Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор и анализ научно-технической и патентной литературы 11
1.1 Совместная работа камня и раствора в кладке 13
1.2 Разновидности адгезии . 18
1.3 Теоретические представления о природе усадки 24
1.4 Материалы для кладочных растворов 35
1.4.1 Разновидности кладочных растворов 35
1.4.2 Требования, предъявляемые к кладочным растворам 3 5
1.4.3 Составы кладочных растворов 36
1.4.4 Полимерные добавки 39
1.5 Выводы по главе 1 46
2 Характеристика материалов и методов исследования 48
2.1 Характеристика использованных материалов 48
2.2 Стандартные методы исследований и приборы 57
2.3 Усовершенствованные методы исследований и приборы 60
3 Регулирование основных свойств цементных систем добавками полимеров 65
3.1 Научная гипотеза 65
3.2 Изучение свойств полимеров с использованием методов вискозиметрии 67
3.2.1 Исследование свойств водных растворов полимеров 67
3.2.2 Исследование солестойкости полимеров 70
3.3 Структурно-механические и физико-механические свойства цементно-полимерных систем 74
3.4 Выводы по главе 3 81
4 Особенности физико-механических свойств кладочных растворов с полимерными добавками 83
4.1. Технологические, физико-механические и реологические свойства растворных смесей и растворов с добавками 0...0,2% полимеров 83
4.2 Исследование свойств цементно-полимерных композиций с повышенной дозировкой полимера 99
4.3 Стабилизация цементно-полимерных композиций, содержащих карбоксилатные добавки 125
4.4 Кинетика твердения и усадки кладочных растворов с карбонатными добавками 133
4.5 Усадка растворов с добавками полимеров 139
4.6 Исследование гидратации и гидратного фазообразования цементных систем с добавками полимеров 149
4.7 Выводы по главе 4 151
5 Экспериментальные исследования кирпичной кладки на растворах с добавками полимеров 154
5.1 Выводы по главе 5 162
Основные выводы 163
Список литературы 165
Приложения 178
- Теоретические представления о природе усадки
- Усовершенствованные методы исследований и приборы
- Структурно-механические и физико-механические свойства цементно-полимерных систем
- Исследование свойств цементно-полимерных композиций с повышенной дозировкой полимера
Введение к работе
Актуальность проблемы.
В настоящее время цементно-полимерные композиции являются основой многих современных строительных материалов.
Исследованиями отечественных и зарубежных специалистов показано, что добавки водорастворимых полимеров и эмульсий значительно улучшают технологические характеристики растворных смесей, физико-механические показатели растворов и конструкций на их основе, повышают эффективность работы каменной кладки и процент использования прочности кирпича. Однако, в большинстве случаев добавки полимеров являются дорогостоящими продуктами импортного производства без четкого указания составов компонентов, число которых может быть более 3. Это затрудняет выбор добавок для производства цементно-полимерных композиций.
В отечественной научно-технической литературе недостаточно освещены вопросы о закономерностях влияния состава и типа функциональных групп полимеров отечественного и зарубежного производства на основные свойства цементно-полимерных композиций.
В связи с изложенным, актуальной является проблема установления наиболее важных закономерностей совместимости компонентов цементно-полимерных композиций между собой, что позволит производить научно-обоснованный выбор компонентов рационального состава кладочных растворов.
Целесообразной является также разработка способов повышения несущей способности кладки за счет эффективного использования прочности составляющих ее камня и раствора. Рациональное решение этой проблемы заключается в сокращении расхода водорастворимых полимеров, поскольку в настоящее время добавки эмульсий и латексов полимеров вводятся в количестве 10.. .20% от массы цемента.
Цель работы - разработка кладочных растворов на основе цементно-полимерных композиционных материалов, обладающих повышенной адгезией к каменному материалу и малой усадкой, что обеспечивает увеличение прочности кладки благодаря совместной работе ее составляющих.
Основные задачи работы:
усовершенствовать способы определения свойств кладочных растворов;
исследовать совместимость минеральных вяжущих и полимерных добавок;
изучить кинетику структур ообразования, схватывания и твердения кладочных растворов;
исследовать влияние полимерных добавок на де формативные характеристики и усадку кладочных растворов;
провести испытания кирпичной кладки на цементно-полимерных растворах;
- опытно-промышленная проверка результатов исследований.
Научная новизна.
Показано, что способность водорастворимых полимеров снижать во-доотделение цементных систем и повышать адгезию их с силикатным кирпичом и другими материалами прямо пропорциональна эффективной вязкости жидкой фазы цементных систем в случае таких стойких к коагулирующему действию ионов Са2+полимеров, как МЦ и ОЭЦ, в то время как у нестойких к действию этого иона полимеров мало зависит от вязкости 1%-го водного раствора и сильно снижается в контакте с вяжущими веществами.
Водорастворимые полимеры, содержащие карбоксилатные группы, несовместимы с портландцементом в связи с тем, что они образуют с ионами Са2+, выделяющимися при гидратации вяжущих, малорастворимые в воде соли, выпадающие в осадок и вызывающие коагуляцию всей системы. В ряде случаев удается обеспечить их стабилизацию с помощью специальных за-щитных электролитов, образующих с ионами Са малорастворимые в воде
соли. При этом достигается совместимость их с портландцементом и получение цементно-полимерных композиций с удовлетворительными эксплуатационными характеристиками при минимальном расходе полимера (0,2...0,5%).
Показано, что недостаточная водостойкость цементно-полимерных композиций с добавкой 5...20% ПВА, а также с высокими дозировками МЦ, ОЭЦ, ПАА (свыше 1 %), обусловлена тем, что ввиду химической инертности их к компонентам цементных систем, полимерная составляющая сохраняет способность при контакте с водой интенсивно её поглощать и набухать, что вызывает внутренние напряжения. С учетом этого разработанные автором цементно-полимернные композиции с добавкой 0,5...1% водорастворимых полимеров отличаются более высокой водостойкостью, чем с добавкой 5...10% ПВА. Наиболее водостойкими являются составы с добавками кар-боксилатных полимеров (КМЦ), что обусловлено пониженной гидрофильно-стью их кальциевых солей.
Установлены закономерности реологических свойств и кинетики структурообразования цементно-полимерных композиций, заключающиеся в том, что неионогенные добавки водорастворимых полимеров, не вступающие в химическое взаимодействие с составляющими цемента, увеличивают пластическую вязкость и при малых дозировках (0,2%) снижают практически до нуля предел текучести систем в области малых градиентов скорости сдвига. При дозировке 0,5...1% они в несколько раз увеличивают предел текучести. При этом в области малых градиентов скорости сдвига 10...50 с"1 деформации течения цементно-полимерных композиций происходят в структурном режиме.
Установлено, что цементно-полимерные композиции с добавками 0,5...1% МЦ, ОЭЦ и 7...10% ПВА в связи с высокой пластической вязкостью под влиянием приложенных нагрузок в процессе возведения кладки приобретают свойства самовыравнивания толщины горизонтального шва раствора, который формируется на уровне 3...5 мм, что делает рациональным их ис-
7 пользование для тонкослойной кладки. В бездобавочных составах и при дозировке полимеров до 0,5% саморегуляции толщины шва не наблюдается, и такие составы целесообразно использовать для традиционной кладки. Практическая ценность.
Разработаны цементно-полимерные композиции, позволяющие производить кладку по традиционной технологии с применением отечественных водорастворимых полимеров, расход которых составляет 0,2...0,5 %, что в 10...20 раз меньше, чем ПВА, при близких эксплуатационных и технологических характеристиках. При этом они обладают лучшими экологическими свойствами и не уступают по качеству продукции известных зарубежных фирм (ЕвроХим, DowChemical и т.д.). Растворы с добавками 0,5...1% водорастворимых полимеров, обладающие свойством самовыравнивания толщины слоя (до 3...5 мм), рекомендуется применять в тонкослойной кладке, отличающейся высокими эстетическим показателями.
На основе установленных закономерностей взаимодействия водорастворимых полимеров с жидкой фазой цементных систем разработаны це-ментно-полимерные композиции с добавкой 0,5...1% водорастворимых полимеров отечественного производства (МЦ, ОЭЦ), а в ряде случаев смесей КМЦ с содой, которые по кинетике структурообразования, технологическим и эксплуатационным свойствам не уступают известным составам с добавкой 7...10 % ПВА (или 20...30 % эмульсии ПВА).
Использование разработанных растворов с низким водоотделением повышает монолитность кладки, предотвращает разупрочнение и трещино-образование кладки на стыке кирпича и раствора, улучшает физико-механические свойства кирпича и коэффициент использования прочности кирпича в кладке. Благодаря низкому расходу полимера такая кладка обладает повышенной водостойкостью по сравнению с традиционными известными составами без добавок и с добавкой ПВА-эмульсии.
При выполнении кладочных работ с применением разработанных тонкослойных цементно-полимерных композиций расход материала снижа-
8 ется не менее, чем в 3 раза. В связи с этим технико-экономические показатели таких растворов, несмотря на использование дорогостоящего водорастворимого полимера, мало отличаются от традиционных при значительном улучшении качества и долговечности растворов.
5. Монолитность, несущая способность, деформативность кладки возрастают при использовании водорастворимых полимеров в количестве 0,5% на 15...20%. В связи с этим рекомендуется использовать разработанные це-ментно-полимерные композиции с целью увеличения степени надежности зданий и сооружений в условиях динамических воздействий различного происхождения. Особенно эффективно их использование в целях повышения сейсмостойкости зданий и сооружений.
Реализация работы.
В стендовых экспериментах и в промышленных условиях на ОАО «Завод ЖБК-1» изготовлены и испытаны образцы-столбы каменной кладки, имитирующих участок несущей стены здания.
Результаты экспериментальных исследований, полученных при выполнении диссертационной работы, внедрены в учебный процесс для студентов специальности 290600 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций».
Защищаемые положения.
Обоснование целесообразности применения добавок водорастворимых полимеров в составах кладочных растворов.
Закономерности влияния состава и свойств функциональных групп полимеров на технологические, реологические, физико-механические свойства цементно-полимерных композиций.
Эффективность работы кладки на растворах с добавками водорастворимых полимеров.
Апробация работы.
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались:
- на Международной научно-практической конференции «Рациональ-
9 ные энергосберегающие конструкции, здания и сооружения в строительстве и коммунальном хозяйстве» (Белгород, 2002 г.);
на Международном конгрессе, посвященном 150-летию В.Г. Шухова «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» (Белгород, 2003 г.);
на научно-практическом семинаре «Проблемы и пути создания композиционных материалов и технологий из вторичных минеральных ресурсов» (Новокузнецк, 2003 г.);
на Уральской научно-практической конференции «Физико-химия и технология оксидно-силикатных материалов» (Екатеринбург, 2003 г.);
на VII Международной научно-технической конференции «Проблемы строительного комплекса России» (Уфа, 2004 г.).
Публикации но теме работы. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 7 научных публикациях (статьях).
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов, изложена на 177 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков, 37 таблиц, список литературы из 145 наименований и 3 приложения.
Во введении обоснована актуальность выбранной диссертационной работы, сформулированы научная новизна, практическая ценность результатов работы, цель и задачи исследований, защищаемые положения.
В главе 1 приведены данные научно-технической и патентной литературы по теме диссертации. Рассмотрены факторы, влияющие на несущую способность и монолитность кладки, современные представления о природе адгезии и усадки, дан обзор используемых в практике строительства кладочных растворов и добавок полимеров в составах цементно-полимерных композиций.
В главе 2 приведены характеристики используемых в работе материалов и полимерных добавок, методики проведения экспериментов.
В главе 3 сформулирована научная гипотеза по принципам выбора полимерных добавок в составе цементно-полимерных композиций, изучен вопрос совместимости добавок с вяжущим с учетом состава их функциональных групп, приведены исследования структурно-механических свойств цементно-полимерных систем.
В главе 4 приведены экспериментальные данные о влиянии добавок полимеров на физико-механические, технологические, реологические свойства растворных смесей и растворов, кинетику водоотделения и усадки, процессы гидратации и гидратного фазообразования цементно-полимерных композиций.
В главе 5 приведены экспериментальные исследования кирпичной кладки в виде блоков на традиционных цементно-песчаных растворах и с добавками полимеров. Процессы изготовления и испытания образцов кирпичных блоков в данном случае были приближены к промышленным.
Работа выполнена в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова на кафедре строительного материаловедения, изделий и конструкций.
Автор выражает благодарность и глубокую признательность научному консультанту - декану АСФ, к.т.н., проф. И.А. Дегтеву за помощь в постановке и проведении экспериментальных исследований образцов каменной кладки.
Теоретические представления о природе усадки
Образование адгезионной связи в результате адсорбции происходит в три стадии: миграция больших молекул полимера клея и поверхности подложки в результате теплового броуновского движения; адсорбция (возникновение межмолекулярных сил различного характера и связей между склеиваемыми телами); процесс упрочнения связи.
Следует отметить, что адсорбционная теория не учитывает особенностей поведения полимеров, отличающихся от жидкостей и упругих тел.
Адгезия может осуществляться не только за счет межмолекулярных, но и за счет химических связей, которые намного прочнее ван-дер-ваальсовых.
Из минеральных клеев наилучшими адгезионными свойствами обладают растворимое стекло, магнезиальный цемент, затем портландцемент и глиноземистый; худшими - пуццолановый и шлакопортландцемент, строительный гипс и известь. Строительные растворы на портландцементе с высоким содержанием 2CaOSiC 2 показывают сцепление несколько выше, чем на портландцементе с обычным минералогическим составом или с высоким содержанием 3CaOSi02 [32].
Для цементных систем с добавками полимеров прочность адгезии во многом зависит от структуры, химического состава, молекулярной массы полимера, наличия функциональных групп, способных взаимодействовать с молекулами поверхностного слоя склеиваемого материала [22,24,32]. По данным [22], большая жесткость цепей и высокая степень полимеризации обусловливает пониженную адгезию полимера.
Высокими адгезионными свойствами обладают эпоксидные клеи, содержащие одновременно две функциональные группы - эпоксидную и гид-роксильнуго [19,24]. Анализ патентной литературы [33-37] показывает, что наибольшей ад-гезионной прочностью обладают составы, содержащие сополимеры стирола и акрила, синтетические смолы, сополимеры этилена и винилацетата, водорастворимые эфиры целлюлозы, поливинилацетатные соединения. В ряде работ с целью повышения адгезии раствора к каменному материалу авторы предлагают использовать комплекс полимерных добавок. Так, в [38] полимерраствор содержит полиизоцианат, кубовые остатки стадии дистилляции производства глицерина, эпоисидную смолу, триэтилен-тетрамин. Материал для отделки швов [39] содержит крахмал, поливиниловый спирт, поливинилацетат, модифицирующие акрилаты. Хорошее сцепление с основанием дает раствор для ремонта [40], связующим которого являются полимеризующаяся искусственная смола на основе гидроксиакрилата, 2- гидроксиэтилакрилата, 2- гидроксиэтилметакрила-та, гидроксипропилакрилата, акриламида, гидроксиметакрилата. Ввиду сложного компонентного состава растворы [38-40] являются продуктами специального назначения довольно высокой стоимости, и не находят широкого применения в практике строительных работ. Следует отметить, что рассмотренные выше взгляды на виды адгезии в основном относятся к однородным материалам и пленкам полимеров. Очевидно, при работе с различными материалами в одних парах будет играть большую роль один вид адгезии, в других - другой. Так, всплеск электронного импульса наблюдается при разрушении любых материалов, в том числе однородных. При склеивании пористых материалов синтетическими клеями из неионогенных соединений большую роль играют механические явления адгезии. В случае склеивания материалов малопористых, различной химической природы образуются двойные электрические слои, вступают в силу до-норно-акцепторные взаимодействия. Одним из важных факторов, определяющих прочность адгезии, является усадка цементно-полимерных композитов при твердении. Для получения высокой прочности адгезии необходимы растворы с малой усадкой [21]. При высокой усадке подложек либо самого клея первоначально хорошее склеивание неизбежно со временем потеряет свои ценные характеристики. В связи с этим перейдем к рассмотрению усадочных явлений. При изготовлении и эксплуатации композиционных строительных материалов наблюдаются различные объемные изменения и деформации, которые во многом определяют качество и долговечность композита. К таким деформациям в первую очередь относятся собственные деформации материала - усадка и расширение, - возникающие под действием химических и физико-химических процессов, протекающих в нем. Для кладочных растворов проблема усадки является актуальной, поскольку от величины усадочных деформаций зависит прочность сцепления раствора с каменным материалом, а значит, и монолитность кладки. Как показывают многочисленные исследования [41-48], усадка является нежелательным явлением, т.к. уменьшение объема системы приводит к возникновению внутренних напряжений и росту трещин внутри материала и на его поверхности. Это, в свою очередь, снижает модуль упругости и прочность изделия, особенно на растяжение, ухудшает его морозостойкость, отрицательно сказывается на долговечности.
Усовершенствованные методы исследований и приборы
Для оценки пластической прочности цементных систем без и с добавками полимеров использовали прибор Вика, в котором металлический шток был заменен на более легкий — деревянный, а вместо иглы или пестика использовался металлический конический индентор с углом при вершине конуса 30, высотой 4 см.
Метод измерения прочности структуры цементного теста без и с добавками полимеров основан на том, что чем больше структурная прочность, тем меньше глубина погружения в него конуса под влиянием определенной нагрузки. Вес подвижной части прибора составлял в данном случае 0,06 кг и оставался постоянным в течение всего периода испытаний. Предельное напряжение сдвига (пластическую прочность ) (Кпл) рассчитывали по формуле Ребиндера [140]: где к — константа прибора, зависящая от угла конуса при вершине; Р — нагрузка, действующая на конус, Н ; h - глубина погружения конуса, м. 2. Стандартный метод определения подвижности с использованием конуса СтройЦНИЛа (согласно ГОСТ 5802-86) требует большого расхода растворной смеси - не менее 3 л. С целью экономии используемых материалов, и в первую очередь полимерных добавок, в работе для оценки подвижности растворной смеси использовали методы №2 и 3, описанные ниже. Для получения сравнительных данных по определению подвижности растворных смесей были использованы следующие методы. Метод № 1. Подвижность определяли по глубине погружения стандартного конуса СтройЦНИЛ (ГОСТ 5802-86) массой 300 г в растворную смесь, расход которой в данном случае составляет не менее 3 л. Метод №2. Определение подвижности с использованием прибора Вика с облегченным штоком и конусом высотой 4 см (угол при вершине 30). Вес подвижной части прибора составлял 60 г, расход растворной смеси - 0,3 л. Метод №3. Использовали форму-конус, предусмотренную ГОСТ 310.4-81 для определения консистенции цементно-песчаной растворной смеси. В данном случае определяли диаметр расплыва конуса из растворной смеси по нижнему основанию при встряхивании ее на столике с периодом 1 удар/сек. Результаты сравнительных испытаний приведены в таблице 2.8. Испытания проводили на обычных и модифицированных полимерами цементно-песчаных растворах состава Ц:П=1:2,5 и 1:3 (по массе). В опытах использовали цемент типа ПІД 500-Д0 ЗАО «Белгородский цемент» №3 и песок Нижне-Ольшанского месторождения. Использование метода №2 является более целесообразным как для модифицированных, так и для обычных растворных смесей, так как в этом случае значительно сокращается расход растворной смеси (до 0,3 л). Метод №3 является простым и рациональным с точки зрения минимального расхода компонентов раствора. Его применение целесообразно в случае обычных растворов и систем с коагулированной структурой. Этот метод непригоден для стабилизированных систем с добавками, так как они слабо реагируют на ударные воздействия, в результате чего появляются трудности в определении подвижности. Поэтому марку по подвижности растворов, модифицированных полимерами, подобными ОЭЦ, МЦ, ПАА, лучше определять, используя метод № 1 и метод №2. 3. Для определения водоотделения растворных смесей и начальной их усадки применяли прибор набухания грунтов (ПНГ), оснащенный индикато ром часового типа с ценой деления 0,01 мм. С целью увеличения точности эксперимента вместо кольца прибора ПНГ высотой 1,5 см использовали кольцо высотой 4 см. Давление на растворную смесь составляло 0,004 МПа. Величину водоотделения и усадочных деформаций (єу, %) вычисляли по формуле: где kj - первоначальный отсчет по прибору, мм; кп - отсчет, снятый по прибору через заданный промежуток времени, мм; и — номер замера; h - высота раствора, мм. 4. Для оценки прочности сцепления раствора с силикатным кирпичом последний распиливали на 8 равных частей. Полученные «кирпичи» исполь зовали для приготовления образцов - двоек (определение прочности на от рыв (нормального сцепления)) и образцов — троек (определение прочности на сдвиг (касательное сцепление)) (рис.2.2).
Структурно-механические и физико-механические свойства цементно-полимерных систем
В процессе формирования структуры цементного камня в цементно-водной системе с момента затворения вяжущего водой происходит постепенное изменение характера связей между дисперсными фазами. В начальном периоде - периоде формирования (индукционном периоде) - в системе преобладает коагуляционная структура с незначительной долей кристаллизационной.
По окончании периода формирования структуры, вследствие резкого возрастания содержания в системе прочных фазовых необратимо разрушающихся контактов между кристаллами новообразований цемента, в цементном тесте начинает преобладать конденсационно-кристаллизационная структура. Потеря подвижности обусловлена существенным увеличением межфазовой поверхности схватывающегося цемента. К концу схватывания доля Са(ОН)2 среди новообразований возрастает в 2 раза по сравнению с присутствующим в системе к началу схватывания.
Такая структура из-за наличия фазовых контактов между частицами новообразований тиксотропно не восстанавливаема и механические воздействия на нее приводят к необратимой потере прочности [141].
В связи с этим управление продолжительностью индукционного периода и стуктурно-механическими свойствами цементно-полимерных композиций является важной задачей. В настоящее время принято характеризовать структурно-механические свойства цементных систем в начальный период формирования цементного камня с помощью такого понятия, как структурная прочность, которая измеряется в Па или МПа. Эта величина является структурным показателем, характеризующим пластическую вязкость, напряжение сдвига и другие реологические свойства цементных систем. Обычно пластическая прочность цементного теста измеряется с помощью конического пластометра МГУ [141]. В основе метода конического пластометра лежит измерение величины пластической прочности во времени, которая рассчитывается по глубине погружения конуса в исследуемую систему. При измерении пластической прочности конус внедряется в растворную смесь через различные промежутки времени после ее изготовления. По результатам замеров строится кривая структурообразования. За "жизнеспособность" материала принимается время, характеризующее период формирования структуры. На графике этот период отображается кривой изменения пластической прочности в зависимости от времени от начала осей координат до точки резкого изменения направления кривой. Эта точка характеризует также начало периода упрочнения структуры материала [141]. В настоящем разделе приведены результаты исследований кинетики структурообразования цементного теста с добавками полимеров различной химической периоды в ранние сроки твердения. Выбор пластической прочности в качестве объекта исследования обусловлен тем, что этот структурно-механический показатель во многом определяет наиболее важные свойства растворных смесей: жизнеспособность, удобоукладываемость, устойчивость к сползанию плиточных составов, несущую способность слоя растворной смеси в процессе кладочных работ и т. п. Цементно-полимерные композиции с добавками водорастворимых полимеров, эмульсий полимеров, редиспергируемых порошков и их комбинации, используемые в производстве современных растворов, клеевых плиточных составов, смесей для устройства полов и ремонтных работ, должны обладать вышеперечисленными свойствами. Однако, эти материалы представлены в основном дорогостоящими продуктами импортного производства без четкого указания составов компонентов, что затрудняет процесс установления закономерностей влияния состава функциональных групп добавок полимеров на основные свойства модифицированных ими систем. Реологические исследования и измерение текучести, приведенные в последующих разделах настоящей работы, показали, что цементно-полимерные композиции в условиях быстрых деформаций имеют более высокие пластическую вязкость и предел текучести, однако отличаются повышенной подвижностью в условиях малых скоростей сдвига. При измерении текучести смеси способом растекания эти составы гораздо медленнее растекаются по гладкой поверхности, чем бездобавочные, но по истечении определенного промежутка времени показывают больший расплыв. В связи с этим, проводить измерения пластической прочности с использованием прибора Вика с довольно тяжелым металлическим штоком затруднительно. Для проведения экспериментов использовали прибор Вика с облегченным подвижным штоком и коническим индентором с углом при вершине 30 (вес подвижной части прибора 60 вместо 300 г). Содержание воды в системе соответствовало нормальной густоте цементного теста с соответствующей добавкой. Предельное напряжение сдвига цементно-полимернои системы определяли, измеряя глубину погружения в нее конического индентора под действием постоянной во времени нагрузки. Расчет пластической прочности производили по формуле Ребиндера (2.3).
В опытах применялся цемент марки ПІД 500-ДО Белгородского цементного завода (№3) и добавки полимеров: метил целлюлоза (МЦ), карбоксиме-тилцеллюлоза (КМЩ оксиэтилцеллюлоза (ОЭЦ-4), поливинилацетатная эмульсия (ПВА), полиакриламид (ПАА). Дозировка добавок назначалась в процентах от массы цемента в пересчете на сухое вещество.
Исследование свойств цементно-полимерных композиций с повышенной дозировкой полимера
В процессе формирования структуры цементного камня в цементно-водной системе с момента затворения вяжущего водой происходит постепенное изменение характера связей между дисперсными фазами. В начальном периоде - периоде формирования (индукционном периоде) - в системе преобладает коагуляционная структура с незначительной долей кристаллизационной.
По окончании периода формирования структуры, вследствие резкого возрастания содержания в системе прочных фазовых необратимо разрушающихся контактов между кристаллами новообразований цемента, в цементном тесте начинает преобладать конденсационно-кристаллизационная структура. Потеря подвижности обусловлена существенным увеличением межфазовой поверхности схватывающегося цемента. К концу схватывания доля Са(ОН)2 среди новообразований возрастает в 2 раза по сравнению с присутствующим в системе к началу схватывания.
Такая структура из-за наличия фазовых контактов между частицами новообразований тиксотропно не восстанавливаема и механические воздействия на нее приводят к необратимой потере прочности [141]. В связи с этим управление продолжительностью индукционного периода и стуктурно-механическими свойствами цементно-полимерных композиций является важной задачей. В настоящее время принято характеризовать структурно-механические свойства цементных систем в начальный период формирования цементного камня с помощью такого понятия, как структурная прочность, которая измеряется в Па или МПа. Эта величина является структурным показателем, характеризующим пластическую вязкость, напряжение сдвига и другие реологические свойства цементных систем. Обычно пластическая прочность цементного теста измеряется с помощью конического пластометра МГУ [141]. В основе метода конического пластометра лежит измерение величины пластической прочности во времени, которая рассчитывается по глубине погружения конуса в исследуемую систему. При измерении пластической прочности конус внедряется в растворную смесь через различные промежутки времени после ее изготовления. По результатам замеров строится кривая структурообразования. За "жизнеспособность" материала принимается время, характеризующее период формирования структуры. На графике этот период отображается кривой изменения пластической прочности в зависимости от времени от начала осей координат до точки резкого изменения направления кривой. Эта точка характеризует также начало периода упрочнения структуры материала [141].
В настоящем разделе приведены результаты исследований кинетики структурообразования цементного теста с добавками полимеров различной химической периоды в ранние сроки твердения.
Выбор пластической прочности в качестве объекта исследования обусловлен тем, что этот структурно-механический показатель во многом определяет наиболее важные свойства растворных смесей: жизнеспособность, удобоукладываемость, устойчивость к сползанию плиточных составов, несущую способность слоя растворной смеси в процессе кладочных работ и т. п.
Цементно-полимерные композиции с добавками водорастворимых полимеров, эмульсий полимеров, редиспергируемых порошков и их комбинации, используемые в производстве современных растворов, клеевых плиточных составов, смесей для устройства полов и ремонтных работ, должны обладать вышеперечисленными свойствами. Однако, эти материалы представлены в основном дорогостоящими продуктами импортного производства без четкого указания составов компонентов, что затрудняет процесс установления закономерностей влияния состава функциональных групп добавок полимеров на основные свойства модифицированных ими систем.
Реологические исследования и измерение текучести, приведенные в последующих разделах настоящей работы, показали, что цементно-полимерные композиции в условиях быстрых деформаций имеют более высокие пластическую вязкость и предел текучести, однако отличаются повышенной подвижностью в условиях малых скоростей сдвига. При измерении текучести смеси способом растекания эти составы гораздо медленнее растекаются по гладкой поверхности, чем бездобавочные, но по истечении определенного промежутка времени показывают больший расплыв.
В связи с этим, проводить измерения пластической прочности с использованием прибора Вика с довольно тяжелым металлическим штоком затруднительно.
Для проведения экспериментов использовали прибор Вика с облегченным подвижным штоком и коническим индентором с углом при вершине 30 (вес подвижной части прибора 60 вместо 300 г). Содержание воды в системе соответствовало нормальной густоте цементного теста с соответствующей добавкой. Предельное напряжение сдвига цементно-полимернои системы определяли, измеряя глубину погружения в нее конического индентора под действием постоянной во времени нагрузки. Расчет пластической прочности производили по формуле Ребиндера (2.3).
В опытах применялся цемент марки ПІД 500-ДО Белгородского цементного завода (№3) и добавки полимеров: метил целлюлоза (МЦ), карбоксиме-тилцеллюлоза (КМЩ оксиэтилцеллюлоза (ОЭЦ-4), поливинилацетатная эмульсия (ПВА), полиакриламид (ПАА). Дозировка добавок назначалась в процентах от массы цемента в пересчете на сухое вещество.
