Добавки на основе олигомеров капролактама для тяжёлого бетона
Для определения влияния полученных добавок на формирование структуры цементного камня проводили исследования методами термогравиметрии и оптической микроскопии с использованием дериватографа Q – 1500 D и оптического микроскопа Моtic DS – 2. На рис.2, 3 приведены дериватограммы контрольного образца цементного камня бетона без добавок и с добавкой продукта олигомеризации капролактама ОЛК V (табл.2).
Как видно из дериватограмм на рис.2,3 в процессе нагревания наблюдается плавное уменьшение массы образцов, что соответствует постепенной дегидратации цементного камня. Потеря капиллярной воды цементным камнем с добавкой олигомеров капролактама в 1,5 раза меньше, чем для контрольного образца. Таким образом, олигомерный продукт способствует образованию более плотной кристаллизационной структуры цементного камня. Об этом свидетельствует и увеличение общей потери массы образцов цементного камня с добавкой при нагревании до 4,2 %.
На рис.4 показаны фотографии поверхностей тяжелого бетона без добавок (а) и с добавками (б, в), полученные на отражающем микроскопе Motic DS – 2. Изображения фрагментов поверхности бетона, показанные на рис.4 свидетельствуют, что контрольный образец без добавки по сравнению с образцами с добавками имеет менее плотную структуру. Исследуемый фрагмент поверхности контрольного образца (рис.4 а) характеризуется наличием видимых пор между частицами цементного камня.
![]() | |
Рис.2. Дериватограмма цементного камня без добавок | Рис.3. Дериватограмма цементного камня с добавкой олигомеров капролактама |
а) б) в)
Рис.4. Фотографии поверхностей бетона: а - контрольный; б - с добавкой продукта олигомеризации капролактама; в - с добавкой продукта олигомеризации капролактама и хлорида кальция (увеличение в 20 раз).
В главе 4 исследованы поверхностно-активные и пластифицирующие свойства добавок на основе синтезированных олигомеров капролактама. В разделе представлены результаты экспериментов по исследованию пластифицирующих свойств добавок на основе дисперсии лигносульфонатов (ЛСТ), олигомеров -капролактама и фосфолипидной эмульсии (ФЛЭ). Для направленного улучшения пластифицирующих свойств этих добавок в них дополнительно вводили поливиниловый спирт (ПВС) и триполифосфат натрия (ТПФ).
В результате экспериментов были определены оптимальные составы комплексных добавок, которые вводили в бетонную смесь для получения бетона класса В 22,5. Состав добавок приведён в табл.4.
Таблица 4
Состав пластифицирующих добавок для тяжёлого бетона
Состав добавок | Условное обозначение |
Контрольный образец | – |
ФЛЭ, ОЛК V | I |
ФЛЭ, ОЛК V, ЛСТ | II |
ФЛЭ, ОЛК V, ЛСТ, ПВС | III |
ФЛЭ, ОЛК V, ЛСТ, ТПФ | IV |
Изменение величины осадки конуса бетонной смеси в зависимости от состава и концентрации добавок показано на рис.5. Осадка конуса контрольного образца бетонной смеси для получения бетона класса В 22,5 составляет 3,8 см.
![]() | Рис.5. Осадка конуса (ОК) бетонной смеси в зависимости от концентрации добавок: I. II. III. IV – соответствуют бетонным смесям с добавками, состав которых показан в табл.4. |
Сроки начала и окончания схватывания цементного теста определяли по ГОСТ 310.3 (табл.5.). Начало схватывания контрольного образца – 2 ч 55 мин, окончание – 4 ч 10 мин.
Изучено влияние состава добавок на плотность и прочность бетона. Их вводили в количестве 0,2 % (от массы цемента) совместно с водой затворения. Данные испытаний образцов по ГОСТ 24211-2003,
ГОСТ 30459-2008 приведены в табл.6. Нормируемый показатель по прочности при сжатии бетона класса В 22,5 по ГОСТ 26633 составляет 30 МПа. Влияние добавок на сроки схватывания цементного теста показаны в табл.5.
Полученные данные о влиянии экспериментальных пластифицирующих добавок I – IV на сроки начала и окончания схватывания бетонной смеси свидетельствуют об эффективности их пластифицирующего действия (табл.4). Они улучшают удобоукладываемость смеси (рис.5), что повышает эффективность укладки её в форму и последующего виброуплотнения. Наибольшее замедление набора прочности на 3 и 7 сутки даёт добавка III. Это обусловлено синергетическим действием ПВС и ЛСТ, которое проявляется, вероятно, в замедлении скорости гидратации цемента и задержке появлении новых кристаллических образований в формируемом цементном камне.
Таблица 5
Влияние вида и количества добавок на сроки схватывания
цементного теста (ч:мин)
Пластифици-рующая добавка | Количество добавки (% к массе цемента) | |||||||
0,1 | 0,4 | 0,8 | 2,0 | |||||
начало | окончание | начало | окончание | начало | окончание | начало | окончание | |
I | 3:40 | 5:05 | 4:00 | 6:05 | 4:20 | 6:40 | 4:30 | 6:45 |
II | 3:55 | 5:40 | 4:35 | 6:40 | 4:45 | 6:55 | 5:05 | 7:10 |
III | 4:35 | 5:55 | 4:55 | 7:15 | 4:55 | 7:05 | 5:40 | 7:45 |
IV | 4:05 | 5:20 | 4:40 | 6:50 | 4:50 | 6:50 | 5:30 | 7:30 |
Таблица 6
Эффективность экспериментальных пластифицирующих добавок
Наименование добавки | Плотность бетонной смеси, кг/м3 | Прочность бетона при сжатии, МПа | Плотность бетона, кг/м3 | |||
1 сут | 3 сут | 7 сут | 28 сут | |||
Без добавки | 2405 | 12,8 | 14,2 | 17,8 | 31,5 | 2414 |
I | 2386 | 9,4 | 11,6 | 16,8 | 34,4 | 2402 |
II | 2401 | 10,2 | 12,0 | 17, | 35,8 | 2419 |
III | 2378 | 9,3 | 10,2 | 16,5 | 34,8 | 2406 |
IV | 2390 | 11,0 | 13,5 | 18,2 | 36,2 | 2418 |
Осадка конуса бетонной смеси с добавками I – IV (рис.5) показывает, что свойства исследуемых добавок сравнимы со свойствами суперпластификаторов (ГОСТ 24211-2003). В результате пластифицирующего эффекта добавок возможно снизить водоцементное отношение в бетонной смеси с 0,30 до 0,27.
В работе проведено исследование возможности создания многокомпонентных добавок пластифицирующе-ускоряющего действия. Были приготовлены композиции добавок следующего состава: 1 – ОЛК VIII; 2 – ОЛК VIII, поливиниловый спирт; 3 – ОЛК VIII, триполифосфат натрия (ТПФ); 4 – ОЛК VIII, поливиниловый спирт, триполифосфат натрия; 5 – ОЛК VIII, стеарат кальция; 6 – ОЛК VIII, лигносульфонаты, силикат кальция; 7 – ОЛК VIII, лигносульфонаты, силикат кальция, хлорид кальция. В качестве олигомеров капролактама использовали олигомерный продукт ОЛК VIII (табл.2). Состав бетонной смеси включал цемент, песок, щебень, воду и добавки в количестве 0,3 % от массы цемента.
На рис.6,7 показана зависимость изменения прочности при сжатии бетона с добавками 1 – 7 и контрольного образца в течение 28 суток. Как показано на рис.6, в первые трое суток бетон с добавками 1 – 4 плавно набирает прочность от 10,0 МПа (1) до 14,5 МПа (3), а бетон с добавками 6,7 в этот период быстро набирает прочность до 20,4 и 22,0 МПа. Бетон с добавкой 5 (рис.7) в первые трое суток набирает прочность до 17,8 МПа, что сравнимо с кинетикой набора прочности бетона с добавкой 3 (рис.6), составляющей 16,8 МПа. Анализ влияния добавок на прочность бетона при сжатии (рис.6,7) показывает, что добавки 1 – 4 в первоначальный период твердения бетона и последующие трое суток действуют как пластифицирующие и замедляющие процесс твердения, а в период с 3 до 7 суток ускоряют твердение, что проявляется в резком наборе прочности на 7 - е сутки по сравнению с исходным образцом (рис.6). В период с 7 до 28 суток добавки 1 – 4 способствуют равномерному набору прочности бетона.
На основании анализа полученных данных можно сделать вывод, что наиболее вероятным механизмом действия добавок является то, что продукты олигомеризации капролактама (ОЛК VIII) в композиции с лигносульфонатами, гидросиликатом, хлоридом, стеаратом кальция способствуют увеличению гелеобразных волокнистых и тонкоигольчатых гидросиликатов кальция среди гидратированных продуктов, вследствие чего повышается дисперсность структуры цементного камня, его однородность, что обусловливает, соответственно, повышение прочности тяжёлого бетона при сжатии (рис.6,7). Влияние добавок 1 – 7 на свойства тяжёлого бетона показано в табл.7.
Для определения оптимальной концентрации полученных добавок измеряли предел прочности при сжатии образцов тяжёлого бетона при концентрации добавок 0,2 – 0,4 %. В качестве входящих факторов выбирали: Х – содержание олигомеров капролактама в добавке; Х1, Х2, Х3, Х4 – содержание в добавке лигносульфонатов технических (ЛСТ), хлорида кальция (CaCl2), фосфолипидной эмульсии (ФЛЭ), эпоксидной смолы (ЭД – 20).
![]() | ![]() |
Рис.6. Зависимость прочности бетона при сжатии от времени твердения с добавками 1 – 4 по сравнению с контрольным образцом (исх.) | Рис.7. Зависимость прочности бетона при сжатии от времени твердения с добавками 5 – 7 по сравнению с контрольным образцом (исх.) |
Таблица 7
Влияние пластифицирующе-ускоряющих добавок
на свойства
тяжёлого бетона
№ п.п | Наименование добавки | Предел прочности при сжатии, МПа | Плотность бетона, кг/м3 | Увеличение предела прочности, % |
1 | Контрольный | 30,8 | 2410 | – |
2 | 1 | 33,2 | 2411 | 7,79 |
3 | 2 | 33,6 | 2413 | 9,09 |
4 | 3 | 37,2 | 2417 | 20,77 |
5 | 4 | 35,0 | 2414 | 13,64 |
6 | 5 | 36,6 | 2415 | 18,83 |
7 | 6 | 37,8 | 2419 | 22,73 |
8 | 7 | 42,3 | 2423 | 37,34 |