Ваш браузер устарел. Рекомендуем обновить его до последней версии.
Добавки для полистиролбетона

Добавки для полистиролбетона.

На основе диссертации:

"Легкие бетоны на основе регенерированного пенополистирольного сырья " Ольги Васльевны Журба .

    Полистиролбетон - легкий бетон на основе вспученного полистирольного заполнителя и вяжущего.

    По сравнению с блоками из ячеистых бетонов (безавтоклавный пенобетон с плотностью 600-700 кг/м3 , автоклавный газосиликат плотностью 450-550 кг/м3 [13] ) у полистиролбетона в наличие следующие плюсы: минимально возможная плотность при требуемой достаточной прочности меньше в сравнении с пенобетоном в 2-2,4 раза, а в сравнени с газосиликатом в 1,6-1,8 раза; сорбционная (равновесная) влажность меньше в 2-3,4 раза; величина теплопроводности в 2,5-2,8 раза; усадка 2-2,5 раза; морозостойкость выше в 2-3 раза.

     Целесообразно использование монолитного полистиролбетона в качестве теплоизоляции стен в сейсмоопасных районах.

     Полистиролбетон - гостирован. Гостированы и материалы, применяемые для его изготовления.

     От того, где и как будет использоваться полистиролбетон согласно ГОСТ, полистиролбетон может иметь плотную, поризованную или крупнопористую структуру.

     Главным фактором для прочностных характеристик полистиролбетона является структура затвердевшей цементной матрицы, причем частицы полистирольного заполнителя влияют на плотность бетона. В свою очередь для создания оптимальной структуры цементной матрицы огромное значение имеют форма, размер и качества поверхности применяемых вспененных шариков пенопласта.

   Важной особенностью изготовления полистиролбетона  является то, что дозировка пенопласта задается по объему. В результате чего можно заранее планировать полистиролбетон заданной плотности.

   В работах[24] подтверждается , что прочность полистиролбетона зависит от большого  количества факторов. Так, например, при изменении объемной концентрации полистирольных гранул() с 0,3 до 0,65 и комплексного показателя (n) прочность может меняться в 1,69-4,72 раза. Поэтому для получения полистиролбетона высокого качества необходимо создание производства полистирольного заполнителя так же высокого качества, что не всегда оправдано экономически.

 

Влияние химических добавок на адгезию в системе цемент-полистирол-вода.

    В технологии полистиролбетона имеется несколько проблем при игнорировании которых происходит всплывание гранул пенопласта в бетонной смеси, которое приводит к  неравномерному распределению пенополистирола по всему объему замеса и  как следствие - к низкой прочности готовой продукции.

   Главная проблема в технологии полистиролбетона - плохая смачиваемость полярными жидкостями гидрофобных поверхностей полимеров.

    Смачивание зависит, в свою очередь, как от химической природы, так и от свойств жидкости. При этом главную роль играет величина смачивания, которая на практике определяется таким  понятием, как "краевой угол смачивания" .

   Известно, что адгезионные контакты между  частицами цементного  раствора твердой фазы осуществляются через тонкие слои жидкости, которая должна хорошо смачивать  их поверхности . Одним из способов повышения адгезионной прочности является использование ПАВ, которые способны адсорбироваться на поверхности раздела фаз и понижать их поверхностное натяжение. В водном растворе ПАВ на границе с воздухом  образуется адсорбционный мономолекулярный слой с углеводородными радикалами ориентированными в сторону воздушной среды. По мере его насыщение молекулы ПАВ, уплотняясь в поверхностном слое , располагаются перпендикулярно поверхности. Если дисперсия стабилизирована ионогненным ПАВ, то заряд частиц соответствует заряду поверхностное-активного вещества, который придает частицам отрицательный заряд, а катионные - положительный. Таким образом, в водной дисперсии каждая частица полимера заряжена и, следовательно, может  тяготеть к частице противоположного заряда [ 55,56,57,58].

   Полистиролбетон на цементном вяжущем представляет собой сложную систему из гидрофобных (полистирола), гидрофильных(цемента) поверхностей и полярной жидкости (вода). Вода хорошо смачивает вещества с ионно-ковалентной решеткой и не смачивает гидрофобную поверхность полимерных веществ, не содержащих полярные группы. К таким веществам относится пенополистирол. Поэтому одним из условий формирования более прочных адгезионных контактов является создание промежуточных слоев, с целью перехода от гидрофобной поверхности пенополистирольных гранул к гидрофильной поверхности цемента и продуктам его гидратации. Формирование контактной зоны можно регулировать с помощью химических добавок, которые должны содержать полярные и неполярные группы, при этом неполярная группа должна обеспечивать сцепление с пенополистиролом.

   В традиционной технологии используется добавка СДО, которая выполняет не только роль ПАВ, но и создает вязкую пену, необходимую для равномерного распределения гранул пенопласта в цементной матрице. Однако существует серьезный недостаток такой технологии - все известные пенообразователи снижают прочность цементного камня. Как выход из этой неприятный ситуации можно рассматривать возможность использования других химических добавок, которые при малых дозировках могут рассматриваться как ПАВ.

   В данной работе исследовалось влияние химических добавок с разной степенью дисперсности, от растворов до эмульсий и различной химической природы: акриловый полимер АП, поливинилацетат ПВА, суперпластификатор С3, моющее средство МС, пек таловый омыленный ПТО, карбоксилметилцеллюлоза КМЦ, бутадиенстирольный латекс БДСЛ. Добавки вводились в количестве 0,2-0,8% на сухое вещество от массы цемента, что по отношению к пенополистирольным гранулам составляет 0,001-0,005г/см3. Эффективность добавок оценивалась по: углу смачивания, пределу прочности при сдвиге пенопластовых пластин склеенных цементным тестом, в которое вводились добавки, физико-механическим свойствам гранул, окатанных цементным тестом, и влиянию их на прочность цементного камня.

   В данной работе были использованы гранулы пенополистирола, полученные из упаковочного материала.

                                                                   Угол смачивания.

 Табл2.1

Влияние добавки на угол смачивания на гладкой поверхности.

Вид добавки

Вода

С3

АП

ПВА

ПТО

СДО

БДСЛ

МС

Угол сма

чивания

86

46

30

37

43

45

24

15

 Табл2.2

Влияние добавки на угол смачивания на шероховатой поверхности.

Вид добавки

Вода

С3

АП

ПВА

ПТО

СДО

БДСЛ

МС

Угол сма

чивания

86

46

30

37

43

44

24

19

 

Прочность при сдвиге.

 Табл2.4

Влияние вида и количества добавки на предел прочности при сдвиге в возрасте 7 суток с введением добавки в контактную зону.

 

 

Rсдв.,Мпа в зависимости от количества добавки в % от массы цемента

Вид добавки

0,2

0,4

0,6

0,8

Rс.д/Rб.д

АП

0,1052

0,1155

0,13456

0,1456

2,46-3,41

ПВА

0,0812

0,081

0,077

0,073

1,90-1,71

С3

0,088

0,0896

0,1008

0,106

2,06-2,48

МС

0,0652

0,0680

0,0895

0,107

1,53-2,5

ПТО

0,0728

0,0772

0,0776

0,0808

1,7-1,89

 

 Табл2.5

Влияние вида добавок на кинетику набора предела прочности при сдвиге при оптимальных дозировках.

 

 

                                  Rсдв, Мпа в возрасте суток

Вид добавки

Концентрация раствора

1

3

7

28

R7сут/R28сут,%

С3

3,2

0,0492

0,0588

0,0752

0,0958

78,4

АП

3,2

0,0594

0,0628

0,0918

0,104

88,2

ПВА

0,8

0,0652

0,0692

0,0852

0,0908

93,8

МС

1,6

0,0429

0,0836

0,1065

0,1096

91,7

ПТО

3,2

0,0498

0,0852

0,0940

0,0976

96,3

 

 Табл2.6

Эффективность химических добавок по пределу прочности при сдвиге.

Способ введения

                       Rсдвига с добавкой/Rсдвига без добавки

 

АП

ПВА

С3

КМЦ

ПТО

МС

БДСЛ

СДО

1

3,06

2,18

2,23

1,26

1,34

1,91

2,14

2,99

2

3,41

1,71

2,48

       -

1,89

2,5

       -

        -

 Добавки вводились двумя способами

1- в цементное тесто;

2- одновременно в контактную зону и тесто.

 Вывод: на примере МС - отсутствует полная корреляция между углом смачивания и прочностью при сдвиге, что связано, наверное, с тем, что например в случае МС - данная добавка практически не обладает клеящими свойствами.

Влияние химических добавок  на прочность цементного камня.

Добавки делятся на три группы:

1- повышают - С3; ПВА; АП

2- понижают - ПТО; КМЦ

3- незначительное снижение у МС на 4%, что связано скорее всего с увеличением водопотребности смеси.

Вывод: в технологии полистиролбетона следует разделить два процесса - предварительно обрабатывать гранулы более эффективными добавками и окатывать гранулы порошком цемента, а в растворную часть вводить добавку упрочняющую цементный камень.

 Табл2.8

Влияние добавок на прочность цементного теста

Вид добавки

Количество добавки от массы цемента,%

                          Rсж,Мпа в возрасте, сут.

 

 

1

3

7

Rсж28 сут, МПа

Плотность 28сут,кг/м3

ПЦ

           -

18,3

31,0

40,5

44,5

2,38

ПТО

0,2

0,4

0,6

0,8

13,1

13,8

17,0

10,8

22,3

23,4

27,5

21,7

28,3

29,8

33,0

24,5

34,3

37,3

40,5

36,6

2,49

2,3

2,34

2,68

КМЦ

0,2

0,4

0,6

0,8

11,5

11,5

1,7

0,5

17

20,5

14,8

5,0

20,6

21

25,3

16,3

25,8

26,2

30,8

28,5

2,28

2,52

2,41

2,88

МС

0,2

0,4

0,6

0,8

12,3

13,7

11,0

12,5

25

26

29

20,5

29,2

30,7

32,0

25,0

38,8

37,6

40,9

42,8

2,36

2,34

2,63

2,71

ПВА

0,2

0,4

0,6

0,8

15,3

15,0

13,8

13,5

35,8

32,5

32,0

28,8

43,5

43

42,5

39,5

47,4

48,5

53,3

47,0

2,52

2,81

2,53

2,7

С3

0,2

0,4

0,6

0,8

25

28,5

32

45,5

36,9

42

45

50,4

41,08

45,5

47,25

53,7

54,9

62,5

65,5

72,6

3,05

2,68

2,59

2,99

АП

0,2

0,4

0,6

0,8

15,3

17,8

10

8

38,0

36,5

34,6

25,0

46,2

45,5

33,8

32,8

48,7

50,0

45,3

48,0

2,02

2,00

2,3

2,51

БДСЛ

0,2

0,4

0,6

0,8

7,5

10

8,5

10

25,5

25

30,5

25,8

40,5

33,6

49,5

41,0

42,5

52,2

54,3

46,1

2,17

2,38

2,46

2,44

 Табл.2.9

Эффективность добавок по изменению прочности цементного камня.

Вид добавки

                                       Rсж с добавкой/Rсж без добавки

 

0,2

0,4

0,6

0,8

ПТО

0,77

0,83

0,91

0,82

КМЦ

0,57

0,59

0,69

0,64

МС

0,86

0,84

0,91

0,96

ПВА

1,07

1,08

1,19

1,05

С3

1,23

1,40

1,47

1,63

АП

1,09

1,12

1,01

1,07

 В работе использованы добавки, которые не вовлекают воздух.

   Тонкомолотые заполнители для полистиролбетона.

   Технологии пенобетона и полистиролбетона похожи.

   Из технологии пенобетона известно, что для повышения прочности бетона и экономии цемента используют тонко молотые минеральные порошки и мелкозернистые пески.

   Наиболее эффективным способом повышения прочности легких бетонов является применение более прочных заполнителей.

   При сухой грануляции цемента на покрытие гранул расходуется от 270 до 440 кг/м3, в зависимости от вида и концентрации добавки. Таким образом, лишь на окатывание гранул пенопласта  расходуется большое количество цемента и в бетоне с таким расходом цемента прочность обеспечивается только за счет контактов сферических частиц и цемента не хватает на создание прочной матрицы.

   Если учесть межзерновую пустотность 40-50% , которую также следует заполнить цементной матрицей для получения больших значений прочности полистиролбетона, то даже при расходах цемента 500 и более кг трудно получить марку 35 и более. Следовательно необходимо вводить микронаполнители как для снижения  расхода цемента, так и для уменьшения плотности полистиролбетона.

  Проведены опыты с золой (Sуд=3000кг/см3), вулканическим шлаком (Sуд=3500кг/см3), доломитом (Sуд=3000кг/см3).

  Влияние наполнителей проверялось без химических добавок.

  При введении тонко молотых наполнителей с насыпной плотностью меньшей чем у цемента при замене цемента от  5 до 50% по массе происходит заполнение объема пустот. Поэтому при меньшем расходе цемента  прочность бетона выше, чем у бетона без наполнителей.

 Табл3.1

Влияние доломита на свойства полистиролбетона.

Состав, % по

массе

Расход

ПЦ

кг/м3

                  Свойства образцов в возрасте

ПЦ

Доло-

мит

 

               7 суток

                   28 суток

R7/R28

 

 

 

Плот-

ность

кг/м3

Rсж

МПа

W

%

R/Ro

%

Плот-

ность

кг/м3

Rсж

МПа

W

%

R/Ro

%

 

100

0

507

640

0,56

8,1

100

633

0,89

6,9

100

56

87

13

449

642

1,0

8,4

179

638

1,0

7,8

112

113

82

18

429

632

1,0

6,7

179

621

1,13

4,9

126

112

76

24

410

628

0,88

6,1

156

602

0,94

1,7

105

112

70

30

390

609

0,63

2,9

112

597

0,88

0,8

100

77

 

Табл3.3

Влияние золы на свойства полистиролбетона.

 

Состав, % по

массе

Расход

ПЦ

кг/м3

                  Свойства образцов в возрасте

ПЦ

Зола

 

               7 суток

                   28 суток

R7/R28

 

 

 

Плот-

ность

кг/м3

Rсж

МПа

W

%

R/Ro

%

Плот-

ность

кг/м3

Rсж

МПа

W

%

R/Ro

%

 

100

0

507

640

0,56

8,1

100

633

0,89

6,9

100

56

87

13

449

645

1,0

8,9

179

616

1,13

4,0

140

147

82

18

429

635

1,15

7,3

205

600

1,15

11,2

130

84

76

24

410

610

1,18

3,0

211

596

1,19

6,4

134

70

70

30

390

600

1,12

11,4

200

593

1,13

7,7

127

84

Табл3.4 Влияние наполнителей на свойства полистиролбетона.

Вид

наполнителя

                 Состав, кг/м3

Свойства образцов в возрасте

60 суток

R60/R28

 

           ПЦ

Наполнитель

Плотность

г/см3

Rсж, МПа

 

Доломит

396

367

323

131

116

138

0,624

0,605

0,574

1,5

1,0

1,0

150

106

114

Вулк.шлак

393

381

350

86

120

150

0,606

0,627

0,619

1,45

2,12

1,5

110

178

104

Зола

395

347

330

87

109

141

0,610

0,574

0,586

1,5

1,5

1,5

136

126

133

 

К 60 суткам прирост прочности больше с наполнителей - золой, что вероятно связано с ее большей гидравлической активностью.

Таким образом, используя в качестве тонкомолотого микронаполнителя активные минеральные добавки, такие как кислая зола, можно экономить до 30% цемента, причем возможно получение прочности полистиролбетона выше, чем на цементе без наполнителя.

 

Физико-механические свойства полистиролбетона на золе с комплексными химическими добавками.

 

Табл3.8

Состав бетона, кг/м3

Весовая концентрация

добавки,%

Плотн. в

сух. сост

кн/м3

Rсж,МПа

Цемент

Зола

Полистирол

Вода

С3

ПТО

МС

 

 

250

400

15

295

0,8

 

1

715

4,25

300

400

15

302

0,8

 

1

770

5,47

340

375

15

286

0,8

 

1

790

6,38

380

330

15

245

0,8

 

1

800

10,0

250

400

15

293

0,8

1

 

715

4,5

325

425

15

332

0,8

1

 

830

9,8

360

400

15

305

0,8

1

 

850

9,7

380

330

15

253

0,8

1

 

800

10,0

330

440

15

480

0,8

 

 

850

4,2

 

Комплексная добавка более эффективна - при одинаковом расходе цемента полистиролбетон с комплексной добавкой значительно прочнее, чем при использовании только одной химической добавки, такой например как С3.

 

 Химические добавки и кварц-полевошпатовый песок в полистиролбетоне.

Табл3.9

                  Состав бетона, кг/м3

Плотность

Rиз

МПа

Rсж

МПа

Rиз/

Rсж

Це-

мент

Пе-

сок

Полисти-

рол

Вода

               Добавки

кг/м3

 

 

 

 

 

 

 

АП

С3

ПВА

СДО

МС

 

 

 

 

478

315

15

159

 

 

 

 

 

1020

2,9

4,4

1,9

472

315

15

157

 

1,8

 

 

 

988

4,2

7,1

0,6

478

315

15

159

 

 

1,9

 

 

1016

2,8

5,3

0,5

478

315

15

159

 

 

 

1,9

 

1051

5,9

5,2

1,13

478

315

15

159

 

3,8

 

 

0,5

1051

4,4

11,2

0,4

478

315

15

159

1,9

 

 

 

 

1090

2,8

8,0

0,35

 

    Данные таблицы позволяют сказать следующее: все химические добавки исследованные в ходе опытов повысили прочность при сжатии полистиролбетона по сравнению с контрольными образцами. Наибольшие физико-механические свойства показал бетон при одинаковой средней плотности на комплексной добавке С3+МС. Таким образом для получения высокой прочности полистиролбетона следует идти по пути повышения адгезионной прочности цемента за счет модификации химическими добавками, упрочения цементного камня путем введения микро наполнителей и мелкозернистого заполнителя или упрочения гранул пенополистирола.

  

Упрочнение гранул как способ повышения прочности полистиролбетона:

     использована  композиция тонокомолотый мел и добавки с клеющей способностью при постоянном расходе цемента и одинаковом расходе наполнителя - вулканического шлака.

 

Табл.3.10

 

Вид

до-

бавки

Состав бетона, кг/м3

Плотность,

кг/м3

Rсж,MПа

R7/R28

 

Це-

мент

Мел

Вулк.

шлак

ПСг

До-

бавка

Вода

 

7

28

 

АП

500

100

320

17

4,32

196

960

2,44

4,25

0,57

ПВА

500

100

320

17

1,08

202

960

2,37

4,64

0,51

БДСЛ

500

100

310

17

3,12

184

930

2,17

4,82

0,45

ПТО

500

100

320

17

4,32

209

960

2,75

6,67

0,45

АП+Це

мент

500

100

310

17

4,16

210

930

3,29

5,77

0,57

 

 

 

 

Поведение полистиролбетона при нагревании

 

Табл.3.17

 

Показа-

тели

                                                          Температура нагрева, С

 

50

100

150

200

250

300

350

400

Потеря

массы,%

0,7

2,1

5,1

6

9,4

9,6

9,9

9,9

Потеря проч-

носит,%

0,5

2,9

3,5

3,4

20,6

20,6

20,6

20,6

    Подтверждено, что полистиролбетон подвержены деструкции при температуре 85'С, после  нагрева образца до 100'С гранулы пенополистирола  превратились в бисерную смолу. Однако при этом потери массы составили от 0,7 до 2,1% и прочности от 0,5 до 2,9%.

   Дальнейшее снижение прочности связано в большой степени от поведения цементного камня при нагревании, а именно от удаления химически связанной воды из продуктов твердения цементного камня. Из данного эксперимента можно сделать вывод, что даже после деструкции пенополистирольных гранул бетон сохраняет несущую способность.

 

Литература

[13] . Ярмарковский В.Н. "Композиционные вяжущие для легких бетонов с высокими показателями тепло технического качества"

[24]. Рахманов В.А., Довжик В.Г., Амханский Г.Я. "Улучшение свойств и оптимизация составов полистиролбетона"

[55]. Фролов Ю.Г. "Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсионные системы"

[56]. Хенней Н. "Химия твердого тела"

[57]. Черкинский Ю.С. "Полимерцементный бетон"

[58]. Корнеев В.И., Зозуля П.В. "Словарь "Что" есть "что" в сухих строительных смесях"