БЕТОН, МОДИФИЦИРОВАННЫЙ ХИМИЧЕСКИМИ ДОБАВКАМИ

АННОТАЦИЯ

В данной статье представлены результаты комплексного исследования свойств бетона, модифицированного одновременным введением двух типов химических добавок. Научная работа направлена на изучение синергетического эффекта комбинированных модификаторов на процессы структурообразования и кинетику набора прочности цементных систем. В ходе экспериментов было установлено, что сочетанное применение добавок оказывает каталитическое воздействие на гидратацию цемента, существенно ускоряя твердение смеси в ранние сроки.

Ключевым достижением исследования стало получение высокопрочного бетона класса В40, который характеризуется улучшенными физико-механическими показателями. Особое внимание уделено тому факту, что проектная прочность материала достигается уже к 7-суточному возрасту, что значительно сокращает сроки технологического цикла в строительстве по сравнению со стандартным 28-дневным периодом. Полученные данные подтверждают эффективность использования многокомпонентных добавок для оптимизации производства сборных железобетонных конструкций и монолитного строительства, обеспечивая высокую экономическую эффективность и долговечность возводимых объектов в условиях климата Узбекистана.

ABSTRACT

This article presents the findings of a comprehensive study on the properties of concrete modified through the simultaneous incorporation of two distinct chemical additives. The research focuses on identifying the synergistic effects of combined modifiers on the structure formation processes and strength development kinetics of cementitious systems. Experimental results indicate that the concurrent application of these additives exerts a catalytic influence on cement hydration, significantly accelerating the hardening of the mixture during the early stages.

The primary breakthrough of the research is the successful formulation of high-strength concrete of the B40 class, exhibiting enhanced physical and mechanical characteristics. A critical observation is that the target design strength is achieved as early as 7 days of age, which substantially shortens the construction technology cycle compared to the conventional 28-day curing period. These results validate the efficiency of utilizing multi-component additives to optimize the production of precast reinforced concrete structures and monolithic construction. The findings offer significant potential for improving economic viability and structural durability within the construction industry, particularly tailored to the environmental conditions of Uzbekistan.

Keywords: concrete, aggregate, chemical admixture, strength, class, property.

Ключевые слова: бетон, заполнитель, химическая добавка, прочность, класс, свойство.

Введение.

Благодаря своим превосходным физико-механическим свойствам, соотношению прочности к средней плотности, долговечности бетон все чаще используется для решения различных практических задач современного жилищного, дорожного и промышленного строительства.

Современная технология производства тяжёлого, мелкозернистого, высокопрочного и даже лёгкого бетона на сегодняшней день не представляют принципиальных трудностей. Но, несмотря на это непременное достижение проектных качеств свежеприготовленного и затвердевшего бетона, а также выбор оптимального состава бетона с точки зрения технологии и экономии требуют серьёзных научных исследований и практических работ в данном направлении.

При разработке рецептур бетона очень важно иметь доскональную информацию о качестве компонентов, будущей среде эксплуатации, предъявляемых требованиях к физико-механическим свойствам в проектной документации строящегося объекта, об объемах одновременно заливаемого бетонного раствора, габаритных размерах заливаемой площади, условий твердения свежа залитого бетона и т.д.

Правильный выбор вида цементного вяжущего, крупного и мелкого заполнителей, химической добавки и т.д. самый важный шаг на пути получения бетона желаемого качества. Но, с другой стороны, нахождение наиболее оптимальных соотношений сырьевых компонентов, разработка рациональных составов бетона на основе доступных минеральных ресурсов и имеющихся технических-технологических возможностей является неотъемлемой задачей строительного бетон ведения.

Общеизвестно, что бетон является композиционным материалом, на свойства которого можно повлиять различными современно известными рычагами сегодняшнего времени. Одним из таких модных направлений является использование химически синтезированных поверхностно-активных веществ различного генезиса в процессе разработок составов бетона различного класса. Современные предприятия по производству товарного бетонного раствора трудно или даже невозможно представить без применения химических добавок.

В научно-технической литературе имеются очень много работ по химически модифицированным бетонам [1-6], которые и посей день не останавливаются, а также с большой вероятностью будут продолжатся и в дальнейшим будущем. Это говорит о том, что бетоны с различными улучшенными свойствами, получаемые посредством применения химических добавок, остаются актуальными.

Добавки считаются достаточно простым способом для улучшения показателей цементного композита, они дают возможность уменьшить количество вяжущего и регулировать технологические характеристики бетонной смеси и физико-механические свойства материала, а также повысить долговечность зданий и сооружений. В настоящее время используют большое число добавок, вводимых в бетонные смеси, которые классифицируются по механизму действия, химическому составу и другим характеристикам. Исследованы модификаторы типа «Эдванс Ультра», «Суперпласт Прима», «Суперпласт Станадарт» [7]. Исследуемыми показателями являлись прочность при сжатии и модуль упругости мелкозернистого бетона. При этом наибольший пророст прочности и модуля упругости достигается при применении пластификатора марки «Эдванс Ультра».

Влияние универсальной добавки «БЭСТ» на строительно-технические свойства бетона изучалось путем определения скорости схватывания вяжущей системы и прочностных характеристик затвердевшего состава [8]. Анализ данных показал, что введение регулятора в количестве 0,3% в бетонную смесь способствует длительному сохранению ее подвижности (до 4 часов) за счет образования адсорбционного слоя водонепроницаемого модификатора на поверхности цементных зерен. С увеличением содержания (0,5–1,0%) «БЭСТ» в системе установлено ускорение скорости схватывания бетона за счет дефлорирующего эффекта добавки. Выявлено увеличение прочностных характеристик модифицированного (на 41%) бетона по сравнению с бетоном без добавки. Кроме того, введение универсальной добавки «БЭСТ» позволяет регулировать морозостойкость бетона в ~2 раза, возможно, за счет ускоренного образования гелей гидроксидов кальция.

В работе [9] представлены результаты по изучению влияния введения суперпласификатора со стабилизирующим эффектом «Полипласта СП–2ВУ» ООО «Полипласт Новомосковск» в бетон. Так, введение модификатора в бетонную композицию приводит к изменению ее структуры и прочностных характеристик. Установлено с помощью ИК-спектров, что при содержании добавки в цементном растворе в количестве 0,5% формируется более упорядоченная и стабильная затвердевшая структура. Достоверность полученных данных подтверждается идентификацией основных пиков. За счет модифицирования бетона (при 0,3-0,5% концентрации регулятора в бетонной смеси) прирост прочности образцов составляет более 40%.

Исследовалось влияние на свойства мелкозернистого бетона на кварцевом песке разовых добавок «С-3», «ЛСТ», «СТБ» [10]. Перемешивание бетонной смеси осуществлялось вручную. Подвижность подвижность смесей находилась в пределах 11-12 см. Результаты исследований показали, что введение  добавок «С-3», «ЛСТ», «СТБ» привело к снижению водосодержания в бетонной смеси с 205 до 168...192 л/м³  и увеличению прочности на сжатие с 16 до 18...24 МПа в возрасте 7 суток и с 23 до 24...33 МПа в возрасте 28 суток. Наибольший эффект был получен при использовании добавок «С-3» и «ЛСТ»,. В результате их введения В/Ц снизился с 0,51 до 0,42 и 0,46 соответственно. Использование добавок «СТБ» оказало незначительное влияние на свойства цементно-песчаных смесей.

Целью данной работы являлось разработка состава бетонного раствора с одновременным использованием 2 химических добавок и получение бетона классом прочности на сжатие В40.

Характеристика сырьевых материалов и методы исследования.

В качестве цементного вяжущего был использован портландцемент класса Цем I 42,5 Н. В качестве заполнителя для подбора состава бетона на основе минерально-сырьевой базы Республики Узбекистан выступал промытый песок Чиназского карьера со следующими физико-химическими характеристиками: влажность – 0,1 %, истинная и насыпная плотности песка равны 2,7 г/см³ и 1300 кг/м³, модуль крупности Мк = 1,8. По зерновому составу относится к группе мелких песков.

В работе был использован крупный запольнитель в виде щебня фракции 5-10 мм, насыпная плотность 1450 кг/м³ и количество пыли и глнистых зерен не превышает 1%. 

В качестве химической добавки использовали «BAAS MIX-PLAST 100» и «BAAS RETSET-PLAST 5000».  

Бетонные смеси готовили с помощью бетоносмесителя. Количество компонентов в бетонной смеси определяли в расчете на 10 кг цемента. Объем воды регулировали таким образом, чтобы получить равноподвижные смеси. Готовая бетонная смесь заливалась в стандартные формы размером 10х10х10 см, заранее смазанные парафином, и простукивалась шпателем для равномерного распределения смеси. После отверждения цементных композитов в течение 28 суток в нормальных температурно-влажностных условиях (20 ± 5℃, W=95%) были проведены физико-механические исследования. Прочность бетона R, МПа на сжатие вычисляется:

R = k∙N / A

где: N – разрушающая нагрузка, Н; А – рабочая площадь образца, мм²; k – масштабный коэффициент, который находят в зависимости от размеров ребер образцов.

Прочность бетона в серии образцов находят как среднеарифметическое значение прочности испытанных в серии. Для расчёта одной точки прочности испытывалось по 3 образца каждого состава бетонов.

Результаты исследования и их обсуждение.

В результате проведения ряда экспериментов были определены оптимальные соотношения компонентов бетонной смеси.

Таблица 1.

Соотношение компонентов на 1 м³ бетонной смеси

Как видно из табл. 1, пониженное содержание песка компенсируется использованием клинца в котором содержится определенное количество мелкой песочной фракции. В клинце содержится какая-то доля фракции больше ˃ 5 мм, что также заполняет фракции находящихся между песком и щебнем. При этом достигается более плотная упаковка зерен заполнителей с минимальными значениями межзерновой пустотности. Другой же причиной является то, что с 1 мая 2024 года установлен мораторий на добычу речного песка в нескольких реках Республики Узбекистан [11]. Связи с этим актуальным стали вопросы получения мелких заполнителей из твердых горных пород и частичная или же полная замена речного песка в бетонах. Физико-механические свойства свежеприготовленного бетонного раствора и затвердевшего бетона приведены в табл. 2.

Таблица 2.

Физико-механические свойства бетона

Из результатов видно, что бетон уже в 7 суточном возрасте набирает требуемую проектную прочность при сжатии. Возможно, это говорит об интенсификации процессов твердения (гидратации), увеличение плотности упаковки зерен компонентов бетонной смеси, уменьшении доли макропор в структуре бетоне в сторону микропор.

Заключение.

Таким образом был получен бетон класса В 40 с использованием традиционных компонентов и одновременным применением 2 химических добавок. При этом достижение проектной прочности бетона достигались в 7 суточном возрасте, что наверняка говорить о положительном влияние химических добавок на процессы гидратации цемента, правильном подборе соотношения компонентов и получении более плотной упаковки зерен твердосоставляющих бетонной смеси.

Список литературы:

1. Шатов А.Н. Высокопрочные бетоны. Доступные способы химической модификации / Технологии бетонов № 9-10, 2012. С.9-11. http://www.tehnobeton.ru/pdf/2012-9-10/9-11.pdf
2. Юхневский П.И. Влияние химической природы добавок на свойства бетонов / П.И. Юхневский. – Минск: БНТУ, 2013. – 310 с. https://rep.bntu.by/bitstream/handle/data/6475 /Vliyanie_himicheskoj_prirody_dobavok_na_svojstva_betonov.pdf?sequence=3&isAllowed=y
3. Бахташ К.Н. Исследование возможности повышения качества бетона введением модифицирующих добавок / К.Н. Бахташ, У. К. Абдрахманов. — Текст: непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 22 (312). — С. 91-94. — URL: https://moluch.ru/archive/312/70713/
4. Яковлева К.С., Маштакова К.В., Мохонько Я.Ю. Современные добавки в бетон для современного строительства / Научный альманах № 10-3 (12), 2015. С. 293-296. http://ucom.ru/doc/na.2015.10.03.293.pdf
5. Боцман Л.Н., Строкова В.В., Ищенко А.В., Боцман А.Н. Модифицирование бетона за счет введения различных видов добавок / Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова №6, 2016. С. 90-94. http://dspace.bstu.ru/bitstream/123456789/1259/1/16.%20%D0%91%D0%BE%D1%86%D0%BC%D0%B0%D0%BD.pdf
6. Sasan Kermani, Soheil Khalatbari. Enhancing Concrete Strength with Polymer-Based Additives in the Cement Matrix: A Comprehensive Review / Journal of Civil Engineering Researchers Vol. 6(1), 2024. p.48-64. https://www.journals-researchers.com/ojs/index.php/jcer/article /view/106/113
7. Ледяйкина О.В., Ледяйкин Н.В. Исследование влияния модифицирующих добавок на свойства бетона / Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова № 4, 2024. С.8-15.
8. Виноградова Л.А., Грачева Ю.Н. Влияние универсальной добавки БЭСТ на свойства бетона // Известия Воронежского государственного университета инженерных технологий. 2018;80(4):361-365. https://doi.org/10.20914/2310-1202-2018-4-361-365
9. Виноградова Л.А., Русакова Ю.П. ИК-спектры суперпластификатора СП–2ВУ и цементного раствора с добавкой. Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. 2019;81(1):289-293. https://doi.org/10.20914/2310-1202-2019-1-289-293
10. Abdikerova U., Abilbek Z., Shegenbayev A., Tapalova A., Arynova K. Study of the influence of chemical additives on the properties of fine-grained concrete / ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences Vol. 17, No. 15, August 2022. P.1488-1494. https://arpnjournals.org/jeas/research_papers/rp_2022/jeas_0822_ 8995.pdf
11. УП-14. О мерах по упорядочиванию добычи нерудных материалов в водоемах. Указ Президента РУз. От 17.01.2024. https://lex.uz/uz/docs/6764446