Методическое пособие 720

По результатам представленных исследований, можно сделать следующие обобщения: реализованные методологические подходы к исследованию структурно-реологических свойств обводненных ди с- персно-зернистых систем с учетом фрактально -кластерных проявлений на различных масштабных уровнях позволили уточнить и д о- полнить существующие представления о механизме реологического поведения обводненн ых дисперсно-зернистых систем при их течении в условиях изменяемого напряжения сдвига. Показано проявление с увеличением напряжения сдвига «кластерного» характера течения дисперсно-зернистых систем, заключающегося в трех стадиях изм е- нения эффективной вязкости: первоначальное ее снижение с увел и- чением напряжения сдвига, последующий рост и дальнейшее сниж е- ние в результате разрыва сплошности систем. Установлено влияние природы, свойств поверхности, дисперсности минеральных комп о- нентов на структурно -реологические характеристики минеральных паст, являющихся основой комплексных ОМД. Показано, что в кач е- стве количественной характеристики структуры обводненных ди с- персно-зернистых систем на микроуровне может выступать показ а- тель фрактальной размерности – D. Также показано, что на эффективность изменения реологических свойств дисперсных систем с у- щественное влияние оказывает как вид ПАВ, так и природа повер х- ности частиц твердой фазы минеральных ком понентов, при этом специфичность изменения реологических свойств дисперсн о- зернистых систем соотносится с характером влияния ПАВ на пр о- цесс адсорбции. Кроме того, установлено, что технические показатели не всегда адекватно оценивают реологические свойства обво д- ненных дисперсных систем: при равном расплыве по Суттарду и с- следуемые обводненные дисперсные системы обладают наименьш и- ми значениями предельного напряжения сдвига и максимальной в е- личиной эффективно й вязкости при использовании ГП Melflux 2651F по сравнению с системами, содержащими СП с электростатическим механизмом действи я (С-3, Полипласт СП-3 и ГПМ-Ж), для которых предельное напряжение сдвига максимально, а эффективная вязкость имеет минимальные показатели.

91

5. РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНЫХ ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫХ ДОБАВОК, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ РЕГУЛИРОВАНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ И ПОВЫШЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК БЕТОНОВ

В данной главе представлены результаты исследований по разработке комплексных органоминеральных добавок (ОМД), обеспечивающие возможность регулирования реологических свойств бетонных смесей и повышения физико-механических характеристик бетонов.

5.1. Обоснование выбора компонентов и реализация способов приготовления комплексных органоминеральных добавок

На основании выполненных исследований свойств минеральных компонентов и эффективности их взаимодействия с ПАВ были рассмотрены составы и способы приготовления комплексных ОМД. Комплексные ОМД приготовлялись тремя способами: предадсорбционным сухим нанесением ПАВ на поверхность минерального компонента, заключающимся в совместном сухом помоле; дискретным распределением порошкообразного ПАВ на поверхности минерального компонента, состоящим в совместном сухом перемешивании; в виде суспензии при смешивании минерального компонента с ПАВ в смесителе с последующей сушкой (на первые два способа приготовления ОМД получено положительное решение по заявке на патент № 2009144453/20 (063326)).

Выбор данных способов приготовления комплексных ОМД объясняется тем, что при их реализации обеспечивается равномерное распределение ПАВ на поверхности минерального компонента, что позволяет создать эффективный модификатор, работающий по закону синергетики – повышается эффективность каждого компонента модификатора в отдельности. Для реализации способов приготовления ОМД осуществлялись следующие операции.

1.Приготовление комплексных ОМД методом предадсорбционного сухого нанесения ПАВ на поверхность минерального компонента заключалось в том, что производился совместный помол предварительно измельченных минеральных компонентов с ПАВ в мельнице тонкого измельчения (в шаровой мельнице или мельнице другого типа). Время совместного помола регулировалось в зависимости от типа мельницы, вида и удельной поверхности исходных минеральных компонентов и составляло 15 … 30 мин.

2.Приготовление комплексной ОМД методом дискретного распределения порошкообразного ПАВ заключалось в совместном сухом перемешивании ПАВ и предварительно измельченных минеральных компонентов в смесителе гравитационного или другого типа. Время совместного перемешивания варьировалось в диапазоне 15 … 60 мин.

92

3. Приготовление ОМД в виде суспензии осуществлялось следующим образом. Предварительно измельчались минеральные компоненты. Затем приготовлялся водный раствор путем перемешивания ПАВ и воды в течение 5 мин. После этого в приготовленный водный раствор вводился минеральный компонент и полученная суспензия перемешивалась еще 10 мин. После приготовления суспензия высушивалась при температуре 40 … 50 ºС до постоянной массы.

В результате реализации вышеописанных способов приготовления были получены порошкообразные материалы, являющиеся комплексными ОМД для бетонных смесей и бетонов. Получены три вида добавок: ОМД-1, ОМД-2 и ОМД-3. В ОМД-1 в качестве ПАВ применялся СП С-3, в ОМД-2 – Полипласт СП-3, в ОМД-3 – ГП Melflux 2651F. Минеральными компонентами у трех видов ОМД являлись молотый кварцевый песок, молотый гранулированный шлак, молотый известняк, золошлаковые отходы ТЭЦ с удельной площадью поверхности 700 м2/кг, для сравнения использовались биокремнезем Sуд = 20000 м2/кг и микрокремнезем Sуд = 12000 м2/кг.

5.2. Результаты исследований по определению рациональных дозировок компонентов комплексных органоминеральных добавок

В ходе работы были проведены исследования по определению рациональной дозировки ОМД и каждого компонента комплексного модификатора в отдельности. Исходя из того, что для получения высокопрочных бетонов максимальная степень наполнения цементного камня тонкомолотыми минеральными добавками, являющимися компонентами комплексных ОМД, не должна превышать 15 % от массы цемента, дозировка ОМД исследовалась в диапазоне от 5 до 15 %. Результаты определения рациональных дозировок минеральных компонентов и комплексных ОМД в целом представлены рис. 5.1. Из данных, представленных на рис. 5.1, видно, что на дозировку ОМД, обеспечивающую максимальные значения прочности цементного камня, существенное влияние оказывает вид минерального компонента. Установлено, что при использовании ОМД, содержащей молотый кварцевый песок, максимальная прочность цементного камня была достигнута при введении ее в количестве 10 % от массы цемента. ОМД, содержащие в своем составе молотый гранулированный шлак, показали максимальную прочность при 15 % от массы цемента. Применение ОМД, у которых в качестве минерального компонента использовался молотый известняк, рациональная дозировка составила 10 % от массы цемента, при применении золы ТЭЦ – 5 % от массы цемента, а при использовании биокремнезема – 10 % от массы цемента. Показано, что тенденция изменения прочности цементного камня в зависимости от дозировки ОМД и минерального компонента проявляется при использовании всех исследованных видов ПАВ.

93

1

2

4

2 4

д) 3 1

2 4

Рис. 5.1. Влияние дозировки и вида ОМД (при расплыве по Суттарду, равном 13-14 см), минерального компонента (при В/Ц=0,36) в цементом тесте на прочность цементного камня: а) с ОМД на основе молотого песка: 1 – с ОМД-1; 2 – с ОМД-2;

3 – с ОМД-3; 4 – с минеральным компонентом без ПАВ; б) с ОМД на основе молотого шлака: 1 – с ОМД-1; 2 – с ОМД-2; 3 – с ОМД-3;

4 – с минеральным компонентом без ПАВ; в) с ОМД на основе молотого известняка: 1 – с ОМД-1; 2 – с ОМД-2; 3 – с ОМД-3;

4 – с минеральным компонентом без ПАВ; г) с ОМД на основе золы: 1 – с ОМД-1; 2 – с ОМД-2;

94

3 – с ОМД-3; 4 – с минеральным компонентом без ПАВ;

Рациональное количество ПАВ, входящего в состав ОМД, определялось исходя из максимального водоредуцирующего действия. Водоредуцирующее действие оценивалось по снижению расхода воды в процентах от контрольного состава при постоянной реологической характеристике цементного теста – величине расплыва по вискозиметру Суттарда, который равнялся 13 … 14 см. Установлено, что рациональная дозировка ГП Melflux 2651F, обеспечивающая максимальный водоредуцирующий эффект в цементном тесте, наблюдается в диапазоне 0,5…0,75 %, дальнейшее увеличение процентного содержания добавки к снижению водопотребности не приводит (рис. 5.2). При использовании СП С-3 и Полипласта СП-3 водоредуцирующий эффект ниже и достигает максимальных величин при дозировке добавок 0,75…1 % от массы цемента. Полученные результаты по определению рациональных дозировок минерального компонента и ПАВ были взяты за основу в дальнейших исследованиях при разработке составов комплексных ОМД.

1

2

3

Рис. 5.2. Влияние вида и дозировки ПАВ на водоредуцирующее действие в цементном тесте (расплыв по Суттарду 13-14 см):

1 – ГП Melflux 2651F; 2 – СП С-3; 3 – СП Полипласт СП-3

5.3. Результаты исследований влияния способов приготовления комплексных органоминеральных добавок на свойства цементного теста и цементного камня

Как было показано в работах [68, 81], способ приготовления комплексных ОМД, включающих химическую добавку – ПАВ и минеральный компонент – носитель, является одним из основных факторов, определяющих структуру адсорбированных молекул ПАВ на поверхности минерального компонента и, следовательно, механизм протекания адсорбции при затворении водой. Кроме того, одним из критериев, определяющих эффективность ОМД, является то, что минеральный компонент должен обладать адсорбционной совместимостью с

95

ПАВ, при этом необходимо, чтобы ПАВ равномерно распределялось по поверхности минерального компонента, образуя единое органоминеральное комплексное соединение. В связи с этим в работе было изучено влияния способов приготовления ОМД на свойства цементного теста и цементного камня, а в дальнейшем - на свойства бетонных смесей и бетонов.

Результаты экспериментальных исследований, проведенных при равной реологической характеристике цементного теста (табл. 5.1 – 5.3), показали, что наибольшие значения водоредуцирующего действия и как следствие большие величины плотности и прочности цементного камня были достигнуты при использовании ОМД, приготовленных в виде суспензии с последующей сушкой. Такая тенденция наблюдается при использовании всех исследованных ПАВ и минеральных компонентов в составе ОМД (рис. 5.3).

Таблица 5.1 Влияние способов приготовления ОМД (минеральный компонент – молотый песок)

на свойства цементного теста и цементного камня при равной реологической характеристике (расплыв по Суттарду 13…14 см)

96

Таблица 5.2 Влияние способов приготовления ОМД (минеральный компонент – молотый шлак)

на свойства цементного теста и цементного камня при равной реологической характеристике (расплыв по Суттарду 13-14 см)

Таблица 5.3 Влияние способов приготовления ОМД (минеральный компонент – молотый известняк)

на свойства цементного теста и цементного камня при равной реологической характеристике (расплыв по Суттарду 13-14 см)

97

Рис. 5.3. Влияние способов приготовления ОМД на прочность цементного камня при равной реологической характеристике цементного теста

(расплыв по Суттарду 13 – 14 см)

Для изучения процессов адсорбции ПАВ на поверхности частиц твердой фазы минеральных компонентов ОМД, приготовленных в виде суспензии с последующей сушкой, были исследованы изотермы адсорбции на примере добавки СП С-3 (рис. 5.4). Как показали изотермы адсорбции, при получении ОМД в виде суспензии ПАВ адсорбционно закрепляется на поверхности минерального компонента, при этом образуется упорядоченная структура слоев их молекул: первоначально формируется мономолекулярный адсорбционный слой (рис. 5.4, область 1), а в последующем - полимолекулярный адсорбционный слой (рис. 5.4, область 2). Следовательно, на поверхности минерального компонента ОМД, полученной данным способом, находится большее количество активных молекул ПАВ, обеспечивающих диспергирование частиц цемента и минерального компонента, что отражается на свойствах цементного теста и цементного камня [141].

1

2

Рис. 5.4. Изотерма адсорбции СП С-3 на молотом шлаке:

1 – область формирования мономолекулярного адсорбционного слоя;

2 – область формирования полимолекулярного адсорбционного слоя

98

Таким образом, в ходе исследований показана эффективность реализованных способов приготовления ОМД и их существенное влияние на свойства цементного теста и цементного камня, а в дальнейшем - на свойства бетонных смесей и бетонов.

5.4. Результаты исследований влияния составов комплексных органоминеральных добавок на свойства цементного теста

и цементного камня

На следующем этапе работы изучалось влияние комплексных модификаторов трех групп – ОМД-1, ОМД-2 и ОМД-3, с различными видами минеральных компонентов на кинетику твердения и прочность цементного камня. Прочность определялась на образцах размером 2×2×2 см, полученных из цементного теста с равной реологической характеристикой по вискозиметру Суттарда (расплыв составлял 13 … 14 см). При этом оценивалось водоредуцирующее действие комплексных ОМД.

В ходе исследований установлено, что, как и ожидалось, применение модификаторов трех групп способствует повышению как ранней 3- и 7- суточной, так и нормативной 28суточной прочности цементного камня по сравнению с бездобавочным (контрольным) составом (рис. 5.5, 5.6).

Рис. 5.5. Прочность цементного камня, модифицированного различными видами ОМД (способ приготовления – суспензия с сушкой), в возрасте 28 суток при

равной реологической характеристике цементного теста по Суттарду (расплыв 13 – 14 см)

99

2 4

3

1

Рис. 5.6. Кинетика набора прочности цементным камнем, модифицированным ОМД (минеральный компонент - молотый песок):

1 – без добавки; 2 – с ОМД-3; 3 – с ОМД-2; 4 – с ОМД-1

Такое проявление свойств цементного камня является следствием водоредуцирующего действия, оказываемого ПАВ, и формирования плотных структур за счет минерального компонента комплексных ОМД. При этом выявлено, что наибольший эффект водоредуцирующего действия 50 % для ОМД-3; 28 % для ОМД-2 и 36 % для ОМД-1 отмечается при использовании модификаторов, содержащих в качестве минерального компонента молотый известняк, что соотносится с результатами реологических и адсорбционных испытаний.

Также установлено, что на формирование структуры и свойств цементного камня, а в дальнейшем бетона существенное влияние оказывает вид применяемых минеральных компонентов в составе ОМД, отличающихся природой и свойствами поверхности частиц твердой фазы. Как видно из рис. 5.5, применение ОМД-3, содержащей молотый песок, позволяет получить наибольшие показатели прочности цементного камня по сравнению с использованием ОМД-1 и ОМД-2 с другими исследованными видами минеральных компонентов. Это является следствием значительно большего водоредуцирующего действия, оказываемого ГП Melflux 2651F, и формирования более плотных структур цементного камня. ОМД-3 положительно влияют и на кинетику набора прочности цементного камня [142]. В возрасте 3 суток прочность на сжатие цементного камня составила 102,1 МПа и 135,0 МПа в возрасте 28 суток, что в 2,8 и в 2,4 раза соответственно больше по сравнению с контрольным составом (рис. 5.6). Такие особенности изменения прочностных показателей в зависимости от ОМД, содержащих различные виды минеральных компонентов, проявляются при использовании модификаторов, приготовленных различными способами (рис. 5.7,

5.8).

100