Значне збільшення обсягу використання хімічних добавок при виготовленні бетону в останні роки в Росії і за кордоном спричинило за собою зростання наукових досліджень їх впливу на теплофізичні характеристики різних видів бетонів.
Раніше проведені дослідження показують, що полістиролбетон - ефективний теплоізоляційний матеріал, який може використовуватися, як конструкційний, проте досить широких досліджень його, як конструкційний матеріал, не проводилося. Тим часом, застосування полістиролбетону підвищеної міцності, як одного з найбільш ефективних для будівництва з точки зору економіки і принципів енергозбереження на сьогоднішній день затребуване і перспективно в майбутньому.
ВАТ «Уральський науково-дослідний інститут архітектури та будівництва» (колишня наукова частина Уралпромстройнііпроекта) за радянських часів було за своєю суттю регіональним підрозділом НііЖБе при Держбуді РФ в Уральському регіоні і завжди підтримувало пріоритет в сфері наукових досліджень нових будівельних матеріалів і виробів.
В процесі оптимізації складів конструкційного полістиролбетону було вибрано два напрямки:
- поліпшення параметрів бетонної суміші (легкоукладальність, однорідність, зменшення витрати цементу або води) і, як наслідок, підвищення міцності розчинної матриці (активізація в'яжучих властивостей заповнювача, процесів гідратації і тертя цементу);
- поліпшення неподільності поверхні розчинної матриці в утворюються порах на кордоні її фазових контактів з гранулами основного наповнювача - полістиролу і, як наслідок, менша деформованість матеріалу.
Було поставлено завдання, за допомогою сучасних хімічних добавок виготовити досить легкий (в діапазоні щільності від 900 до 1300 кг / м 3) і міцний (від 7,0 до 16,0 МПа) полістиролбетон з хорошими теплоізоляційними характеристиками. За результатами попередніх досліджень було встановлено найкращий в Уральському регіоні заповнювач для конструкційного полістиролбетону - доменного гранульованого шлаку Серовское металургійного заводу фракції 0,64-1,25.
Слід зазначити, що досліджуваний конструкційний матеріал затребуваний для застосування в серійному виготовленні на заводах ЗБВ стінових панелей, перемичок, плит перекриттів і покриттів, тому додатковим обмежуючим фактором при його створенні виступала необхідність низької вартості нового бетону.
Експериментальні дослідження проводилися протягом 2 років фахівцями відділу «Несучих залізобетонних конструкцій», Випробувального центру «НИИС», а також за підтримки лабораторії кафедри «Будівельні конструкції» Будівельного факультету УГТУ-УПІ.
Склади полістиролбетону підбирали з урахуванням ГСОТ 27006-86, на основі методики НііЖБе, в яких необхідна кількість складових визначалося розрахунково-експериментальним методом. Використовувався портландцемент заводу «Невьянский цементник» М400 ДО (без мінеральних добавок).
Кількість води підбиралось з умови необхідної легкоукладальності суміші.
Випробування кубикової міцності на стиск проводилися на зразках геометричними розмірами 10,0 * 10,0 * 10,0 см, міцності на вигин - на балочках геометричними розмірами 4,0 * 4,0 * 16,0 см, а призмовою міцності на стиск ( з визначенням модуля пружності і розрахунком коефіцієнта Пуассона) - на зразках геометричними розмірами 15,0 * 15,0 * 60,0 см. Геометричні розміри зразків для випробування міцності на вигин були прийняті, виходячи з оптимального співвідношення середнього розміру гранули полістиролу заповнювач 3,0 мм і висоти ребра балочки 40,0 мм. Серія із зразків проектного складу складалася з трьох призм розмірами 15,0 * 15,0 * 60,0 см, трьох балочек - 4,0 * 4,0 * 16,0 см і шести кубів - 10,0 * 10,0 * 10,0 см.
Основною характеристикою опору полістиролбетону стиску в розрахунках являє-ся призмова міцність. Для переходу від міцності кубів до міцності призм визначався коефіцієнт призмовою міцності (відношення міцності кубів до міцності призм). Він коливався від 0,92 до 0,97 і в середньому був прийнятий ближче до 0,95.
Перед випробуванням призм здійснювалося їх центрування по фізичній осі. Навантаження вироблялося ступенями, рівними 2,5% від очікуваної величини руйнівного навантаження (по 500 кгс). На кожному ступені здійснювалася витримка по 3 хв і записувалися відліки за приладами на початку і кінці витримки. Для зміни поздовжніх і поперечних деформацій застосовувалися індикатори годинникового типу з ціною поділки 0,01 мм. За результатами випробування серії призм був побудований графік залежності деформацій від напружень.
Для визначення фізичних характеристик конструкційного полістиролбетону проводилося випробування морозостійкості кубів геометричними розмірами 10.0 * 10, * 10,0 см в кількості 18 зразків кожної серії по 100 циклів заморожування і відтавання. Крім того, проводилося випробування полістиролбетонних циліндрів діаметром 15,0 см і заввишки 15,0 см в кількості 12 зразків в кожній серії на паропроникність.
Гідрофобні властивості легких пінополістирольних заповнювачів з закритими порами (заряд на поверхні гранули полістиролу бере участь в процесі змочування) можуть надавати несприятливий вплив, так як знижується міцність фазових контактів (зчеплення між цементним тестом і поверхнею частинок). Внаслідок цього, необхідно використання хімічної добавки змінює цей заряд на протилежний, щоб поверхня гранули проявляла гідрофільні властивості. Крім того, доцільно застосування добавок підвищують пластичність розчину (С-3, ТЕА, СДО) одночасно з добавками, що підвищують міцність цементного каменю на кордоні контакту з гранулами полістиролу (вапняне молоко і епоксидної смоли) і терпку активність зерен шлакового заповнювача (розчин NaOH).
Таким чином, на початковому етапі проведення експериментів були випробувані такі різнопланові хімічні добавки, як суперпластифікатор С-З, ТЕА, натрій їдкий, ПВА, епоксидна смола спільно з Полиетиленаміни, а також вапняне молоко і повітровтягуюча добавка СДО.
Введення 0,5% і 0,8% суперпластифікатора С-З від маси цементу в полістиролбетону суміш дало підвищення міцності зразків на стиск і вигин в порівнянні з контрольними на 2,1 Мпа і 2,5 Мпа відповідно. Водопотребность при замішуванні в'яжучого речовини за рахунок підвищення пластичності суміші знизилося на 40 і 55% від водопотребности контрольного складу. Морозостійкість кубів склала не менше 100 циклів.
Досягнуте збільшення міцності зразків на стиск і вигин на 80% при використанні епоксидної смоли з додаванням розчинника ацетону і затверджувача Полиетиленаміни компенсується підвищенням вартості полістиролбетону майже в 2 рази за рахунок високої вартості добавок. Морозостійкість кубів склала не менше 50 циклів.
Для підбору найкращих за фізико-механічними і теплоізоляційними властивостями полістиролбетону складів сировинних компонентів були випробувані різні поєднання цих добавок.
Оптимальним поєднанням добавок для виготовлення конструкційного полістиролбетону було прийнято використання пластифікатора С-3 разом з СДО при попередній обробці полістирольних гранул вапняним молоком. Враховувалася сукупність показників ринкової вартості як самих добавок, так і передбачуваного бетону, простота застосування і отриманий ефект комплексного поліпшення властивостей матеріалу.
Найкращі показники були досягнуті при додаванні 0,5% С-3 і 0.25% СДО по масі цементу, з подальшою обробкою отриманих зразків в пропарювальної камері протягом доби при температурі + 800С. При попередньому покритті гранул полістиролу вапняним молоком було отримано додаткове збільшення міцності зразків полістиролбетону на 20-25% проте було відмічено незначне зниження пластифицирующего ефекту від використання С-3 і СДО. Крім цього, змінився характер руйнування зразків полістиролбетону при стисненні, ймовірно, за рахунок збільшення міцності фазових контактів на кордоні між гранулами полістиролу і цементним каменем.
Надалі, в зв'язку з появою на ринку нових хімічних добавок для бетонів з кращими властивостями, з точки зору виробника, виникла необхідність в проведенні порівняльних експериментальних випробувань міцності зразків конструкційного полістиролбетону.
Варто зазначити, що добавки нового покоління типу полікарбоксілатов і акрилових сополімерів зі складними компаніями, поки не конкурентоспроможні на російському ринку через їх високу вартість. Висока ефективність даних добавок передбачається через створення ними стеріческіх сил відштовхування в адсорбційних шарах, що оточують частинки цементу. Результат дії стеричного ефекту набагато сильніше дії електростатичних сил відштовхування між частинками, які лінійно пов'язані з плинністю цементного тесту. На жаль, ці хімічні добавки не є універсальними не з усіма складами російських цементів. Тобто, ефект збереження дії добавок в часі обмежується властивостями і хімічним складом цементу. Наприклад, добавка, що входить до складу сумішей емакі, вироблена великим хімічним концерном «Degussa», високо ефективна тільки з цементом Старооскольського заводу М600.
Хімічні добавки групи лінгосульфатов, одержувані у вигляді відходів в промисловості від виробництва паперу (лінгопан Б 1-4, КМХ і т.п.), менш ефективні, ніж С-3 і його похідні (наприклад, добавки групи «Релаксон») і кілька незручні у використанні в зв'язку з нестабільністю їх складу і властивостей. Позитивним фактором є відносна низька вартість цих добавок.
Коротка характеристика нових хімічних і воздухововлекающих добавок, обраних для порівняльного експерименту.
Повітровтягувальна добавка «SDO-L» є модифікацією добре відомого СДО, яка зараз широко застосовується для виробництва теплоізоляційного полістиролбетону SDO-L є добавкою, призначеною зменшити щільність і поліпшити легкоукладальність суміші, а також підвищити теплоізоляційні характеристики бетону. Діє за принципом поризації цементного тесту. СДО виходить за рахунок найкращого співвідношення смоляних і жирних (інакше омильних і не омильних) кислот в процесі обробки певних листяних порід деревини, наприклад, берези. А «SDO-L», зі слів розробників, є продуктом омилення деревних пеков, тобто відходів при сухій перегонці (піролізі) деревини. Органічна частина виділяється шляхом екстракції з наступною відгоном. Розроблено і пропонується фахівцями компанії «Внешхімопт» під керівництвом Ю.М. Гольдшміта р Нижній Новгород. В Уральському регіоні поставляється компанією «Лакра».
Хімічна добавка «KF - адгезив» розроблена спеціально для полістиролбетону. В основі принципу дії лежить механізм електрохімічних реакцій адгезії (типу позолота, хромування тільки без електрики). Вона створює на поверхні гранул поле, заряджене протилежним зарядом, ніж цементні частки, що, в свою чергу, притягує цемент на полістиролбетон. Тим самим досягається деякий урівноваження мас полістиролу і цементного тесту і відбувається їх рівномірне перемішування. Добавка розроблена кілька років тому фахівцями компанії «Трібус» м Волгоград і на сьогоднішній день поставляється даною компанією на будівельний ринок.
Підвищення вартості витратних матеріалів для конструктивного полістиролбетону орієнтовною щільністю близько 1000 кг / м 3 при застосуванні 47,5 кг добавки «Реламикс-2» на 1 м 3 складає 12-13% від вартості полістиролбетону. Однак (на думку виробників добавки) зростання продуктивності, іншими словами зниження загальної собівартості по заробленої плати, накладних та інших витрат знизиться приблизно в 8 разів.
При використанні «SDO-L» в полістиролбетону відбувається збільшення обсягу суміші за рахунок воздухововлеченія, тим самим при регулюванні її технологічних параметрів доводиться зменшувати обсяг полістиролу і збільшувати обсяг цементу, що призводить до деякого зниження спочатку заданих теплоізоляційних характеристик. Коефіцієнт опору теплопередачі склав 0,24 В / моС при щільності зразків в діапазоні 870-900 кг / м 3. Морозостійкість кубів - не менше 100 циклів.
Застосування воздухововлекающей добавки «SDO-L» є більш затребуваним для теплоізоляційного полістиролбетону не потребує підвищеної міцності (в діапазоні щільності від 150 до 600 кг / м 3), тоді як хімічна добавка «КF - адгезиву» за своїм механізмом дії, в першу чергу, затребувана для конструктивного полістиролбетону в діапозоні щільністю від 900 до 1300 кг / м 3. Проте, вплив хімічної добавки «КF - адгезив» на теплофізичні характеристики полістиролбетону вимагає подальшого більш глибокого дослідження.
Слід зазначити, що за результатами попередніх досліджень, темп набору міцності полістиролбетону на заповнювачі з гранульованого доменного шлаку триває протягом більш довгого періоду часу (60 діб щодо 28-ми). Передбачається, що з плином часу, відмінність в характеристиках міцності полістиролбетону із застосуванням даних добавок дещо скоротиться.
Попередні результати підбору та випробування складів сировинних компонентів конструкційного полістиролбетону, наведені в таблиці № 1, дозволяють запропонувати, що найкращим поєднанням хімічних добавок буде використання пластифікатора «Реламикс-2» спільно з «КF - адгезивом» в менших концентраціях, при попередній обробці гранул полістиролу вапняним молоком.
В результаті проведених досліджень з проектування складів і випробуванню теплофізичних властивостей полістиролбетону був отриманий новий матеріал для будівельних конструкцій з хорошими показниками міцності і теплоізоляційними характеристиками, призначений для виготовлення на заводах ЗБВ стінових панелей, перемичок, плит перекриттів і покриттів.
Другим етапом науково-дослідної роботи передбачається розробка методик розрахунку згинальних та позацентрово стиснутих армованих конструкцій з полістиролбетону підвищеної міцності, з випуском тимчасових технічних умов на дану продукцію.
А.С. НОСКОВ, д-р технічних наук, професор, В.П. ФІЛІППОВ, В.А. БЕЛЯКОВ, УГТУ-УПІ,
ВАТ Уральський науково-дослідний інститут архітектури та будівництва