ПРИДНІПРОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА та АРХІТЕКТУРИ

Макаренко Руслан Миколайович

УДК 691.33:004.8

Литі цементно-зольні бетони з добавками

поліфункціональних модифікаторів (ПФМ)

для покриття підлог

Спеціальність 05.23.05 - будівельні матеріали та вироби

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Рівненському державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Кизима Володимир Порфирович, Рівненський державний технічний університет, доцент кафедри технології будівельного виробництва.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Нікіфоров Олексій Петрович, ВАТ "Дніпропетровський науково-дослідний інститут будівельного виробництва", перший заступник голови правління

кандидат технічних наук, професор Пшінько Олександр Миколайович, Дніпропетрорвський державний технічний університет залізничного транспорту, ректор.

Провідна установа - Національний університет "Львівська політехніка", кафедра автоомбільних доріг і аеродромів, Міністерство освіти і науки України, м. Львів.

Захист відбудеться 24 січня 2002 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.085.02 в Придніпровській державній академії будівництва та архітектури за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а, ауд. 202.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Придніпровської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а.

Автореферат розісланий 21 12.2002 р.

Вчений секретар Баташева К.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Модифікування цементних бетонів полімерними добавками дозволяє покращити різні будівельно-технічні властивості і ефективно застосовувати їх в різних галузях будівництва, в тому числі і для покриттів підлог промислових будівель. Не дивлячись на значний об’єм проведених досліджень в даному напрямку, однак, лишається ряд не вирішених питань. Маючи підвищені показники адгезії, міцності при розтязі та згині, ударних впливах, опору зносу, дії хімічних реагентів бетони з добавками термопластів та еластомірів характеризуються підвищеними значеннями усадки та повзучості. Найбільш відомі в якості полімерних компонентів цементних сумішей дисперсії латексів та полівінілацетата вводять в підвищеній кількості - 10...20%, що значно підвищує вартість бетонів. Для запобігання коагуляції латексів при змішуванні з цементом необхідно вводити стабілізатори, що ускладнює технологію приготування сумішей.

Одним із найбільш ефективних напрямків вдосконалення технології цементних бетонів та покращення їх властивостей є введення добавок суперпластифікаторів (СП). Із добавок СП на Україні та в країнах СНД найбільш розповсюджений “Розріджувач С-3”, який також можна віднести до добавок полімерного типу, оскільки він отриманий на базі продуктів поліконденсації нафталінсульфокислот та формальдегідів, має будову і молекулярну масу характерну для олігомерів. В останні роки суперпластифікатор С-3 виготовляють в порошкоподібному вигляді, що відкрило можливість виробничого отримання сухих цементних сумішей, модифікованих добавкою. Прагнення підвищити бажаний ефект від використання добавок, необхідний в конкретних умовах їх застосування, обумовило інтенсивний розвиток в технології досліджень бетона по отриманню поліфункціональних модифікаторів (ПФМ), які містять крім СП і інші компоненти. Особливості технології і роботи бетона як конструктивного матеріалу в покриттях підлог обумовлюють ряд специфічних вимог до ПФМ бетонних сумішей. Вони повинні забезпечувати, з одного боку, достатню рухливість, нерозшарованість і адгезійну здатність бетонних сумішей, а з іншого- міцністні, деформаційні, антикорозійні і санітарно-технічні властивості бетона. До перспективних ПФМ бетонних сумішей для підлог промислових будівель можна віднести композиції С-3 і полівінілацетата , а також сополімерів на його основі.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні дослідження виконувались на кафедрі технології будівельних виробів і матеріалознавства Рівненського державного технічного університету (РДТУ) в рамках кафедральної науково-дослідної роботи “Розробка нових в’яжучих, композиційних матеріалів на їх основі та малоцементних бетонів із застосуванням техногенної сировини” (№ДР0101u001802).

Замовник – Міністерство освіти і науки України.

Мета і задачі досліджень. Мета роботи полягає в розробці оптимальних складів і технології литих дрібнозернистих цементно-зольних бетонів з композиційними полімерними добавками ПФМ, які включають супер-пластифікатор С-3 та полівінілацетатні полімери для покриття підлог цивільних і промислових будівель.

Сформульована вище мета дисертаційної роботи обумовила необхідність виконання наступних досліджень для вирішення слідуючих задач:

1) встановлення сумісності компонентів і їх раціонального співвідношення у складі ПФМ;

2) визначення впливу запропонованого ПФМ на реологічні властивості цементно-зольних паст і їх структуроутворення при твердінні;

3) визначення впливу ПФМ на комплекс технологічних властивостей литих цементно-зольних бетонних сумішей;

4) визначення впливу ПФМ на комплекс будівельно-технічних властивостей дрібнозернистого цементно-зольного бетона;

5) розроблення оптимальних технологічних параметрів литого цементно-зольного бетона з запропонованими ПФМ і їх дослідно-виробничої перевірки.

Об’єкт дослідження. Цементні і цементно-зольні пасти, сухі і литі дрібнозернисті бетонні суміші і бетони з добавками поліфункціональних модифікаторів (ПФМ), які включають суперпластифікатор С-3 і полівінілацетатні полімери – полівінілацетатну дисперсію (ПВАД) та сополімер ПВА – полівінілацетатверсатат (ПВАВ).

Предмет дослідження. Закономірності які визначають реологічні властивості, особливості гідратації і структуроутворення цементних і цементно-зольних паст, фізико-механічні властивості литих дрібнозернистих бетонів в залежності від складу ПФМ, водоцементного, золо- та пісчаноцементного відношень, способу введення ПФМ та інших факторів.

Методи досліджень. Встановлення основних багатофакторних залежностей здійснювалось за допомогою математичних методів планування експерименту.

Вивчення процесів гідратації і структуроутворення проводилось з використанням ротаціонної віскозиметрії, хімічного визначення ступеню гідратації, контрактометрії. Фазовий склад затверділого цементного та цементно-зольного каменю з добавками ПФМ вивчали рентгеноструктурним методом, зміну в часі пластичної міцності – конічним пластометром, параметри порової структури – методом водопоглинання.

Сумісність компонентів ПФМ досліджували методами електроосмосу і -потенціалу відповідних дисперсій.

Фізико-механічні властивості цементно-зольних бетонних сумішей і бетонів вивчали за допомогою різноманітних стандартних та широко відомих спеціалізованих методик.

Наукова новизна одержаних результатів:

- показана і науково обґрунтована можливість і ефективність використання в цементно-зольних системах поліфункціональних модифікаторів (ПФМ), що включають суперпластифікатор С-3 і полівінілацетатні полімери;

- вивчені основні закономірності які визначають водопотребу і в’язкість цементних і цементно-зольних паст з ПФМ, пластифікуючу, повітревтягуючу і стабілізуючу дію ПФМ;

- встановлено вплив добавок ПФМ на індукційний період і ступінь гідратації портландцементу, а також ефект модифікації структури цементного і цементно-зольного каменю, параметрів його пористості;

- отримано і проаналізовано комплекс рівнянь регресії, що визначають вплив складу ПФМ і литих дрібнозернистих бетонів на їх основі на будівельно-технічні властивості.

Практичне значення одержаних результатів:

- запропоновані поліфункціональні модифікатори з використанням суперпластифікатора С-3, полівінілацетатної дисперсії (ПВАД) і сополімера полівінілацетату (ПВАВ), оптимізовано їх склад і способи введення в бетонні суміші;

- встановлено позитивний вплив ПФМ на властивості литих дрібнозернистих бетонних сумішей і бетонів, що визначають їх ефективність при застосуванні для покрить підлог цивільних і промислових будинків;

- розроблено метод проектування складів бетонів з добавками ПФМ, встановлені оптимальні технологічні параметри отримання сухих і литих дрібнозернистих бетонних сумішей;

- доведено шляхом випуску експериментальних партій сухих і литих дрібнозернистих бетонних сумішей у виробничих умовах ефективність запропонованих добавок ПФМ. Литі ДЗБ використані для влаштування покриттів підлог у ремонтно-механічних майстернях РДТУ. Дослідну партію сухої цементно-золо-пісчаної суміші з добавкою ПФМ виготовляли на Костопільському заводі ВАТ "Адінол".

- розрахунковий економічний ефект для дрібнозернистих бетонів, які містять добавку ПФМ (С-3 і ПВАВ) у порівнянні із бетонами з добавками суперпластифікатора С-3 і ефіру метилцелюлози склав 415,6 грн/т.

Особистий внесок здобувача:

- запропоновано робочу гіпотезу, яка полягає в тому, що сумісне введення суперпластифікатора і полівінілацетатного полімера у складіполіфункціонального модифікатора (ПФМ) в сухі і литі цементно-зольні дрібнозернисті бетонні суміші (ДЗБ) дозволяє досягти необхідного модифікую чого ефекту, і ефективно використовувати ДЗБ для покриття підлог цивільних і промислових будинків;

- виконано експериментальні дослідження, проведено теоретичний аналіз отриманих результатів, виконані необхідні технологічні обгрунтування;

- розроблено технологію влаштування покриттів підлог з використанням ПФМ, проведено дослідно-промислову апробацію даного покриття.

Апробація результатів дисертації. Окремі положення дисертаційної роботи оприлюднені на міжнародній конференції "Композиционные строительные материалы. Теория и практика". (Пенза, Росія, 2000р.), республіканських науково-технічних конференціях "Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди" (Рівне, 1999р., 2001р.), науково-технічних конференціях РДТУ (1999, 2000, 2001рр.).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 8 статей, в тому числі 7 в фахових збірниках наукових праць.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, шести розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел і додатків. Загальний обсяг роботи становить 166 сторінок, з яких 103 сторінки основного тексту, 38 рисунків на 27 сторінках, 47 таблиць на 6 сторінках, список використаних літературних джерел з 134 найменувань на 12 сторінках, а також три додатки на 5 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і задачі досліджень, наведено основні наукові результати, показано їх практичне значення.

У першому розділі приведено аналітичний огляд стану проблеми та обгрунтування напрямку досліджень.

При влаштуванні покриття бетонних підлог до найбільш ефективних можна віднести литу технологію бетонних робіт. Для зниження витрат цемента та покращення властивостей дрібнозернистих бетонів (ДЗБ) доцільне введення активних наповнювачів і перш за все золи-винос. Аналіз чисельних досліджень присвячених цементно-зольним бетонам дає підстави стверджувати:

1) введення золи-винос позитивно впливає на процеси структуроутворення бетону, покращує ряд його властивостей, дозволяє зменшити витрату цементу;

2) при використанні литих золомістячих дрібнозернистих бетонів для покрить підлог бажано модифікувати їх з метою підвищення міцності на розтяг, опору стираючим діям, зменшення усадочних деформацій і покращення ряду інших спеціальних властивостей.

Одним з сучасних способів модифікування цементних бетонів є введення добавок суперпластифікаторів (СП) і зокрема добавки С-3, що входить в групу сульфованих нафталінформальдегідних сполук. Однак суттєво покращуючи ряд властивостей цементних і цементно-зольних бетонів, добавки СП не усувають їх суттєві недоліки, які важливі для бетонних покриттів підлог. Це в першу чергу високе співвідношення міцності на стиск до міцності на розтяг і відповідно недостатня тріщиностійкість, відносно низькі показники ударної міцності, стійкості до стирання, адгезійної здатності. Значною мірою ці властивості вдається поліпшити добавками полімерів, серед яких найбільш поширеними є полівінілацетатні дисперсії.

Багатьма дослідженнями показано, що з позиції досягнення найкращих механічних властивостей цементних розчинів і бетонів добавка ПВАД повинна досягати 20% від маси цемента. Проте при такому високому полімерцементному відношенні різко зростає вартість бетонів і розчинів, неповністю гідратується цемент і значна його частина нераціонально використовується як наповнювач, понижується водостійкість, зростає усадка цементно-полімерних компонентів. При сумісному введенні СП і полімерної добавки в цементні системи створюються передумови для зменшення вмісту останньої. Це обумовлено можливістю зменшення водо-цементного відношення і відповідно зменшення об’єма пор, заповняємого полімером. Для цементно-зольних бетонів значна частина міжзернових пустот заповнюється також зольним наповювачем. Крім того, для суперпластифікаторів і полівінілацетатних полімерів характерний різний механізм дії, що дозволяє припустити те, що інтегральний модифікуючий ефект ПФМ буде сильніший ніж для окремих компонентів і за цей рахунок зменшиться також вміст полімерної добавки.

Робоча гіпотеза дисертаційної роботи полягає в тому, що сумісне введення суперпастифікатора і полівінілацетатного полімера у складі поліфункціонального модифікатора (ПФМ) в сухі і литі цементно-зольні дрібнозернисті бетонні суміші (ДЗБ) дозволяє досягти необхідного модифікуючого ефекта, зменшити витрати полімерного компоненту за рахунок раціонального використання пластифікуючого ефекту і покращення структури бетону. Це дозволить ефективно використовувати ДЗБ для покриття підлог цивільних і промислових будинків.

В другому розділі наведені характеристика вихідних матеріалів, загальна схема і основні методи досліджень.

Дослідження виконано з використанням портланцемента Здолбунівського ЦШК марок М400 і М500 з вмістом 10-20% активних мінеральних добавок нормальною густотою 26,1...28,3% і питомою поверхнею 280...310 м2/кг. Мінералогічний склад портландцемента знаходився в межах характерних для найбільш поширених низько та середньоалюмінатних цементів (С3S – 55,2…61,5% С2S – 17,5…20,3%, С4AF – 14,2...18%, С3A – 4,5...6,8%) .

Зола-виносу Бурштинської ТЕС за хімічним складом відповідала класу А (ГОСТ 25818-83), вмісту незгорілих частинок вуглецю – видам І...ІІІ, питомої поверхні – середньозернистої (S=200…400м2/кг).

Гідравлічна активність золи по поглинанню CaO коливалась в межах 32,5...43,9 мг/г, нормальна густота – 23,4...27,2%.

Дрібнозернистий цементно-зольний бетон (ДЗБ) виготовляли з застосуванням природного кварцового піску з Мк=2,4 і піску, збагаченого укрупнюючою добавкою – гранітними висівками з Мк=3,3.

Як компоненти ПФМ використовували порошкоподібний суперпластифікатор С-3 з вмістом активної речовини не менше 69 %, полівінілацетатну дисперсію (ПВАД) з вмістом сухого залишку до 50 %, pH – 4...5,5, сополімер полівінілацетату – полівінілацетатверсатат (ПВАВ) – порошок з розміром частинок 10...40 мкм, вмістом золи 8...12%, pH 50% розчину 5...8.

Блок досліджень проведений у 4 етапи які послідовно зв’язані між собою:

1) вивчення впливу ПФМ на реологічні властивості, гідратацію і структуроутворення цементних і цементно-зольних паст;

2) вивчення властивостей литих дрібнозернистих бетонних сумішей і бетонів з добавками ПФМ;

3) вивчення впливу зольного наповнювача на властивості литих ДЗБ з добавками ПФМ;

4) вивчення впливу способу введення ПФМ і перемішування компонентів ДЗБ. Випуск дослідно-виробничої партії сухих сумішей і литого бетона з досліджуваними добавками.

У роботі широко застосовано математичні методи планування експериментів для отримання багатофакторних кількісних залежностей, які поєднують фізико-хімічні і фізико-механічні методи досліджень.

У третьому розділі розглянуто реологічні властивості і особливості гідратації і структуроутворення цементних і цементно-зольних паст із добавками ПФМ. Застосування ПФМ дозволило зменшити водопотребу паст на 13...19%. Нормальна густота паст (кн.г.) залежно від вмісту ПФМ (х) апроксимується експоненціальною залежністю:

кнг=к0нге-bx; (1)

де, к0нг – нормальна густота паст без ПФМ;

b – константа, що визначається видом ПФМ і його складом (b=0,024...0,076).

Зміну в’язкості паст вивчали за допомогою ротаційного віскозиметра РВ – 8М залежно від вмісту ПФМ, масової частки С-3 в складі ПФМ і золо-цементного відношення. Аналіз отриманих рівнянь регресії дозволяє простежити пластифікуючий ефект компонентів ПФМ в пастах при різному вмісті золи-виносу. Найбільш значне зменшення в’язкості досягається при концентрації С-3 1% маси цементу. При такій концентрації суперпластифікатора в’язкість цементних паст зменшується майже в 3 рази, цементно-зольних паст – лише в 1,5... 2 рази. Полімерний компонент ПФМ меншою мірою знижує початкову в’язкість паст, проте суттєво стабілізує її в часі.

Аналіз пластограм, отриманих вимірюваннями з допомогою конічного пластометру МДУ, показує, що добавки ПФМ на основі полівінілацетату дещо подовжують період коагуляційного структуроутворення. Це погоджується з кінетикою тужавлення паст з добавками. На другій ділянці пластограм, яка відповідає періоду зміцнення коагуляційної і початку формування кристалізаційної структури добавки ПФМ особливо з переважним вмістом суперпластифікатору викликають більш інтенсивний ріст пластичної міцності.

Характер модифікування цементного каменю добавками ПФМ значною мірою визначається зміною параметрів його порової структури. Розрахунки за даними водопоглинання показують, що як при постійному В/Ц, так і особливо при В/Ц=Кн.г. введення добавок ПФМ позитивно змінює параметри структури цементно-зольного каменю, перерозподіляючи їх в бік збільшення об’єму закритих і зменшення відкритих пор. При цьому простежується чітка тенденція до зменшення середнього розміру пор і збільшення їхньої однорідності (табл.1).

Таблиця 1

Основні параметри порової структури цементно зольного каменю

№

п/п | Добавка | Пористість, % | Показник середнього розміру пор, | Показник однорідності пор по розмірах, | Інтегральна, Пі | Відкрита,

W0 | В/Ц=0,3; золо-цементне відношенняЗ/Ц=0,4 | 1– | 22.9 | 21.5 | 1.41 | 0.79 | 2 | 3% ПВАД | 23.4 | 20.3 | 1.31 | 0.82 | 3 | 1,5% С-3+1,5% ПВАД | 23.1 | 20.6 | 1.30 | 0.84

4 | 1,5% С-3+1,5% ПВАВ | 24.1 | 20.8 | 1.32 | 0.85 | 5 | 3% C-3 | 21.5 | 19.5 | 1.28 | 0.87

В/Ц=Кн.г.; З/Ц=0,4. | 6– | 22.5 | 20.1 | 1.40 | 0.80 | 7 | 3% ПВАД | 22.1 | 18.3 | 1.29 | 0.85 | 8 | 1,5% С-3+1,5% ПВАД | 20.8 | 16.5 | 1.27 | 0.87 | 9 | 1,5% С-3+1,5% ПВАВ | 21.4 | 16.1 | 1.29 | 0.86 | 10 | 3% C-3 | 19.5 | 16.0 | 1.25 | 0.88

Досліджені ПФМ і особливо їх сополімерні компоненти стабілізують процес гідратації цементів в ранні строки твердіння, що особливо помітно при збільшенні вмісту С3А. Введення в пасти зольного наповнювача прискорює гідратацію цементів. Контрактометричні дослідження показали, що введення в пасти добавки С-3 і особливо ПВАД подовжує індукційний період гідратації цементних паст з 6...8 год до 10 год. Вміст в пастах золи практично не відбивається на тривалості індукційного періоду. За даними рентгеноструктурного аналізу введення як окремих компонентів ПФМ так і їх композицій помітно не змінює фазовий склад цементного і цементно-зольного каменю.

У четвертому розділі наведено результати досліджень властивостей литих цементних дрібнозернистих бетонів (ДЗБ) із добавками ПФМ.

Для визначення способів введення компонентів ПФМ в бетонну суміш вивчали агрегативну стійкість дисперсії ПВАД і розчину ПВАВ і з добавкою С-3 методом електроосмосу на приладі ЛДУ. При концентрації С-3 в ПВАД вже вище 1,5% відмічена коагуляція. На відміну від ПВАД водний розчин ПВАВ утворює із розчином С-3 агрегативно стійкі системи, для яких характерна зміна - потенціалу. Результати дослідів дають підстави вважати що ПВАД і С-3 (ПФМ1) доцільно вводити у бетонні суміші роздільно, ПВАВ і С-3 (ПФМ2) можна вводити спільно як у вигляді порошку, так і водного розчину.

За допомогою алгоритмізованих експериментів, які реалізовані по плану В3 , отриманні рівняння регресії водопотреби, водовідділення, повітревтягування литих бетонних сумішей, а також міцності на стиск і згин, водопоглинання і стираності ДЗБ залежно від вмісту ПФМ1 і ПФМ2 (Х1), частки С-3 у складі ПФМ (Х2), водоцементного відношення (Х3). Окреме рівняння регресії отримано для масового співвідношення піску і цементу (табл.2). Аналіз рівнянь регресії дозволив крім кількісних оцінок впливу окремих факторів та ефектів їх взаємодії отримати ряд важливих технологічних висновків. Зокрема встановлено, що водопотреба бетонних сумішей з ПФМ більш низька ніж це випливає з умови пластифікуючого ефекту окремих компонентів добавок. Повітревтягуюча здатність полімерних компонентів у складі ПФМ сприяє достатній водоутримуючій спроможності бетонних сумішей навіть при підвищеному вмісті С-3. Спільне введення С-3 і ПВАД або ПВАВ запобігає втраті повітря під час витримування і транспортування бетонних сумішей. Литі суміші, які включають поряд з С-3 полівінілацетатну добавку відрізняються подовженим періодом достатньої і стабільної рухливості.

Збільшення вмісту ПФМ при В/Ц=const може викликати збільшення або зменшення міцності на стиск (Rст) ДЗБ в залежності від складу композиційної добавки. У тому випадку, коли ПФМ представлений тільки суперпластифікатором С-3 збільшення його вмісту при постійному В/Ц приводить до суттєвого підвищення міцності. Протилежний характер впливу на міцність при стиску полівінілацитатного компонента. Проте як ПВАД так ПВАВ помітно позитивно впливають на міцність ДЗБ при згині (Rзг) і на співвідношення Rст/Rзг. При зростанні вмісту ПФМ і частки в ньому полімерного компонента співвідношення міцнісних параметрів стабілізується в часі, або навіть може спостерігатися тенденція до зниження Rст /Rзг. Із зміною міцності бетону на стиск під впливом ПФМ добре корегується зміна водопоглинаня ДЗБ.

Одним з найбільш суттєвих переваг ДЗБ з добавками ПФМ при використанні їх для підлог є знижена стираність, що обумовлено передусім вмістом полівінілацетатного полімеру. При полімер-цементному відношенні (П/Ц) 0,03 і В/Ц=0,3 стираність ДЗБ складає 0,4г/см2, у той же час як при П/Ц=0,005 – 0,755г/см2, тобто в 1,88 рази більше.

Система отриманих рівнянь регресії, які можна розглядати як математичні моделі властивостей ДЗБ з добавками ПФМ дозволяє проектувати їх склади. Запропонований спосіб розрахунку полягає у визначенні по рівнянням властивостей, що нормуються, необхідного В/Ц при заданих або оптимальних вмістах і складах ПФМ. Далі по відповідним рівнянням знаходиться масове співвідношення піску і цементу і об’єм втягнутого повітря і по відомим формулам витрати компонентів бетонної суміші.

У п’ятому розділі розглядаються особливості впливу золи-виносу на властивості литих ДЗБ з добавками ПФМ. Досліджували спільний вплив золи-винос і добавок ПФМ на властивості литих золо-цементних дрібнозернистих бетонних сумішей і бетонів. З аналізу отриманих рівнянь регресії випливає, що для литих ДЗБ з добавками ПФМ лише при підвищенні золо-цементного відношення (З/Ц) до 0,4 і більше починає суттєво збільшуватись водопотреба, особливо при використанні грубодисперсних зол з підвищеним вмістом незгорілого вуглецю. Введення золи-винос при З/Ц <0,4 позитивно позначається на зберіганні рухливості, проте при подальшому підвищенні вмісту золи темп падіння рухливості дещо прискорюється. Водовідділення золо-цементних сумішей стає меншим 2%, істотно зменшується об’єм втягнутого повітря.

Як для міцностей на стиск, так і міцності на згин при постійному В/Ц вплив З/Ц є екстремальним, найбільший приріст міцності на стиск і згин характерний при З/Ц=0,33...0,63. Введення ПФМ практично не впливає на величину оптимального З/Ц.

Модуль пружності литих золо-цементних ДЗБ з ПФМ орієнтовно на 20% нижче нормативних і його можна орієнтовно розрахувати по формулі:

Еб=0,8(ЕmR)/(S+R); (2)

де R - кубикова міцність, Еm і S – емпіричні константи (Еm=52000; S=23).

Умовний розтяг бетону який характеризує його тріщиностійцість дорівнює:

=0,52Rр.з./Eб.; (3)

де Rр.з. – міцність ДЗБ на розтяг при згині.

У перші строки твердіння добавка золи-винос збільшує усадочні деформації, добавки ПФМ, що складені із С-3 і ПВАД зменшують граничну усадку на 30...50%. При збільшенні З/Ц до 0,4 незначно збільшується водопоглинання, при подальшому підвищенні З/Ц воно різко зростає. Несприятливий вплив високих З/Ц згладжується.

При постійному вмісті і складі ПФМ оптимальних значеннях З/Ц постійно підвищується водонепроникність ДЗБ, підвищення З/Ц понад 0,4 приводить до зменшення показника водонепроникності, що пов’язано з ростом водопотреби сумішей.

Введення в цементні бетони золи-виносу приводить до збільшення стираності. Проте уже 1% ПФМ знижує стирність ДЗБ більш ніж у 1,5 рази, а 3% - більш ніж у 3 рази. При цьому збільшення частки ПВАД у складі ПФМ збільшує опір стиранню. Золо-цементні бетони як без добавок, так і особливо з добавками ПФМ показують більш високий опір також ударним впливам.

У шостому розділі досліджуються технологічні параметри отримання литих ДЗБ при безпосередньому введенні ПФМ з водою замішування, а також при попередньому виготовленні сухих сумішей.

Порівняльні дослідження проведені по традиційним і інтенсивній роздільній технологіям (ІРТ). Остання полягала в приготуванні золо-цементного тіста з водної дисперсії ПВАД у швидкісному змішувачі – активаторі і змішуванням його у звичайному змішувачі з піском і водним розчином С-3. Застосування ІРТ дозволило збільшити міцність ДЗБ в 28 діб на 10%, 7 діб на 30% і одну добу на 50%. При цьому лита консистенція сумішей (занурення конусу 12...14 см ), які отримані по ІРТ, зберігається на 10 хв довше ніж для звичайних. З кінетикою падіння рухливості добре узгоджуються і кінетика водовідділення литих сумішей, а також їх адгезійні властивості. У 28 – добовому віці збільшення міцності зчеплення за рахунок добавок ПФМ складає 30...60%, з переходом на ІРТ – додатково 10...15%.

При виготовленні сухих золо-цементно-пісчаних сумішей вводили порошкоподібну добавку ПФМ2 у вигляді композиції С-3 і ПВАВ. Добавку ПФМ2 вводили в лопатевий змішувач одночасно з усіма іншими компонентами (перший спосіб), а також попередньо перемішували з золою, а потім з цементом і піском (другий спосіб), або з цементно-пісчаною сумішшю (третій спосіб). При попередньому приготуванні золи з добавкою ПФМ тривалість перемішування сухої суміші скорочується з 10 до 5 хвилин, а при використанні однорідної цементно-пісчаної суміші – до трьох хвилин. За рахунок введення ПФМ2 у кульовий млин при домеленні золи і цементу можливе підвищення активності сухих сумішей.

Добавка ПФМ2 зменшує гігроскопічність сухих сумішей і відповідно позитивно впливає на їх сипучість і стабільність активності в часі. Якщо цементно-зольні суміші без добавки ПФМ2 при вологості 90% сорбують у 90 діб до 11% вологи, то з 1% ПФМ2 – 9%, 3% ПФМ2 – 8%.

Ефективність литих цементно-зольних бетонів з добавками ПФМ підтверджена випуском дослідно-промислових партій ДЗБ і сухих сумішей. Литі ДЗБ використані для влаштування покриттів підлог у ремонтно-механічних майстернях РДТУ. Основні показники фізико-механічних властивостей дослідного ДЗБ з добавками ПФМ підтвердили результати лабораторних досліджень. За рахунок пластифікуючого ефекту ПФМ і відповідного зменшення водопотреби бетонної суміші при В/Ц =const з’явилася можливість зменшити витрату цементу на 18% (103 кг/м3).

Дослідну партію сухої цементно-золо-пісчаної суміші з добавкою ПФМ2 виготовляли на Костопільському заводі ВАТ "Адінол". Литий бетон отриманий із сухої суміші з добавкою ПФМ2 був достатньо близький по властивостях до бетону отриманого з готової суміші з добавкою ПФМ1.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

В роботі отримано нові науково обґрунтовані результати, які в сукупності вирішують задачу розробки оптимальних складів і технології литих дрібнозернистих цементно-зольних бетонів з композиційними полімерними добавками ПФМ, які включають суперпластифікатор С-3 та полівінілацетатні полімери для покриття підлог цивільних і промислових будівель. Виконані дослідження дозволили зробити такі висновки:

1. Поліфукціональні модифікатори, що включають суперпластифікатор С-3 і полівінілацетатну дисперсію (ПВАД) - ПФМ1 або сополімер полівінілацетата (ПВАВ) - ПФМ2 дозволяють зменшити водопотребу цементних і цементно-зольних паст на 13...19%. Нормальна густота паст, що містять ПФМ добре аппроксимуєтся експоненціальною залежністю типу , де - нормальна густота паст без ПФМ; х - вміст ПФМ у % маси цементу; b - константа, обумовлена видом ПФМ і його складом.

Збільшення в’язкості цементно-зольних паст при підвищенні концентрації золи-винос значною мірою згладжується з введенням добавок ПФМ. Композиції С-3 і полімерних добавок на основі ПВА дозволяють істотно уповільнити зростання в’язкості паст в часі.

2. Введення добавок ПФМ подовжує індукційний період гідратації портландцемента до 10 год. Стабілізуючий вплив ПФМ на процес гідратації цементів знижується в міру збільшення в їхньому складі частки С-3.

Зниження степені гідратації портланцемента в 7 - добовому віці з добавкою С-3 у кількості до 3% маси цементу не перевищує 5...10%, ПВАД і ПВАВ - 20...30%, характер впливу ПФМ на ступінь гідратації цементних паст істотно не змінюється при введенні добавки золи-винос.

Окремі компоненти ПФМ і їх композиції практично не змінюють фазовий склад цементного і цементно-зольного каменю.

Добавки ПФМ модифікують структуру цементного і цементно-зольного каменю, змінюючи параметри його порової структури, викликаючи збільшення об’єму закритих пор, зменшуючи середній розмір пор і збільшуючи їхню однорідність.

3. Полівінілацетатну дисперсію ПВАД і розчин суперпластифікатора С-3 доцільно вводити в бетонні суміші роздільно внаслідок агрегативної нестійкості і спроможності до коагуляції композицій цих добавок. До агрегативно стійких відносяться водні розчини сумішей сополімера ПВА - ПВАВ і С-3. Композиції цих добавок можна використовувати також і у вигляді порошків.

4. Пластифікуюча дія добавок ПФМ визначається як вмістом в них суперпластифікатора (СП), так і полівінілацетатного полімеру. При дозуванні СП до 1% водовідділення литих сумішей практично не збільшується, а потім має тенденцію до росту. Полівінілацетатна добавка в складі ПФМ забезпечує зниження водовідділення на всьому інтервалі її вмісту – до 3%. Введення ПФМ забезпечує стабільний повітревміст литих бетонних сумішей і сприяє зберіганню їхньої рухливості в часі.

5. Для бетонів із добавками ПФМ збільшення В/Ц веде до значно більш істотного падіння міцності на стиск ніж міцності на згин. В міру збільшення як загального вмісту ПФМ, так і частки полімерних компонентів у литих дрібнозернистих бетонах (ДЗБ) зменшується співвідношення міцностей на стиск і згин, що особливо проявляється в більш дальні терміни твердіння. Зі зміною міцністних показників бетонів добре корелюється і зміна їхнього водопоглинання. Введення добавок ПВАД і ПВАВ у складі поліфункціональних модифікаторів істотно знижує стираність ДЗБ.

Проектування складів литих ДЗБ із добавками ПФМ може бути виконане за допомогою поліноміальних рівнянь регресії.

6. У литих ДЗБ із добавками ПФМ при збільшенні золо-цементного відношення (З/Ц) до 0.4 водопотреба зростає незначно, при З/Ц>0.4 вона змінюється істотно, особливо зі зменшенням В/Ц. Значення критичного В/Ц, яке обмежує область сталості водопотреби в золо-цементних ДЗБ, зміщується в бік менших значень при підвищеному вмісті ПФМ.

Введення золи-винос при З/Ц<0.4 позитивно позначається на зберіганні рухливості, при подальшому підвищенні З/Ц падіння рухливості литих сумішей пришвидшується. Оптимальний вміст золи-винос у литих сумішах забезпечує водовідділення менше 1%, при цьому загальний повітревміст зменшується, і при добавці ПФМ до 3% маси цементу не перевищує, як правило, 2%.

7. Вплив золо-цементного відношення на міцність при стиску і згині литих ДЗБ із добавками ПФМ є екстремальним. Найбільший приріст міцності як при стиску, так і при згині литих ДЗБ із добавками ПФМ характерний при З/Ц=0.33...0.63. Введення ПФМ практично не впливає на величину оптимального З/Ц.

Призмова міцність литих ДЗБ із добавками ПФМ орієнтовно дорівнює 0,85Rб (де Rб - кубова міцність), модуль пружності їх нижче (до 20%) розрахункового значення характерного для звичайних важких бетонів.

8. Введення добавок ПФМ істотно впливає на технічні властивості литих цементно-зольних ДЗБ. Добавки ПФМ зменшують усадочні деформації литих ДЗБ на 30...50%. Із збільшенням З/Ц до 0.4 водопоглинання литих ДЗБ зростає незначно, потім різко збільшується особливо зі зменшенням частки С-3 у складі ПФМ. При оптимальних значеннях З/Ц, вмісті і складі ПФМ істотно підвищується водонепроникність литих ДЗБ.

Введення в литі ДЗБ навіть оптимальної з позицій міцності кількості золи-винос призводить до збільшення стираності. Вже 1% ПФМ знижує стираність бетонів більш ніж у 1.5 раза, а 3% - більш ніж у 3. Збільшення частки полівінілацетатного компонента в складі ПФМ збільшує опір стиранню литих ДЗБ.

Золо-цементні ДЗБ як без добавок, так і особливо з добавками ПФМ мають більш високу ударну міцність ніж цементні бетони. Збільшення роботи удару в золо-цементних ДЗБ без добавок ПФМ склало біля 7%, при вмісті 3% ПФМ - 18%.

9. Істотне збільшення міцністних показників литих золо-цементних ДЗБ із добавками ПФМ у перші терміни твердіння досягається при використанні інтенсивної роздільної технології (ІРТ). Литі суміші, отримані із застосуванням ІРТ, характеризуються більшою стабільністю показників рухливості і водовідділення, підвищеною міцністю зчеплення.

10. При отриманні сухих сумішей тривалість перемішування й активність сумішей залежить від способу введення ПФМ. Введення добавок ПФМ у сухі суміші дозволяє зменшити їхнє сорбційне зволоження при зберіганні і зниження активності.

Підвищення на 10...20% активності сумішей, оцінюваної по 28 - добовій міцності зразків на їхній основі, можливе при перемішуванні з ПФМ і одночасному домелі в кульовому млині.

Результати виконаних досліджень дозволили запропонувати і реалізувати у виробничих умовах технологію литих золо-цементних ДЗБ із добавками ПФМ, призначених для влаштування бетонних покриттів підлог.

Основні положення дисертації опубліковано в роботах:

1. Дворкін Л.Й., Кизима В.П., Макаренко Р.М. Сумісність компонентів поліфункціональних модифікаторів (ПФМ) бетонних сумішей // Вісник РДТУ. Рівне, 1999, - №3. Ч. 3. – с. 55-58. (автором визначено сумісність полімерних компонентів ПФМ бетонних сумішей).

2. Дворкін Л.Й., Макаренко Р.М., Кизима В.П. Властивості литих дрібнозернистих бетонних сумішей з добавками поліфункціонального модифікатора // Вісник РДТУ. Гідромеліорація та гідротехнічне будівництво. Спецвипуск. Рівне, 1999, – с. 188 – 194. (автором згідно умов планування побудовані моделі водопотреби, водовідділення і повітревтягування литих ДЗБ з добавкою ПФМ).

3. Макаренко Р.М., Гарницький Ю.В. Вплив поліфункціональних модифікаторів (ПФМ), які включають суперпластифікатор та полівінілацетатні дисперсію на міцність дрібнозернистого бетона (ДЗБ) // Вісник РДТУ. Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. Збірник наукових праць. Рівне, 1999, - №3. – с. 37 – 41. (автором виконані експериментальні дослідження та проведений аналіз отриманих моделей впливу ПФМ на міцність ДЗБ).

4. Л.И. Дворкин, Р.Н. Макаренко, В.П. Кизима. Свойства мелкозернистых цементных бетонов с добавкой полифункционального модификатора // Композиционные строительные материалы. Теория и практика. Сборник научных трудов Международной научно-технической конференции. – Пенза, 2000, - Ч.1. – с. 80 – 82. (автором виконана постановка задачі і проведені розрахунки).

5. Макаренко Р.М., Кизима В.П. Особливості впливу золи-виносу на властивості литих бетонних сумішей з добавкою поліфункціонального модифікатора (ПФМ) // Вісник РДТУ. Збірник наукових праць. Рівне, 2000, - №1. Ч.3. – с. 123 – 127. (автором досліджено вплив золи-винос на властивості литих бетонних сумішей з добавкою ПФМ).

6. Макаренко Р.М. Міцнісні властивості золоцементних дрібнозернистих бетонів (ДЗБ) із добавками поліфункціонального модифікатора (ПФМ) // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Зб. наук. праць. Вип. 6. – Рівне: РДТУ. – 2001. – с.68-75.

7. Дворкін Л.Й., Макаренко Р.М. Водопотреба цементно-зольних паст з добавками поліфункціональних модифікаторів (ПФМ) // Вісник Академії. – Дніпропетровськ: ПДАБА, 2001, №4, - с. 27 – 31. (автором було досліджено зміну водопотреби цементно-зольних паст з добавками ПФМ).

8. Макаренко Р.М. Реологічні властивості цементно-зольних паст з добавками поліфункціонального модифікатора (ПФМ) // Вісник РДТУ. Збірник наукових праць. Рівне, 2001, - №3(10). – с. 123 – 130.

АНОТАЦІЯ

Макаренко Р.М. Литі цементно-зольні бетони з добавками поліфункціональних модифікаторів (ПФМ) для покриття підлог. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05 – будівельні матеріали та вироби. – Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, Дніпропетровськ, 2001.

Дисертація містить експериментально-теоретичні дослідження структури і властивостей литих цементно-зольних дрібнозернистих бетонів (ДЗБ) з добавками поліфункціональних модифікаторів (ПФМ), що включають суперпластифікатор С-3 і полівінілацетатну дисперсію (ПВАД) або сополімер ПВА – полівінілацетатверсатат (ПВАВ). Показано, що добавки ПФМ, впливаючи на в’язкість цементно-зольних паст позитивно змінюють водопотребу, водоутримуючу, повітревтягуючу здатність та інші властивості бетонних сумішей. Вони модифікують структуру цементно-зольного каменю, викликаючи збільшення об’єму закритих пор, зменшуючи середній розмір пор і збільшуючи їхню однорідність. Вивчено властивості цементно-зольних бетонів з добавками ПФМ і експериментально доведено покращення співвідношення міцнісних показників, деформативності, стійкості до стирання і удару. Розроблено технологічні параметри отримання литих цементно-зольних бетонів з добавками ПФМ і сухих сумішей. Основні результати лабораторних дослідів підтверджено у виробничих умовах.

Ключові слова: поліфункціональний модифікатор, суперпластифікатор, полівінілацитатний полімер, зола-винос, цементно-зольні пасти, литі дрібнозернисті цементно-зольні бетони, бетони для підлог.

АННОТАЦИЯ

Макаренко Р.Н. Литые цементно-зольные бетоны с добавками полифункциональных модификаторов (ПФМ) для покрытия полов. – Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук за специальностью 05.23.05 – "Строительные материалы и изделия". – Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры, Днепропетровск, 2001.

Диссертация содержит экспериментально-теоретические исследования структуры и свойств литых цементно-зольных мелкозернистых бетонов (МЗБ) с добавками полифункциональных модификаторов (ПФМ), включающих суперпластификатор С-3 и поливинилацетатную дисперсию (ПВАД) или сополимер ПВА – поливинилацетат версатат (ПВАВ).

Показано, что добавки ПФМ позволяют уменьшить вязкость цементно-зольных паст, замедлить рост её во времени и в результате компенсируется рост вязкости, обусловленный введением золы, уменьшается водопотребность бетонных смесей. Наличие полимерного компонента в составе ПФМ способствует снижению водоотделения, стабильному воздухосодержанию и сохранению подвижности смесей во времени.

Установлено, что стабилизирующее влияние добавок ПФМ на процессы гидратации снижается при увеличении в их составе доли С-3. Практически не изменяя фазовый состав цементного камня добавки ПФМ модифицируют его структуру, увеличивая объём закрытых пор, уменьшая их средний диаметр и повышая однородность.

Экспериментально обоснован способ ввода компонентов ПФМ в бетонные смеси в зависимости от агрегативной стойкости их композиции. Поливинилацетатную дисперсию ПВАД и раствор суперпластификатора С-3 целесообразно вводить в бетонные смеси раздельно вследствии агрегативной неустойчивости и способности до коагуляции композиций этих добавок. До агрегативно устойчивых относятся водные растворы смесей сополимера ПВА – ПВАВ и С-3. Композиции этих добавок можно использовать также и в виде порошков.

Установлено, что пластифицирующее действие добавок ПФМ определяется как содержанием в них суперпластификатора (СП), так и поливинилацетатного полимера. При дозировке СП до 1% водоотделение литых смесей практически не увеличивается, а потом имеет тенденцию к росту. Поливинилацетатная добавка в составе ПФМ обеспечивает понижение водоотделения на всём интервале её содержания – до 3%. Введение ПФМ обеспечивает стабильное воздухосодержание литых бетонных смесей и содействует сбережению их подвижности во времени.

Положительными особенностями бетонов с добавками предлагаемых ПФМ являются повышенное соотношение прочности на