Оптимизация состава вяжущего для сухих строительных напольных смесей

Аннотация: В статье приведены результаты исследования усадки портландцемента с добавками строительного гипса и глиноземистого цемента. Предложены методика оценки предельного напряжения сдвига цементного теста по его растекаемости на стекле и методика оценки неоднородности смеси. Показано, что определение площади расплыва смеси с помощью цифрового фотоаппарата, с последующей обработкой результатов эксперимента с использованием графического редактора позволяет получить более точные данные о предельном напряжении смеси и ее однородности. Установлено, что низкую усадку в возрасте до 3 суток имеет состав, включающий 78% портландцемента, 21,5% гипса и 0,5% глиноземистого цемента. Оптимальная дозировка добавок гипса и глиноземистого цемента зависит от химико-минералогического состава портландцемента. вяжущий строительный напольный портландцемент Ключевые слова: сухие строительные смеси, напольные смеси на цементном вяжущем, смешанное вяжущее, глиноземистый цемент, гипс, суперпластификатор.

Сухие строительные смеси подвергаются высушиванию на всех стадиях структурообразования, что вызывает развитие усадочных явлений и может привести к образованию трещин. Для некоторых разновидностей таких материалов, в частности для напольных цементных смесей, стойкость к трещинообразованию является критическим параметром. В связи с этим одним из основных требований, предъявляемых к самовыравнивающимся смесям для устройства полов, является низкая усадка. Смеси, изготовленные на основе обычного портландцемента или его разновидностей, имеют высокую усадку, которая вызывает растрескивание покрытия. Для снижения усадки в цемент вводятся добавки, снижающие это явление. Одним из эффективных способов снижения усадочных деформаций считается введение в вяжущее глиноземистого цемента и гипса [1]. При оптимальной дозировке этих добавок в смешанном вяжущем образуется достаточное количество гидросульфоалюминатов кальция, которые, увеличиваясь в объеме, компенсируют усадку [1, 2], а при повышении содержания глиноземистого цемента и гипса эти компоненты обеспечивают расширение вяжущего, которое используется для получения специальных цементов — самонапрягающихся, расширяющихся, водонепроницаемых и др. [3, 4, 5].

В связи с тем что составы с применением глиноземистых цементов быстро теряют подвижность при использовании суперпластификаторов различной химической природы [6], а также с учетом высокой стоимости глиноземистого компонента его содержание в смешанных вяжущих необходимо минимизировать.

Для определения оптимального с точки зрения усадки соотношения компонентов в смешанном вяжущем на основе портландцемента, глиноземистого цемента и строительного гипса нами был выбран семиуровневый симплекс-решетчатый план. Доля портландцемента в смешанном вяжущем изменялась от 76 до 100%, глиноземистого цемента и гипса — от 0 до 24% каждого. Интервал варьирования этих компонентов в эксперименте составлял 4%. Составы вяжущего и свойства цементного камня приведены в таблице.

Составы изготавливались из портландцемента ОАО «Осколцемент» ПЦ 500 Д0, гипса Г-7 производства ОАО «Юнис», глиноземистого цемента Sikar 51 (Франция), суперпластификатора для сухих строительных смесей Sika ViskoCrete 105 при его дозировке 0,4% от массы вяжущего и водоцементном отношении 0,275. Выбор данного суперпластификатора на поликарбоксилатной основе был обусловлен его высоким водоредуцирующим эффектом в глиноземистых цементах в сравнении с другими добавками [6].

Образцы изготавливались в формах размерами 20Ч20Ч100 мм. Усадочные деформации в начальные сроки определялись на горизонтальном компараторе ИЗО-2 с ценой деления 10−6 м. В качестве реперных точек были использованы острия булавок, вставленных в цементное тесто после заполнения форм. После набора прочности образцы извлекались из формы, и усадка измерялась с помощью индикатора часового типа с ценой деления 2Ч10−6 м.

Кроме усадки, в исследуемых составах оценивались текучесть смеси и ее склонность к седиментации. Текучесть смеси определялась с помощью цилиндрического вискозиметра высотой 29 и диаметром 16 мм по диаметру растекания цементного теста на стекле [7].

Предельное напряжение сдвига ф0 цементной суспензии в Па можно рассчитать по формуле [8].

(1).

где с — плотность суспензии, кг/м3; h и d — соответственно высота и диаметр цилиндрического вискозиметра, м; D — диаметр расплыва смеси, м; k — коэффициент, равный 2; g — ускорение свободного падения, равное 9,8 м/с2.

Формула (1) используется в исследовательской практике для оценки предельного напряжения сдвига смеси [9, 10, 11].

Некоторые суспензии, приготовленные из смешанного цемента с различным содержанием гипса и глиноземистого цемента при равном водовяжущем отношении, обладали различной склонностью к седиментации. Одно из проявлений седиментации — неравномерный расплыв смеси. Для оценки неоднородности смеси, возникающей в результате седиментационных явлений, использовался коэффициент неравномерности расплыва, который рассчитывался по формуле.

KH = 100(LФ/LП) -100,.

где LФ — периметр тела расплыва, м; LП — приведенный периметр тела расплыва, м, рассчитанный по формуле.

где S — площадь суспензии после расплыва на стекле, м2.

Для определения площади S и периметра суспензии после расплыва LФ ее фотографировали цифровой фотокамерой с последующей обработкой изображения в графическом редакторе, позволяющем рассчитать длину замкнутой линии — периметр и площадь внутри него (рис. 1).

Рис. 1. — Расплыв вяжущего теста на стекле и определение площади расплыва

С учетом значительного отличия периметра тела истечения от окружности предельное напряжение сдвига вяжущего теста более точно можно рассчитать по формуле.

.

где S — площадь вяжущего теста; остальные обозначения приведены в экспликации к формуле (1).

Результаты определения зависимости исследуемых свойств смешанных вяжущих от их состава, представленные в таблице, позволяют отметить, что введение в состав вяжущего глиноземистого цемента и гипса приводит не только к снижению усадочных деформаций, но и при определенных соотношениях компонентов к значительному расширению вяжущего камня.

Состав и свойства смешанного вяжущего.

Статистический анализ результатов позволил установить математические зависимости усадки от состава смешанного вяжущего. На рис. 2 приведены треугольные диаграммы, построенные по полученным зависимостям.

Рис. 2. — Влияние состава смешанного вяжущего на его усадку через 1 (а) и 3 (в) суток и пересечение областей с минимальной усадкой (б)

Анализ влияния состава смешанного вяжущего на усадочные деформации через 1 и 3 сут, проведенный по диаграммам, показывает, что нулевую усадку в эти сроки имеет вяжущее, включающее в свой состав 78% портландцемента, 21,5% гипса и 0,5% глиноземистого цемента. Незначительное содержание в этом составе глиноземистого цемента свидетельствует о близком к оптимальному содержании в портландцементе алюминатных фаз.

В более поздние сроки значения усадки при высыхании в смесях увеличивались, однако в составах, содержащих 77−81% портландцемента, 17−23% гипса, 0−2,5% глиноземистого цемента, не отмечалось образование трещин.

С учетом того что для напольных смесей на цементном вяжущем риск образования трещин на ранних стадиях твердения намного выше, чем в более поздние сроки, при оптимизации состава необходимо минимизировать усадку в этом возрасте. Проведенные исследования позволяют рекомендовать для получения самовыравнивающихся напольных смесей вяжущее, включающее кроме портландцемента 17−23% гипса и при необходимости несколько процентов глиноземистого цемента.

• 1. Taylor H.F.W. Cement Chemistry, 2nd Edition. Thomas Telford Services Ltd., London, 1997. 480 p.
• 2. Fu Yan, Ding Jian, Beaudoin J.J. Effect of different calcium aluminate hydrates on ettringite formation and expansion of high alumina cement-based expansive cement pastes // Cement and Concrete Research. 1996. Vol. 26, Iss. 3. рр. 417−426.
• 3. Резван И. В., Резван А. В. От гипсоглиноземистого расширяющегося цемента к напрягающему цементу. Изменение кинетики расширения // Инженерный вестник Дона, 2013. № 4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2191.
• 4. Резван И. В., Резван А. В. О возможности физико-химического регулирования кинетики самонапряжения НЦ // Инженерный вестник Дона, 2012. № 4. Часть 1. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4p1y2012/1128.
• 5. Моргун В. Н. Роль расширяющих добавок в управлении свойствами пенобетонов // Инженерный вестник Дона, 2009. № 3. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2008/90.
• 6. Коровкин М. О., Ерошкина Н. А. Исследование водоредуцирующего эффекта суперпластификаторов в глиноземистых цементах // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2011. № 22. С. 79−82.
• 7. Коровкин М. О., Калашников В. И., Ерошкина Н. А. Эффективность суперпластификаторов и методология ее оценки. Пенза: ПГУАС, 2012. 144 с.
• 8. Калашников В. И., Коровкин М. О., Тетенькин А. Г. Методология оценки эффективности пластификаторов в воднодисперсных системах // Международная научно-техническая конференция «Структурообразование и прочность композиционных строительных материалов». Одесса: ОГАСА, 1994. С. 21−22.
• 9. Баженов Ю. М., Демьянова B.C., Калашников В. И. Модифицированные высококачественные бетоны. М.: Изд-во АСВ, 2006. 368 с.
• 10. Несветаев Г. В. Технология самоуплотняющихся бетонов // Строительные материалы. 2008. № 3. С.24−27.
• 11. Бычков М. В., Удодов С. А. Особенности разработки легких самоуплотняющихся бетонов на пористых заполнителях // Инженерный вестник Дона, 2013. № 3. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2013/1774.