Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Воздухововлечение в современных цементных растворах и бетонах 8
1.1Значение вовлеченного воздуха для морозоустойчивости растворов и бетонов 8
1.2 Воздухововлекающие добавки 12
1.3 Влияние компонентов бетонной смеси на эффективность воздухововлечения 15
1.3.1 Влияние цемента, заполнителей и воды на эффективность воздухововлечения 15
1.3.2 Влияние минеральных добавок на воздухововлечение 19
1.3.2.1 Золы уноса 19
1.3.2.2 Молотый гранулированный доменный шлак 24
1.3.2.3 Микрокремнезем 25
1.3.2.4 Метакаолин 28
1.3.3 Пластифицирующие добавки 29
Выводы по Главе 1 31
Глава 2 Цель работы, предметы и основные методы исследования 32
2.1 Цели и задачи работы 32
2.2 Предметы исследования 33
Глава 3 Влияние минеральных добавок на эффективность воздухововлекающих поверхностно-активных веществ 42
3.1 Установление оптимального содержания минеральных добавок в цементных составов 42
3.1.1 Влияние минеральных и воздухововлекающих добавок на прочность цементно песчаных растворов 42
3.1.2 Влияние минеральных и воздухововлекающих добавок на подвижность растворных смесей 44
3.2 Воздухововлечение в цементных композициях с минеральными и воздухововлекающими добавками 46
3.3 Природа активных центров на поверхности частиц минеральных добавок 52
3.4 Влияние крупности заполнителя на воздухововлечение в цементно-песчаных растворных смесях 58
Выводы по главе 3 61
Глава 4 Совместное влияние минеральных и химических добавок на содержание вовлеченного воздуха в растворных смесях 62
Выводы по главе 4 70
Глава 5 Совместное влияние минеральных и воздуховолекающих добавок на долговечность цементных растворов 71
5.1 Морозостойкость цементных растворов с минеральными и воздухововлекающими добавками 71
5.2 Влияние минеральных и воздухововлекающих добавок на щелоче-кремнеземные реакции с участием реакционно-способного заполнителя 74
5.3 Влияние минеральных и воздухововлекающих добавок на деформации при твердении цементного раствора 81
Выводы по главе 5 83
Глава 6 Практическая эффективность совместного применения минеральных и воздуховолекающих добавок в составе цементных ремонтных смесей 85
Выводы по главе 6 93
Заключение 94
Список литературы 96
Приложение A. Технические условия 106
Приложение Б. Акт о выпуске опытной партии 119
Приложение В. Акт об использовании ремонтного состава 121
- Золы уноса
- Природа активных центров на поверхности частиц минеральных добавок
- Влияние минеральных и воздухововлекающих добавок на щелоче-кремнеземные реакции с участием реакционно-способного заполнителя
- Практическая эффективность совместного применения минеральных и воздуховолекающих добавок в составе цементных ремонтных смесей
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Воздухововлечение - контролируемый процесс образования в бетонной или растворной смеси стабилизированных и равномерно распределенных воздушных микросфер, содержание которых назначается в зависимости от требуемой степени морозостойкости раствора или бетона и определяется концентрацией воздухововлекающей добавки, далее ВВД, и ее эффективностью. Воздухововлечение является существенным фактором повышения морозостойкости раствора или бетона при его попеременном замораживании и оттаивании.
В реальных практических задачах, где находят применение сложные
многокомпонентные цементные композиции, необходимо учитывать
совместное влияние на воздухововлекающую эффективность ВВД со стороны многих компонентов – заполнителей, минеральных, пластифицирующих и других добавок. Это влияние может заключаться в дополнительном увеличении объема вовлеченного воздуха, в его сокращении, в изменении стабильности системы из воздушных пузырьков и их размеров; все это может иметь положительные или отрицательные последствия для морозостойкости растворов и бетонов на практике.
Степень разработанности темы. Сведения о влиянии на эффективность ВВД высокодисперсных минеральных добавок, за исключением зол уноса, в литературе довольно ограниченны и противоречивы, особенно об их совместном влиянии с функциональными добавками других типов.
Цель работы. Исследовать влияние минеральных добавок различного состава и дисперсности на эффективность ионогенных и неионогенных воздухововлекающих поверхностно-активных веществ в цементных составах.
Задачи работы: 1) Исследовать влияние минеральных добавок различной
природы и дисперсности (микрокремнезема, метакаолина, каолина,
волластонита, микрокальцита) на эффективность воздухововлекающих поверхностно-активных веществ ионогенной и неионогенной природы методами компрессионной компенсации давления воздуха и электронной микроскопии; 2) Исследовать распределение активных центров на поверхности частиц минеральных добавок методом адсорбции кислотно-основных индикаторов и установить характер активных центров, обеспечивающих сорбцию молекул ВВД; 3) Исследовать влияние высокоактивных минеральных добавок на эффективность анионогенного воздуховолекающего поверхностно-активного вещества, далее ПАВ, в присутствии пластифицирующих добавок различных типов; 4) изучить физико-механические показатели цементных растворов с минеральными, воздухововлекающими и пластифицирующими добавками.
Научная новизна.
1 Методами компрессионной компенсации давления воздуха и электронной микроскопии установлено, что высокодисперсные минеральные добавки - микрокремнезем, метакаолин и каолин – обеспечивают значительное
(в 2-3 раза) увеличение объема воздуха, вовлекаемого ионогенными и неионогенными ВВД в цементное тесто и в растворные смеси.
2 Исследование распределения активных центров на поверхности частиц
минеральных добавок методом адсорбции кислотно-основных индикаторов
позволяет сделать вывод, что дополнительная стабилизация вовлеченного
воздуха в виде воздушных сфер диаметром (50-100) мкм в присутствии
микрокремнезема, метакаолина и каолина может быть обусловлена сорбцией
молекул ВВД на частицах этих добавок при участии специфических активных
центров (льюисовских основных центров).
3 Пластифицирующие добавки конкурируют с ВВД в процессе их
сорбции на зернах цемента и минеральных добавок, и на границе раздела
«жидкость-воздух», в результате чего активность ВВД снижается при
совместном введении с пластифицирующими добавками в растворную смесь. В
случае поликарбоксилатного пластификатора, в присутствии микрокремнезема
или метакаолина, снижение активности ВВД компенсируется
воздухововлекающим эффектом поликарбоксилатной добавки, который
проявляется в присутствии указанных добавок.
Теоретическая и практическая значимость.
-
Анионогенная ВВД на основе олефинсульфоната натрия обеспечивает большее содержание вовлеченного воздуха по сравнению с ВВД на основе лаурилсульфата; дозировка неионогенной ВВД, обеспечивающая сопоставимый с ионогенными ВВД объем вовлеченного воздуха, в 5 раз превышает расход ионогенной добавки.
-
Частичное замещение цемента микрокремнеземом или метакаолином в цементно-песчаных растворных смесях, содержащих пластификатор, или комбинацию пластификатора и ВВД, способствует повышению морозостойкости на 300-400 циклов.
-
Минеральные добавки усиливают ингибирующий эффект, оказываемый ВВД на деструктивные процессы, обусловленные взаимодействием реакционноспособных заполнителей со щелочной средой в порах цементных растворов.
4 Разработан ремонтный состав класса морозостойкости F1000 для
объектов транспортной инфраструктуры, содержащий комплекс из
минеральной, воздухововлекающей и пластифицирующей добавок.
Разработаны технические условия на данный ремонтный состав. Опытная
партия ремонтного состава объемом 10000 кг использована при строительстве
скоростной автомобильной трассы «Москва-Санкт-Петербург».
Методология и методы исследования. Содержание вовлеченного воздуха в цементном тесте и растворных смесях контролировали методом компрессионной компенсации давления воздуха на приборе для определения объема воздухововлечения фирмы Testing (по DIN EN 413-2:2005 «Цемент кладочный. Часть 2. Методы испытаний»). Распределение центров адсорбции на поверхности исследуемых минеральных добавок изучали методом адсорбции кислотно-основных индикаторов. Электронно-микроскопические
исследования цементного камня исследовали на электронном микроскопе VEGA3 TESCAN (30 кВ). Испытания морозостойкости цементно-песчаных растворов с добавками проводили по ГОСТ 10060-2012 «Бетоны. Методы определения морозостойкости» третьим ускоренным методом в климатической камере СМ-60/100-120 ТХ.
Положения, выносимые на защиту:
1 Влияние минеральных добавок различной химической природы и
дисперсности на эффективность ионогенных и неионогенных
воздухововлекающих ПАВ в цементных составах;
2 Роль активных центров на поверхности частиц минеральных добавок в
обеспечении дополнительной стабилизации вовлеченного воздуха;
3 Совместное влияние минеральных, воздухововлекающих и
пластифицирующих добавок на содержание вовлеченного воздуха в цементно-
песчаной растворной смеси;
4 Физико-механические свойства цементных растворов с
воздухововлекающими и высокоактивными минеральными добавками.
Степень достоверности и апробация результатов. Результаты
диссертационной работы представлены в виде устных докладов на конференциях:
- научные конференции, посвященные 187-й, 188-й и 189-й годовщинам
образования Санкт-Петербургского государственного технологического
института (технического университета) (Санкт-Петербург, 2015, 2016, 2017 гг.);
- научно-технические конференции Санкт-Петербургского
государственного технологического института (технического университета)
«Неделя науки» (Санкт-Петербург, 2015, 2016, 2017, 2018 гг.);
Основные результаты работы изложены в 9 публикациях, из них 2 в журналах, входящих в перечень ВАК РФ.
Золы уноса
Из минеральных добавок в отношении влияния на эффективность ВВД в наибольшей степени изучено действие зол-уноса [13,15, 21, 23, 32-36].
Золы-уноса образуются в процессе сжигания порошкообразного угля на электростанциях в высокотемпературных топках. Примеси, содержащиеся в угле, - такие как глины, кварц, шпат - расплавляются и быстро транспортируются в низкотемпературные зоны, где образуются сферические частицы. Большинство частиц улетает с потоком отходящих газов, охлаждается, улавливается в фильтрах и, собственно, образует золу уноса. По химическому составу золы-унос в соответствии с [37] подразделяются на кислые, содержащие СаО не более 10 мас. %, и основные, содержащие СаО более 10 мас. %. Золы уноса первого типа (низкокальциевые золы) являются отходами от сжигания антрацита и каменного угля, второго типа (высококальциевые золы) – отходами от сжигания бурого угля. Низкокальциевая зола состоит в основном из алюмосиликатного стекла. При медленном и неравномерном охлаждении стеклофазы возможно образование кристаллических фаз - силлиманита Al2O3SiO2 и муллита 3Al2O32SiO2 - в виде тонких игольчатых кристаллов внутри стеклянных сфер. Высококальциевые золы-унос отличаются более высоким содержанием кристаллических фаз – до (25-45) %, основными среди них являются СаО, С3А, С2S, CaSO4, MgO, Na2SO4, Fe2O3, 3Al2O32SiO2. Применение золы-унос в бетоне повышает морозостойкойсть, устойчивость к сульфатной и щелочной коррозии и таким образом продлевает срок службы конструкций.
Частицы несгоревшего угля, содержащиеся в золах-уноса, оказывают отрицательное влияние на эффективность ВВД [9,23,32-35]. Основная часть углерода содержится в крупных фракциях золы (более 100 мкм), рисунок 9.
Воздухововлекающие добавки, являющиеся органическими по своей природе, сорбируются на поверхности углеродных зерен, имеющих развитую поверхность и обладающих высокой пористостью [13,34], что является причиной снижения их эффективности и требует повышения их расхода. При замещении (20-30) мас. % цемента золой-уноса дозировка ВВД может возрасти в 3-4 раза [13,33].
Эффективность ВВД нейтрализуется в наибольшей степени в случае, когда несгоревшие мельчайшие углеродистые частицы распределяются на частицах золы в виде очень тонкого слоя сажи [17,32]. Рисунок 10 иллюстрирует довольно типичную зависимость между расходом ВВД, требуемым для достижения объема вовлеченного воздуха в бетоне 6,5 %, и содержанием в нем углерода, вносимого в бетонную смесь с добавкой золы уноса. Значения расхода ВВД приведены к значению расхода ВВД для бетона, не содержащего углерода (т.е. без добавки золы).
Адсорбционное взаимодействие между несгоревшим углеродом и ВВД определяется не только количеством и размером пор несгоревших углеродных частиц, но также типом и количеством функциональных групп на поверхности частиц [32]. Кроме того, адсорбция молекул ВВД на несгоревших углеродных частицах зависит от используемого ВВД, так как они имеют разные группы активных веществ, которые по-разному реагируют с химическим составом поверхности несгоревших углеродных частиц [35]. Косвенным показателем содержания несгоревшего угля в золах-унос являются потери при прокаливании (ППП). При использовании золы-унос перерасход ВВД тем выше, чем выше ее ППП [15]. Отечественный стандарт [37] ограничивает содержание несгоревшего угля в золах. Например, для зол, образуемых при сжигании каменного угля и предназначенных для изготовления бетонных и железобетонных изделий и конструкций, работающих в особо тяжелых условиях (гидротехнические сооружения, дороги, аэродромы), значение ППП должно быть не более 5% мас. %.
Тем не менее, не всегда использование золы уноса с высокими значениями ППП сопровождается увеличением расхода ВВД [29]. Такая ситуация возникает в случае, когда частицы углерода покрываются стекловидной оболочкой, образуемой в процессе охлаждения частиц, уносимых топочными газами, и вследствие этого оказываются неспособными сорбировать молекулы ВВД.
Кроме этого, высокие значения ППП могут быть обусловлены не наличием в золе углерода, а присутствием карбонатов; это более характерно для высококальциевых зол уноса [29]. В этом случае значения ППП никак не коррелируют с расходом ВВД. Вообще, при использовании высококальциевых зол уноса, как правило, требуются меньшие дозировки ВВД по сравнению с низкокальциевыми золами, особенно если зола содержит значительное количество водорастворимых щелочей. В последнем случае расход ВВД может быть даже меньше, чем в отсутствие золы [23]. В монографии [21] также указывается, что применение высококальциевых зол уноса в составе бетонных смесей требует меньшего расхода ВВД по сравнению с низкокальциевыми золами. Так, для обеспечения одного и того же объема вовлеченного воздуха в бетонной смеси (6 %) расход ВВД необходимо увеличить на (120-170) % в присутствии золы с содержанием СаО 10% и на (180-550) % в присутствии золы с содержанием СаО 10 %.
По данным [12,30], в присутствии высококальциевой золы система воздушных пузырьков обладает большей стабильностью, чем в присутствии низкокальциевой золы, поскольку в первом случае содержание органических примесей ниже, чем во втором.
Проблема влияния золы на эффективность ВВД настолько серьезна, что предпринимаются попытки повысить ее совместимость с ВВД различными способами: термическими, химическими, механическими [29,32]. Удалить углеродистый остаток в золе возможно путем ее дополнительного обжига, флотацией, электростатической сепарацией. Один из химических методов основан на использовании «жертвенных» добавок, вводимых в золу или в бетонную смесь, сорбирующихся на углеродистых частицах золы и таким образом уменьшающих степень взаимодействия последних с молекулами ВВД. Еще один метод заключается в озонировании золы с целью изменить природу поверхности углеродистых включений, в результате чего также снижается степень их взаимодействия с ВВД, рисунок 11.
Природа активных центров на поверхности частиц минеральных добавок
Исследование природы и содержания кислотно-основных центров на поверхности частиц минеральных добавок проводилось методом адсорбции кислотно-основных индикаторов со значениями рКа в диапазоне от -4,4 до 14,2 [63].
Предварительно были приготовлены водные растворы кислотно-основных индикаторов, имеющих различные значения рКа перехода между кислой и основной формами [68]. Значения рКа, длины волн, соответствующие максимуму поглощения, при которых проводили измерения оптической плотности, а также концентрации (Cind) и используемые в эксперименте объемы растворов индикаторов (Vind) приведены в таблице 3.
В ходе эксперимента определяли оптическую плотность (D) растворов указанных индикаторов в следующих условиях:
1. К раствору индикатора, взятому в объеме Vmd, в пробирках добавляли дистиллированную воду до 5 мл и после перемешивания измеряли оптическую плотность холостой пробы (D0).
2. К 5 мл раствора, полученного аналогично п.1, добавляли навеску исследуемого вещества массой mi « 20 мг и после установления адсорбционно десорбционного равновесия (через 1 ч) измеряли оптическую плотность (Di).
При этом учитывалось изменение оптической плотности в результате как адсорбции индикатора поверхностью материала, так и взаимодействия исследуемого вещества с водой.
3. Навеску исследуемого вещества массой т2 « 20 мг помещали в дистиллированную воду объемом 3 мл и выдерживали в течение часа, давая возможность установиться адсорбционно-десорбционному равновесию между водой и поверхностью материала. После этого воду декантировали в другую пробирку, к ней добавляли раствор индикатора объемом Vmd и доливали воду до 5 мл, и измеряли оптическую плотность (D2). При этом учитывалось изменение оптической плотности исключительно в результате взаимодействия исследуемого вещества с водой, что позволяло исключить этот фактор при сопоставлении результатов.
Измерения оптической плотности проводили на спектрофотометре СФ-46. Непосредственно измеряемым параметром являлся коэффициент пропускания Т, определяемый как отношение интенсивности излучения на длине волны, соответствующей максимуму поглощения для данного индикатора, при прохождении света через кювету с исследуемым раствором (I), к аналогичному показателю при прохождении через кювету канала сравнения с дистиллированной водой (I0).
Погрешность измерения массы навески на аналитических весах составляла 0,1 мг, погрешность измерения коэффициента пропускания – 0,05 % (в данном случае процент – единица измерения, а не показатель относительной величины погрешности).
Индикаторы с наиболее низкими (как правило отрицательными) значениями рКа селективно адсорбируются на активных центрах основного льюисовского типа (содержащих неподеленную электронную пару и способных к захвату протона с диссоциацией молекулы воды). Далее по мере увеличения величины рКа индикаторов их селективная адсорбция происходит на бренстедовских кислотных (рКа = 0 7, поверхностные ОН группы с тенденцией к отщеплению протона), бренстедовских основных (7 14, поверхностные ОН группы с тенденцией к отщеплению всего гидроксила) и льюисовских кислотных ( 14, атомы со свободной орбиталью, способных к захвату гидроксила с диссоциативной адсорбцией воды) центрах [63].
На рисунке 24 представлено распределение кислотно-основных центров на поверхности частиц исследуемых добавок.
По данным рисунка 24 построены гистограммы суммарного содержания активных центров на поверхности частиц добавок (рисунок 25а), а также содержания активных центров следующих типов (рисунки 25б-г):
- льюисовские основные центры (ЛОЦ) с наиболее низкими (отрицательными) значениями величины pKa, представляющие собой неподеленные электронные пары на атомах кислорода, входящих в состав силоксановых связей и карбонат-анионов;
- льюисовские кислотные центры (ЛКЦ) с наиболее высокими (свыше 14) значениями величины pKa, соответствующие выходящим на поверхность катионам;
- бренстедовские кислотные (БКЦ, pKa 0...7) и основные (БОЦ, pKa 7...14) центры, образованные гидроксильными группами M-OH (M=Si, Al, Ca), диссоциирующими соответственно по кислотному (с отщеплением протонов) и основному (с отщеплением ОН-групп) механизмам.
Как видно из представленных на рисунке 25а) данных, содержание активных центров у материалов с высокой удельной поверхностью находится преимущественно в пределах (140-170) мкмоль/г. Исключение составляет микрокремнезем, у которого этот показатель ниже, чем у остальных высокодисперсных материалов, и составляет порядка 100 мкмоль/г. Возможно, это обусловлено тем, что в микрокремнеземе частицы сильно агрегированы, и не вся их поверхность оказывается одинаково доступной. В случае материалов, обладающих меньшей дисперсностью, – волластонита и кальцита – содержание активных центров составляет (50-60) мкмоль/г.
Содержание кислотных центров Льюиса (ЛКЦ, рКа 14.2) для всех цементно-замещающих материалов, далее ЦЗМ, находится в пределах (15-55) мкмоль/г, рисунок 25 б).
Какой-либо закономерности между содержанием ЛКЦ и влиянием ЦЗМ на воздухововлечение в присутствии ВВД не прослеживается.
По всей видимости, ЛКЦ, в качестве которых выступают вакантные электронные орбитали кальция (волластонит, микрокальцит), кремния (каолин, волластонит, метакаолины) и алюминия (каолин, метакаолины), не играют основной роли в сорбции ВВД.
Обращает на себя внимание низкое содержание льюисовских основных центров (ЛОЦ, рКа -4.4) на частицах волластонита и микрокальцита по сравнению с алюмосиликатными высокодисперсными добавками, рисунок 25 г). Для первых двух материалов суммарное содержание основных центров составляет всего порядка 3-4 мкмоль/г, в то время как для метакаолина и микрокремнезема, способствующих воздухововлечению, их содержание значительно выше (20-70 мкмоль/г). Можно предположить, что присутствие на поверхности частиц минеральных добавок центров этого типа может обеспечивать эффективную сорбцию ВВД. Кроме того, на поверхности метакаолина присутствует значительное количество сильнокислых БКЦ с pKa 2,5, а на поверхности микрокремнезема - слабокислых БКЦ с pKa 5,0, также способных к аналогичным взаимодействиям, рисунок 25 в). В составе цементного теста, растворной или бетонной смеси эти центры проявляют свою сорбционную активность опосредованно, при участии компонентов (ионов Са2+ и ОН-), переходящих в поровую жидкость при гидролизе клинкерных фаз, из которых состоит зерно цемента, рисунок 26.
Влияние минеральных и воздухововлекающих добавок на щелоче-кремнеземные реакции с участием реакционно-способного заполнителя
Кроме циклов морозостойкости на долговечность растворов и бетонов влияет большое число других факторов, связанных с воздействием агрессивных веществ из окружающей среды или обусловленных наличием определенных компонентов в самих растворах или бетонах [77-82]. Взаимодействие между ними сопровождается образованием новых продуктов в капиллярной структуре, следствием чего является создание значительных внутренних напряжений и последующее преждевременное разрушение бетонной конструкции. В частности, в строительном материаловедении хорошо известна такая форма коррозии растворов и бетонов, как «щелоче-кремнеземная реакция» - деструктивное взаимодействие некоторых видов заполнителей со щелочной средой, создаваемой в порах бетона, приводящее к деформациям, трещинам, разрушению. Этому явлению в настоящее время уделяется много внимания, поскольку наносимый им ущерб весьма значительный. Применение в качестве заполнителей пород, содержащих в своем вещественном составе в виде примесей реакционноспособные формы кремнезема (халцедон, кристобалит, опал), может вызвать подобные последствия. Поиск способов, снижающих риск развития или последствия протекания щелоче-кремнеземной реакций, является актуальной задачей. В связи с этим, в данной работе рассмотрен эффект от совместного применения воздухововлекающих и минеральных добавок в составе растворных смесей, содержащих реакционноспособный заполнитель на щелочную коррозию.
В качестве метода исследования, позволяющего оценить влияние исследуемых добавок на уровень деструктивных процессов, сопровождающих щелоче-кремнеземную реакцию, использовался ускоренный метод, приближенный к стандартному ускоренному методу [83].
Реакционноспособный заполнитель приготовили в соответствии с [84] смешиванием 98 масс.% кварцево-полевошпатного песка (фракционный состав, масс. %: (1,25 – 2,5) мм – 27,5; (0,63 – 1,25) мм – 27,5; (0,315 – 0,63) мм – 27,5; (0,16 – 0,315) мм – 17,5)) и 2 мас. % измельченного кварцевого стекла с таким же фракционным составом (кварцевое стекло взаимодействует с растворами щелочей, т.е. является реакционноспособным).
Для приготовления цементно-песчаных растворов использовались следующие соотношения компонентов: степень замещения цемента минеральной добавкой составляла 10 масс. %; массовое соотношение между цементом и реакционноспособным заполнителем составляло 1:2,25. Содержание ВВД в растворных смесях составляло 0,01% и 0,03% от массы сухих компонентов. Водо – цементное отношение (В/Ц) 0,4.
Растворные смеси закладывали в формы-балочки размерами (2020100) мм (в которые предварительно установили реперы для контроля деформаций), по две балочки для каждого состава. Образцы твердели при относительной влажности W 99 % (над водой в ванне с гидравлическим затвором). Через сутки их извлекали из форм и помещали в емкость с дистиллированной водой, которую на 24 ч ставили в электропечь, предварительно нагретую до 80 С. Затем образцы вынимались из емкости с дистиллированной водой и помещались в полиэтиленовый пакет, и охлаждались до 20 С. После этого выполнялось измерение первоначальной длины образцов (балочек). Перед проведением испытания устройство для измерения деформаций регулировалось по длине эталонного стержня. Все последующее время образцы хранились при температуре 80С, но уже в 1 М NaOH. Измерение длины образцов осуществлялось через день, предварительно охлаждая их до 20 С в герметично закрытом полиэтиленовом пакете. Неизменность первоначального отсчёта по индикатору каждый раз проверяли установкой и измерением длины эталонного стержня.
Чувствительность индикатора составляет ±0,005 мм.
Общая продолжительность испытаний составила 14 сут, относительную деформацию каждого образца, , %, рассчитали по формуле (4): где lT - отсчёт по индикатору после испытания в 1 М NaOH на момент в времени , мм; 10 - начальный отсчёт по индикатору после испытания в дистиллированной воде 24 ч, мм.
В качестве результата принимали среднее арифметическое значение относительных удлинений двух образцов. На основании полученных данных строили график зависимости линейного расширения образцов от длительности выдержки в 1 М NaOH с учетом доверительных интервалов.
На рисунках 34-35 представлены результаты испытаний цементно-песчаных растворов, содержащих реакционноспособный заполнитель и воздухововлекающие добавки, на щелочное расширение в соответствии с ускоренным методом, приближенным к [83].
Из рисунков 34 и 35 следует, что воздухововлекающие добавки сокращают деструктивные деформации расширения образцов, причем эффект возрастает с увеличением дозировки ВВД. Добавка Tainolin AOS 97 P обладает более высокой эффективностью, поскольку при дозировке 0,03 % деформации образцов уменьшаются до уровня контрольных образцов, не содержащих реакционноспособного кварцевого стекла. Добавка Tainolin AS 97 P AOS при этой дозировке сокращает деформации только до значения порядка 0,2 %, т.е. деформации все еще выше порогового значения (0,1 %).
Ингибирующий эффект усиливается при совместном введении ВВД и минеральной добавки (метакаолин и каолин). Данные испытаний цементно песчаных растворов, содержащих реакционноспособный заполнитель, минеральные и воздухововлекающие добавки представлены на рисунке 36.
Следует отметить, что метакаолин и каолин обеспечивают одинаковый результат, хотя последний не обладает пуццолановой активностью.
Практическая эффективность совместного применения минеральных и воздуховолекающих добавок в составе цементных ремонтных смесей
Мостовые и дорожные сооружения из портландцементных бетонов по сравнению с другими бетонными сооружениями требуют наиболее частого ремонта [93-95]. Это обусловлено климатическими условиями, воздействием противогололедных препаратов, постоянными истирающими воздействиями, а также причинами, имеющими место в строительной отрасли в целом: недочетами при проектировании и строительстве, низким качеством бетона.
Приблизительно 2/3 разрушений бетонных сооружений происходит по причине неправильного выбора или несоблюдения технологии укладки материала. Например, слишком высокое водоцементное отношение способствует высокой пористости бетона и, следовательно, легкой его подверженности воздействию агрессивных реагентов. Кроме того, арматурные стержни гораздо более доступны коррозии, если защитный слой бетона имеет высокую пористость [96].
Для ремонта и восстановления поврежденных армированных и несущих бетонных конструкций для поддержания и восстановления конструктивной стабильности и функциинального назначения разрабатываются ремонтные составы, применяемые для заделки швов, трещин, выбоин в бетонных и железобетонных конструкциях набережных, тоннелей, мостов, грузовых площадок и пр. Пример такого ремонта представлен на рисунке 39.
Ремонтные составы должны обладать следующими свойствами:
- пониженным водовяжущим отношением для обеспечения высоких физических и механических показателей, прочности при изгибе и сжатии, прочности сцепления с основанием, морозостойкости, водонепроницаемости;
- хорошей удобоукладываемостью, продолжительным сохранением необходимой подвижности, т.к. на площадке условия при проведении ремонтных работ в меньшей степени благоприятные, чем при первичном производстве работ;
- низкой усадкой;
- быстрым набором прочности.
Однако даже при соблюдении этих условий высокое качество ремонта не гарантируется из-за неизбежной усадки ремонтной смеси в процессе твердения. Понижение водоцементного отношения снижает усадку, но не исключает ее полностью. В то время, как в старой ремонтируемой бетонной конструкции усадка уже произошла, новый ремонтный бетон подвергается усадке, и смещение между новым и старым материалами будут являться главной причиной плохой адгезии. Таким образом, для обеспечения сцепления ремонтного материала с восстанавливаемой конструкцией предпочтение следует отдать таким свойствам, как отсутствие усадки и быстрый набор прочности. Эти характеристики - низкое водоцементное отношение, высокая удобоукладываемость, безусадочность, быстрый набор прочности и некоторые другие свойства требуется от ремонтной смеси, независимо от причин разрушения бетона, которые произошли в результате химических (хлориды, сульфаты) или физических воздействий (циклы замораживания-оттаивания, процесс сушки и др.), либо в результате форс-мажорных обстоятельств (пожар, землетрясение).
Повышению долговечности цементных ремонтных растворов способствует придание им высокой морозостойкости, водонепроницаемости, коррозионной стойкости. Одним из способов достижения повышения долговечности растворов является введение активных минеральных пуццолановых добавок в комплексе с высокоэффективными гиперпластификаторами и воздухововлекающими добавками. Эффективность добавок во многом зависит от их взаимного влияния друг на друга, причины которого заключаются в особенностях химического состава, дисперсности, структуры поверхности.
Цель настоящего раздела работы состояла в разработке ремонтного состава для ликвидаций дефектов опор и сводов конструкций путепровода на объекте «Строительство скоростной автомобильной дороги Москва – Санкт-Петербург на участке км 58 - км 684, 1 этап км 58 - км 97». В качестве базового состава была выбрана рецептура ремонтного состава [97], таблица 6.
Оптимизация ремонтного состава проводилась путем применения в ремонтном составе комплекса добавок, активных минеральных добавок, ВВД и суперпластификаторов.
В настоящем разделе исследовано влияние 2 видов активных минеральных добавок, метакаолина МКЖЛ и микрокремнезема МКУ-85, в сочетании с воздухововлекающей добавкой анионного типа Tainolin AOS 97 Р и суперпластификатором на карбоксилатной основе Sika Viscocrete 225 на физико-механические свойства цементно-песчаных растворов для ремонта объектов транспортной инфраструктуры. С целью совершенствования свойств ремонтного состава, была разработана рецептура, состав которой представлен в таблице 7.
В качестве основного вяжущего использовался портландцемент ПЦ ЦЕМ 42,5 Н, который в соответствии со стандартом [19] через двое суток твердения характеризуется прочностью не менее 10 МПа. С целью снижения усадочных деформаций суммарное содержание вяжущего не превышало 42 %. В качестве активной минеральной добавки, замещающей часть (10 %) цемента использовались микрокремнезем МКУ-85 и метакаолин МКЖЛ. Вышеуказанные минеральные добавки, как было указано в главах 3 и 5 , способствуют повышению прочности, продлевают долговечность цементных конструкций, повышают морозостойкость, снижая деформации при твердении и щелочной коррозии.
Дальнейшая оптимизация состава заключалась в применении суперпластификатора Sika Viscocrete 225 на поликарбоксилатной основе. Как было показано в главе 4, применение данной добавки позволяет существенно снизить водопотребность, примерно на 20 %, обеспечить хорошую удобоукладываемость, без сползания ремонтного состава с вертикальных поверхностей и сводов конструкций. Дополнительно в ремонтном составе использовалась противоусадочная добавка DENKA CSA 20 (Япония), которая обеспечивает снижение усадочных деформаций свеженанесенного бетонного состава на бетонную поверхность, которая до ремонта прошла эксплуатационный срок твердения. Кроме того для придания устойчивости к растрескиванию повышению износостойкости в ремонтный состав вводилось полипропиленовое волокно длинной 6 мм. Результаты испытаний ремонтного состава, содержащего минеральную добавку, в сочетании с суперпластификатором без введения ВВД, представлены в таблице 8.
Полученные данные показали, что в результаты оптимизации ремонтного состава удалось повысить прочность за счет введения активной высокодисперсной минеральной добавки в сочетании с суперпластификатором, повысить марку по водонепроницаемости и увеличить морозостойкость примерно на 300 циклов. Дальнейший путь оптимизации ремонтного состава был направлен на применение портландцемента в сочетании с активными минеральными добавками (микрокремнеземом МКУ-85 и метакаолином МКЖЛ), суперпластификатором Sika Viscocrete 225 и ВВД анионной типа Tainolin AOS 97 P.