книги из ГПНТБ / Кудзис А.П. Предварительно-напряженный полимерцементный бетон

ГЛАВА I

НЕКОТОРЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ

1.1. Полимерные добавки

Полимерные добавки, как правило, не усложняют технологии при­ готовления бетонных смесей. Эти добавки вместе со стабилизаторами (если таковые необходимы) обычно вводят в воду затворения. Входя­ щие в бетонную смесь водорастворимые мономеры и полимеры обра­ зуют в цементном камне необратимые термореактивные полимеры. При добавлении полимера в виде водных дисперсий и эмульсий процесс их отвердения в цементном камне происходит вследствие коагуляции. Полимерцементные бетоны могут быть также получены методом пропитки бетона мономерами или олигомерами с последующей их полимериза­ цией либо термокаталитическим, либо радиационным способами.

Введенные в бетонную смесь термопластические полимеры поли­ винилового ряда и большинства каучуков позволяют получить полимерцементный бетон с повышенной прочностью на растяжение и изгиб, а также повышенной стойкостью к истиранию по сравнению с обычным цементным бетоном [98]. Однако таким полимерцементным бетонам свойственны повышенные пластические характеристики и водопоглощение. Усадка и ползучесть этих бетонов в несколько раз больше, чем обычных, что не позволяет использовать их в предварительно-напря­ женных железобетонных конструкциях [112].

Известен полимерцементный бетон с добавкой фурилового спирта [1], которая повышает водонепроницаемость, стойкость к воздействию разных нефтепродуктов, эластичность и сопротивляемость бетона ди­ намическим воздействиям. Однако, несмотря на целый ряд положи­ тельных свойств, бетоны с добавкой фурилового спирта нельзя ис­ пользовать в обычных и предварительно-напряженных несущих кон­ струкциях из-за повышенной ползучести. Такие бетоны пригодны для ремонта и устройства ограждающих самонесущих бетонных и железо­ бетонных конструкций.

В тресте «Запхимремстроймонтаж» Министерства химической про­ мышленности СССР впервые разработана инструкция по приготовле­ нию и применению специальных растворов и бетонов на фурановых смолах. Для получения безусадочного и быстротвердеющего полимер-

11

цементного бетона в воду затворения смеси вводятся фуриловый спирт — мономер (5—20% от веса воды), солянокислый анилин — интенсификатор процесса полимеризации (12—15% от веса спирта) и хлористый кальций — ускоритель полимеризации и твердения цемента (1% от веса расширяющегося портландцемента).

Кремнийорганические полимерные добавки полигидросилоксанового типа (жидкости ГКЖ-94 и ГКЖ-13), а также силиконатов натрия (жидкости ГКЖ-Ю и ГКЖ-П) активно вступают в химическое взаи­ модействие с новообразованиями цементного камня и значительно по­ вышают долговечность бетона [8]. Эти добавки являются хорошим пластификатором цементного теста, ускоряют или замедляют сроки на­ чала и конца его схватывания, значительно повышают морозостойкость бетонов, подвергнутых в процессе твердения тепловой обработке. Та­ кие смолы, как и добавки ПВАД и СКС-65, рекомендуемые Всесоюз­ ным научно-исследовательским институтом новых строительных мате­ риалов (ВНИИНСМ), повышают водонепроницаемость и уменьшают истираемость бетона.

При оптимальном количестве кремнийорганических добавок (в пре­ делах 0,02—0,35% от веса цемента) значительно увеличивается стой­ кость бетонов в условиях постоянного или периодического увлажнения в растворах солей. Наиболее эффективной в этом отношении является добавка жидкости ГКЖ-94. Однако, как показывают исследования Всесоюзного научно-исследовательского института транспортного стро­ ительства (ЦНИИС) [73], увеличивая долговечность бетона, такие до­ бавки не улучшают других его физико-механических свойств.

Весьма перспективными добавками для конструктивного бетона яв­ ляются эпоксидная смола ЭД-5 и эмульбит. Первая из этих добавок значительно повышает прочность бетона (до 40—50%), вторая — уве­ личивает долговечность бетона, работающего в растворах солей и ор­

Исследования, проведенные в Парижской центральной лаборатории мостов и шоссейных дорог, свидетельствуют о том, что для улучшения механических и реологических свойств бетона целесообразно приме­

12

сухих веществ, преимущественно из смеси оксикислот и левоглюкозана. Опыты [63] показывают, что добавка КВ в количестве 0,1% от веса цемента является активным пластификатором, ..озволяющим сократить водоцементное соотношение на 8—12%. КВ значительно уменьшает время тепловлажностной обработки изделий, повышает прочность бето­ на 10—20% и увеличивает его долговечность в условиях агрессивных воздействий.

В последние годы под руководством проф. А. В. Саталкина в ЛИИЖТе проводились исследования смол ДЭГ-1, ТЭГ-1, ТЭГ-17 и смолы № 89 [88, 89, 90]. Введенные в качестве добавок эти смолы улуч­ шают деформационные свойства бетонов, повышают их прочность на сжатие, растяжение и изгиб.

Водорастворимые эпоксидные смолы синтезируются на основе двух­

где R — остаток гликоля;

п — степень поликонденсации.

Смолы имеют небольшой молекулярный вес и высокое процентное со­ держание эпоксидных групп. Диэтиленгликолевая смола ДЭГ-1 и триэтиленгликолевые смолы ТЭГ-1 и ТЭГ-17 имеют молекулярный вес со­ ответственно 240—260 и 300—320. Эти смолы отверждаются полиэтиленполиамином при нормальной температуре.

Полиамидная смола № 89 получается на основе эпихлоргидрина и метафенилендиамина. Структурная формула смолы:

—NH—/ _^>NH—СН2—СН—СН2—,

где «=1,5.

Смола № 89 выпускается в виде раствора с концентрацией полиме­ ров 30—33%. Содержание связанного хлористого водорода в смоле со­

13

ставляет 17—19% ■ Ее отвердение происходит вследствие сшивки мо­ лекул в щелочной среде твердеющего бетона, поэтому отвердитель для. этой смолы не требуется.

Исследования [89] показывают, что в присутствии водорастворимых смол происходит заметное диспергирование продуктов гидратации це­ мента, уменьшение кристаллов гидроалюминатов и гидроферрита каль­ ция и повышение однородности цементного камня. Полимерные добавки примерно вдвое увеличивают содержание высокоосновных гидросилика­ тов. Изменение кристаллической структуры цементного камня в при­ сутствии водорастворимых полимерных добавок приводит к улучшению физико-механических свойств бетона.

Оптимальное количество полимерных водорастворимых смол, обе­ спечивающее максимальную прочность бетона при сжатии и растяже­ нии, составляет 1,5—2% от веса портландцемента [67, 90]. Введение такого количества добавки приводит к значительному снижению пори­ стости бетона. Добавки повышают плотность бетона особенно значи­ тельно в том случае, если в течение первых 5—7 сут он твердеет в воде.

Как свидетельствуют исследования П. С. Красовского [35], водораст­ воримые полимерные добавки, участвуя в процессах струкгурообразования в цементном камне, уменьшают объем пор примерно в 2 раза. При этом значительно повышается водонепроницаемость бетона. Так, например, высота подъема воды в полимерцементном бетоне при дав­ лении 2 МПа составляла лишь 4,5—5 см, тогда как в обычном бетоне такая высота наблюдалась при давлении менее 0,6 МПа.

Небольшое количество водорастворимых полимерных смол значи­ тельно повышает морозостойкость бетона и его стойкость в морской во­ де. Исследования НИИЖБа [60] свидетельствуют о том, что одно­ кратное замачивание пропаренного бетона, нагруженного длительно действующей нагрузкой, может привести к резкому увеличению деформаций и снижению прочности железобетонных конструкций. Од­ нако опыты ЛИИЖТа [90] показывают, что полимерные добавки, и в частности смола № 89, весьма эффективно увеличивают стойкость бетона в условиях переменного увлажнения и высушивания.

Следует отметить, что водорастворимые полимерные добавки мо­ гут существенно изменять физико-механические свойства не только тя­ желого бетона, но также бетона на пористых заполнителях и др. [29, 34]. Такие добавки целесообразно использовать как для вибрировапного бетона, так и в случае применения центрифугирования и других способов уплотнения бетонных смесей.

14

При изготовлении сборных центрифугированных изделий остаточ­ ное водоцементное соотношение обычно составляет (В/Ц)Ост = 0,32— 0,33. Опытами Р. А. Гаралявичюса установлено, что это соотношение практически не зависит от водорастворимой полимерной смолы. С отжатием воды и тонкомолотых добавок одновременно удаляется часть полимерной добавки. Количество оставшихся в бетоне смол ДЭГ-1 и ТЭГ-1 прямо пропорционально соотношению количества воды Вост/5нач, Я объем смолы №89 уменьшается лишь на 10%. Таким образом, для цент­ рифугированного бетона исходное количество полимерных добавок в размере 2% от веса цемента может быть вполне достаточным, поскольку при (В/Ц)нач = 0,42—0,44 остаточное содержание смолы в бетоне состав­ ляет не менее 1,5%.

Согласно данным С. С. Давыдова [24], полимерная добавка запол­ няет пустоты, образующиеся в цементном камне и обволакивает зерна заполнителя тонкой пленкой, повышая прочность контакта между ними и цементным камнем. Таким образом, добавка увеличивает плотность, прочность и химическую стойкость бетона. Кроме того, двухпроцентная добавка водорастворимых смол значительно пластифицирует бетонную смесь, улучшая ее удобоукладываемость и удобоформуемость.

Для получения полимерцементного бетона, равного по прочности обычному бетону, следует снизить расход цемента. При одинаковой жесткости бетонных смесей обоих видов полимерная добавка позволяет уменьшить количество воды. В обоих случаях механические свойства бетона улучшаются. Однако благоприятное влияние полимеров сказы­ вается быстрее в бетонах с большим содержанием воды. Это объясня­ ется тем, что при больших соотношениях В/Ц гидратация цемента про­ исходит медленнее, а отвердение полимера — быстрее [19].

Влияние водорастворимых полимерных добавок на улучшение фи­ зико-механических свойств конструктивного бетона можно анализиро­ вать двояким образом:

а) эффект первого рода получается, когда при введении полимер­ ной смолы состав бетонной смеси не изменяется, т. е. смола вводится дополнительно;

б) эффект второго рода имеет место, когда при введении полимер­ ной добавки жесткость бетонной смеси не изменяется, что достигается уменьшением либо количества воды (случай 1), либо расхода и цемен­ та, и воды (случай 2).

Несмотря на ряд достоинств, полимерцементные бетоны еще не нашли широкого применения в промышленном, транспортном, гидро­

15

техническом и энергетическом строительстве. Пока они применяются в основном для изготовления полов промышленных зданий. Полимерцементные растворы используются для гидроизоляционных и защитных покрытий конструкций, а также для ремонта и восстановления бетон­ ных поверхностей дорожных и аэродромных покрытий и других соору­ жений.

К сожалению, полимерные добавки в настоящее время мало исполь­ зуются для улучшения физико-механических свойств конструктивного бетона прочностью 30—60 МПа и для приготовления высокопрочного бетона.

Широкому внедрению полимерцементного бетона в несущих эле­ ментах зданий и сооружений, кроме других причин, препятствует не­ достаточное количество работ по исследованию армированных конструк­ ций, изготовленных из бетонов с полимерной добавкой. Кроме того, свойства предварительно-напряженного полимерцементного бетона ма­ ло освещены как в отечественной, так и в зарубежной литературе.

Для ускорения внедрения результатов научно-исследовательских ра­ бот в практику строительства следует увеличить производство полимер­ ных добавок и разработать рекомендации по их применению.

1.2. Тепловая обработка

Интенсивность увеличения прочности полимерцементного бетона естественного твердения в значительной степени зависит от его состава и марки, а также от влажности и температуры внешней среды. Как видно из графика на рис. 1, в начальный период твердения полимерная до­ бавка может замедлять процесс прироста прочности бетона на сжатие. Поэтому для ускорения твердения конструктивного полимерцементного бетона необходима тепловая обработка.

Различные полимерные добавки неодинаково влияют на процесс структурообразования цементного камня [90]. В начальный период затворения все добавки снижают пластическую прочность цементного теста Р т. Чем ниже алюминатность цемента и выше содержание добав­ ки, тем больше продолжительность периода структурообразования бетона.

Влияние кремнийорганических соединений и водорастворимых по­ лимерных смол на процесс гидратации цемента детально исследовано соответственно в НИИЖБе [8] и ЛИИЖТе [90]. Через 1,5—2 ч с мо­ мента затворения пластическая прочность цементного теста с добавкой смолы № 89 начинает быстро нарастать и превышает величину Ртдля

16

Рис. 1. Нарастание прочности полимерцементного (/) и обычного (2) бе­ тона естественного твердения.

обычного цементного теста. Смолы ДЭГ и ТЭГ, хотя и замедляют рост пластической прочности Р т, практически не уменьшают прочности бе­ тона естественного твердения к 7-суточному возрасту. Об этом свиде­ тельствуют исследования, проведенные Р. А. Гаралявичюсом [18], ре­ зультаты которых даны в табл. 1.

Таблица 1

Рост прочности на сжатие бетонов в МПа при твердении в воздушно-влажных условиях

Примечание. В знаменателе указана прочность бетона в % от Л (28).

Исследования по выбору оптимальных условий твердения полимерцементных бетонов, проведенные О. С. Поповой и И. И. Петренас [82], показали, что при пропаривании этих бетонов особенно ярко про­ является роль отвердителя. Выявлено, что для отвердения алифатиче­ ских эпоксидных смол целесообразно применять в качестве отвердителя смолу № 89. Интересные результаты эксперимента привели авторов к выводу, что прочность полимерцементного бетона в раннем возрасте прямо пропорционально зависит от повышения температуры твердения

С целью определения рационального режима тепловлажностной об­ работки конструктивного полимерцементного бетона Р. А. Гаралявичюсом [19] проводились специальные исследования. Бетоны приготов­ лялись на Акмянском портландском цементе активностью 40 МПа с 2% -ной добавкой водорастворимых смол, затем пропаривались при температуре /Из = 80 °С.

Для изучения влияния этих смол на кинетику тепловлажностной обработки полимерцементных бетонов при помощи акустических зондов и разработанного специального крепления последних в пропарочной камере измерялись физические характеристики твердеющей бетонной смеси. Скорость распространения импульсов v определялась по дли­ тельности переднего фронта волны с периодом Т. Результаты иссле­ дований приведены в табл. 2.

Т а б л и ц а 2

Акустические характеристики бетона при тепловлажностной обработке: и —скорость

18

Из табл. 2 видно, что к моменту начала изотермического прогрева полимерцементный бетон приобретает значительно большую прочность, чем бетон без добавки. В середине цикла прогрева значения и больше и Т меньше для полимерцементных бетонов. Это позволяет сократить время выдержки бетона в пропарочной камере. Оптимальным режимом

Способ тепловой обработки бетона инфракрасным облучением по сравнению с пропариванием имеет ряд преимуществ, одним из которых является ненужность дорогостоящего парового хозяйства. Это позво­ ляет сократить производственную площадь цехов и повысить качество железобетонных изделий. Существенным показателем эффективности теплообработки бетона инфракрасными лучами является размер ка­ питаловложений в строительство на 1 м3 продукции годового выпуска. Как известно из литературы [86], при теплообработке железобетонных изделий паром этот показатель примерно на 30% выше по сравнению с методом интенсификации твердения бетона при облучении его инфра­ красными лучами. Результаты исследований [58, 96] показывают, что качество бетона, прогретого инфракрасными лучами, выше пропарен­ ного.

Р. С. Подагель [81] проводил исследования с целью изучения влия­ ния режима инфракрасного облучения на прочностные и деформацион­ ные свойства конструктивного полимерцементного бетона.

Бетонная смесь для образцов приготовлялась на портландцементе Акмянского завода активностью 40 МПа, кварцевом песке (Мк= 2,7), промытом гранитном щебне фракцией 5—20 мм. В качестве полимер­ ной добавки применялась смолы ДЭГ-1 с отвердителем полиэтиленполиамином в количестве 26,25% от веса смолы. Состав бетонной смеси Ц:П:Щ :ПД= 1:1,59:2,82:0,02; В/Ц = 0,42; осадка конуса ~ 1 см.

Тепловая обработка бетона осуществлялась с помощью трубчатых электронагревателей (ТЭНов), генерирующих инфракрасные лучи. Вви­ ду того, что толщина опытных образцов составляла 10 см, проводился двусторонний прогрев. Со стороны поддона формы тепловая энергия от металла к бетону передавалась благодаря их контакту, а со стороны от­ крытой поверхности — непосредственным воздействием инфракрасных лучей. С целью предотвращения влагопотерь образцы при облучении покрывались полиэтиленовой пленкой.