graduate student from 01.10.2020 to 30.09.2024
Saransk, Saransk, Russian Federation
graduate student from 01.10.2023 to 30.09.2024
Saransk, Saransk, Russian Federation
UDK 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
The problem of improving the efficiency of the quality of concrete and reinforced concrete is a promising direction that cannot be fully realized without the use of chemical additives. Additives are considered a simple way to improve the performance of a cement composite; they allows to reduce the amount of binder and regulate the technological characteristics of the concrete mixture and the physical and mechanical properties of the material, as well as increase the durability of buildings and structures. Currently, a large number of additives are used, introduced into concrete mixtures, which are classified according to their mechanism of action, chemical composition and other characteristics. The purpose of this research was to optimize the compositions of concrete with additives in terms of strength and deformability. The object of the study is fine-grained concrete produced on a cement binder using various modifying additives, for which modifiers such as «Advance Ultra», «Superplast Prima», «Superplast Standard» have been studied. The studied parameters were the compressive strength and elastic modulus of fine-grained concrete. It was revealed that the introduction of modifying additives helped to increase the studied indicators. At the same time, the greatest increase in strength and elastic modulus is achieved when using the Advance Ultra plasticizer
: fine-grained concrete, modifying additives, physical and mechanical properties, strength, deformability
Введение. Бетон считается главным строительным материалом, который используется во всем мире и ресурсы его применения до конца не израсходованы. Он применяется уже многие столетия, развивается и улучшается [1–4].
Технология бетона на сегодняшний день проделала длительный путь в области получения материалов с уникальными свойствами, которые расширили сферу применения бетонов, их номенклатуру. В XXI веке строительная отрасль представляет огромный диапазон по усовершенствованию физико-механических характеристик изделий и конструкций. Данное положение считается разумной реакцией рынка на возрастание темпов строительства и интереса потребителей в приобретении качественных и недорогих строительных материалов [5]. Повышенный интерес здесь в первую очередь относится к тяжелому бетону. Поскольку данный материал используется фактически на всех строительных площадках и предприятиях ЖБИ, то представить его в «классическом виде», т.е. из цемента, песка, щебня и воды, весьма трудно.
В современном строительстве при возведении зданий, сооружений перспективно применение материалов, обладающих улучшенными эксплуатационными характеристиками. В настоящее время многие исследователи уделяют особое внимание созданию мелкозернистых бетонов особо плотной структуры, которые характеризуются высокими физико-механическими свойствами и в первую очередь прочностными показателями. Прочностные характеристики бетона и других цементных композитов обуславливают долговечность и надёжность бетонных, ж/б изделий и конструкций [3, 6]. Прочность цементного композита имеет прямую зависимость от его состава, например, при снижении количественного содержания вяжущего происходит падение прочности материала. Повышая однородность и плотность материала, можно достичь достаточно высоких его прочностных свойств. Увеличить гомогенность бетона можно благодаря добавлению мелких заполнителей. Это происходит за счет уменьшения промежуточной зоны между заполнителем и цементным камнем, в результате значительно сокращается количество пустот и понижения В/Ц [4].
Проблема повышения качества бетона и железобетона и на сегодняшний деть является актуальной, но без применения новых материалов в технологии производства бетона, она не может быть абсолютно успешно реализована [7].
Современные методы получения бетона основываются на использовании химических модификаторов разного типа, нанодобавок и микронаполнителей [8, 9], которые позволяют регулировать свойства материала.
Среди методов улучшения свойств бетона на практике использование модифицирующих добавок считается одним из наиболее действенных. Для повышения прочностных показателей и, в частности, прочности при изгибе в составы вводится дисперсная арматура [10, 11, 12] или применяется технология изготовления бетонов на комплексных связующих [13, 14]. Усовершенствовать качество мелкозернистого бетона, с целью достижения подвижности и уменьшения объема воды, а также снижения расхода вяжущего можно благодаря использованию химических добавков [5, 6, 8, 15, 16]. Следует отметить, что в цементно-песчаных смесях с большим количеством цемента необходимо применять суперпластификаторы.
Понятие долговечность цементного композита идет параллельно с понятием химические добавки. В первую очередь это качается морозостойкости и водонепроницаемости цементного композита. Благодаря применению структурирующего действия модификаторов, можно добиться улучшенных показателей материала по морозостойкости и водонепроницаемости [17, 18]. Суть заключается в видоизменении структуры порового пространства цементного камня, благодаря созданию группы небольших относительно замкнутых пор разнообразной шаровидной формы [9, 19, 20].
Применение химических добавок относится к одному из самых несложных технологических приёмов, позволяющих добиться более усовершенствованных показателей цементных композитов [21]. При изучении характеристик бетонных смесей весьма интересны добавки, которые регулируют свойства бетонных и растворных смесей (подвижность, кинетику твердения, прочность, проницаемость, морозостойкость, коррозионную стойкость и т.д.). Это как правило группа добавок 1 согласно ГОСТ 24211–2008 «Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия». Преобладающая часть продуктов, входящих в данную группу – поверхностно-активные вещества разной химической природы и строения. Большинство видов ПАВ могут использоваться для модификации бетона. Благодаря добавкам можно значительно снизить степень затрат на единицу продукции, улучшить качество огромной номенклатуры ж/б конструкций, увеличить жизненный цикл зданий и сооружений в целом [16].
По этой причине в мировом сообществе большое внимание уделяется к данной теме, хотя в этом направлении имеется значительный объем теоретических и экспериментальных исследований, практический опыт, но создание новых видов добавок продолжается, что требует новых положительных исследований.
Цель работы состоит в изучении влияния химических добавок на физико-механические свойства мелкозернистого бетона и в оптимизации их составов.
Материалы и методы. Для проведения исследований было использовано 13 составов мелкозернистых бетонов с разными комплексными добавками: «Суперпласт Прима», «Суперпласт Стандарт» и пластификатором «Эдванс Ультра», объединяющие в себе свойства суперпластификаторов и регуляторов сохранения подвижности бетонной смеси.
Каждый из использованных ниже добавок характеризуется комплексом благоприятных свойств:
• «Эданс Ультра» – высококачественный пластификатор, который регулирует и сохраняет подвижность товарного бетона. Основой добавки являются эфиры поликарбоксилатов и модифицированный ЛСТ, представляющие в целом сбалансированную композицию.
• «Суперпласт Прима» – комплексная добавка, представляющая химическое соединение полиметиленнафталинсульфонатов разной молекулярной массы и поверхностно-активных веществ природного происхождения. Данный продукт рекомендуют использовать при производстве товарного бетона для укладки монолитных фундаментов, заливки стен для получения высокоподвижных, литых бетонных смесей и цементных композитов с высокими прочностными характеристиками.
• «Суперпласт Стандарт» является комплексной добавкой, состоящей из полиметиленнафталинсульфонатов разной молекулярной массы, поверхностно-активных веществ природного происхождения, а также органических соединений. Целесообразно использовать для высокоподвижных и литых бетонных смесей. Данный продукт способствует достижению достаточно высокой прочности в ранние сроки твердения.
В качестве цементного вяжущего был использован портландцемент производства ООО «Сенгилеевский цементный завод» класса Цем 1 42,5 Б.
В качестве заполнителя для подбора состава мелкозернистого бетона на основе минерально-сырьевой базы Республики Мордовия выступал кварцевый песок Моргинского песчаного карьера со следующими физико-химическими характеристиками: влажность – 0,1 %, коэффициент фильтрации – 2,1 м/сут., истинная и насыпная плотности песка равны 2,7 г/см3 и 1 300 кг/м3, модуль крупности Мк = 1,8. По зерновому составу относится к группе мелких песков.
Бетонные смеси готовили с помощью бетоносмесителя. Количество компонентов в бетонной смеси определяли в расчете на 10 кг цемента. Объем воды регулировали таким образом, чтобы получить равноподвижные смеси. Готовая бетонная смесь заливалась в стандартные формы размером 10х10х10 см, заранее смазанные парафином, и простукивалась шпателем для равномерного распределения смеси. После отверждения цементных композитов в течение 28 суток в нормальных температурно-влажностных условиях, были проведены физико-механические исследования.
Исследуемыми свойствами являлись прочность на сжатие и модуль упругости. Испытания проводились следующим образом.
Одной из выбранных граней образцы-кубы устанавливают на нижнюю опорную плиту пресса центрально по отношению к его продольной оси, ориентируясь на риски, которые указаны на плите испытательной машины. Затем верхнюю плиту пресса совмещают с верхней опорной частью образца таким образом, чтобы их плоскости целиком прилегали одна к другой. Напряжение в материале при нагружении должно возрастать непрерывно с неизменной скоростью до его деструкции.
Прочность бетона R, МПа на сжатие вычисляется:
R = k∙N / A (1)
где N – разрушающая нагрузка, Н; А – рабочая площадь образца, мм2; k – масштабный коэффициент, который находят в зависимости от размеров ребер образцов.
Прочность бетона в серии образцов находят как среднеарифметическое значение прочности испытанных в серии. Для расчёта одной точки прочности испытывалось по 3 образца каждого состава мелкозернистых бетонов.
Модуль упругости представляет собой отношение нормального напряжения сжатия к относительной деформации, которая устанавливается при последовательном нагружении образца по правилам, представленных в нормативной документации. Шкала силоизмерителя пресса должна соответствовать определенным требованиям, т.е предполагаемые значения разрушающей нагрузки должны варьироваться в пределах 70–80 % от максимальной. Нагружение бетонного образца до значения нагрузки, которая составляет (40 ± 5 %) ∙ Рраз (разрушающая нагрузка, измеренная по шкале силоизмерителя пресса), выполняют постепенно, по 10 % от ожидаемых Рраз, придерживая в рамках каждой ступени скорость нагружения (0,6 ± 0,2) МПа/с. Нагрузку на каждом этапе нагружения выдерживают, примерно, 4 минуты и определяют значения индикаторов в начале и в конце выдержки ступени. Когда показатель нагрузки становится равным (40 ± 5 %) ∙ Рраз , приборы снимают с образца, затем последующие нагружения до разрушения материала выполняют безостановочно с постоянной скоростью.
Модуль упругости Е определяют для каждого образца при уровне нагрузки, которая представляет собой 30 % от разрушающей:
Е = σ1/ε1y (2)
где σ1= Р1/F – приращение напряжения от условного нуля до показателя внешней нагрузки, составляющей 30 % от разрушения; Р1 – приращение внешней нагрузки; ε1y – приращение упругомгновенной относительной продольной деформации образца, установленное в начале каждой ступени ее приложения.
Значения прочности при сжатии и модуля упругости рассчитывались в относительных единицах измерения.
Rсж /Rсж.к.с. (3)
E / Eк.с. (4)
где Rсж – абсолютное значение прочности при сжатии состава с добавкой, МПа; Rсж.к.с.– абсолютное значение прочности при сжатии контрольного состава (без добавки), МПа; E – абсолютное значение модуля упругости состава с добавкой, МПа; Eк.с.– абсолютное значение модуля упругости контрольного состава (без добавки).
Основная часть. Прочностные и деформативные свойства цементных композитов считаются одними из наиболее важных характеристик в строительстве, которые характеризуют их сопротивление разрушению, а также определяют целостность и работоспособность конструкций.
Предлагаемая работа ориентирована на рассмотрение вопросов, отмеченных ранее. Далее в таблице 1 представлены составы изготовленных мелкозернистых бетонов.
С целью получения физико-механических показателей разработанных бетонов были выполнены кратковременные исследования, которые складывались из испытаний на сжатие кубических образцов.
В таблице 2 приведены относительные значения прочности при сжатии и модуля упругости образцов мелкозернистых бетонов в возрасте 28 суток.
Таблица 1
Компоненты составов экспериментальных образцов
|
№ состава |
Вид добавки |
Количество добавки, % |
Количество цемента % |
Количество песка, % |
Количество воды, % |
|
1 |
Эдванс Ультра
|
0,120 |
21,094 |
63,282 |
15,504 |
|
2 |
0,603 |
21,094 |
63,282 |
15,021 |
|
|
3 |
1,086 |
21,094 |
63,282 |
14,538 |
|
|
4 |
1,569 |
21,094 |
63,282 |
14,055 |
|
|
5 |
Суперпласт Прима
|
0,187 |
21,237 |
63,710 |
14,866 |
|
6 |
0,280 |
21,236 |
63,709 |
14,774 |
|
|
7 |
0,374 |
21,236 |
63,708 |
14,686 |
|
|
8 |
0,467 |
21,236 |
63,709 |
14,587 |
|
|
9 |
Суперпласт Стандарт |
0,208 |
21,278 |
63,834 |
14,681 |
|
10 |
0,346 |
21,278 |
63,834 |
14,543 |
|
|
11 |
0,486 |
21,307 |
63,921 |
14,284 |
|
|
12 |
0,623 |
21,248 |
63,744 |
14,385 |
|
|
13 |
— |
— |
20,833 |
62,499 |
16,666 |
*Примечание: количество добавки рассчитано на 10 кг вяжущего.
Таблица 2
Относительные показатели прочности
и модуля упругости модифицированных
бетонов
|
№ составов |
Прочность при сжатии |
Модуль упругости |
|
1 |
1,07 |
1,19 |
|
2 |
1,51 |
1,47 |
|
3 |
1,94 |
1,69 |
|
4 |
1,93 |
1,61 |
|
5 |
1,05 |
1,15 |
|
6 |
1,13 |
1,25 |
|
7 |
1,25 |
1,37 |
|
8 |
1,25 |
1,33 |
|
9 |
1,10 |
1,13 |
|
10 |
1,19 |
1,23 |
|
11 |
1,27 |
1,32 |
|
12 |
1,23 |
1,29 |
|
13 |
1 |
1 |
Как видно из таблиц 1-2, с увеличением в составах количества пластификатора «Эдванс Ультра» и комплексных добавок «Суперпласт Прима» и «Суперпласт Стандарт» до оптимального уровня наблюдается повышение прочностных свойств и деформативности.
На рисунках 1–2 показано изменение свойств разработанных мелкозернистых бетонов с модифицирующими добавками по отношению к составу без добавки.
Проведём анализ результатов по составам, отличающихся по виду использованного суперпластификатора и количественного содержания.
Рассмотрим составы № 1 – 4, где в роли модификатора выступал препарат «Эдванс Ультра» (рис. 1). Из гистограммы следует, что при увеличении концентрации пластификатора с 0,057 л до 0,744 л в составах относительные значения кубиковой прочности при сжатии изменяются от 1,07 до 1,93. При этом наибольшая относительная кубиковая прочность составляет 1,94, при количестве «Эдванс Ультра» – 0,515 л.
Рис. 1. Прочность при сжатии мелкозернистых бетонов, отвержденных в нормальных температурно-влажностных условиях
Рис. 2. Модуль упругости мелкозернистых бетонов, отвержденных в нормальных температурно-влажностных условиях
Согласно диаграмме 1 видно, что применение «Эдванс Ультра» в составе № 3 привело к увеличению прочности при сжатии по сравнению с составом №1 в 1,81 раза и в 1,94 раза по сравнению с составом № 13, где пластифицирующая добавка отсутствует.
Аналогичные зависимости характерны и для бетонов с комплексными добавками. Наибольшее относительное значение прочности при сжатии с «Суперпласт Прима» достигнуто в составе № 7, а с «Суперпласт Стандарт» в составе № 12 (рис. 1).
Следует отметить, что относительные значения модуля упругости также увеличиваются от повышения концентрации модификатора (рис. 2). Более детально разберем составы № 9 – 12 с «Суперпласт Стандарт». При увеличении комплексной добавки в составах с 0,098 л до 0,293 л относительные значения модуля упругости находятся в диапазоне 1,19–1,33. Наибольший модуль упругости соответствует составу содержащей «Суперпласт Стандарт» в количестве 0,228 л.
Согласно диаграмме 2 видно, что применение «Суперпласт Стандарт» в составе № 11 привело к повышению модуля упругости в сравнении с составом № 9 в 1,15 раз.
Анализируя полученные экспериментальные данные, можем сделать вывод, что наибольшие кубиковая прочность при сжатии и модуль упругости достигнуты с пластификатором «Эдванс Ультра». Данный модификатор является более эффективным по сравнению с комплексными добавками «Суперпласт Прима» и «Суперпласт Стандарт». Наилучшие относительные значения прочности при сжатии и модуля упругости достигнуты в составах № 3, № 7, № 11.
Выводы.
Разработаны составы мелкозернистых бетонов с различными модификаторами: «Эдван Ультра», «Суперпласт Прима», «Суперпласт Стандарт».
Наилучшие относительные значения прочности при сжатии и модуля упругости были достигнуты в составах №3, №7, №11. Улучшение основных физико-механических показателей происходило и с минимальным количеством добавки в составах, в сравнении с бездобавочным составом №13, с которым получены менее удачные результаты. Следовательно, можно сделать вывод, что применение «Эдванс Ультра», «Суперпласт Прима», «Суперпласт Стандарт» в разных концентрациях способствует улучшению прочностных свойств и деформативности, т.е. данные модифицирующие добавки положительно воздействуют на показатели мелкозернистых бетонов.
Согласно проведённым исследованиям, наиболее эффективным модификатором, из используемых в работе, является пластификатор «Эдванс Ультра», поскольку с ним достигнуты наилучшие основные физико-механические характеристики по сравнению с «Суперпласт Прима» и «Суперпласт Стандарт».
1. Kaprielov S.S., Shenfeld A.V., Kardumyan G.S. New modified concretes in high-rise building structures [Novyye modifitsirovannyye betony v konstruktsiyakh vysotnykh zdaniy]. II International Forum of Architecture, Construction, Urban Reconstruction, Construction Technologies and Materials. Moscow. 2008. Pp. 29–38. (rus)
2. Kalashnikov V.I. How to transform old-generation concretes into high-performance new-generation concretes [Kak prevratit betony starogo pokoleniya v vysokoeffektivnyye betony novogo pokoleniya]. Concrete technologies. 2015. No. 11–12. Pp. 27–35. (rus)
3. Maksimova I.N., Makridin N.I., Erofeev V.T., Skachkov Yu.P. Strength and fracture parameters of cement composites [Prochnost i parametry razrusheniya tsementnykh kompozitov]. Saransk: Mordovian University Publishing House. 2015. 360 p. (rus)
4. Bazhenov Yu.M. Concrete technology [Tekhnologiya betona]. M.: ACB, 2003. 50 p. (rus)
5. Kramar L.Ya., Trofimov B.Ya., Chernykh T.N., Orlov A.A., Shuldyakov K.V. Modern superplasticizers for concrete, features of their use and effectiveness [Sovremennyy superplastifikatory dlya betonov, osobennosti ikh primeneniya i effektivnosti]. Construction Materials. 2016. Pp. 21– 25. (rus)
6. Ananenko A.A., Nizhevyasov V.V., Uspensky A.S. Fine-grained concrete with complex modifiers [Melkozernistyye betony s kompleksnymi modifikatorami]. News of higher educational institutions Construction. 2005. No. 5. Pp. 16–27. (rus)
7. Erofeev V.T., Dergunova A.V. Ekonomicheskaya effektivnost povysheniya dolgovechnosti stroitelnykh konstruktsiy [Ekonomicheskaya effektivnost povysheniya dolgovechnosti stroitelnykh konstruktsiy]. Construction Materials. 2008. No. 2. Pp. 8–89. (rus)
8. Kalashnikov V.I., Tarakanov O.V., Erofeeva I.V. Dry reaction-powder concrete mixtures and prospects for their use [Sukhiye reaktsionno-poroshkovyye betonnyye smesi i perspektivy ikh ispolzovaniya]. Materials of the XI International Scientific and Practical Conference "Current Achievements of European Science". Sofia. Vol. 13. 2015. Pp. 90–93. (rus)
9. Kalashnikov V.I., Erofeev V.T., Tarakanov O.V., Arkhipov V.P. The concept of strategic development of plasticized powder-activated concrete of a new generation [Kontseptsiya betonov strategicheskogo razvitiya plastifitsirovannykh poroshkovo-aktivirovannykh novogo pokoleniya]. High-strength cement concrete: technologies, structures, economics (VPB-2016): Collection of abstracts of reports of the international scientific and technical conference. 2016. 36 p. (rus)
10. Bulgakov A.G., Erofeeva I.V., Ishutin A.A., Afonin V.V., Moiseev V.V. Tensile strength in bending of new generation concretes [Prochnost na rastyazheniye pri izgibe betonov novogo pokoleniya]. Expert: theory and practice. 2022. No. 2 (17). Pp. 21–27. (rus)
11. Kalashnikov V.I., Ananyev S.V. High-strength and extra-high-strength concrete with dispersed reinforcement [Vysokoprochnyye i osobovysokoprochnyye betony s dispersnym armirovaniyem]. Construction Materials. No. 6. 2009. Pp. 59–61. (rus)
12. Lesovik R.V., Klyuyev S.V., Klyuyev A.V., Netrebenko A.V, Yerofeyev V.T., Durachenko A.V. Fine-grain concrete reinforced by polypropylene fiber. Research Journal of Applied Sciences. 2015. Vol. 10. No. 10. Pp. 624–628.
13. Bobrishev A.A., Shafigullin L.N., Erofeev V.T., Treshchev A.A., Sotnikov M.I., Vyacheslav A. Study of effects of redispersable latex powders on hardening kinetics of cement-sand composites. Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences. 2016. Vol.7. No. 4. Pp. 795–802.
14. Erofeev V., Bobryshev A., Lakhno A., Shafigullin L., Khalilov I., Sibgatullin K., Igtisamov R. Theoretical evaluation of rheological state of sand cement composite systems with polyoxyethylene additive using topological dynamics concept. Solid State Phenomena. 2016. Vol. 871. Pp. 96–103.
15. Tarakanov O.V., Erofeev V.T., Smirnov V.F. Chemical additives in mortars and concretes: monograph [Khimicheskiye dobavki v rastvory i betony]. Moscow, Vologda: Infra-Engineering. 2023. 168 p. (rus)
16. Batrakov V.G., Falikmana V.R. Chemical additives for concrete [Khimicheskiye dobavki dlya betonov]. M.: NIIZhB, 1987. 169 p. (rus)
17. Dobshits L. M. Durability of concrete in transport structures and ways to increase it [Dolgovechnost betonov transportnykh sooruzheniy i puti eye povysheniya]. Concrete technologies. 2014. No. 4. Pp. 32–37. (rus)
18. Erofeev V.T. Frame Construction Composites for Buildings and Structures in Aggressive Environments. Procedia Engineering. 2016. Vol. 165. Pp. 1444–1447.
19. Samchenko S.V., Zarin D.A., Lam N.Z.T., Lam T.V. Influence of the content of complex additives on the deformation characteristics of cement [Vliyaniye soderzhaniya kompleksnykh dobavok na deformatsionnyye kharakteristiki tsementa]. Construction: science and education. 2023. Vol. 13. No. 1 Pp. 137–151. (rus)
20. Lukutsova N.P., Matveeva E.G., Fokin D.E. Study of fine-grained concrete modified with a nanostructured additive [Issledovaniye melkozernistogo betona. modifitsirovannogo nanostrukturnoy dobavkoy]. Bulletin of BSTU named after. V.G. Shukhova. 2010. No. 4. Pp. 6–11. (rus)
21. Makridin N.I., Maksimova N.I., Ovsyukova Yu.V. Long-term strength of modified cement stone structure. Part 2 [Dolgovremennaya prochnost modifitsirovannoy struktury tsementnogo kamnya. Chast 2]. Construction Materials. 2011. No. 7. Pp. 72–75.
