ИСПЫТАНИЕ НА ПРОЧНОСТЬ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ С ДОБАВЛЕНИЕМ СУПЕРПЛАСТИФИКАТОРОВ И БАЗАЛЬТОВОЙ ФИБРЫ

АННОТАЦИЯ

В данной исследовательской работе представлены результаты изучения структуры поликарбоксилатного суперпластификатора методом инфракрасной спектроскопии. Представлены результаты испытаний физико-механических свойства бетона с добавлением синтезированного суперпластификатора. Изучены физико-химические свойства цементного смеси после добавления суперпластификатора. Приведены результаты исследования структуры суперпластификатора методом инфракрасной спектроскопии. Также представлены результаты испытаний физико-механических свойств композитов синтезированного поликарбоксилатного суперпластификатора с базальтовым волокном. Показаны степень влияния добавления поликарбоксилатных суперпластификаторов и базальтовой фибрына степень прочности и продления времени транспортировки бетонных смесей на строительные площадки.

ABSTRACT

This research paper presents the results of studying the structure of polycarboxylate superplasticizer by infrared spectroscopy. The results of testing the physical and mechanical properties of concrete with the addition of the synthesized superplasticizer are presented. The physical and chemical properties of the cement mixture after adding the superplasticizer are studied. The results of studying the structure of the superplasticizer by infrared spectroscopy are presented. The results of testing the physical and mechanical properties of composites of the synthesized polycarboxylate superplasticizer with basalt fiber are also presented. The degree of influence of adding polycarboxylate superplasticizers and basalt fiber on the strength and extension of the transportation time of concrete mixtures to construction sites are shown.

Ключевые слова. Поликарбоксилат, базальтовая фибра, суперпластификатор, бетонная смесь, прочность, состав, ИК-спектроскопия.

Keywords: Polycarboxylate, basalt fiber, superplasticizer, concrete mixture, strength, composition, IR spectroscopy.

Введение. Процесс добавления базальтовой фибрыв бетонную смесь требует большого научного и практического опыта. Причина в том, что при добавлении базальтовой фибры снижается текучесть и пластичность бетонной смеси и увеличивается потребность в воде. Данная проблема может быть решена за счет добавления в бетонную смесь различных суперпластификаторов. В связи с этим актуальна разработка недорогих технологий получения прочных бетонных изделий с добавлением базальтовых волокон. Одним из основных условий обеспечения строительной отрасли качественной продукцией является более быстрое упрочнение бетона и повышение подвижности бетонных смесей, а это в свою очередь, играет важную роль при транспортировке бетонных смесей к строительным зданиям и сооружениям. По сравнению с суперпластификаторами на основе лигносульфоната, меламина и нафталина, применяемыми в строительной отрасли, суперпластификаторы на основе поликарбоксилатов обладают рядом преимуществ, таких как пониженный расход воды, хорошая дисперсность, способность удерживать осадки, меньшее количество добавления в смесь и предотвращение коррозии железобетонных изделий [1-3]. Хорошее растекание поликарбоксилатного суперпластификатора обусловлено воздействием стерических блоков в его боковых цепях [4].

По мнению Верани и др., наблюдается общая тенденция, согласно которой добавление 1% по массе цементной полиметакриловой кислоты и сополимера метоксиполиэтиленгликоля может обеспечить хорошую текучесть цементной смеси [5]. Поликарбоксилатный суперпластификатор стал наиболее широко используемой добавкой в мире благодаря своей экологичности и способностью снижения потребление воды [6].

Методология. Синтезирован сополимер поликарбоксилатного суперпластификатора, использованием эфира полиоксиэтиленизобутилового спирта (HPEG) и акриловой кислоты (AК) в качестве макромономера путем реакции свободнорадикальной полимеризации при 60 ℃ в условиях водного раствора. Радикальную сополимеризацию HPEG и АК проводили при 60°С с использованием меркаптановой кислоты в качестве радикала. в четырехгорлую круглодонную колбу емкостью 500 мл добавляли HPEG - 87,12 г., АК-13,3 г. и меркаптановая кислота - 0,7 г. и перемешивали. К смеси с помощью капельницы добавляли инициатор - 0,5 мл. Затем колбу помещали на термостатируемую масляную баню при температуре 75°С, в течение 5 часов. Конечный продукт поликарбоксилатного суперпластификатора представлял собой 31%-ный раствор бледно-желтого цвета, pH которого доводили до ~7 добавлением 30% раствора NaOH. При синтезе поликарбоксилатного суперпластификатора важное значение для образования конечного продукта имеют мольное соотношение макромономеров в поликарбоксилатных сополимерах и температура реакции.

Результаты и обсуждения. Получены и анализированы ИК-спектры синтезированного поликарбоксилатного суперпластификатора. Кроме того, проводились испытания прочности бетона с суперпластификатором по ГОСТу 28570-2019, показатели текучести - по ГОСТу 10121.1-81, долговечность образцов бетона с добавлением базальтового суперпластификатора - по ГОСТ 28570-2019. ИК-спектр синтезированного поликарбоксилатного суперпластификатора анализировали на спектрометре IR Tracer-100 (SHIMADZU CORP., Япония, 2017). Чувствительность спектрометра: отношение шумов 60000:1, шкала волн: 3398,57÷603,72см^-1.

Рисунок 1. ИК-спектр бетона с добавлением поликарбоксилатного суперпластификатора

При анализе ИК-спектроскопии (рис.1) можно увидеть изменение координации атомов алюминия при гидратации алюминатов кальция, переход негидратированных минералов в гидратированные фазы с параллельным образованием -ОН-групп. Линии поглощения в областях 677,01, 711,73, 873,75, 923,90, 977,91, 1417,66 см^-1 указывают на образование минералов гидросиликатного типа кальция. Также, при добавлении суперпластификатора можно наблюдать высокую интенсивность полосы поглощения, характерную для минералов, что обеспечивает высокую прочность и долговечность бетона.

Рисунок  2. ИК-спектральный анализ бетона с добавлением суперпластификатора на основе NFS

Как видно (рис.2) из ИК-спектра бетонной смеси с добавлением суперпластификатора, наличие пиков поглощения в диапазоне 900-1000 см^-1 характерны группе гидросульфоалюмината кальция. Область поглощения спектра 1000 см^-1 свидетельствует о кристалличности щелочного алюмината кальция в присутствии суперпластификатора. Поглощения в диапазоне 1398,39–1550,77 см^-1 и 2897,72 см-1 указывают на наличие субмикрокристаллического гидросиликата группы тоберморита, содержание которого меньше, чем в образцах с поликарбоксилатным суперпластификатором.

Добавление в бетонную смесь химических добавок обеспечивает образование упорядоченной и устойчивой структуры, что увеличивает прочность, при этом прочность снижается с увеличением количества добавок в бетонной смеси. Негидратированные минералы в бетоне с суперпластификатором заменяют гидратированные фазы. Доказано, что высокая интенсивность полосы поглощения, характерная для минералов, обеспечивающая прочность бетона с добавлением поликарбоксилатного суперпластификатора, на 15 % превышает интенсивность бетона с добавлением суперпластификатора НФС. В целях повышения экономической эффективности вновь синтезированный поликарбоксилатный суперпластификатор используется в качестве водорастворимого агента, который имеет лучший водорастворимый эффект, чем обычные водорастворимые агенты других суперпластификаторов. Текучесть цементных паст улучшается за счет увеличения количества поликарбоксилата.

Влияние суперпластификатора на прочность цементного камня определяли в формах размером 100х100х100 мм, которые затвердевали в нормальных условиях, а затем проходили через испытательные аппараты на сжатия при 7 и 28 сутках.

Таблица 1.

Результаты испытаний бетона с добавлением поликарбоксилатного суперпластификатора и бетона с добавлением базальта

Изучение прочности и текучести бетона с добавлением синтезированного суперпластификатора и базальтовой фибры. В бетонную смесь добавляют поликарбоксилатный суперпластификатор в количестве 1% от водоцементного соотношения. Результаты были получены при добавлении в бетонную смесь 3% базальтовой фибры. Выяснилось, что добавление более 1% суперпластификатора неэффективно. Оптимальным в наших исследованиях оказалось добавление базальтовой фибрыв количестве 3%. При изучении физико-механических свойств бетона мы выбрали водоцементное отношение для образца бетона без добавки - 0,43, для бетона с суперпластификатором - 0,42 и для бетона с базальтом - 0,50. Добавив 0,8% суперпластификатора в 25%-ный водный раствор, мы добились увеличения прочности бетона. Добавив в бетонную смесь 3% базальтовой фибры, мы увеличили прочность бетона. При увеличении количества суперпластификатора наблюдалась снижение прочности бетона.

Выводы

Синтезирован поликарбоксилатный суперластификатор на основе HPEG-2400, акриловой кислоты и инициаторов. Согласно заключению, полученному по результатам ИК-спектроскопического анализа, мономер акриловой кислоты успешно вшивается молекулам поликарбоксилата при полимеризации. Полученные результаты доказывают, что качество бетона улучшается при добавлении суперпластификатора. Добавление в бетонную смесь добавки суперпластификатора в количестве 1 % по отношению к водно-цементной массе снизило ее плотность и повысило прочность бетона за счет улучшения пористой структуры. Добавление в бетонную смесь более 1% синтезированного поликарбоксилатного суперпластификатора оказалось неэффективным.

Список литературы:

1. Flatt, R.; Schober, I. Superplasticizers and the Rheology of Concrete. In Understanding the Rheology of Concrete; Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, 2012; pp. 144–208.
2. Plank, J.; Pцllmann, K.; Zouaoui, N.; Andres, P.R.; Schaefer, C. Synthesis and Performance of Methacrylic Ester Based Polycarboxylate Superplasticizers Possessing Hydroxy Terminated Poly (Ethylene Glycol) Side Chains. Cem. Concr. Res. 2008, 38, 1210–1216. [CrossRef]
3. Xu, Q.; Gao, H.; Zeng, J.; Chen, C.; Zhou, W.; Wang, S.; Tian, X.; Peng, Y. Synthesis, Working Mechanism, and Effectiveness of a Novel Corrosion-Inhibiting Polycarboxylate Superplasticizer for Concrete. Can. J. Chem. Eng. 2016, 94, 1909–1917. [CrossRef]
4. Yoshioka, K.; Tazawa, E.-I.; Kawai, K.; Enohata, T. Adsorption Characteristics of Superplasticizers on Cement Component Minerals. Cem. Concr. Res. 2002, 32, 1507–1513. [CrossRef]
5. Werani, M.; Lei, L. Influence of Side Chain Length of MPEG Based Polycarboxylate Superplasticizers on Their Resistance towards Intercalation into Clay Structures. Constr. Build. Mater. 2021, 281, 122621. [CrossRef]
5. 6. Shanshan Qian, Yan Yao, Ziming Wang, Suping Cui, Xiao Liu, Haidong Jiang, Zhaolai Guo, Guanghong Laia, Qian Xua, Jianan Guana. //Synthesis, characterization and working mechanism of a novel polycarboxylate superplasticizer for concrete possessing reduced viscosity. // Construction and Building Materials. 169 (2018) 452–461page.
6. Ziming Wang, Huiqun Li.  New Progress in Research and Application of polycarboxylate superplasticizer [J]. Concrete World, 2012 (08): 50-56.
7. Исмоилов Ф.С.// Разработка технологии получения суперпластификаторов для бетонных смесей на основе пиролизного масла и их применение. // Диссертация. Ташкент 2023г.