметром 16 и высотой 20 мм. В ходе эксперимента подбирался расход воды для получения расплыва суспензии 40 мм.

Результаты и обсуждение результатов

На рис. 1 приведены результаты определения водопотребности суспензий, приготовленных на измельчённых граните и ломе бетона, а также расчётные значения водоредуцирующего эффекта суперпластификаторов. Как видно из данных рис. 1а наполнитель из измельченного бетона имеет в 1,5 раза большую водопотребность, чем гранитный дисперсный наполнитель. Однако ведение в смесь суперпластификаторов позволяет в два раза снизить водопотребность суспензии на основе бетона (рис. 1б) и получить смесь с водосодержанием более низким, чем у гранитного наполнителя.

Все добавки имеют приблизительно равную эффективность. Исключение составляет только СП-СУБ, которая даёт несколько меньший эффект. Исследованные добавки более эффективны при использовании наполнителя на основе бетонной крошки, что позволяет получить смеси с более низким водосодержанием.

Исследования эффективности добавки в строительном растворе проводились на смеси с соотношением вяжущего и песка равным, 1:1. Во всех составах 40 % цемента замещалось дисперсными наполнителями. Консистенция растворной смеси определялась по её расплыву на стандартном встряхивающем столике. Подбирая расход воды, добивались получения расплыва смеси 200-210 мм.

Результаты определения водоредуцирующего эффекта для различных добавок при использовании тонкого заполнителя на основе бетона приводятся на рис. 2.

а)	б)

Рисунок 1 – Эффективность суперпластификаторов в наполнителях: водотвёрдое отношение минеральных суспензий на различных порошках с добавками суперпластификатора (а) и водоредуцирующие эффекты добавок (б)

Рисунок 2 – Водоредуцирующие эффекты суперпластификаторов в растворной смеси с тонким заполнителем на основе измельчённого бетона

Выводы

Исследования эффективности добавок в растворных смесях показали, что водоредуцирующие эффекты суперпластификаторов приблизительно равны и составляют в пластичных смесях около 56…64 %. Выбор суперпластификатора в производственных условиях будет определяться их стоимостью.

Использованная в исследовании методика может быть применена при выборе суперпластификатора и тонкого наполнителя для самоуплотняющихся бетонов, а также для предварительного определения их дозировки.

Пластифицирующий эффект при введении в бетонные и растворные смеси добавок пластифицирующей группы определяется в основном изменением реологических свойств цементного теста. Однако на его величину может оказывать значительное влияние соотношение объемов цементного теста и заполнителя. При увеличении доли заполнителя происходит контактное взаимодействие его зерен, в связи с чем снижаются водоредуцирующий и пластифицирующий эффекты, при этом наблюдается снижение эффективности СП. С учетом этого фактора осуществляется проектирование состава самоуплотняющегося бетона.

В строительных композициях, применяемых в практике, соотношение мелкого заполнителя и цемента (n) может принимать различные значения. В таблице приводятся типичные значения n для бетонов и растворов различного назначения. Из-за высокой стоимости СП они традиционно используются для получения бетонов высших классов или высокоподвижных бетонных смесей, однако в некоторых случаях СП могут применяться для решения технологических задач при производстве и применении бетонов и строительных растворов.

Таблица – Значения коэффициента n для бетонов и растворов различного назначения

Обоснования расширения области применения суперпластификаторов возможно только после установления экспериментальных закономерностей действия этих добавок на реологические свойства цементно-песчаных растворов.

Для выявления степени влияния n на эффективность суперпластификатора С-3 было исследовано его водоредуцирующее действие в растворных смесях с различной подвижностью.

Для определения водоредуцирующего эффекта СП определялся расплыв растворной смеси на встряхивающем столике по ГОСТ 310.4-81. В эксперименте оценивалась консистенция смеси без добавки и с добавкой пластификатора при 4–5 значениях водоцементного отношения, обеспечивающих расплывы смесей от 110 до 200 мм. [1]. По этим результатам для расчета В/Ц-отношения, необходимого для получения заданной консистенции смеси методом наименьших квадратов, были найдены коэффициенты эмпирического уравнения

В/Ц = a + b•РК,

где а и b – коэффициенты уравнения; РК – расплыв конуса.

Подставляя в приведенное выше уравнение заданные значения распыва смеси рассчитывались В/Ц пластифицированного и непластифицированного составов. По полученным значениям определялся водоредуцирующий эффект по формуле

ВР = 100 (В/Р_н – В/Р_п )/ В/Р_н,

где В/Р_н и В/Р_п – водоцементное отношение непластифицированной и пластифицированной смеси, соответственно.

В связи с линейным характером зависимостей показателей консистенции смеси от расхода воды и незначительными отклонениями этих показателей от расчетных значений (рис. 1), определение водоредуцирующего эффекта для пластичных и жестких смесей может быть произведено с высокой достоверностью. [1].

Рисунок 1 – Зависимость расплыва конуса на встряхивающем столике смесей с различным расходом СП от водоцементного отношения

Использование методики определения водоредуцирующего эффекта для смесей с различным соотношением вяжущего и песка позволило выявить немонотонный характер изменения водоредуцирующего эффекта при увеличении доли мелкого заполнителя в смеси. В области значений n от 1 до 2,5 отмечено значительное отклонение от монотонного характера изменения функции водоредуцирования (рис. 2). Такой эффект объясняется тем, что в этом интервале изменяется характер зависимости В/Ц от доли заполнителя, причем для пластифицированных и непластифицированных смесей этот переход происходит при разных значениях n (рис. 3). Подобные изменения характера зависимости водопотребности от доли песка были описаны в [2], однако авторы не продолжили это исследование и не выявили характера изменения водоредуцирующего эффекта при изменении доли песка.

Рисунок 2 – Влияние отношения мелкого заполнителя к цементу (n) на водоредуцирующий эффект СП

Рисунок 3 – Зависимость В/Ц пластифицированной (◙) и непластифицированной (●) растворной смеси от содержания заполнителя (n) при РК =100 мм

В ходе этого эксперимента было установлено также, что до значений n менее 3,5 водоредуцирующий эффект выше в пластичных смесях, а при более высоких значениях n – в жестких смесях. Такое изменение связано с тем, что при расходе песка более 3,5 цементного теста не хватает для заполнения пространства между частицами цемента и характер его реологического поведения меняется.

Выявленные закономерности подтвердились при проведении эксперимента, в котором цемент был заменен на доломитовую муку для исключения фактора различной скорости потери подвижности цементного теста без добавки и с добавкой СП.

Немонотонный характер изменения водоредуцирующего эффекта при увеличении доли заполнителя в смеси может оказывать значительное влияние на оценку эффективности СП и должен учитываться при проектировании составов бетона и раствора.