Влияние комплексной полимерной добавки на прочность и усадочные деформации цементного камня

Аннотация

А.В. Налимова

Приведены результаты исследования влияния комплексной добавки полифункционального действия, состоящей из суперпластификатора, стабилизатора и редиспергируемого порошка на прочность и усадку цементного камня.
Разработана мультипликативная модель, с помощью которой возможно регулирование развитием деформаций и формированием прочности  композиций для различных составов сухих строительных смесей.  Установлены зависимости, описывающие влияния комплексной полимерной добавки на формирование прочности и развитие деформаций цементного камня. Получены функции значений коэффициентов в зависимости от дозировки используемых добавок.
Ключевые слова: сухие строительные смеси, цементный камень, добавки-модификаторы, суперпластификатор, добавка стабилизирующего действия, редиспергируемые полимерные порошки, прочность, усадочные деформации.

Ключевые слова:

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Широкое внедрение в практику строительства получили сухие строительные смеси (ССС). За небольшой период времени сухие смеси стали неотъемлемой частью современного строительства и завоевали высокий авторитет у российских строителей. В отличие от растворных и бетонных смесей, готовых  употреблению, ССС доставляют на объекты строительства в сухом виде и смешиваются с водой непосредственно перед использованием. В современном строительстве сухие смеси практически полностью вытеснили готовые к употреблению из таких видов строительных работ как облицовочные, штукатурные, гидроизоляционные и др.
Преимущества применения ССС заключаются в следующем:

• исключается необходимость в приобретении отдельных компонентов для растворов и их смешивания;
• сухие строительные смеси имеют стабильный состав, гарантирующий заданную марку;
• постоянный контроль качества на заводе гарантирует заданный состав растворов;
• продукция поставляется в упаковке (мешках);
• готовые сухие смеси на стройплощадку завозятся порционно согласно графику производства работ, что позволяет размещать и хранить их на небольших площадках;
• сухие смеси дают возможность готовить раствор порционно, с учетом объема работ. Оставшаяся сухая смесь может храниться длительное время, что сокращает потери материалов.

Отдельно следует отметить, что при производстве сухие смеси модифицируются полимерными добавками полифункционального действия. Добавки существенно влияют на физико-механические свойства растворов и позволяют достигать таких свойств, которые обычные цементные растворы проявить не могут. Так, например, растворная смесь самонивелирующихся наливных полов должна характеризоваться высокой текучестью, для приклеивания плитки требуется хорошая клейкость пастообразной растворной смеси. Кроме того, важны эластичность и высокие адгезионные характеристики отвердевших тонкослойных растворов. Применение химических добавок полифункционального действия позволяют решать эти задачи.
Модификация ССС позволяет придать им принципиально новые физические свойства, не характерные для обычных цементных растворов. Однако, разработка отечественных смесей различного назначения,   конкурентоспособных в сравнении с импортными аналогами,  затруднена. Это связано с отсутствием научно обоснованных, экспериментально подтвержденных  и проверенных многолетней эксплуатацией закономерностей «состав–структура–свойства» для различных составов композиций.  
Поэтому возникает необходимость в глубоком изучении влияния различных полимерных добавок на основные свойства цементного камня и ССС.
Практика показала, что комбинация именно трех добавок полифункционального назначения обеспечивает основные технологические и строительно-технические свойства растворным смесям и растворам. Это - комбинация из суперпластифицирующей добавки, добавки стабилизирующего действия и редиспергируемого полимерного порошка для обеспечения высокой адгезии.
Наибольшее распространение в производстве ССС получили суперпластификаторы на меламинформальдегидной основе, стабилизаторы на основе эфиров целлюлозы и редиспергируемый полимерные порошки -  сополимеры винилацетата с этиленом. Данные добавки обеспечивают декларируемые свойства как растворным смесям так и затвердевшим растворам. Однако влияние этих добавок на прочностные характеристики и усадочные деформации цементного камня и смесей требуют глубокого изучения.
Проведенные исследования влияния комплексной добавки функционального действия, состоящей из суперпластификатора (СП), стабилизатора (МЦ) и редиспергируемого порошка (ВА) на величину деформаций усадки и предела прочности цементного камня позволили сделать следующие выводы:

• добавка МЦ не влияет на развитие деформаций усадки цементного камня;
• добавка ВА увеличивает усадочные деформации цементного камня;
• суперпластифицирующая добавка увеличивает усадку;
• более высокие значения усадки цементного камня дает комплексная добавка, состоящая из СП и ВА;
• применение комплексной добавки, состоящей из СП, ВА и МЦ приводит к увеличению усадки почти в два раза в сравнении с усадкой цементного камня без полимеров;
• наблюдается значительное повышение прочности цементного камня (примерно на 30 %) при применении СП за счет снижения В/Ц-отношения;
• МЦ и ВА в принятых комбинациях снизили прочность цементного камня.

Результаты исследований влияния комплексных полимерных добавок на процессы гидратации, отраженные в работах В.И. Калашникова, В.С. Демьяновой, Г.В. Несветаева, Е.А. Урецкой, Т.Н. Черных и др. показали, что рассматриваемые добавки практически не влияют на процессы гидратации [1, 2, 3, 4].
Некоторые авторы снижение прочности модифицированных растворов и бетонов объясняют тем, что добавки, находясь в объеме материала, распределяются на поверхности зерен цемента и заполнителя и тем самым ухудшают сцепление между ними. Кроме того, снижение прочности может быть вызвано вовлеченным воздухом, т.к. СП и МЦ являются ПАВ. При этом могут иметь место и другие причины снижения прочности, которые требуют дальнейшего изучения.
Для оценки влияния полимерных добавок на свойства цементного камня предлагается мультипликативная модель [5], отражающая связь между свойствами модифицированного цементного камня (R,  ε)  с базовыми значениями показателей (R₀, ε₀).
Связь осуществляется посредством введения коэффициентов, учитывающих влияние полимерных добавок в зависимости от дозировки.
Предложенная модель представлена зависимостями 1 - для прочности  и 2 – для деформаций цементного камня:
R=k₁k₂k₃R_0,    (1)
где k₁ – коэффициент, учитывающий влияние СП,
k₂ – коэффициент, учитывающий влияние МЦ,
k₃ - коэффициент, учитывающий влияние ВА,
R₀ – прочность на сжатие цементного камня без добавок в возрасте 28 сут.
ε=p₁p₂p₃ ε₀,   (2)
где p₁ – коэффициент, учитывающий влияние СП,
p₂ - коэффициент, учитывающий влияние МЦ,
p₃ - коэффициент, учитывающий влияние ВА,
ε₀ – деформации цементного камня без добавок в возрасте 120 сут.
Коэффициенты k₁,  k₂, k₃, p₁, p₂, p₃ являются корректирующими коэффициентами, учитывающими влияние полимерных добавок на прочность и усадочные деформации цементных композиций.
Для того чтобы получить зависимости влияния различных полимерных модифицирующих добавок на развитие собственных деформаций и формирование прочности цементного камня, полученные результаты исследований были приведены к значениям при равной величине В/Ц. Для приведения прочности и деформаций усадки к равным значениям В/Ц были использованы формулы 3 и 4 соответственно для прочности и усадки [6]:
A_C = R / 0,48(В/Ц)^-1,3885,    (3)
где AC – приведенная прочность цементного камня;
R – фактическая прочность  цементного камня в возрасте 28 сут.

εс= ε(1,98 В/Ц + 0,18)     (4)

где ε_с – приведенная усадка цементного камня к величине В/Ц цементного камня с суперпластификатором;
ε – фактическая усадка цементного камня в возрасте 120 сут.
Полученные зависимости «приведенной прочности» от В/Ц цементного камня отражены на рис. 1.
Как видно из представленных зависимостей, применение суперпластификатора и добавки стабилизирующего действия на основе эфиров целлюлозы при равном В/Ц приводит к уменьшению приведенной прочности цементного камня (на графики линии сп и мц), что, видимо, связано с негативным влиянием этих полимеров на процессы гидратации цемента. При этом следует отметить положительное влияние редиспергируемого полимерного порошка (на графики линия ва).
Полученные зависимости «приведенной усадки» от В/Ц цементного камня отражены на рис. 2.
Представленные зависимости показали, что эфиры целлюлозы не влияют на деформации, редиспергируемые порошки увеличивают усадку цементного камня на 20 %, а суперпластификатор увеличил усадку более чем на 50 %. Совместное применение СП, МЦ и ВА (на графике линия КД) приводит к увеличению усадки более чем в два раза.

Рис. 1. Зависимость приведенной прочности цементного камня с различными модификаторами от В/Ц

Рис. 2. Зависимость приведенных деформаций цементного камня с различными модификаторами от В/Ц
*- принятые обозначения
эт – цементный камень без добавок
мц – цементный камень с добавкой МЦ=0,4%
ва – цементный камень с добавкой  ВА=5%
СП – цементный камень с добавкой СП=1,2%
КД – цементный камень с комплексной добавкой  МЦ=0,4%, ВА=5%, СП=1,2%
В результате проведенных исследований были получены зависимости, описывающие влияния полимерных добавок функционального действия на формирование прочности и развитие усадочных деформаций цементного камня. На основании полученных зависимостей влияния полимерных добавок на свойства цементного камня были найдены функции значений коэффициентов k₁  k₂  k₃  и p₁  p₂  p₃ в пределах принятых дозировок добавок. Полученные функциональные зависимости представлены в табл. 1 и 2.
Таблица 1 – Зависимости прочности на сжатие

Таблица 2 – Зависимости деформаций усадки

Совместное воздействие полимерных добавок на прочность и деформации усадки цементного камня при использовании мультипликативных моделей подтверждается экспериментальными данными, отраженными в табл. 3.
Таблица 3 – Теоретические и экспериментальные значения коэффициентов

Вывод:
1. В результате проведенных исследований, направленных на изучение влияния различных добавок-модификаторов на прочность и усадку цементного камня, была разработана мультипликативная модель.  С помощью этой модели возможно управление развитием деформаций и формированием прочности  композиций для различных составов сухих строительных смесей.  
2. Получены зависимости, описывающие влияния комплексной полимерной добавки, состоящей из суперпластификатора, добавки стабилизирующего действия и редиспергируемого полимерного порошка на формирование прочности и развитие деформаций цементного камня.
3. Получены функции значений коэффициентов в зависимости от дозировки добавок  (табл. 1 и 2).

Список литературы:

1. 1.Демьянова В.С., Калашников В.И., Мишин А.С., Кузнецов Ю.С. К вопросу оценки блокирующей функции суперпластификаторов на кинетику твердения цементов // Сборник научных трудов Международной научно-практической конференции: Композиционные строительные материалы. Теория и практика. – Пенза, 2002. -  С. 54-60
   2.Несветаев Г.В., Малютина Т.А. Влияние добавок – модификаторов на процессы гидратации портландцемента // Строительство – 2003. Материалы межд. конф. – Ростов-на-Дону: РГСУ, 2003. – С.16-17
   3.Черных Т.Н., Трофимов Б.Я., Крамар Л.Я. Влияние эфиров целлюлозы на свойства растворных смесей и растворов // Строительные материалы №4, 2004. – С.42-43
   4.Урецкая Е.А., Смирнов В.В., Плотникова Е.М. и др. Модификация сухих смесей дисперсионными порошками и эфирами целлюлозы – путь к повышению   их качества и долговечности // Сборник докладов 2-й Международной научно-технической конференции Современные технологии сухих смесей в строительстве – С.-Петербург, 2000
   5. Налимова А.В. Полимерцементные композиции с компенсированной усадкой для наливных полов // Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. – Ростов-на-Дону – 2006
   6. Несветаев Г.В., Налимова А.В. Оценка эффективности суперпластификаторов применительно к отечественным цементам // Бетон и железобетон в третьем тысячелетии: Материалы 2-й межд. конф. – Ростов-на-Дону, 2002. – С.269-274