Добавка для сборного железобетона - Бетон, ЖБИ

Сократить энергозатраты при производстве сборного железобетона можно за счет применения высокоэффективных химических добавок полифункционального действия.
Некоторые из них при нормальном твердении (20ОС ) через 24-36 часов позволяют получать 50-70%-ную прочность. Однако полностью исключить процесс тепло-влажностной обработки (ТВО) из технологического цикла производства до сих пор не удается. Причин здесь много и, самая главная -- это температурные условия твердения железобетонных изделий в цехе. Поддерживать их на уровне 20ОС в зимний период проблематично, затраты будут намного больше, чем при отказе от ТВО.
Для разработки химической добавки, позволяющей отказаться от ТВО, в лабораториях Белорусского научно технического университета и Института общей и неорганической химии АН РБ проводились комплексные исследования. была получена пластифицирующая добавка. Исходный продукт водорастворимая эпоксидная смола марок ДЭГ-1 и ТЭГ-1 (продукт конденсации диэтиленгликоля с эпихлоргидрином) представляет собой низковязкую жидкость с массовой долей эпоксидных групп -- 26%. Он полностью растворяется в воде, спиртах и ацетоне. Эмпирическая формула смолы ДЭГ-1 -- С10Н18О5.
При смешивании алифатической смолы с водным раствором окислителя в определенном соотношении эпоксидная группа ДЭГ-1 -- разрушается. В результате образовываются новые соединения:

1. Na+O2N- = CH-CHOH-Ri-CHOH-CH=NO2- Na+

2. Na+O2N- = CH-CHOH-Ri-CHOH-CH2OH

3. O2N-CH2-CHOH-Ri-CHOH-CH= NO2- Na+
ONO-CH2-CHOH-Ri-CHOH-CH= NO2- Na+

4. O2N-CH2-CHOH- Ri-CHOH-CH2-NO2
ONO-CH2-CHOH- Ri-CHOH-CH2-ONO
ONO-CH2-CHOH- Ri-CHOH-CH2-NO2

5. ONO-CH2-CHOH- Ri-CHOH-CH2OH
O2N-CH2-CHOH-R-CHOH-CH2OH

где Ri – CH2[-O-R-O-CH2-CH-CH2]n –O-R-O-CH2 и R – -CH2-CH2-O-CH2-CH2-
l
OH
При этом водная фракция продукта 1, 2, 3 содержит ионизированные соединении, а органическая 4, 5 – неионизированные. Продукт синтеза ДЭГ-1 с окислителем получил название -- термопластической смолы ДЭГ-М.
Для повышения эффективности ДЭГ-М, в ее состав был добавлен неорганический компонент понижающий вязкость воды ( KNO3 ). Исследования показали, что новый синтезированный продукт ускоряет процесс твердения цементных композиций. Эта добавка получила название ТСМ (термопластическая смола модифицированная, Патент получен в 2005 г.)
Для повышения интенсивности набора прочности материала в начальный период твердения, ТСМ эффективно использовать с электролитами (ускорители твердения). Эта добавка с электролитами (CaCl2, Na2SO4, нитрит-нитрат хлорид кальция - ННХК и др.) снижает нормальную густоту цементного теста, пластифицирует его и сокращает сроки схватывания. ТСМ+ электролит обладает полифункциональным действием.
Результаты исследований и промышленная апробация комплексной добавки позволили определить оптимальное соотношение компонентов ТСМ: 0,2% ДЭГ-М; 0,6% азотнокислого калия и 1,2% ННХК, что соответствует 1:3:6.
Результаты опытов (табл. 1) показывают, что при введении 1,5-2% добавки от массы цемента начало схватывания сокращаются в 4-6 раз, а конец – в 2,5-3 раза в зависимости от минералогического состава цемента.
Таблица 1
Изменение нормальной густоты цементного теста и сроков схватывания

№ це-
мента Минералогический состав
цементного клинкера, % Кол-во
ТСМ,
% Нормаль-
Ная густота, % Сроки схватывания, ч.- мин.
C3S C2S C3A C4AF начало конец
1 58 19 4 17 0 30 2-45 6-30
1,5 24,5 0-35 2-20
2 24 0-40 2-00
3 21,5 2-30 4-10
2 57 18 6 16 0 26,25 2-50 5-15
1,5 25 0-30 2-40
2 23,75 0-45 2-10
3 22,5 2-40 3-50
3 51 23 14 10 0 32,5 3-05 4-30
1,5 25,75 0-55 2-50
2 24,5 1-05 2-30
3 21,75 2-30 4-00


С увеличением концентрации добавки до 3% сокращается только величина τкс примерно в 1,2-1,5 раза. Эти явления можно объяснить некоторым замедлением процесса гидратации цемента в начальный период и более быстрым завершением индукционного периода. С увеличением С3А сроки схватывания сокращаются в меньшей степени, что подтверждает известные представления об избирательной адсорбции добавок. Повышение дозировки ТСМ приводит к снижению нормальной густоты цементного теста.
При твердении цемента, скорость растворения и гидролиз его минералов, значительную роль играет плотность и вязкость жидкой фазы (η). Чем ниже величина η, тем выше скорость растворения минералов цемента. В итоге, твердение цементных композиций происходит более интенсивно. Значение η раствора добавки при нормальной температуре снижается на 0,08-0,13 сантипуаз (табл.2), что соответствует повышению температуры твердения примерно на 5ОС.


Таблица 2
Изменение динамической вязкости раствора добавки ТСМ

Кол-во
ТСМ+ННХК, % Динамическая вязкость раствора при температуре, ОС
20 30 40 50 60 80
0 1,00 0,78 0,65 0,55 0,46 0,36
1,5 0,92 0,72 0,59 0,50 0,43 0,27
2,0 0,90 0,71 0,58 0,48 -- 0,26
2,5 0,88 0,70 -- 0,48 0,40 0,27
3,0 0,87 0,69 0,57 0,47 0,40 0,26

Поскольку долговечность железобетонных конструкций зависит от рН поровой жидкости, мы провели испытания -- не понижает ли добавка ТСМ щелочность цементного теста, не становится ли она ниже допустимой для железобетонных конструкций 11,8. Результаты опытов показали, что рН при введении ТСМ составило 12,8 против 12,3 – без добавки. Таким образом, ТСМ, имеющая в своем составе органическую составляющую, не может служить причиной коррозии стальной арматуры в бетоне. По сути, она является ингибитором.
Введение комплексной добавки в бетонную смесь пластифицирует ее. Для того чтобы получить равную подвижность, следует снижать количество воды. Насколько сокращается объем воды для разных цементов показано в таблице 3.
Таблица 3.
Снижение количества воды затворения, %


Вид цемента:
Расход цемента в кг на один м3 смеси
200 300 400 500
Портландцемент:
ДО 12 14 15 16
Д 20 12 15 16 17
Д > 20 14 15 16 18
БТЦ 10 11 13 15
Пуццолановый портландцемент 12 14 16 18

Уменьшение воды в бетонной смеси предполагает корректировку состава бетона, т.к. его объем становится меньше на 12-18 литров.
Для производства ТСМ в промышленных объемах и использования ее на предприятиях стройиндустрии, были получены соответствующие сертификаты и заключения Роспотребнадзора, МЧС и НИИЖБа и разработана технологическая схема синтеза ТСМ (рис.1).
Время перемешивания компонентов в мешалке принудительного действия с количеством оборотов 10-15 об/мин. зависит от температуры смеси и может колебаться от 4 до 16 часов.

Таблица 4
Длительность перемешивания раствора в зависимости от его температуры
Температура, 0С 15 20 25 30 35 40 50 60
Время, ч-мин 16-00 13-30 11-30 10-00 8-30 7-00 5-30 4-00

Для исключения выпадения осадка готового продукта его необходимо барботировать – подавать воздух под давлением 5 атм. Заполнение емкости должно быть не более 70% от полного объема.
Добавка может храниться в течение года без изменения своих потребительских свойств. ТСМ может замерзать, но при оттаивании ее свойства полностью восстанавливаются.
Использование ТСМ в производственных условиях на российских предприятиях в гг. Владимир, Вологда, Люберцы, Рязань, Набережные Челны, и др. и белорусских заводах. ЖБИ позволило получать железобетонные изделия без ТВО при температуре в цеху более 15ОС.


Рис. 1. Технология производства добавки ТМС

Размещение производства ТСМ на одном из ЖБИ даст существенный экономический эффект предприятию, как от прямого энергосбережения, так и от реализации добавки. Промышленная линия изготовления ТСМ не требует значительных финансовых затрат и полностью окупается за 1,5-2 года. Технология получения ТСМ выгодно отличается от других органических ПАВ тем, что для ее синтеза не требуется специального дорогостоящего химического оборудования. При необходимости, производство этой добавки можно сделать мобильным, смонтировав на передвижной платформе.
И так, нами получена добавка ТСМ нового поколения, изменяющая структуру жидкой фазы в бетонной смеси, что позволяет совместно с электролитами изготавливать железобетонные изделия без тепловой обработки. Добавку можно применять для производства сборного железобетона с обычным и предварительно напряженным армированием. Она относится к малоопасным веществам, а ее производство экологически чистое.
Виталий Марцинкевич, к.т.н., доцент