CC BY
0
Эффективные безгипсовые портландцементные вяжущие с низкой
водопотребностью для строительных материалов и конструкций
И.П. Терешкин
Национальный исследовательский Мордовский государственный университет
им. Н. П. Огарёва, г. Саранск
Аннотация: В статье показана возможность снижения водопотребности клинкерных вяжущих на основе безгипсового цемента с многокомпонентной добавкой из технического лигносульфоната и водного раствора силиката натрия. Показана возможность получения для строительных конструкций композитов на основе модифицированного безгипсового цемента с улучшенными свойствами. Ключевые слова: композит, безгипсовый цемент, композиция, лигносульфонат технический, бетон, портландцемент, силикат натрия, прочность.
Клинкерные цементные вяжущие и цементные бетонные композиты на их основе являются и остаются главными строительными материалами XXI века [1 - 3]. Они играют ключевую роль в строительстве жилья, инфраструктуры, транспортных систем, различного назначения зданий и сооружений, поэтому их потребление с каждым годом в мире возрастает. В связи с чем, в настоящее время все более актуальными становятся разработка и широкое внедрение в строительное производство эффективных модифицированных полиминеральных малоклинкерных сырьевых смесей (МПС) на основе портландцементного вяжущего для материалов и конструкций широкого наименования с требуемыми эксплуатационными характеристиками.
Залогом производства эффективных и долговечных бетонных композитов является предельное снижение водотвердого отношения их сырьевых смесей [4 - 6]. С этих позиций, технология получения комплексно-модифицированных доступными и недорогими химическими добавками сырьевых смесей на основе безгипсового портландцементного вяжущего серийной промышленной тонкости помола и низкой водопотребностью -является одной из самых эффективных [7 - 9].
В настоящей статье приводятся результаты исследований получения МПС низкой водопотребности на основе молотого до промышленной тонкости помола цементного клинкера и рядовых химических добавок -пластифицирующей добавки (лигносульфоната технического (ЛСТ)) и ускорителя твердения (силиката натрия (Ка28Ю3*пН20)).
Получение аналитических зависимостей, описывающих влияние количества вводимых в сырьевую смесь добавок на подвижность цементных и безгипсовых композиций, а также прочность композитов на их основе -осуществлялось с помощью метода математического моделирования на основе трёхфакторного плана эксперимент и симплекс диаграммы «состав -свойство» [10]. Матрица планирования эксперимента приведена в таблице №1. Варьируемыми факторами являлись: - количество
пластифицирующей добавки, в % от массы клинкера; - количество ускорителя твердения, в % от массы клинкера; - водотвердое отношение смеси (В/Т).
Таблица № 1
Матрица эксперимента на диаграмме «состав - свойство»
№ точки плана В нормализованных единицах В натуральных единицах
V! V2 Vз V2,% Vз
1 1 0 0 2,25 0 0,22
2 0 1 0 0 4,5 0,22
3 0 0 1 0 0 0,31
4 1/3 2/3 0 0,75 3,0 0,22
5 2/3 1/3 0 1,5 1,5 0,22
6 0 1/3 2/3 0 1,5 0,28
7 0 2/3 1/3 0 3,0 0,25
8 2/3 0 1/3 1,5 0 0,25
9 1/3 0 2/3 0,75 0 0,28
10 1/3 1/3 1/3 0,75 1,5 0,25
Оптимизация разрабатываемых сырьевых смесей осуществлялась по реологическим и прочностным параметрам - по растекаемости на вискозиметре типа Суттарда сырьевых смесей и показателям прочности цементных композитов при сжатии в возрасте 28 суток после их твердения в нормальных влажностных условиях.
Моделирование заключалось в определении коэффициентов регрессии приведенного полинома Шеффе [10] и построения с их помощью графиков измерения исследуемых характеристик в пределах поля эксперимента (рис. 1 и 2). Значимые коэффициенты регрессии полиноминального уравнения вида:
У = а^х + а2У2 + аъУъ + + а1ъухуъ + а23У2У3 + а1_2у1Уъ - у2 )+
+ а!-за1аз - V)+ а2-3^3 (Уг - V )+
представлены в таблице №2.
Таблица №2 2
Значимые коэффициенты регрессии
a2 aз ^3 a2з ^-2 ^-3 a2-з 3-123
Растекаемость композиций с комплексной добавкой (Н), см
11,5 5,0 5,2 -12,82 66,6 3,6 -11,92 -29,7 -7,65 -159,5
Прочность композитов при сжатии (Я), МПа
2,02 5,91 37,21 149,3 -80,36 115,5 -26,11 74,67 164,3 595,3
Анализ диаграмм выявил высокую эффективность снижения водотвердого отношения в безгипсовых клинкерных сырьевых смесях с доступной пластифицирующей добавкой ЛСТ, которая совместно с жидким раствором силиката натрия модифицируется и в значительной степени улучшает свои пластифицирующие свойства. Отличительной способностью
М Инженерный вестник Дона, №12 (2023) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nl2y2023/8893
таких сырьевых смесей может являться их снижение водотвердого отношения до значений 0,18^0,2.
А) Б)
Рис. 1. - Растекаемость композиций с комплексной добавкой силиката натрия и ЛСТ на основе: А) цемента, Б) безгипсового цемента
Б)
Рис. 2. - Прочность композитов с комплексной добавкой силиката
натрия и ЛСТ на основе: А) цемента, Б) безгипсового цемента
Исследования физико-механических характеристик клинкерных композитов с многокомпонентным модификатором показывают, что композиты на основе модифицированного безгипсового портландцемента
имеют повышенную твердость и прочность [7, 8]. Экспериментальные значения представлены в таблице № 3.
Таблица № 3
Физико-механические характеристики композитов [7, 8]
Композиты на основе
№ Свойство, единица измерения цемента при В/Т=0,28 безгипсового цемента и комплексной добавки, В/Т=0,25
1 Твердость, Т МПа 154,44 208,34
2 Модуль деформации, Е^5 МПа 2357,84 3504,32
3 Коэффициент энергоемкости материала, Кэн Дж/м 0,7242 0,869
4 Коэффициент пластичности, Кпл 0,0769 0,0784
5 Прочность при сжатии, МПа 41,31 55,73
Анализ значений водопоглощения и коэффициента микропористости позволяют сделать вывод, что у образцов на основе безгипсового портландцемента с комплексной добавкой достаточно мало пор, способных насыщаться водой при атмосферном давлении, а также повышенное содержание условно замкнутых пор. Пористость их ниже по сравнению с пористостью образцов из рядового цемента, что свидетельствует об организации оптимальной структуры порового пространства цементного камня на основе таких модифицированных сырьевых композиций (экспериментальные значения представлены в таблице №4). Сформированная таким образом структура будет обеспечивать высокую плотность, морозостойкость и долговечность цементного камня композитов.
М Инженерный вестник Дона, №12 (2023) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nl2y2023/8893
Таблица №4
Характеристики поровой структуры цементных композитов [7, 8]
Композиты на основе
цемента безгипсового цемента
при с комплексной
№ Свойство, единица измерения В/Т=0,28 добавкой при
В/Т=0,25
1 Водопоглощение по массе, Wъ, % 13,91 10,83
2 Объемное водопоглощение, W0, % 28,81 19,37
3 Равновесное поглощение, Wp, % 8,37 8,66
4 Истинная пористость, Пи, % 29,02 24,25
5 Коэффициент микропористости, Км 0,607 0,8
6 Показатель среднего размера пор, Х2 2,445 1,327
7 Однородность пор по размерам, а 0,551 0,731
Таким образом, модифицированные смеси на основе безгипсового цементного клинкера низкой водопотребностью являются эффективными вяжущими материалами для производства неэнергоемких бетонов с низким водоцементным отношением. Следующим этапом еще большего повышения эффективности модифицированных безгипсовых портландцементных вяжущих с низкой водопотребностью для строительных материалов и конструкций станет замещение части клинкера в вяжущем на минеральную добавку. Это позволит более полно раскрыть вяжущие свойства безгипсового цемента в таких сырьевых смесях, будет способствовать экономии энергетических и материальных ресурсов при производстве клинкерных вяжущих и цементных бетонов на их основе для строительных конструкций широкого наименования, увеличит объем производства и расширит ассортимент цементных вяжущих на существующих мощностях.
Литература
1. Okamura H., Ouchi M. Self-compacting concrete // Journal of advanced concrete technology. 2003. Т. 1. №1. С. 5-15.
2. Перфилов В.А., Габова В.В., Лукьяница С.В. Бетон для строительства подводных нефтегазовых сооружений // Инженерный вестник Дона, 2020, №11. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n11y2020/6673.
3. Li Z., Zhou X., Ma H., Hou D. Advanced concrete technology. John Wiley & Sons, 2022. 612 с.
4. Терешкин И.П. Высокоэффективные пластифицирующие добавки с наноструктурами для модифицирования свойств цементных смесей, растворов и бетонов // Инженерный вестник Дона, 2019, №9. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N9y2019/6219.
5. Баженов Ю.М. Технология бетона. Москва: АСВ, 2011. 528 с.
6. Баженов Ю.М., Алимов Л.А., Воронин В.В. Модифицированные бетоны двойного структурообразования. Москва: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2017. 110 с.
7. Терешкин И.П. Разработка вяжущих низкой водопотребности для стендовых технологий: дисс. ...канд.тех. наук: 05.23.05 / Терешкин Иван Петрович. - Саранск, 2001. - 244 с.
8. Кильдеев И.Р., Панчина А.А., Терешкин И.П. Исследование физико-механических свойств и химического сопротивления композитов на основе безгипсовых портландцементных вяжущих с низкой водопотребностью // Огарев-online. Раздел «Технические науки». 2018, №9. URL: journal.mrsu.ru/arts/issledovanie-fiziko-mexanicheskix-svojstv-i-ximicheskogo-soprotivleniya-kompozitov-na-osnove-bezgipsovyx-portlandcementnyx-vyazhushhix-s-nizkoj-vodopotrebnostyu.
9. Кожникова Е.А. Оценка влияния водоцементного отношения на прочность бетона с активированным цементом // Инженерный вестник Дона,
2017, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2017/4074
10. Вознесенский В.А., Ляшенко Т.В., Абакумов В.В., Абдыкалыков А. Методические указания по моделированию систем «Смеси - технология -свойства». - Одесса: ОИСИ, 1985. - 63 с.
References
1. Okamura H., Ouchi M. Journal of advanced concrete technology. 2003. Т. 1. №1. pp. 5-15.
2. Perfilov V.A., Gabova V.V., Lukianitsa S.V. Inzhenernyj vestnik Dona, 2020, № 11. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n11y2020/6673.
3. Li Z., Zhou X., Ma H., Hou D. Advanced concrete technology. John Wiley & Sons, 2022. 612 с.
4. Tereshkin I.P. Inzhenernyy vestnik Dona, 2019, №9. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N9y2019/6219.
5. Bazhenov Iu. M. Tekhnologiya betona [Concrete technology]. Moskva: ASV. 2011. 528 p.
6. Bazhenov Yu.M., Alimov L.A., Voronin V.V. Modifitsirovannye betony dvoynogo strukturoobrazovaniya [Modified concretes of double structuring]. Moskva: Izdatel'stvo Assotsiatsii stroitel'nykh vuzov, 2017. 110 p. 13.
7. Tereshkin I.P. Razrabotka vyazhushih nizkoy vodopotrebnosti dlya stendovyh tehnologiy [Development of astringent low water requirements for bench technologies]: diss. ...Cand. Sciences: 05.23.05. Tereshkin Ivan Petrovich. Saransk, 2001. 244 p.
8. Kildeyev I.R., Panchina A.A., Tereshkin I.P. Огарев-online, 2018, №9. URL :j ournal. mrsu. ru/arts/issledovanie-fiziko-mexanicheskix-svoj stv-i-ximicheskogo-soprotivleniya-kompozitov-na-osnove-bezgipsovyx-portlandcementnyx-vyazhushhix-s-nizkoj-vodopotrebnostyu.
9. Kozhnikova E.A. Inzhenernyj vestnik Dona, 2017, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n 1y2017/4074
10. Voznesenskij V.A., Lyashenko T.V., Abakumov V.V., Abdykalykov A. Metodicheskie ukazaniya po modelirovaniyu sistem «Smesi - tekhnologiya -svojstva» [Guidelines for modeling systems «Mixtures - technology -properties»]. Odessa: OISI, 1985. 63 р.
Дата поступления: 25.10.2023 Дата публикации: 16.12.2023
