Научная статья на тему 'Свойства цементных композитов на механоактивированном растворе силиката натрия'

Свойства цементных композитов на механоактивированном растворе силиката натрия Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
470
108
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Вестник МГСУ
ВАК
RSCI
Ключевые слова
ЦЕМЕНТ / CEMENT / ЖИДКОЕ СТЕКЛО / LIQUID GLASS / МЕХАНОАКТИВАЦИЯ / MECHANOACTIVATION / ВОДОПОГЛОЩЕНИЕ / WATER ADSORPTION / ПРОЧНОСТЬ ПРИ СЖАТИИ / COMPRESSIVE STRENGTHS / ПРОЧНОСТЬ ПРИ ИЗГИБЕ / FLEXURAL STRENGTHS / ТЕРМОСТОЙКОСТЬ / МЕТОД ПЛАНИРОВАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА / PLANNING AN EXPERIMENT / HEAT STABILITY

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Федосов Сергей Викторович, Акулова Марина Владимировна, Слизнева Татьяна Евгеньевна, Ахмадулина Юлия Сергеевна, Падохин Валерий Алексеевич

Изучено влияние водоцементного отношения, времени активации и концентрации раствора силиката натрия на подвижность цементного теста, а также на водопоглощение, термостойкость и прочность цементного камня (при сжатии и при изгибе). Затворение цемента механоактивированным раствором жидкого стекла привело к увеличению термостойкости и прочности цементного камня и уменьшению водопоглощения, что указывает на уплотнение структуры цементного камня.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Федосов Сергей Викторович, Акулова Марина Владимировна, Слизнева Татьяна Евгеньевна, Ахмадулина Юлия Сергеевна, Падохин Валерий Алексеевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

PROPERTIES OF CEMENT COMPOSITES BY THE MECHANOACTIVATION OF SOLUTION OF THE SODIUM SILICATE

Mixing of cement by the mechanoactivation of the sodium liquid glass solution resulted in increasing of the heat stability and the compressive and flexural strengths of cement stone and reducing of the water adsorption. These data point to compacting of cement stone structure.

Текст научной работы на тему «Свойства цементных композитов на механоактивированном растворе силиката натрия»

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

УДК 620.1 + 691

C.B. Федосов, М.В. Акулова, Т.Е. Слизнева, Ю.С. Ахмадулина, В.А. Падохин*, A.B. Базанов*

ФГБОУВПО «ИГАСУ», *ИХР им. Г.А. Крестова РАН

СВОЙСТВА ЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИТОВ НА МЕХАНОАКТИВИРОВАННОМ РАСТВОРЕ СИЛИКАТА НАТРИЯ

Изучено влияние водоцементного отношения, времени активации и концентрации раствора силиката натрия на подвижность цементного теста, а также на водопоглощение, термостойкость и прочность цементного камня (при сжатии и при изгибе). Затворение цемента механоактивированным раствором жидкого стекла привело к увеличению термостойкости и прочности цементного камня и уменьшению водопоглощения, что указывает на уплотнение структуры цементного камня.

Ключевые слова: цемент, жидкое стекло, механоактивация, водопоглощение, прочность при сжатии, прочность при изгибе, термостойкость, метод планирования эксперимента.

Применение композиционных вяжущих с целью улучшения эксплуатационных характеристик мелкозернистых бетонов прочно вошло в практику современного строительства [1]. Достаточно часто в качестве дополнения к портландцементу используется силикат натрия — жидкое стекло, придающее бетонным изделиям повышенную термостойкость. Однако жидкое стекло является мощным ускорителем твердения, причем эффект проявляется тем сильнее, чем выше концентрация раствора силиката натрия. В связи с этим возникает необходимость уменьшения доли силиката натрия в смеси за счет применения технологических приемов, таких как активация водного раствора силиката натрия, используемого для затворения смеси.

Данная работа посвящена изучению влияния водоцементного отношения, времени активации и концентрации раствора силиката натрия на подвижность цементного теста, а также на водопоглощение, термостойкость и прочность цементного камня (при сжатии и при изгибе).

В качестве исходных материалов использовались портландцемент М500 ДО (ГОСТ 30515—97 «Техническое описание. Область применения»), дистиллированная вода (ГОСТ 6709—72* «Вода дистиллированная. Технические условия»), жидкое стекло (ГОСТ 13078—81 «Стекло натриевое жидкое. Технические условия»).

Для проведения механоактивации использовали оригинальный ударно-вихревой аппарат, ротор которого вращался с постоянной скоростью 3000 об/мин, а время активации можно было регулировать. Особенность данного аппарата состоит в том, что растворная система подвергается в нем ударно-импульсному воздействию.

Подвижность цементного теста определяли согласно ГОСТ 5802—86 и в соответствии с ГОСТ 10181—2001, водопоглощение — по ГОСТ 12730.3—78 (1994). Для определения термостойкости образцы цементного камня испытывались в муфельной печи по ГОСТ 20910—90. «Бетоны жаростойкие. Технические условия». Прочность образцов-балочек при растяжении на изгиб и на сжатие устанавливалась в соответствии с требованиями ГОСТ 310.4—92, ГОСТ 10180—90 и ГОСТ 22783—77 (1994).

© Федосов С. В., Акулова М. В., Слизнева Т. Е., Ахмадулина Ю. С., Падохин В. А . , Базанов А . В., 2011

57

1/2012

При статистической обработке опытных данных применили метод планирования эксперимента. Все опыты проводили в соответствии с трехуровневым планом второго порядка Бокса — Бенкена [2]. Для выбранных откликов предполагалась нелинейная зависимость вида

у = а0 а1х1 + ^ ацх1х1 аихи, (1)

1=1 1=1, К1 1=1

где у — отклик; а0, а^, аи — коэффициенты уравнения регрессии, xi — нормированные факторы модели; п — число факторов.

В результате были получены адекватные уравнения регрессии:

1) для водопоглощения

увп = 9,972 + 0,8425х1 - 0,185х2 + 0,7625х3 +

+ 0,449х2 -1,0618х32 + 0,845х1 х3 + 0,285х2х3;

2) для подвижности цементного теста

уп = 9,4 + 13х1 + 5,625х2 - 0,875х3 + 9,675х^ + 4,425х22 + 4,925х32;

3) для термостойкости

ут = 7 - 0,4375х1 - 0,4375х3 - 0,687х? - 0,5625х32 -1,1875х32;

4) для прочности при сжатии

уПСж = 50,428- 1,9175х1 -4,64х2 -4,124х? -6,354х22 -4,154х32 -3,5х2х3;

5) для прочности при изгибе

упиз = 10,89 - 0,225х1 - 0,87125х2 -1,4х? -1,1175х22 -- 1,1475х32 + 0,2175х1 х3 -0,505х2х3.

Для анализа полученных зависимостей у = У(х1, х2, х3) были построены графики поверхностей для каждого отклика при фиксированном значении одного из факторов. На рис. 1 представлена поверхность для функции, описывающей прочность цементного камня при сжатии при постоянном значении концентрации жидкого стекла, равной 5 %.

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

Рис. 1. Зависимость прочности цементного камня при сжатии от водоцементного отношения и времени активации при 5%-й концентрации жидкого стекла

Из анализа поверхности, приведенной на рис. 1, следует, что большей прочностью при сжатии обладали образцы, затворенные при водоцементных отношениях 0,29...0,3. Другим фактором, влияющим на увеличение прочности при сжатии, было время механоактивации. Недостаточно длительная активация раствора жидкого стекла

Строительное материаловедение

(менее 40 с), равно как и слишком длительная (более 60 с) приводила к значительной потере прочности (15...20 %). Появление экстремума, по мнению авторов, может быть связано с тем, что при кратковременной механоактивации водного раствора не достигается необходимая степень диспергирования. По мере обработки раствора в вихревом аппарате происходит не только диспергирование коллоидных частиц силиката натрия, но также и нагревание раствора. Повышение температуры раствора, очевидно, вызывает деструктивные процессы не только в твердой фазе, но и в самой жидкости.

Максимум функции уПс = Л.х1, х2, х3), описывающей прочность цементного камня при сжатии, достигается в точке (0; -0,45; 0,17), что соответствует водоцементному отношению 0,315, времени активации 47 си концентрации силиката натрия 5,88 %. Для дальнейшего анализа влияния водоцементного отношения и концентрации жидкого стекла на отклики модели было выбрано время механоактивации раствора 45 секунд. На рис. 2—3 представлены графики рассчитанных по уравнениям регрессии зависимостей рассматриваемых свойств образцов цементного камня, затворенных на активированном и неактивированном растворе жидкого стекла, от концентрации водного раствора силиката натрия и водоцементного отношения. Для контрольных образцов концентрации растворов жидкого стекла составляли 0,1, 5,05, 10 %; водоцемент-ные отношения 0,28, 0,315 и 0,35.

Водопоглощение

7 -

0.1 5.05 10

Концентрация жидкого стекла, %

Рис. 2. Зависимость водопоглощения цементного камня от концентрации жидкого стекла при водоцементных отношениях: 0,28, 0,315 и 0,35 для образцов на механоактивированных растворах; 0,28(б/акт), 0,315(б/акт) и 0,35(б/акт) для образцов на неактивированных растворах жидкого стекла

Прочность при изгибе -в-о.и

6.0 -

0.1 5.05 10

Концентрация жидкого стекла. %

Рис. 3. Зависимость прочности при изгибе цементного камня от концентрации жидкого стекла при водоцементных отношениях: 0,28, 0,315 и 0,35 для образцов на механоактивированных растворах; 0,28(б/акт), 0,315(б/акт) и 0,35(б/акт) для образцов на неактивированных растворах жидкого стекла

ВЕСТНИК 1/2012

Подвижность цементного теста у контрольных составов была выше только для В/Ц = 0,315, во всех остальных случаях контрольные составы показывали меньшую подвижность по сравнению с образцами, затворенными на механоактивированных растворах. Кривые водопоглощения, представленные на рис. 2, при всех рассматриваемых водоцементных отношениях и на всем промежутке исследуемых концентраций жидкого стекла для образцов на межаноактивированном растворе жидкого стекла лежат ниже соответствующих кривых для контрольных составов. Это может указывать на более плотную структуру цементных композитов, затворенных на активированном растворе силиката натрия по сравнению с контрольными образцами.

Зависимости, приведенные на рис. 3, наглядно показывают, что образцы, затворенные на механоактивированном растворе силиката натрия, имели большую прочность при изгибе по сравнению с аналогичными контрольными образцами. Повышение прочности наблюдалось во всех случаях, поскольку кривые, соответствующие прочности образцов, полученных на активированной воде затворения при определенном водоцементном отношении, всегда оказывались выше линий тренда, соединяющих точки, соответствующие прочности контрольных образцов, затворенных при том же самом водоцементном отношении. Так, при В/Ц = 0,28 прирост прочности за счет механоактивации составил 9 %, при В/Ц = 0,315...13,7 %, а при В/Ц = 0,35...15,8 %. Наибольшей прочностью при изгибе обладали образцы, затворенные на механоактивированном 5%-м растворе силиката натрия при В/Ц = 0,315.

Согласно расчетам наибольшая прочность при сжатии обеспечивалась использованием механоактивированного 5-6%-го раствора жидкого стекла, взятого при В/Ц = 0,315. Следует также отметить, что водоцементное отношение 0,315 показало наибольшую прочность при всех концентрациях механоактивированного раствора из рассматриваемого диапазона (от 0,1 до 10 %), а при водоцементном отношении 0,35 прочность при сжатии была наименьшей. Прирост прочности цементного камня, затворенного на механоактивированном растворе силиката натрия, по отношению к прочности цементного камня контрольных образцов составил 15,5, 16 и 29 % для водоцементных отношений 0,28, 0,315 и 0,35 соответственно.

Аналогичная тенденция наблюдалась и для термостойкости образцов. Применение механоактивации воды затворения способствовало увеличению термостойкости образцов на 2-3 цикла в области низких водоцементных отношений, в то время как большее количество воды затворения (В/Ц = 0,35) практически не давало преимущества по сравнению с контрольными образцами.

На основании приведенных зависимостей можно рекомендовать рациональные значения технологических параметров проведения процесса механоактивации: водоцементное отношение 0,28.0,31; концентрация силиката натрия 4.6 %; время активации 40.50 с.

Механоактивация водного раствора силиката натрия, используемого для затворения цементного теста, привела к улучшению прочностных и других характеристик цементных композитов при снижении расхода воды затворения и уменьшении содержания в ней №2БЮ3.

Раствор жидкого стекла является коллоидным раствором. При затворении цемента в таком растворе создавались условия для образования алюмината натрия и силиката кальция за счет ионного обмена, происходящего на поверхности твердых частиц. Однако через некоторое время поверхность частицы цементного клинкера насыщалась ионами натрия, что замедляло дальнейшую их диффузию внутрь частицы [3].

Во время механоактивации вследствие кавитационных явлений происходило дальнейшее диспергирование коллоидных частиц [4]. Уменьшение размеров коллоидных частиц обеспечивало более равномерное распределение их в объеме раствора и, следовательно, лучший контакт их с другими частицами — портландцементным клинкером. Реакции происходили полнее и интенсивнее, а образовавшийся искусственный камень приобретал большую плотность.

Строительное материаловедение

Таким образом, применение механоактивации раствора силиката натрия перед за-творением портландцемента наряду с уменьшением водопоглощения способствовало увеличению прочности и термостойкости цементного камня.

Библиографический список

1. Жаростойкие бетоны на основе композиций из природных и техногенных стекол / Ю.П. Горлов, А.П. Меркин, М.И. Зейфман, Б.Д. Тотурбиев. М. : Металлургия, 1974. 151 с.

2. Ивоботенко Б.А., Ильинский Н.Ф., Копылов И.П. Планирование эксперимента в электромеханике. М. : Энергия, 1975. 184 с.

3. Венициавов Е.В., Рубинштейн Р.Н. Динамика сорбции из жидких сред. М. : Наука, 1983. 237 с.

4. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. М. : Альянс, 2004. 464 с.

Поступила в редакцию в декабре 2011 г.

Об авторах: Федосов Сергей Викторович — академик РААСН, доктор технических наук, профессор, ректор, зав. кафедрой строительного материаловедения и специальных технологий, ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО ИГАСУ), 153037, г. Иваново, ул. 8 Марта, д. 20, 8-(4932)-32-85-40, rec-tor@igasu.ru;

Акулова Марина Владимировна — советник РААСН, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой производства строительных материалов, ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО ИГАСУ), 153037, г. Иваново, ул. 8 Марта, д. 20, 8-(4932)-37-34-36, k_psm@igasu.ru;

Слизнева Татьяна Евгеньевна — кандида технических наук, доцент, кафедра высшей и прикладной математики, ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО ИГАСУ), 153037, г. Иваново, ул. 8 Марта, д. 20, 8-(4932)-38-40-20, tatjanaslizneva@mail.ru;

Ахмадулина Юлия Сергеевна — аспирант кафедры высшей и прикладной математики, ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО ИГАСУ), 153037, г. Иваново, ул. 8 Марта, д. 20, 8-(4932)-38-40-20, JUL1D1@yandex.ru;

Падохин Валерий Алексеевич — доктор технических наук, профессор, старший научный сотрудник, зав. лабораторией химии и технологии нелинейных процессов, Институт химии растворов им. Г.А. Крестова РАН, 153045, г. Иваново, ул. Академическая, д. 1, 8-(4932)-33-62-64, 257vap@isc-ras.ru;

Базанов Александр Владимирович — кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории химии и технологии нелинейных процессов, Институт химии растворов им. Г.А. Крестова РАН, 153045, г. Иваново, ул. Академическая, д. 1, 8-(4932)-30-78-97, bazanov@hotbox.ru.

Для цитирования: Свойства цементных композитов на механоактивированном растворе силиката натрия / С.В. Федосов, М.В. Акулова, Т.Е. Слизнева, Ю.С. Ахмадулина, В.А. Падохин, А.В. Базанов // Вестник МГСУ. 2012. № 1. С. 57—62.

S.V. Fedosov, M.V. Akulova, T.E. Slizneva, J.S. Akhmadulina, V.A. Padokhin, A.V. Bazanov

PROPERTIES OF CEMENT COMPOSITES BY THE MECHANOACTIVATION OF SOLUTION OF THE SODIUM SILICATE

Mixing of cement by the mechanoactivation of the sodium liquid glass solution resulted in increasing of the heat stability and the compressive and flexural strengths of cement stone and reducing of the water adsorption. These data point to compacting of cement stone structure.

Key words: cement, liquid glass, mechanoactivation, water adsorption, compressive strengths, flexural strengths, heat stability, planning an experiment.

References

1. Gorlov J.P., Merkin A.P., Zeiphman M.I., Toturbiev B.D. Zharostojkie betony na osnove kompozi-cij iz prirodnyh i tehnogennyh stekol [Heat-resistant concrete on basis of formulation of the natural and anthropogenic glasses]. Moscow, Metallurgia, 1974, 151 p.

BECTHMK 1/2012

2. Ivobotenko B.A., Iljinskiy N.F., Kopylov I.P. Planirovanie jeksperimenta v jelektromehanike [The planning an experiment in the electromechanics], Moscow, Energy, 1975, 184 p.

3. Venetsianov E.V., Rubinshtein R.N. Dinamika sorbcii iz zhidkih sred [The dynamics of sorption from liquid medium]. Moscow, Nauka, 1983, 237 p.

4. Frolov J.G. Kurs kolloidnoj himii. Poverhnostnye javlenija i dispersnye sistemy [Course of colloidal chemistry. The surface effects and disperse systems]. Moscow, Alians, 2004, 464 p.

A b o u t a u t h o r s: Fedosov Sergey Viktorovich — Acad. of RAASN, Doctor tech. Sciences, Professor, rector of Ivanovo State Architecturally-Building University, 20, 8-th March, Ivanovo, Russia, 153037, +7-(4932)-32-85-40, rector@igasu.ru;

Akulova Marina Vladimirovna — Counselor of RAASN, Doctor tech. Sciences, Professor, Head of Building materials making Department, Ivanovo State Architecturally-Building University, 20, 8-th March, Ivanovo, 153037, Russia, +7-(4932)-37-34-36, k_psm@igasu.ru;

Slizneva Tatjana Evgenjevna — Candidate tech. Sciences, Associate Professor of Higher and Applied mathematic Department, Ivanovo State Architecturally-Building University, 20, 8-th March, Ivanovo, 153037, Russia, +7-(4932)-38-40-20, tatjanaslizneva@mail.ru;

Akhmadulina Juliya Sergeevna — Assistant of Higher and Applied mathematic Department, Ivanovo State Architecturally-Building University, 20, 8-th March, Ivanovo, 153037, Russia, +7-(4932)-38-40-20, JUL1D1@yandex.ru;

Padokhin Valery Alekseevich — Doctor tech. Sciences, Professor, Senior staff scientist, Head of the laboratory Chemistry and Technology of Non-linear Processes, Institute of solution chemistry RAS, 1, Akademicheskaja, Ivanovo, 153045, Russia, +7-(4932)-33-62-64, vap@isc-ras.ru;

Bazanov Aleksandr Vladimirovich — Candidate tech. Sciences, Scientific associate of the laboratory Chemistry and Technology of Non-linear Processes, Institute of solution chemistry RAS, 1, Akademicheskaja, Ivanovo, 153045, Russia, +7-(4932)-30-78-97, bazanov@hotbox.ru.

F o r c i t a t i o n: Fedosov S.V., Akulova M.V., Slizneva T.E., Ahmadulina Ju.S., Padohin V.A., Bazanov A.V. Svojstva cementnyh kompozitov na mehanoaktivirovannom rastvore silikata natrija [Properties of cement composites by the mechanoactivation of solution of the sodium silicate]. Vestnik MGSU [Proceedings of the Moscow State University of Civil Engineering], 2012, no 1, Pp. 57—62.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.