ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОЙ ДОБАВКИ НА ВОДОРЕДУЦИРОВАНИЕ И КИНЕТИКУ ПРОЧНОСТИ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ ПРИ ПОДБОРЕ СОСТАВА МЕТОДОМ МИНИ-КОНУСА

УДК 666.942

АННОТАЦИЯ

В работе исследовано влияние поликарбоксилатной химической добавки на водоредуцирующую способность и кинетику набора прочности цементного камня. Подбор состава цементной системы осуществлялся методом мини-конуса при обеспечении постоянного расплыва цементной пасты 6 см. В качестве вяжущего использовался портландцемент ЦЕМ I 52,5Н производства Akkermann Cement, а в качестве модифицирующей добавки — поликарбоксилатный суперпластификатор ZAKI DUO 260. На первом этапе был определён контрольный состав без добавки, для которого требуемая подвижность достигалась при водоцементном отношении 0,39. В ходе исследований установлено, что оптимальная дозировка добавки составляет 0,5 % от массы цемента. Применение добавки позволило снизить расход воды примерно на 52 % при сохранении заданной подвижности цементной пасты. Испытания прочности образцов цементного камня размером 3×3×3 см проводились в возрасте 3, 7, 14 и 28 суток. Установлено, что снижение водоцементного отношения способствует формированию более плотной структуры цементного камня и повышению прочности до 90,34 МПа на 28 сутки. Полученные результаты подтверждают эффективность применения поликарбоксилатных добавок при разработке высокопрочных цементных композиций.

ABSTRACT

This study investigates the influence of a polycarboxylate-based chemical admixture on water reduction and strength development of cement stone. The cement system was optimized using the mini slump cone method with a target paste spread of 6 cm. Portland cement CEM I 52.5N and the polycarboxylate superplasticizer ZAKI DUO 260 were used in the study. A control composition without admixture achieved the required workability at a water–cement ratio of 0.39. Experimental results showed that the optimal admixture dosage was 0.5% by weight of cement. The use of the admixture reduced water consumption by approximately 52% while maintaining the required flowability of the cement paste. Compressive strength tests of 3×3×3 cm specimens were carried out at 3, 7, 14, and 28 days. Lowering the water–cement ratio contributed to the formation of a denser cement stone structure and increased compressive strength up to 90.34 MPa at 28 days. The results confirm the effectiveness of polycarboxylate admixtures in high-performance cement-based materials.

Ключевые слова: цементный камень, водоцементное отношение, поликарбоксилатная добавка, мини-конус, прочность, водоредуцирование.

Keywords: cement stone, water–cement ratio, polycarboxylate admixture, mini slump cone, compressive strength, water reduction

Введение

Влияние химических добавок на водопотребность и прочностные характеристики цементных композиций является одним из актуальных направлений исследований в области строительных материалов. Особое внимание уделяется поликарбоксилатным суперпластификаторам, позволяющим существенно снижать расход воды при сохранении требуемой подвижности цементных систем. Снижение водоцементного отношения способствует формированию более плотной структуры цементного камня и повышению его прочности [2], [8]. Современные исследования показывают, что эффективность химических добавок определяется их влиянием на процессы гидратации, реологические свойства и структурообразование цементных композитов. Установлено, что применение минеральных и химических модификаторов позволяет изменять кинетику твердения и улучшать механические характеристики цементного камня [1], [3]. Кроме того, использование комплексных добавок способствует более равномерному распределению цементных частиц и повышению эффективности взаимодействия цемента с водой [5], [7]. Для оценки подвижности и подбора оптимального состава цементных систем широко применяется метод мини-конуса. Данный метод позволяет определять взаимосвязь между водосодержанием, дозировкой добавки и реологическими характеристиками смеси, обеспечивая рациональный подбор состава [4], [6]. Современные исследования показывают, что применение эффективных заполнителей и химических модификаторов способствует улучшению структуры и свойств цементных композитов [9]–[11]. Таким образом, применение поликарбоксилатных добавок в сочетании с методом мини-конуса представляет практический интерес при разработке высокопрочных цементных композиций с пониженным водоцементным отношением. В связи с этим целью настоящей работы является исследование влияния поликарбоксилатной добавки на водоредуцирование и кинетику прочности цементного камня при подборе состава методом мини-конуса.

Материалы и методы

В качестве вяжущего использовался портландцемент ЦЕМ I 52,5Н производства Akkermann Cement. В качестве химической добавки применялась поликарбоксилатная суперпластифицирующая добавка ZAKI DUO 260. Подбор состава цементной пасты осуществлялся методом мини-конуса с целевым расплывом 6 см. Для контрольного состава без добавки требуемая подвижность достигалась при водоцементном отношении В/Ц = 0,39. На следующем этапе исследовалось влияние дозировки добавки в диапазоне 0,1–0,8 % от массы цемента. Оптимальная дозировка, обеспечивающая максимальный диспергирующий эффект, составила 0,5 %. Дальнейшее увеличение содержания добавки не приводило к существенному росту расплыва цементной пасты. После определения оптимальной дозировки выполнялось поэтапное снижение расхода воды при сохранении расплыва 6 см. Установлено, что применение добавки в количестве 0,5 % позволяет снизить водоцементное отношение до В/Ц ≈ 0,18–0,20. Процесс подбора состава представлен на рисунке 1.

Рисунок 1. Алгоритм подбора состава цементного камня методом мини-конуса

Для экспериментальных исследований были изготовлены образцы цементного камня размером 3×3×3 см трёх составов: контрольного без добавки, состава с добавкой 0,5 % при В/Ц = 0,39 и состава с добавкой 0,5 % при пониженном В/Ц. Образцы формовались в стандартные формы и выдерживались в нормальных условиях твердения при температуре (20 ± 2) °C и относительной влажности не менее 95 %.

Испытания на сжатие проводились в возрасте 3, 7, 14 и 28 суток. Полученные результаты использовались для оценки влияния добавки и водоцементного отношения на кинетику прочности цементного камня.

Результаты

Результаты испытаний прочности цементного камня на сжатие представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Прочность цементного камня при различных составах

Анализ полученных результатов показывает, что применение поликарбоксилатной добавки способствует повышению прочности цементного камня на всех сроках твердения. При одинаковом водоцементном отношении состав с добавкой демонстрирует более высокие прочностные показатели по сравнению с контрольным составом, что связано с улучшением диспергирования цементных частиц и повышением эффективности гидратационных процессов.

Наиболее высокие значения прочности получены для состава с пониженным водоцементным отношением. Так, прочность на сжатие в возрасте 28 суток достигла 90,34 МПа, что примерно на 45 % превышает прочность контрольного состава. Полученные результаты свидетельствуют о высокой эффективности поликарбоксилатной добавки при снижении расхода воды и формировании более плотной структуры цементного камня.

Обсуждение

Полученные результаты подтверждают, что поликарбоксилатная добавка существенно влияет на процессы структурообразования цементного камня за счёт диспергирования цементных частиц и повышения эффективности их взаимодействия с водой. Это способствует улучшению условий гидратации и формированию более плотной структуры материала. Повышение прочности при введении добавки связано с уменьшением водопотребности системы и снижением капиллярной пористости цементного камня. Наиболее выраженный эффект наблюдается при пониженном водоцементном отношении, где прочность на 28 сутки достигла 90,34 МПа. Полученные результаты согласуются с современными представлениями о влиянии водоцементного отношения на прочность цементных композитов. Метод мини-конуса подтвердил эффективность как инструмент подбора состава, позволяющий обеспечивать требуемую подвижность смеси при минимальном расходе воды.

Заключение

В результате проведённых исследований установлено, что применение поликарбоксилатной добавки ZAKI DUO 260 позволяет эффективно снижать водопотребность цементной системы при сохранении требуемой подвижности. Оптимальная дозировка добавки составила 0,5 % от массы цемента, при которой обеспечивается максимальный диспергирующий эффект. Использование метода мини-конуса позволило подобрать состав с пониженным водоцементным отношением (В/Ц ≈ 0,18–0,20) и снизить расход воды примерно на 52 % по сравнению с контрольным составом. Установлено, что снижение водоцементного отношения способствует повышению прочности цементного камня, при этом максимальная прочность на сжатие составила 90,34 МПа на 28 сутки. Полученные результаты подтверждают эффективность применения поликарбоксилатных добавок при разработке высокопрочных цементных композиций.

Список литературы:

1. X Li et. al. "Recent developments on the effects of Micro-and Nano-Limestone on the hydration process, products, and kinetics of cement", Materials, 2024. https://doi.org/10.3390/ma17092133
2. Z Ren et. al. "Impact of different water-reducing agents on the properties of limonite self-compacting conductive concrete", Scientific Reports, 2024. https://doi.org/10.1038/s41598-024-69671-2
3. LV Ilina et. al. "Modeling the kinetics of cement composite processes modified with calcium-containing additives", Nanotekhnologii v Stroitel' …, 2023. https://doi.org/10.15828/2075-8545-2023-15-5-494-503
4. N Kabashi et. al. "Optimizing Fine Aggregate and Cement Replacement with Stone Dust: Impact on Concrete Compressive Strength", Proc. Int. Struct. Eng. Constr, 2024. https://doi.org/10.14455/ISEC.2024.11(2).MAT-06
5. H Dedong et. al. "Study on the influence of compound admixture on concrete performance", E3S Web Conf., 2025, https://doi.org/10.1051/e3sconf/202561802008
6. MM Begentayev et. al. "The Effect of Mineral Fillers on the Rheological and Performance Properties of Self-Compacting Concretes in the Production of Reinforced Concrete Products", Journal of Composites Science, 2025, https://doi.org/10.3390/jcs9050235
7. A Bieliatynskyi et. al. "Study of carbon nano-modifier of fly ash in cement concrete mixtures of civil engineering", Science and Engineering of Composite Materials, 2022,  https://doi.org/10.1515/secm-2022-0018
8. S Yang et. al. "Technological aspects of the preparation of polymer composites of building materials and coatings", Polymers and Polymer Composites, 2022,
9. Shakirov T.T., Mo’minova N.A., Mirzaqosimova M.M. Yengil beton olish texnologiyasi 222 ISSN: 3060-4966 IZPI XABARNOMASI 2025г №4
10. Kh.Kh. Kamilov, T.T. Shakirov, N.A. Muminova, D.R. Abdazov; "Porous aggregate developed with the use of coalcontaining clays of the Angren field",
11. Shakirov T.T. Technology of producing porous filler from quartz porphyry and coal mining waste for lightweight concrete: monograph. – Tashkent: Umid Design, 2023. – 146 p.