Примеры подбора состава тяжелого бетона с суперпластификаторами

Суперпластификаторы – это пластифицирующие добавки I-ой группы, повышающие марку подвижности бетонных сме­сей с П1 до П4 без потерь прочности бетона.

Схема технического воздействия (модифицирования) суперпластификатора в бе­тоне, отражена на рис.12.

Рис.12. Схема влияния СП на свойства бетонной смеси и бетона.

——— -без добавок; ------- - с добавкой СП;

1- пластифицирующий эффект СП; 2 – водорегулирующий или водоиммобилизирующий (водо-редуцирующий) эффект; 3 - комбинированный эффект.

Суперпластификаторы применяют с целью получения следующих эффектов:

- придания высокой подвижности бетонным смесям (например, о т 2-4см до 20см и более) без последующего снижения прочности бетонов;

- благодаря водоиммобилизующего (водоредуцирующего) действия:

повышения прочности, непроницаемости морозостойкости, непроницаемости, со­кращения сроков тепловлажностной обработки или сроков распалубки бетона естественного твердения (при полном или ча­стичном сохранении расхода цемента при сокращении расхода воды);

- сокращения расхода цемента (при сохранении подвижнос­ти бетонной смеси и В/Ц с уменьшенным расходом воды). Эф­фективность суперпластификаторов повышается с пони-жение алюминатности цементов и других показателей каче­ства бетонов

- получения комбинированного эффекта с частичным модифицированием (количественно пониженным) первых двух.

В России широкое применение получил суперпластификатор - С-3 (СП С-3 или С-3).

При испарении или высыхании раствора добавка образу­ет твердые кристаллы, которые могут скапливаться в местах резких перегибов магистрали подачи и в запирающей арматуре (реко-мендуются шаровые краны). Вся система подачи после окончания работы с добавкой должна быть тщательно промыта.

Пластификация цементных систем при введении СП С-3 про­исходит за счет адсорбции входящих в состав добавки олигомеров и полимеров на поверхности зерен новообразований клинкерных минералов цемента. Адсорбция носит сложный характер, и зависит как от состава добавки, так и от состава цемента. Добавка, как бы смазывая зерна - продукты гидратации раз-ных клинкерных минералов, снижает поверхностное натяжение (трение скольжения превра­ща-ется в трение качения). Добавка, как правило, вводится с водой затворения. Однако действие её более эффективно, если она будет введена с опозданием – именно тогда, когда часть зерен це-мента уже прореагиривала с водой.

Рекомендуемые дозировки С-3 в расчете на сухое вещество находятся в пределах 0,3... 0,8% от массы цемента. Опти­мальная дозировка добавки, приводящая к максимальной пластификации смеси без снижения прочности относительно бетона без до­бавки, или для других выше упо-мянутых целей устанавливается только экспериментальным путем для каждого конкретного це-мента в процентах от его массы. Она существенно зависит от минералоги­ческого состава це-мента, степени закристаллизованности клинкер­ных минералов, количества активной минераль-ной добавки в це­менте (опока, трепел), тонкости помола цемента, а также других неизвестных нам факторов. Она не зависит ни от подвижности смеси, ни от расхода цемента, а только от веще­ственного состава самого цемента. Это упрощает поиск опти­мальной дозировки, для которого предложена методика.

Оптимальным следует считать то минимальное количество до­бавки, которое обеспечивает максимальный технический эффект: увеличение подвижности бетонной смеси с ОК=2-4см до 16см без изменения прочности бетона при равном расходе цемента и воды, либо максимальное снижение водопотребности и увеличение прочности.

При введении суперпластификаторов (СП) в количестве мень­ше оптимального значения не достигается максимальный техни­ческий. Повышение дозировки добавки сверх оптимального значения, приводит к расслоению бетонной смеси или повышенному воздухововлечению и тем к существенному замедлению роста прочности (зерна твердеющего цемента оказываются заб­локированными добавкой).

Оптимальную дозировку СП рекомендуется находить экспресс методом на мини - конусе (рис. 13), с последующей ее проверкой в бетоне.

а) Экспресс метод определения оптимальной дозировки су­перпластификатора в бе-тонные смеси (метод мини-конуса).

Для проведения испытаний используется следующее оборудо­вание: мини-конус фарфоровая или эмалированная чаш­ка, фарфоровая ложка или шпатель, палочка стеклянная D =3…5мм, стеклянная пластинка 300×300 мм.

Рис.13. Мини-конус.

Мини-конус изготавливается из не­ржавеющей стали или прочной пластмассы. Внутренняя сто-рона конуса должна иметь гладкую поверхность со степенью шероховато­сти по ГОСТ 2789-73 не более 1,6 мкм.

При испытании 100г цемента смешивают с 35г воды в течение 1мин. Мини-конус помеща­ют на стеклянную пластинку и запол­няют приготовленной цементной пастой за один прием. При необходи­мости штыкуют стеклянной палочкой и тщательно снимают излишки пас­ты с конуса и со стекла. Необходимо следить, чтобы стеклянная пластинка и конус перед определени­ем расплыва были увлажнены одинаково. После заполнения конуса его немедленно плавно (со скоростью 1мм/мин) поднимают вертикально вверх. После полного оседания пасты под соб­ственным весом определяют её диаметр (расплыв конуса) путём трёх измерений в разных направлениях и принимают среднее арифметическое значение диаметра. Определение прово­дят на серии цементных паст с дозировкой СП в интервале от 0,2 до 1,5 (2) % от массы цемента (в расчете на сухое вещество), сохраняя принятое водоцементное отношение. Дозировка добавки увеличи­вается на 0,1% до тех пор, пока диаметр лепешки перестанет увели­чиваться, либо водо-отделение вокруг лепешки превысит 2,5мм. При появлении водоотделения измеряется только диаметр расплыва цементной пасты без учета отделившейся воды. По полученным резуль-татам строят график зависимости ди­аметра расплыва лепешки цементного теста от дозировки добавки и определяют минимальную дозировку, при которой достигается максимальный плас-тифицирующий эффект-точку перелома на кривой, после которой диаметр лепешки практи-чески перестает увеличиваться. Ее считают оптимальной дозировкой (Д_опт).

Если расплыв конуса цементного теста без добавки превы­шает 75мм, расход воды следует понизить до 30г, а при отсут­ствии расплыва - повысить до 40...45 г. Метод дает надежные результаты, когда в тесте 100×В/Ц - НГ = 6...10%.

а) Проверка оптимальной дозировки добавки в бетоне.

Проверка пластифицирующей способности оптимальной до­зировки и ее влияния на водо-потребность бе­тонной смеси заданной подвижности в интервале ОК=2...25 см и прочность бе-тона проводится на составах бетонной смеси, приведенных в таблице 22.

Работа начинается с установления расхода воды в эталонных составах №1 и №5. Проверка найденного по мини-конусу значе­ния Д_опт проводится на составах №2 и №6. Если после вве-дения в бетонную смесь принятой дозировки добавки ОК её будет мень­ше 16см, то следует увеличить дозировку на 0,1-0,2% и снова приготовить смесь. В случае если прочность пропа-ренного бе­тона с Д_опт окажется меньше эталонной, следует проверить пара­метры бетонной смеси и бетона с уменьшенным на 0,1…0,2% расходом добавки. Таблица 22

Рабочие составы бетонных смесей

№ пп	Расход материалов на замес, кг	Примечание
цемент	песок	щебень	вода	С-3
1.	2,5	5,5	7,0	до П1	-	эталон (без добавки)
2.	2,5	5,5	7,0	равно1	Допт	литая смесь (марка П4)
3.	2,5	5,5	7,0	до П2-3	Допт	комплексный эффект
4.	2,5	5,5	7,0	до П1	Допт	макс. прочность
5.	4,0	4,0	7,0	до П1	-	эталон
6.	4,0	4,0	7,0	равно 5	Допт	литая смесь (марка П4)
7.	4,0	4,0	7,0	до П2-3	Допт	комплексный эффект
8.	4,0	4,0	7,0	до П1	Допт	макс, прочность

Минималь­ная дозировка добавки, при которой бетонная смесь достигает марки по под­виж-ности П4, (П5) и при этом сброса прочности по сравнению с эталоном не происходит считает-ся оптимальной.

Однако результаты определения прочности и подвижности не мо­гут быть признаны досто-верными, если из вода бетонной смеси отде­ляется, каркас щебня оголяется, то есть происходит ее рас­слоение. В таких смесях оголившийся крупный заполнитель на границе слоев бетониро-вания образует «холодный шов», то есть в нижней части уложенного слоя бетон - в виде ого-ленного щебня. А герметичной опалубке или в массивной монолитной конструкции смесь расслаивается так, что снизу оказывается бетон, насыщенный щебнем, выше- слой раствора с малым количеством щебня, а еще выше - цемен­тное тесто.

Расслоение бетонной смеси может не сказаться на определении прочности бетона в кон-трольных образцах в связи с их малым обьемом, но в кон­структивном элементе однородность прочность бетона будет нарушена. Для установления состояния прямого расслоения бетонной смеси с добавками возможно воспользоваться экспериментальными данными нашего учёного технолога по бетону М В. Младовой, приведёнными в таблице 23. Если диаметр осевшего бето-на превышает эти значения, то это свидетельствует о расслоении бетонной смеси.

Таблица 23.

Максимальный диаметр расплыва конуса нерасслаивающейся

бетонной смеси.

При ОК( курсив) в см, расплыв конуса, в см
5	10	15	16	18	20	21	22	23	24	25

Эксперимент должен быть повторен с увеличенным расходом песка на составе 2,5:6:6,5 кг вместо составов №№1...4. Таблица 22 содержит составы, в основу которых положены два эта­лонных состава (№1 и №5), обеспечивающие разные расходы це­мента и Ц/В. Остальные сос-тавы отличаются от эталонных нали­чием оптимальной дозировки добавки при разной осадке конуса, по которым оцениваются:

- максимальное разжижение бетонной смеси; уточнение оп­тимальной дозировки добавки (№2 и №6);

- максимальное повышение прочности бетона (№4 и №8);

- влияние расхода воды на подвижность пластифицирован­ной бетонной смеси (№№2,3,4 и №№6,7,8).

В составы №1 и №5 вода затворения вводится в количестве, необ­ходимом для получения бетонной смеси с ОК=2.. .4см. В составах №2 и №6 расход воды сохраняется таким же, как соответственно в №1 и №5 с учетом воды в добавке при введении ее в оптимальном коли­честве. Рекомендуется использовать добавку в виде раствора с кон­центрацией не более 10%. Расход находится по формулам: Д=(Ц×х)/А,кг или Д=(Ц×х)/(А×ρ_д),л;

где: Д - расход добавки в кг или л;

Ц- расход цемента, кг;

х - оптимальная дозировка сухой добавки в % от массы це­мента;

А - концентрация раствора добавки в %;

ρ_д - плотность раствора добавки в г/см³ (кг/л).

В составах №№3,4,7 и 8 сохраняется оптимальная дозировка добавки, но расход воды последо-вательно уменьшается сначала до ОК=8...10см, а затем до исходной подвижности ОК=2...4см.

По результатам экспериментов вычисляют Ц/В отношение путем деления расхода цемента на полученный расход воды. Из бетонной смеси формуются 3 серии контрольных обра­зов-кубов. Две серии контрольных кубов пропариваются по режиму 3(4)+3+6 для испытания сразу после пропаривания после (6-8 час – охлаждения) и в возрасте 28 суток; образцы третьей серии испытывают через 28 суток «нормального хранения». Все перечисленные составы бе­тона изго-тавливают последовательно и пропаривают в одной ка­мере при условии, что между первым и последним замесом про­ходит время не более 1 часа. В противном случае одновременно готовят только 4 состава: с №1 по №4 и с №5 по №8 в разные дни, либо №№ 1,2,5,6 и №№3,4,7,8 в разные дни. Для бетонов «нормаль­ного хранения» прочность определяется через 3,7 и 28 суток.

По полученным результатам строят графические (либо на­ходят функциональные) зависи-мости:

- относительной прочности пропаренного бетона от Ц/В отношения R_пр/Rц= f(Ц/В);

- относительной прочности пропаренного или бетона «нормаль­ного хранения» в возрасте 28 суток от Ц/В R₂₈/Rц = f(Ц/В);

- кинетику роста прочности модифицированного бетона;

- расхода воды (водопотребность) пластифицированной бе­тонной смеси от ОК В = f(ОК).

Полученными результаты используются при проек­тировании или корректировке составов бетонных смесей с суперпластификатором С-3.

Помимо С-3 существуют и другие отечествен­ные суперпластификаторы: дофен (ДФ), мела-мин-формальдегидная смола МФ-АР (МФ-АР), НКНС 40-03 (40-03), СМФ (СМФ).

Пример 1. Требуется подобрать состав тяжелого бетона марки М400 с супер­пластификато-ром, формуемого из бетонной смеси с осадкой конуса 22-24см. Бетонная смесь состава без до-бавки имеет осадку по стандартному конусу 2-4см. Твердение - пропаривание по режиму 3+3+6+2ч, с температурой изотермического прогрева -80°С. Прочность бетона после пропа-ривания должна соответсвовать - 70 % от марочной.

Используемые материалы: портландцемент - среднеалюминатный М500 активностью - 48,5 МПа, с НГЦТ (нормальной густотой цементного теста - 25 % и ρ_ц= 3100 кг/м³); щебень гранит-ный фракции 5-20мм (ρ_щ = 2600 кг/м³); песок - речной (Мкр = 2,2, ρ_п = 2650 кг/м³).

1. В соответствии с правилами подбора состава по ГОСТ 27006-86 подобран состав бетона без добавки с расходом материалов, кг/м³:

цемент ............................. 392

песок .................................650

щебень .............................1155

вода ...................................200

В/Ц = 0,51; r = 0,36; ОК = 3,5см.

2. Бетон аналогичного состава изготавливается с добавкой суперплас­тификатора в количестве 0,5 % (в пересчёте на остаток-1,96 кг/м³). Полученная ОК бетонной смеси соответствует 18см или - на 4-6см ниже требуемой.

3. Снова приготавливается бетон аналогичного состава с СП в количестве 0,6 % (сухой остаток-2,35 кг/м³). ОК уже достигла более 24см. Бетонная смесь расслаивается, вода отделяется.

4. С целью исключения этого явления полезен один из приемов:

- готовится бетон аналогичного состава с 0,55 % СП (2,16кг/м³). ОК достигает - 23см;

- готовится бетон с 0,6 % СП со сниженным В/Ц до 0,48 . ОК достигает - 22см;

- готовится бетон с 0,6 % СП (2,35 кг/м3) с измененным соотношением и крупного и мелкого заполнителей (r = 0,38): расход песка -686 кг/м³, щебня - 1119 кг/м³. ОК - 22,5см.

5. Из состава бетонной смеси с СП (ОК = 22-24см) и состава бетонной смеси без добавки (ОК = 2-4см) изготавливают об­разцы – кубы и подвергают их пропариванию по режиму, принятому на производстве (3+3+6+2 ч). Температура изотермического прогрева- 80°С,

6. Пропаренные бетонные кубы испытывают на прочность при сжатии. Полу­чено, что Rсж бетона без добавки - 33,5 МПа, бетона с СП - 31,2 МПа.

7. Для повышения прочности бетона с СП выбирают один из следующих приемов:

повторно изготовленный состав с СП пропаривается по режиму 5+3+4+2 ч;

готовится новый состав бетона с дозировкой СП, превышающей предыдущую на 0,05-0,1 %, и соответственно на 5-10 % понижается водосодержание бетонной смеси (до получения ОК = 22-24см). Образцы пропариваюся по режиму 3+3+6+2 ч.

8. Состав, имеющий максимальную прочность (34,1 МПа), считается удовлетворительным для применения на производстве.

Пример 2.Требуется максимально повысить прочность бетона введением в его состав добавки СП. Бетонная смесь без добавки соответствует ОК = 2-4см.

Исходные данные по бетону – в примере 1.

1. По методике примера 1 подбирается состав бетонной смеси с оптимальной дозировкой СП - или точнее состав с максимальными подвижностью и прочностью бетона. (В данном случае эко­номически предпочтительнее идти на увеличение дозировки добавки с одновременным сни-жением водоцементного отношения).

2. Полученный состав бетона по расходу материалов на 1м³ ,кг составил:

цемент ............................. 394

песок .............................. 653

щебень ............................. I160

вода ............................... 188

СП ................................. 2,36 (0,6 55)

В/Ц = 0,48; ОК = 23см.

3. По методике ГОСТ 310.4- определяют величину понижения водопотребности растворной составляющей смеси. Она соответствует 20 %.

4. Изготавливается следующий состав бетона с сокращенным на 20 % водосодержанием.

При этом, учитывая, что масса сокращённой воды в 1м³ бетоне фактически замещается увеличенным расходом всех матери­алов, производится пересчет его составляющих, но при условии сохранения прежнего расхода цемента, равного расходу на 1м³ бетона, ука­занному в п.2 настоящего примера, т.е. - 394 кг/м³.

В результате фактический состав бетона (расход мате­риалов, кг/м³) составил:

цемент ...........................394

песок ............................ 675

щебень ..........................1199

вода ............................. 150

СП ............................... 2,36 (0,6 %}

В/Ц = 0,38. Замерами осадки конуса смеси установлена ОК = 6см.

5. Дополнительным снижением расхода воды на 2-3 % С и одновре­менным пересчетом состава бетона добиваются ОК= 2-4см.

6. Изготовленные бетоны с добавкой и без добавки пропари­вают по режиму 3+3+6+2 ч и после остывания через 4ч определяют их прочность. Для бетонов без добавки она равна 34,8 МПа, а для бетона с добавкой - 47,5 МПа. Полученный состав рекомендуется к производству

Пример 3.Определить сокращение времени термообработки и температуры изотермического прогрева при введении в бетон суперпластифика­тора СП.

Исходные данные - в примере 1.

1. По методике примера 2 подбирают состав бетона, изготовливаемый из бе­тонной смеси с ОК = 2-4см и достигающий по сравнению с эталоном без добавки наибольшего прироста прочнос­ти - на 12,7 МПа.

2. Выполняют повторный замес с СП. Образцы пропаривают по режиму 2+3+4+2 ч (сокращают на 1 ч время предварительной выдержки и на 2 ч время изотермического прогрева). Темпе-ратура изотермического прогрева - 80 °С. Прочность бетона после пропаривания - 38,8 МПа.

3. Выполняют третий замес с СП. Образцы пропаривают по режиму 2+3+4+2 ч. Снижают температуру изотермического прогрева на 10°С (до70°С). Прочность бетона после пропа-ривания - 33,1 МПа. Данный режим термообработки считается оптимальным.

Примечание. В заводском производстве сокращение времени предварительного выдерживания возможно в ограниченном числе технологий, например, в стендовом производстве крупноразмерных изделий формуемых, когда формуется одно изделие и оно находится в отдельной пропарочной камере.

Пример 4.Определить возможность снижения расхода цемента для бетона с суперпластифи-катором при условии сохранения подвижности бетонной смеси и прочности бетона.

Исходные данные по бетону - в примере 1.

1. По методике примера 2 подбирают состав бетона с СП. При том же приросте прочнос­ти по сравнению с эталоном - 12,7 МПа.

2. Изготавливается другой состав бетона с сокращенным (по сравнению с составом, приве-денным в пп. 4 и 5 примера 2) на 70кг рас­ходом цемента при сохранении требуемой подвиж-ности бетонной смеси за счёти увеличения водоцементного отношения на 0,02. В результате получен состав бетона следующим расход материалов (кг/м³):

цемент ............................324

песок ...............................707

щебень ............................267

вода ................................130

СП ..................................1,94 (0,6%) и

В/Ц = 0,40.

Полученная осадка конуса составила ОК = 3-4см.

3. После пропаривания бетона по режиму 3+3+6+2 ч определяютего прочность, которая составила - 35,1 МПа. Этот состав уже рекомендуется для производства.

Пример 5.Определить комплексное воздействие СП на бетонную смесь и бе­тон.

Исходные данные - по примеру 1.

1. По примеру 1 подбирают состав бетона с СП, в результате чего получено:

бетонная смесь пластифицируется от 2-4 до 20-22см; прочность бетона - на уровне эталона.

2. По существующей на заводе технологии требуется применение бетон­ной смеси с ОК = 6-8см. Поэтому готовится второй состав бетона с СП по аналогии с примером 2 (см. пп. 3-5) и отформованные образцы пропариваются бетона - по режиму 3+3+6+2 ч. Определения прочнос-ти бетона показали, что она соответствует -45,8 МПа.

3. Сокращают режим термообработки за счёт стадии изотермического прогрева на 2ч. Для чего изготавливают бетон такого же состава и образцы пропаривают по режиму 3+3+4+2 ч.

Определения прочности бетона показали, что она соответствует - 38,1 МПа.

4. Изготавливают бетон того же состава и пропаривание проводят по сокращенному режиму с дополнительно сниженной на 20°С темпера­турой изотермического прогрева. Определения прочности бетона показали, что она составляет - 35,7 МПа.

5. Изготавливают бетон, в составе которого ещё со­кращают на 20 кг/м³ расход цемента. Фак-тический состав его (кг/м³) составил:

Ц .............................. 374

П .............................. 668

Щ ..............................1190

В .............................. 150

Д .............................. 2,25 (0,6%)

В/Ц = 0,40.

6. Определения прочности бетона показали, что она составляет 32,1 МПа. Полученный состав бетона и режим его пропаривания рекомендуется к производству изделий.