Новый органоминеральный модификатор серии МБ для производства сухих строительных смесей специального назначения

Кардумян Галина Суреновна, главный технолог
Дондуков В.Г., инженер
Исаев С.А., заместитель директора
ООО "Предприятие "Мастер-Бетон", Москва

Модификаторы бетона серии "МБ" являются порошкообразными композиционными материалами на органоминеральной основе, минеральная часть которых может включать в себя следующие компоненты: микрокремнезем конденсированный, кислую золу-уноса, взятых в определенном соотношении, а органическая часть представлена суперпластификатором или его смесью с регулятором твердения и другими добавками. МБ полифункциональны, применяются в качестве добавки к цементам, растворам и бетонам. Рациональной областью их применения является производство специальных смесей и бетонов, к которым предъявляются требования повышенных строительно-технических показателей качества: высокая стабильность консистенции во времени, высокая прочность, низкая проницаемость, повышенная долговечность [1, 2].

Разработан новый органоминеральный модификатор серии МБ - ЭМБЭЛИТ. Это поликомпонентный материал, содержащий в своем составе обязательно расширяющую композицию и другие ингредиенты, способствующие формированию высокопрочной структуры, и, одновременно, предотвращающие усадочные деформации бетонов полученных, в том числе, из высокоподвижных смесей.

Современные представления о природе усадочных деформаций общеизвестны. Общая величина усадки складывается из, так называемой, пластической усадки, усадки от обезвоживания, химической усадки, связанной с гидратацией, и усадки от карбонизации бетона. Отметим, что усадка в целом, все-таки в значительной степени предопределяется обезвоживанием и гидратационными процессами.

Усадка от обезвоживания (или влажностная) связана с высушиванием бетона и развивается в течение нескольких месяцев. Для высокопрочных бетонов благоприятную роль играют низкое значение В/Ц и низкая проницаемость: низкое В/Ц означает меньшее количество свободной воды в бетоне и меньшее значение усадки от высушивания. Низкая проницаемость высокопрочных бетонов также приводит к тому, что высушивание происходит медленнее. Влажностная усадка также может регулироваться и общепринятыми методами ухода за твердеющим бетоном.

Химическая усадка (иначе контракционная или гидратационная) является результатом связывания воды в процессе гидратации цемента. Так как этот вид усадки имеет место независимо от изменения влажности окружающей бетон среды, иногда ее называют самовысушиванием. Теоретически ее уровень определяется степенью гидратации цемента. Одной из проблем в технологии высокопрочных бетонов сегодня является регулирование именно химической усадки.

Эффективным методом предотвращения химической усадки является использование расширяющих добавок, например, сульфоалюминатного типа, эффект расширения которых основан на реакции образования трехсульфатной формы гидросульфоалюмината кальция - эттрингита, увеличивающегося в процессе образования в объеме. Твердение вяжущего, содержащего такого рода расширяющую композицию, сопровождается двумя процессами: с одной стороны это химическая усадка, как неотъемлемая часть процесса гидратации цемента, а с другой стороны - химическое расширение, как следствие образования эттрингита. На определенном этапе эти процессы идут параллельно, что и является причиной уменьшения химической усадки, ее отсутствия или даже увеличения объема твердеющего цемента. Это означает, что путем использования сульфоалюминатных расширяющихся систем, варьируя их количеством и составом можно активно влиять на объемные изменения твердеющего цемента и бетона на его основе.

Предварительные исследования позволили предположить, что термически обработанный каолин, содержащий в своем составе реакционноспособные SiO₂ и Al₂O₃ может быть использован в качестве компонента расширяющей композиции сульфоалюминатного типа нового органоминерального модификатора для получения растворов и бетонов высокой прочности с регулируемыми деформациями усадки [3].

Для минеральной части нового модификатора нами были рассчитаны составы расширяющих композиций на основе термически обработанного каолина. Были приготовлены композиции двух разных составов, отличающиеся соотношением компонентов, которые затем совмещали в одинаковой пропорции с портландцементом путем перемешивания в скоростном смесителе. Полученные при этом образцы смешанных вяжущих с условным обозначением "СВ-1" и "СВ-2", были испытаны по ТУ 5743-157-46854090 "Цемент напрягающий. Технические условия". В качестве контрольных были испытаны образцы на основе напрягающего цемента НЦ20, произведенного ОАО "Подольск-цемент".

Для указанных вяжущих определяли: тонкость помола, нормальную густоту, сроки схватывания, предел прочности при сжатии, показатели самонапряжения и линейного расширения.

Все показатели определяли по стандартным методикам на цементно-песчаных растворах состава 1:1 (вяжущее : песок) по массе и имевших водовяжущее отношение (В/В), полученное при достижении расплыва конуса 120 ÷ 145 мм (согласно ТУ 5743-157-46854090).

Составы и физико-механические свойства приготовленных смешанных вяжущих приведены в таблицах 1 и 2.

Все вяжущие имели высокую активность: прочность на сжатие в возрасте 28 суток от 63,4 до 94,7 МПа.

Исследования кинетики развития деформаций линейного расширения (рис.1) и самонапряжения (рис.2) образцов вяжущих при твердении в водных условиях (ф=100%, t=(20 ÷ 2)°С), показали, что стабилизация процессов расширения изготовленных вяжущих наступает в возрасте 14 суток.

Таблица 1

Вяжущее	Массовые доли компонентов, %		Удельная поверхность, м²/кг	Нормальная густота цементного теста, %	Сроки схватывания, мин
Вяжущее	ПЦ	расширяющей добавки	Удельная поверхность, м²/кг	Нормальная густота цементного теста, %	начало	конец
"СВ-1"	80	20	527	32,0	185	250
"СВ-2"	75	25	516	31,0	186	272

Таблица 2

Вяжущее	Свойства смесей		Свойства цементно-песчаного раствора составом 1:1
	В/В	расплыв конуса, мм	линейное расширение	самонапряжение, Sp, МПа	предел прочности при сжатии, МПа, в возрасте, сут
	В/В	расплыв конуса, мм	линейное расширение	самонапряжение, Sp, МПа	1	7	28	90
"СВ-1"	0,34	145	0,11	1,8	17,7	37,8	63,4	79,6
"СВ-2"	0,28	130	0,18	2,0	26,0	74,1	94,7	103,0
НЦ-20	0,32	125	0,02	0,55	19,9	41,3	64,7	78,0

Результаты экспериментов показали, что при уровне прочности образцов на смешанном вяжущем, аналогичной контрольным образцам на напрягающем цементе промышленного выпуска (в случае "СВ-1") или существенно превышающей его (в среднем на 46% в случае "СВ-2"), изготовленные смешанные вяжущие вызвали повышенные в 5,5 и 9 раз величины линейного расширения и в 3,2 и 3,6 раза величины самонапряжения. Это показывает, что подобранные расширяющие композиции могут быть использованы в минеральной части комплексных модификаторов для регулирования деформаций усадки высокопрочных растворов и бетонов.

По технологии производства модификаторов серии "МБ" были приготовлены многокомпонентные органоминеральные модификаторы бетона, в которых варьировался состав минеральной части. Минеральная часть включала:

- микрокремнезем и золу-уноса в соотношении 50:50 (эта композиция является основой хорошо изученного модификатора МБ-50С);

- только расширяющую композицию (РК);

- комплекс, состоящий из смеси первых двух композиций, т.е. из традиционного МБ-50С и РК в равных соотношениях - 50:50.

Расход суперпластификатора по сухому веществу составил 10% массы минеральной части.

Известно, что введение в состав комплексной добавки суперпластификатора позволяет существенно снизить водовяжущее отношение и увеличить показатели прочности бетонов. Энергетические показатели расширяющих композиций - линейное расширение и самонапряжение - непосредственно связаны с прочностными показателями.

Дозировка таких поликомпонентных добавок в бетоне была принята постоянной и составила 20% от вяжущего (портландцемент + поликомпонентная добавка).

С использованием вышеуказанных модификаторов были приготовлены мелкозернистые бетоны, которые сравнивали между собой по кинетике набора прочности, развитие деформаций расширения-усадки. Самонапряжение измеряли для образцов, имеющих в своем составе расширяющую композицию.

Для того, чтобы сделать заключение о том, достаточен ли уровень достигнутых величин линейного расширения и самонапряжения для компенсации усадочных деформаций, параллельно с стандартными условиями выдерживания образцов в воде, исследовали развитие деформаций в комбинированных условиях хранения: первые сутки под пленкой, затем до 7-ми суток - водное хранение (W=100%), затем в воздушно-сухих условиях (W=60%) до стабилизации деформаций.

Результаты испытаний представлены в таблице 3 и на рис.3.

Таблица 3.

№ п/п	Предел прочности при сжатии, МПа, в возрасте…, сут
№ п/п	1	3	7	28	90
1	34,7	52,5	68,6	96,6	104,0
2	32,7	51,7	69,4	90,7	99,7
3	29,0	56,7	69,4	79,7	94,6

ПРИМЕЧАНИЕ: Составы мелкозернистых бетонов 1:1 (вяжущее : песок) по массе. С одинаковым водо-вяжущим соотношением В/В=0,25.

Полученные результаты показали, что технология приготовления модификаторов серии "МБ" может быть применима для получения новых органоминеральных модификаторов, имеющих в своем составе расширяющую композицию и суперпластификатор С-3. Использование модификаторов с расширяющей композицией вместо традиционного напрягающего цемента позволяет существенно повысить прочность мелкозернистых бетонов на сжатие (на 50% в ранние сроки твердения и на 25% в возрасте 90 суток) при остаточном после хранения в воздушно-сухих условиях уровне самонапряжения и линейного расширения. Замена минеральной части традиционного модификатора МБ-50С на 50% расширяющей композицией, т.е. присутствие в составе модификатора РК в количестве 10% от вяжущего позволяет при одинаковом уровне прочности мелкозернистых бетонов на сжатие существенно уменьшить (в 2 раза) их усадочные деформации.

На основании полученных результатов в ООО "Предприятие Мастер Бетон" разработан новый поликомпонентный модификатор, позволяющий получать высокопрочные бетоны, особенно мелкозернистые, с уменьшенной и компенсированной усадкой или расширением и самонапряжением. Модификатор Эмбэлит - это порошкообразный продукт насыпной плотностью 750-800 кг/м³ с оптимизированным соотношением компонентов характеризуется химическим составом, приведенным в таблице 4.

Таблица 4

Марка модификатора	Содержание основных компонентов, масс.%
Марка модификатора	SiO₂	Al₂O₃	SO₃	CaO	H₂O	пластификатор С-3
Эмбэлит…50	39,0	8,0	8,0	4,0	10,0	4 ÷ 10( 0,5)
Эмбэлит…75	30,0	12,0	12,0	8,0	10,0	4 ÷ 10( 0,5)
Эмбэлит…100	22,0	18,0	17,0	12,0	10,0	4 ÷ 10( 0,5)

В соответствии с ТУ 5870-176-46864090 "Модификатор бетона Эмбэлит. Технические условия" модификаторы подразделяются на различные марки.

Пример условного обозначения модификатора: "Эмбэлит 8-100"

Маркировка модификатора отражает его состав: первый цифровой индекс в обозначении указывает на содержание пластификатора в массе модификатора (%), второй - на содержание расширяющей композиции в массе минеральной части модификатора (%).

Допустимое содержание расширяющей композиции в минеральной части модификаторов составляет: для модификатора марки Эмбэлит...-50 - 45-55%; для модификатора марки Эмбэлит...-75 - 70-80%; для модификатора марки Эмбэлит...-100 - 90-100%.

Выбор вида и дозировки модификатора Эмбэлит зависит от цели его применения. При этом следует учитывать, что пластифицирующая способность Эмбэлит возрастает с увеличением дозировки суперпластификатора в его составе, а эксплуатационные характеристики бетонов - с увеличением доли расширяющей композиции в составе минеральной части.

С применением разновидностей разработанного модификатора, в частности, Эмбэлит 6-50, Эмбэлит 8-100, Эмбэлит 10-100, были приготовлены сухие смеси специального назначения - для полов, ремонтно-восстановительные для бетонных конструкций, для гидроизоляции, безусадочный бетон для особо точной заливки при установке машиностроительного оборудования.

Сухая смесь с модификатором Эмбэлит6-50 была применена для изготовления армоцементного корпуса моторного катера с размерами: длина по ватерлинии - 8,2 м, ширина по ватерлинии - 2,3 м, спроектированного и построенного в России для первого в мире кругосветного плавания на моторном судне без дозаправок. Сухую смесь изготавливали на опытном производстве ООО "Предприятие Мастер Бетон" с использованием ПЦ500 Д0, кварцевого песка с модулем крупности 0,8 и модификатора Эмбэлит6-50 в количестве 20% массы цемента. Полученная растворная смесь была удобоукладываемой при ручной обработке корпуса катера: затвердевший состав не имел усадки, характеризовался низкой проницаемостью W20 и прочностью на сжатие 111,8 МПа (Рис.4).

Рис. 4. Моторный катер с армоцементным корпусом на основе сухой строительной смеси с модификатором Эмбэлит

Сухие смеси для напольных систем изготавливали на заводе фирмы "Dalmex". Они были применены для промышленных полов (стяжек) на цементно-песчаной основе толщиной до 50 мм без армирования. Смеси изготавливали с использованием ПЦ500 Д0 фракционированного песка и модификатора Эмбэлит 6-50 в количестве 8-10% массы цемента. Основными эффектами полученных смесей были: хорошая пластификация цементно-песчаной основы (глубина погружения эталонного конуса 50-60 мм), высокая прочность 30-40 МПа, снижение усадочных деформаций на 35-50%.

Сухие ремонтные и гидроизоляционные смеси изготавливаются ООО "Строительная Компания "Эрцог". Они применяются в настоящее время для анкеровки арматурных стержней, заделки отверстий в стенах резервуаров от элементов крепления опалубки на строящейся Юго-Западной водопроводной станции г.Москва (Рис.5), заделки монтажных отверстий в конструкциях каркаса высотных зданий комплекса "Москва-Сити" (Рис.6), устранение дефектов при бетонировании конструкций подземной части жилых многоэтажных зданий, гидроизоляции коллекторов и др. Сухие смеси имеют в своем составе портландцементы марок 400 или 500 Д0 , фракционированный песок и модификатор Эмбэлит 8-100 в количестве 20% массы цемента.

Растворные смеси характеризуются подвижностью в зависимости от назначения (по глубине погружения эталонного конуса от 22 до 110 мм), а после затвердевания - высокой прочностью 60-85 МПа, низкой проницаемостью для воды, газов W20, отсутствием усадки.

Сухие безусадочные бетонные смеси были изготовлены ООО "Предприятие Мастер Бетон" для заливки базовых деталей токарных станков завода "Красный пролетарий". Допускаемые величины искривления поверхности станины обычных станков не должны превышать 40 мкм, а для высокоточных станков - 10 мкм на 1 пог.м. Важными для оценки качества конструкции являются деформации, приводящие к депланации поверхностей станины или основания. Важной причиной, вызывающей существенные по величине деформации осевые или объемные, является усадка бетона. Усадочные деформации бетона могут повлиять на величину технологических допусков при механообработке базовых деталей станков и на точностные показатели обработанной базовой детали. Указанные задачи были решены при использовании модифицированной бетонной смеси состоящей из ПЦ500 Д0, подобранной фракционированной смеси крупного (щебень гранитный) и мелкого (песок кварцевый) заполнителей и модификатора Эмбэлит 10-100 в количестве 20% массы цемента.

Полученные бетоны не имели усадочных деформации, имели прочность 100,0-120,0 МПа, были изготовлены из высокоподвижных смесей с ОК=22 см, с водовяжущим соотношением В/В=0,21.

Рис. 5 Фрагменты заделки монтажных отверстий в железобетонных конструкциях (разрез конструкции)

Изложенное выше позволяет утверждать, что новый органоминеральный модификатор Эмбэлит эффективен для производства бетонов и сухих строительных смесей специального назначения. Позволяет пластифицировать смеси, обеспечивает высокую прочность и непроницаемость материала при компенсации усадки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Каприелов С.С., Шейнфельд А.В., Батраков В.Г. Комплексный модификатор бетона марки МБ-01. - Бетон и железобетон, № 5, 1997, с.38-41.

2. Каприелов С.С., Шейнфельд А.В. Высокопрочные бетоны с органоминеральными модификаторами серии "МБ". // I-я Всероссийская конф. по проблемам бетона и железобетона, Москва, 2001, Труды. - с.1019-1026.

3. Kardumian H., Kaprielov S. Shrinkage Controlling of Self Compacting High-Strength Concrete. - 15 Internationale Baustofftagung. Weimar, Deutschland, 2003. - Band 2, pp.513-523.