Значительное увеличение объема использования химических добавок при изготовлении бетона в последние годы в России и за рубежом повлекло за собой рост научных исследований их влияния на теплофизические характеристики различных видов бетонов.

    В конце августа 2004 года в Екатеринбурге, столице Урала, была проведена научно-практическая конференция «Влияние требований нового ГОСТа на развитие производства и рынка строительства». Организации конференции выступили НИИЖБ (г. Москва), факультет строительного материаловедения УГТУ-УПИ и ОАО «ПОЛИПЛАСТ» (крупнейший производитель химических добавок для изготовления бетона). Наиболее значимым событием в программе ОАО «ПОЛИПЛАСТ» новой серии химических добавок для повышения качества бетона.

    По итогам конференции, в рамках продолжения ранее начатой работы, в ОАО институт «УралНИИАС» было принято решение о проведении сравнительных исследований влияния новых химических добавок «Реламикс-2» (разработки специалистов компании «ПОЛИПЛАСТ»), «KF-адгезив» и новой воздухововлекающей добавки «SDO-L», на качество конструкционного полистиролбетона. Научно-исследовательская работа, проводимая под общим руководством НИИЖБ, совместно со Строительным факультетом УГТУ-УПИ была удостоена Диплома Всероссийской научной конференции «Наука. Технологии. Инновации» в 2003 году и номинирована на премию Губернатора Свердловской области в 2004 году.

    Ранее проведенные исследования показывают, что полистиролбетон – эффективный теплоизоляционный материал, который может использоваться, как конструкционный, однако достаточно широких исследований его, как конструкционного материала, не проводилось. Между тем, применение полистиролбетона повышенной прочности, как одного из наиболее эффективных для строительства с точки зрения экономики и принципов энергосбережения на сегодняшний день востребовано и перспективно в будущем.

    ОАО «Уральский научно-исследовательский институт архитектуры и строительства» (бывшая научная часть Уралпромстройниипроекта) в советское время являлось по своей сути региональным подразделением НИИЖБа при Госстрое РФ в Уральском регионе и всегда поддерживало приоритет в сфере научных исследований новых строительных материалов и изделий.

    В процессе оптимизации составов конструкционного полистиролбетона было выбрано два направления:

• улучшение параметров бетонной смеси (удобоукладываемость, однородность, уменьшение расхода цемента или воды) и, как следствие, повышение прочности растворной матрицы (активизация вяжущих свойств заполнителя, процессов гидратации и трения цемента);
• улучшение слитности поверхности растворной матрицы в образующихся порах на границе её фазовых контактов с гранулами основного наполнителя – полистирола и, как следствие, меньшая деформируемость материала.

    Была поставлена задача, с помощью современных химических добавок изготовить достаточно легкий (в диапазоне плотностей от 900 до 1300 кг/м3) и прочный (от 7,0 до 16,0 МПа) полистиролбетон с хорошими теплоизоляционными характеристиками. По результатам предварительных исследований был установлен наилучший в Уральском регионе заполнитель для конструкционного полистиролбетона – доменный гранулированный шлак Серовского металлургического завода фракции 0,64-1,25.

    Следует отметить, что исследуемый конструкционный материал востребован для применения в серийном изготовлении на заводах ЖБИ стеновых панелей, перемычек, плит перекрытий и покрытий, поэтому дополнительным ограничивающим фактором при его создании выступала необходимость низкой стоимости нового бетона.

    Экспериментальные исследования проводились в течение 2 лет специалистами отдела «Несущих железобетонных конструкций», Испытательного центра «НИИС», а также при поддержке лаборатории кафедры «Строительные конструкции» Строительного факультета УГТУ-УПИ.

    Составы полистиролбетона подбирали с учетом ГСОТ 27006-86, на основе методики НИИЖб, в которых необходимое количество составляющих определялось расчетно-экспериментальным методом. Использовался портландцемент завода «Невьянский цементник» М400 ДО (без минеральных добавок).

    Количество воды подбиралось из условия требуемой удобоукладываемости смеси.

    Испытания кубиковой прочности на сжатие проводились на образцах геометрическими размерами 10,0*10,0*10,0 см, прочности на изгиб – на балочках геометрическими размерами 4,0*4,0*16,0 см, а призменной прочности на сжатие (с определением модуля упругости и расчетом коэффициента Пуассона) – на образцах геометрическими размерами 15,0*15,0*60,0 см. Геометрические размеры образцов для испытания прочности на изгиб были приняты исходя из оптимального соотношения среднего размера гранулы полистирольного заполнителя 3,0 мм и высоты ребра балочки 40,0 мм. Серия из образцов проектного состава состояла из трех призм размерами 15,0*15,0*60,0 см, трех балочек – 4,0*4,0*16,0 см и шести кубов – 10,0*10,0*10,0 см.

    Основной характеристикой сопротивления полистиролбетона сжатию в расчетах являет-ся призменная прочность. Для перехода от прочности кубов к прочности призм определялся коэффициент призменной прочности (отношение прочности кубов к прочности призм). Он колебался от 0,92 до 0,97 и в среднем был принят ближе к 0,95.

    Перед испытанием призм осуществлялось их центрирование по физической оси. Нагружение производилось ступенями, равными 2,5% от ожидаемой разрушающей нагрузки (по 500 кгс). На каждой ступени осуществлялась выдержка по 3 мин и записывались отсчеты по приборам в начале и конце выдержки. Для изменения продольных и поперечных деформаций применялись индикаторы часового типа с ценой деления 0,01 мм. По результатам испытания серии призм был построен график зависимости деформаций от напряжений.

    Для определения физических характеристик конструкционного полистиролбетона проводилось испытание морозостойкости кубов геометрическими размерами 10.0*10,*10,0 см в количестве 18 образцов каждой серии по 100 циклов замораживания и оттаивания. Кроме того, проводилось испытание полистиролбетонных цилиндров диаметром 15,0 см и высотой 15,0 см в количестве 12 образцов в каждой серии на паропроницаемость.

    В настоящее время в большей части научных исследований влияние химических добавок на свойства бетонной смеси оценивается, в основном, с позиций ее реологии. На VI конференции 2000 г. по суперпластификаторам и другим химическим добавкам, проводившейся в Ницце, была обозначена как первоочередная проблема совместимости добавки с составом и свойствами других элементов образующейся композитной системы (заполнителей и цемента). Ранее, в 1960-70 годах важный вклад в научные исследования по влиянию химических добавок внес О.П. Мчедлов-Петросян. На наш взгляд, для конструкционного полистиролбетона эта проблема в большей мере актуальна, чем для тяжелых и некоторых видов бетонов.

    Гидрофобные свойства легких пенополистирольных заполнителей с закрытыми порами (заряд на поверхности гранулы полистирола участвует в процессе смачивания) могут оказывать неблагоприятное влияние, так как снижается прочность фазовых контактов (сцепления между цементным тестом и поверхностью частиц). Вследствие этого, необходимо использование химической добавки меняющей этот заряд на противоположный, чтобы поверхность гранулы проявляла гидрофильные свойства. Кроме того, целесообразно применение добавок повышающих пластичность раствора (С-3, ТЭА, СДО) одновременно с добавками, повышающими прочность цементного камня на границе контакта с гранулами полистирола (известковое молоко и эпоксидная смола) и вяжущую активность зерен шлакового заполнителя (раствор NaOH).

    Таким образом, на начальном этапе проведения экспериментов были опробованы такие разноплановые химические добавки, как суперпластификатор С-З, ТЭА, натрий едкий, ПВА, эпоксидная смола совместно с полиэтиленамином, а также известковое молоко и воздухововлекающая добавка СДО.

    Введение 0,5 % и 0,8% суперпластификатора С-З от массы цемента в полистиролбетонную смесь дало повышение прочности образцов на сжатие и изгиб по сравнению с контрольными на 2,1 Мпа и 2,5 Мпа соответственно. Водопотребность при затворении вяжущего вещества за счет повышения пластичности смеси снизилось на 40 и 55% от водопотребности контрольного состава. Морозостойкость кубов составила не менее 100 циклов.

    Добавление 0,1% и 0,5% ТЭА обеспечивает быстрые темпы схватывания полистиролбетонной смеси в начальный период времени с выделением большого количества тепла. Тем не менее, время окончания схватывания наступает примерно через сутки и более (при повышении концентрации добавки). По В.Рамачадрану данный эффект объясняется тем, что в системе происходит ускорение реакции между С3А и гипсом и быстрое образование фазы эттрингита в цементом растворе. Авторами подтверждается пластифицирующий эффект добавки предполагаемый по результатам предыдущих исследований влияния ТЭА на обычные бетоны, позволяющий сохранить требуемую подвижность полистиролбетонной смеси при уменьшении расхода воды на 45 % от контрольного. Применение С-3 совместно с ТЭА в растворах несколько компенсирует замедление окончания схватывания, но значительного повышения прочности образцов не наблюдается. Присутствие в конструктивном полистиролбетоне зерен шлакового заполнителя ослабляет влияние данной химической добавки на свойства исследуемого материала. Отрицательным фактором является несколько высокая стоимость химической добавки.

    При затворении полистиролбетонной смеси раствором NaOH был замечен высокий экзотермический эффект и значительное увеличение скорости потери ее подвижности. Разрушительное действие щелочного возбудителя NaOH на коллоидальную пленку кремнекислоты на зернах шлакового заполнителя сильно облегчает диффузию воды внутрь зерен и ускоряет процессы гидратации и твердения полистиролбетона. Таким образом, косвенно подтверждается одна из идей физико-химической механики – «парадокс Ребиндера» об упрочнение структуры через разрушение ее составляющих. Применение химической добавки NaOH от 3 до 5-ой % концентрации в растворе дало увеличение прочности образцов материала на 10% от контрольной. Это предположительно объясняет образованием на границе цементной матрицы с зернами заполнителя сростков кристаллов линейного типа., представляющих собой продукт реакции щелочи с активными глиноземом, кремнеземом, силикатами и сульфидом кальция, входящими в состав доменного шлака. Физико-химический анализ структуры материала, на наш взгляд, позволил бы доказать данное предположение и определил бы содержание кристаллических сростков в объеме матрицы (вероятно 15-20%). Помимо этого применение раствора едкого натрия совместно с химическими добавками СДО или SDO-L усиливает эффект воздухововлечения за счет дополнительного омыления щелочью смоляных кислот содержащихся в данных добавках.

    Достигнутое увеличение прочности образцов на сжатие и изгиб на 80% при использовании эпоксидной смолы с добавлением разбавителя ацетона и отвердителя полиэтиленамина компенсируется повышением стоимости полистиролбетона почти в 2 раза за счет высокой стоимости добавок. Морозостойкость кубов составила не менее 50 циклов.

    Для подбора наилучших по физико-механическим и теплоизоляционным свойствам полистиролбетона составов сырьевых компонентов были опробованы различные сочетания этих добавок.

    Оптимальным сочетанием добавок для изготовления конструкционного полистиролбетона было принято использования пластификатора С-3 совместно с СДО при предварительной обработке полистирольных гранул известковым молоком. Учитывалась совокупность показателей рыночной стоимости как самих добавок, так и предполагаемого бетона, простота применения и полученный эффект комплексного улучшения свойств материала.

    Наилучшие показатели были достигнуты при добавлении 0,5% С-3 и 0.25% СДО по массе цемента, с последующей обработкой полученных образцов в пропарочной камере в течении суток при температуре +800С. При предварительном покрытии гранул полистирола известковым молоком было получено дополнительное увеличение прочности образцов полистиролбетона на 20-25% однако было замечено незначительное снижение пластифицирующего эффекта от использования С-3 и СДО. Помимо этого, изменился характер разрушения образцов полистиролбетона при сжатии, вероятно, за счет увеличения прочности фазовых контактов на границе между гранулами полистирола и цементным камнем.

    При перемешивании бетонной смеси без воздувовле5кающей добавки, но с добавкой С-3, часть воздуха теряется из-за низкой вязкости и диспергированного состояния полистиролбетона. Увеличение морозостойкости бетона под влиянием С-3 и его аналогов, заявленное производителями, оспаривается многими авторами, в лучшем случае, на наш взгляд, (применительно для легких бетонов) оно незначительно. В связи с этим, возникло предложение исследовать физические характеристики полистиролбетонных образцов с использованием С-3 с добавлением СДО и без нее, призванной посредством воздухововлечения увеличить морозостойкость полистиролбетона. Однако известно, что прочность является обратной функцией пористости материала, поэтому более целесообразным будет использование другой альтернативной химической добавки совместимой с С-3 и улучшающей теплоизоляционные характеристики бетона.

    В дальнейшем, в связи с появлением на рынке новых химических добавок для бетонов с лучшими свойствами, с точки зрения производителя, возникла необходимость в проведении сравнительных экспериментальных испытаний прочности образцов конструкционного полистиролбетона.

    Стоит отметить, что добавки нового поколения типа поликарбоксилатов и акриловых сополимеров со сложными компаниями, пока не конкурентоспособны на российском рынке из-за их высокой стоимости. Высокая эффективность данных добавок предполагается из-за создания ими стерических сил отталкивания в адсорбционных слоях, окружающих частицы цемента. Результат действия стерического эффекта гораздо сильнее действия электростатических сил отталкивания между частицами, которые линейно связаны с текучестью цементного теста. К сожалению, эти химические добавки не являются универсальными не со всеми составами российских цементов. То есть, эффект сохранности действия добавок во времени ограничивается свойствами и химическим составом цемента. Например, добавка, входящая в состав смесей ЭМАКО, производимая крупным химическим концерном «Degussa», высоко эффективна только с цементом Старооскольского завода М600.

    Химические добавки группы лингосульфатов, получаемые в виде отходов в промышленности от производства бумаги (лингопан Б 1-4, КМХ и т.п.), менее эффективны, чем С-3 и его производные (например, добавки группы «Релаксон») и несколько неудобны в использовании в связи с нестабильностью их состава и свойств. Положительным фактором является относительная низкая стоимость этих добавок.

    Краткая характеристика новых химических и воздухововлекающих добавок, выбранных для сравнительного эксперимента.

    Химическая добавка «Реламикс-2» разработана на основе хорошо известного суперпластификатора С-3, применяемого для тяжелых бетонов в строительстве более 50 лет. Она представляет собой смеси натриевых солей полиметиленнафталинсульфокислот различной молекулярной массы с добавлением комплекса ускоряющего набор прочности. Добавка получила одобрение со стороны ведущих специалистов НИИЖБ (В.Г.Батраков, М.И.Брассер) и начала выпускаться в мае 2005 года на заводе «ПолипластУралСиб» в Уральском регионе. Стоимость одного килограмма добавки «Реламикс-2» чуть превышает стоимости С-3.

    Воздухововлекающая добавка «SDO-L» является модификацией хорошо известного СДО, которая сейчас широко применяется для производства теплоизоляционного полистиролбетона SDO-L является добавкой, предназначенной уменьшить плотность и улучшить удобоукладываемость смеси, а также повысить теплоизоляционные характеристики бетона. Действует по принципу поризации цементного теста. СДО получается за счет наилучшего соотношения смоляных и жирных (иначе омыляемых и не омыляемых) кислот в процессе обработки определенных лиственных пород древесины, например, березы. А «SDO-L», со слов разработчиков, является продуктом омыления древесных пеков, т.е. отходов при сухой перегонке (пиролизе) древесины. Органическая часть выделяется путем экстракции с последующей отгонкой. Разработана и предлагается специалистами компании «Внешхимопт» под руководством Ю.М. Гольдшмита г. Нижний Новгород. В Уральском регионе поставляется компанией «Лакра».

    Химическая добавка «KF - адгезив» разработана специально для полистиролбетона. В основе принципа действия лежит механизм электрохимических реакций адгезии (типа позолота, хромирование только без электричества). Она создает на поверхности гранул поле, заряженное противоположным зарядом, нежели цементные частицы, что, в свою очередь, притягивает цемент на полистиролбетон. Тем самым достигается некоторое уравновешивание масс полистирола и цементного теста и происходит их равномерное перемешивание. Добавка разработана несколько лет назад специалистами компании «Трибус» г. Волгоград и на сегодняшний день поставляется данной компанией на строительный рынок.

    Авторами установлено, что при введении химической добавки «Реламикс-2» в количестве 0,6% от массы цемента подвижность полистиролбетонной смеси увеличивается от П1 до П5 по ГОСТ 10181.1-81. При водоредуцировании достигается снижение расхода воды на 40%, а прирост прочности полистиролбетона в возрасте 28 суток достигает 3,7 МПа сравнительно с прочностью контрольных образцов, изготовленных без добавки. Данный факт, по-видимому, объясняется взаимодействием химических соединений, входящих в состав добавки (комплексом, ускоряющим набор прочности), с активными глиноземом, кремнеземом, силикатами и сульфидом кальция, входящими в состав доменного шлака.

    Повышение стоимости расходных материалов для конструктивного полистиролбетона ориентировочной плотностью около 1000 кг/м3 при применении 47,5 кг добавки «Реламикс-2» на 1 м3 составляет 12-13 % от стоимости полистиролбетона. Однако (по мнению производителей добавки) рост производительности, иными словами снижение общей себестоимости по заработанной плате, накладным и прочим расходам снизится приблизительно в 8 раз.

    При использовании «SDO-L» в полистиролбетоне происходит увеличение объема смеси за счет воздухововлечения, тем самым при регулировании ее технологических параметров приходится уменьшать объем полистирола и увеличивать объем цемента, что приводит к некоторому снижению изначально заданных теплоизоляционных характеристик. Коэффициент сопротивления теплопередаче составил 0,24 В/моС при плотности образцов в диапазоне 870-900 кг/м3. Морозостойкость кубов – не менее 100 циклов.

    Влияние «КF - адгезива» заключается в том, что бетонная смесь уплотняется, что, в свою очередь, как показали эксперименты авторов, несколько улучшает теплоизоляционные и прочностные характеристики опытных образцов полистиролбетона. Коэффициент сопротивления теплопередаче составил также 0,24 В/моС при плотности образцов в диапазоне 950-975 кг/м3 (большей чем плотность образцов с добавкой «SDO-L»). Морозостойкость кубов – не менее 100 циклов. Повышение стоимости расходных материалов для конструктивного полистиролбетона при использовании около 50 кг добавки на 1 м3 составит около 110 руб.

    Применение воздухововлекающей добавки «SDO-L» является более востребованным для теплоизоляционного полистиролбетона не требующего повышенной прочности (в диапазоне плотностей от 150 до 600 кг/м3), тогда как химическая добавка «КF - адгезива» по своему механизму действия, в первую очередь, востребована для конструктивного полистиролбетона в диапозоне плотностью от 900 до 1300 кг/м3.. Тем не менее, влияние химической добавки «КF - адгезив» на теплофизические характеристики полистиролбетона требует дальнейшего более глубокого исследования.

    Следует отметить, что по результатам предыдущих исследований, темп набора прочности полистиролбетона на заполнителе из гранулированного доменного шлака продолжается в течении более долгого периода времени (60 суток относительно 28-ми). Предполагается, что с течением времени, различие в прочностных характеристиках полистиролбетона с применением данных добавок несколько сократится.

Предварительные результаты подбора и испытания составов сырьевых компонентов конструкционного полистиролбетона, приведены в таблице № 1, позволяют предложить, что наилучшим сочетанием химических добавок будет использование пластификатора «Реламикс-2» совместно с «КF – адгезивом» в меньших концентрациях, при предварительной обработке гранул полистирола известковым молоком.

    В результате проведенных исследований по проектированию составов и испытанию теплофизических свойств полистиролбетона был получен новый материал для строительных конструкций с хорошими прочностными и теплоизоляционными характеристиками, предназначенный для изготовления на заводах ЖБИ стеновых панелей, перемычек, плит перекрытий и покрытий.

Вторым этапом научно-исследовательской работы предполагается разработка методик расчета изгибаемых и внецентренно сжатых армированных конструкций из полистиролбетона повышенной прочности, с выпуском временных технических условий на данную продукцию.

А.С. НОСКОВ, д-р технических наук, профессор, В.П. ФИЛИППОВ, В.А. БЕЛЯКОВ, УГТУ-УПИ,

ОАО Уральский научно-исследовательский институт архитектуры и строительства