ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИЙ ЛЕГКИХ МАГНЕЗИАЛЬНЫХ БЕТОНОВ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Исследование деформаций легких магнезиальных бетонов

Г.Ф. Аверина, Т.Н. Черных, Д.В. Ульрих, А.А. Орлов Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский

университет)

Аннотация: В статье приводятся результаты исследования склонности композитов на основе магнезиальных вяжущих к деформационным изменениям. Определена зависимость степени деформаций легких магнезиальных бетонов от условий их твердения. Установлены основные факторы, влияющие на деформации легких магнезиальных бетонов. Показано влияние условий твердения на интенсивность деформационных изменений. Выявлены причины, вызывающие неравномерность деформаций легких магнезиальных бетонов. Определен способ изготовления легких магнезиальных бетонов, предотвращающий их неравномерное деформирование и последующее нарушение геометрии конструкции. Установлено, что введение добавок-модификаторов, таких, как эфиры целлюлозы способствуют снижению расслаиваемости бетонных магнезиальных смесей, улучшают их однородность и снижают неравномерность деформационных изменений по объему образца.

Ключевые слова: магнезиальные вяжущие, объемные деформации, усадка, расширение, коробление, условия твердения, расслоение, магнезиальный бетон, стекломагнезиальный лист, растрескивание.

Введение

Магнезиальные вяжущие вещества - воздушные вяжущие, состоящие в основном из мелкодисперсного порошка оксида магния, затворяемого водными растворами солей [1, 2]. На сегодняшний день все порошки оксида магния для магнезиальных вяжущих получают путем термической обработки высокомагнезиального сырья, такого, как магнезиты, бруситы и доломиты [3, 4]. Особенность магнезиальных вяжущих заключается в том, что в качестве затворителя используются растворы хлористого или сернокислого магния [5, 6]. При затворении оксида магния растворами солей прочность на сжатие затвердевшего магнезиального камня может достигать 30 - 70 МПа [7, 8]. Наиболее распространены магнезиальные цементы, затворенные хлоридом магния, так как они имеют наибольшую прочность [9].

Процесс твердения магнезиальных вяжущих может сопровождаться объёмными деформациями [10]. На длинномерных изделиях, например, стекломагнезиальных листах возможно возникновение неравномерных

М Инженерный вестник Дона, №12 (2021) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nl2y2021/7341

деформаций, что приводит к их короблению. Нужно отметить, что коробление проявляется на стабильном вяжущем с равномерным изменением объема [11].

Так как наиболее часто данная проблема возникает у производителей стекломагнезиальных листов, эксперименты проводили с магнезиальным камнем и легким магнезиальным бетоном - основой этих листов.

Целью данной работы является исследование деформаций легких магнезиальных бетонов.

Для достижения поставленной цели были поставлены и реализованы следующие задачи:

1. Определить степень деформации легких магнезиальных бетонов в зависимости от условий твердения.

2. Выявить факторы, в наибольшей степени влияющие на деформации легких магнезиальных бетонов.

3. Выявить причины, вызывающие неравномерное деформирование легких магнезиальных бетонов.

4. Выбрать способ изготовления легких магнезиальных бетонов, предотвращающий их неравномерное деформирование.

Материалы и методы исследования

Для изготовления легкого магнезиального бетона использовали вяжущее - порошок магнезиальный каустический (ПМК 75), затвор итель -раствор хлористого магния (бишофита), наполнитель - доменный гранулированный шлак и легкий заполнитель - вермикулит. Свойства материалов перечислены ниже.

Вермикулит:

• Наибольшая крупность - 1,25 мм;

• Насыпная плотность - 180 кг/м3.

ПМК-75:

• Нормальная густота (погружения пестика прибора Вика 4.. .10 мм) 28 %;

• Насыпная плотность - 1,27 г/см3;

• Тонкость помола по остаткам на сите 0,08 % - 13;

• Начало схватывания, не ранее - 70 минут;

• Конец схватывания, не позднее - 130 минут;

• Отсутствие трещин при равномерном изменении объема;

• Прочность при сжатии в 28 сутки - 71,4 Мпа;

• Прочность при изгибе в 7 сутки - 13,7 Мпа.

Доменный гранулированный молотый шлак:

• Удельная поверхность - 391,7 м2/кг*;

• Содержание фракции менее 0,08 мм - 97,2 %;

• Содержание фракции менее 0,02 мм - 48,3 %.

Технический хлористый магний (бишофит), соответствовал требованиями ГОСТ 7759-73.

Для оценки качества сырьевых материалов и свойств бетонных смесей, изготовленных на их основе, использовали как стандартные методики, так и специально разработанные методы исследования. Перечень применяемых в работе стандартных испытаний приведен в таблице № 1.

Таблица № 1

Стандартные методы испытаний

Вид испытаний Метод испытаний

Нормальная густота, сроки схватывания ГОСТ 1216-87

Прочность при сжатии и изгибе магнезиального вяжущего и легкого бетона, равномерность изменения объема, тонкость помола ТУ 5744-001-607794322009

Расслаиваемость легкой бетонной смеси ГОСТ 10181-2014

N Инженерный вестник Дона, №12 (2021) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nl2y2021/7341

Для определения склонности образцов к короблению изготавливали 9 образцов размерами 4х4х16 см. Через 24 часа нормального твердения (температура 20±2 °С, влажность 95±5 %) образцы извлекали из форм, на них наносили разметку с шагом в один сантиметр (рис. 1). Контрольные метки впоследствии использовали для контроля деформационных изменений.

После подготовки образцов три образца поместили в сушильный шкаф на 27 суток при температуре 30 0С и влажности 0 % в вертикальном положении. Другие 3 образца твердели в нормальных условиях (температура 20±2 °С, влажность 95±5 %).

Последние 3 образца того же состава помещены в ванну с гидравлическим затвором (рис. 2.), в данной среде образцы набирают прочность в течение 28 суток при влажности 100 %, в вертикальном положении (рис. 3).

Рис. 1. - Размеченные образцы

Рис. 2. - Схема ванны с гидравлическим затвором

Рис. 3. - Образцы в ванной с гидравлическим затвором

Каждые сутки контролировали деформаций образцов, по изменению расстояния между рисками с помощью штангенциркуля.

Результаты и обсуждение

Для оценки склонности легкого магнезиального бетона к расширению/усадке, а также равномерности этих деформаций был проведен эксперимент: изготавливали легкую магнезиальную бетонную смесь по составу, представленному в таблице № 2. Плотность бетонной смеси составила 1585 кг/м . У полученной на основе данного состава бетонной смеси определяли расслаиваемость, также изготавливали образцы-балочки

4х4х16 см, для оценки пределов прочности при сжатии в 7 и 28 сутки твердения и склонности образцов к расширению/усадке.

Таблица № 2

3

Состав легкой бетонной смеси на 1 м

Компонент Содержание

ПМК-75, кг 690

Вермикулит, кг 136

Шлак, кг 124

Бишофит, кг 317

Вода, кг 317

Так как одной из вероятных причин неравномерных деформаций магнезиального легкого бетона может являться неоднородность состава бетона по объему, мы оценили расслаиваемость бетонной смеси. Результаты представлены в таблице № 3.

Таблица № 3

Расслаиваемость магнезиальной легкой бетонной смеси

№ п/ п Часть формы Масса бетонной смеси, г Масса заполнителя, г Высота слоя, мм Масса растворной части с уч. H Раствороо тделение, %

1. Верхняя 2082 106,5 60 2469,4 3,6

Нижняя 3270 87,0 90 2652,5

2. Верхняя 2448 125,2 70 2488,7 3,5

Нижняя 2921 74,8 80 2668,3

3. Верхняя 2444 125,0 70 2484,6 3,5

Нижняя 2914 70,0 80 2666,3

Среднее значение 3,5

Достоверность полученных результатов оценивали по ошибке эксперимента, которая составила 0,17 %, что составляет менее 5 % от раствороотделения. Значение раствороотделения - 3,5 % является незначительным. Однако, разница в составе бетонной смеси, а значит, и бетона присутствует, что может оказать влияние на процесс гидратации

магнезиального вяжущего, что в свою очередь может привести к формированию камня различного фазового состава в верхней и нижней частях изделия.

Для оценки влияния расслоения бетонной смеси на свойства бетона были изготовлены образцы-балочки 4х4х16 см, из верхней, средней и нижней части бетонной смеси, отбор осуществляли из форм 15х15х15 см после уплотнения. У образцов определяли: пределы прочности при сжатии и изгибе в 7 и 28 сутки твердения, деформации расширения/усадки. Образцы твердели в нормальных условиях.

Результаты испытаний представлены в таблицах №№ 4 и 5.

Таблица № 4

Результаты определения предела прочности образцов

Свойства в 7 суток твердения

Предел прочности при Предел прочности Средняя плотность, г/см3

сжатии, МПа при сжатии, МПа

Из нижней части 4,9 14,4 1,762

Из средней части 4,0 11,3 1,580

Из верхней части 3,8 6,3 1,422

Свойства в 28 суток твердения

Из нижней части 9,7 20,6 1,738

Из средней части 9,4 17,7 1,563

Из верхней части 7,1 7,8 1,398

Для оценки достоверности полученных данных рассчитывали ошибку эксперимента при требуемом количестве повторов, ошибка для всех испытаний составила менее 5 %.

Из данных, представленных в таблице № 4, можно сделать вывод, что расслоение бетонной смеси оказывает значительное влияние на все свойства легкого бетона. Плотность образцов, изготовленных из верхней части бетонной смеси, на 20 % меньше плотности образцов из нижней части,

аналогично, прочность при сжатии образцов из верхней части бетонной смеси почти на 60 % меньше.

В таблице № 5 показаны деформации образцов легкого магнезиального бетона в зависимости от условий их твердения и уровня отбора бетонной смеси. Образцы твердели в нормальных условиях, при температуре 30 °С и влажности 0 %, при влажности 100 % и температуре 20 °С.

Таблица № 5

Определение деформаций усадки/расширения легкого магнезиального бетона

Часть образца, для которой определялись деформации № стороны образца Твердение температур 30 °С и влажности 0 % Твердение в нормальных условиях Твердение при влажности 100 % и температуре 20 °С

усредненное изменение измене отрезка

1 сутки 7 сутки 28 сутки 1 сутки 7 сутки 28 сутки 1 сутки 7 сутки 28 сутки

Нижняя 1 0,0% 0,1% 0,2% 0,0% 0,4% 1,2% 0,0% 4,5% 6,2%

2 0,0% 0,1% 0,2% 0,0% 0,5% 1,3% 0,0% 5,1% 7,1%

3 0,0% 0,1% 0,2% 0,0% 0,6% 1,4% 0,0% 6,1% 10,1%

4 0,0% 0,1% 0,2% 0,0% 0,5% 1,3% 0,0% 5,1% 6,9%

Средняя 1 0,0% 0,1% 0,2% 0,0% 0,2% 1,0% 0,0% 4,3% 5,8%

2 0,0% 0,2% 0,3% 0,0% 0,3% 1,1% 0,0% 4,9% 6,4%

3 0,0% 0,1% 0,2% 0,0% 0,4% 1,2% 0,0% 5,9% 7,4%

4 0,0% 0,1% 0,2% 0,0% 0,3% 1,1% 0,0% 4,9% 6,4%

Верхняя 1 0,0% 0,1% 0,2% 0,0% 0,1% 0,9% 0,0% 4,0% 5,5%

2 0,0% 0,2% 0,3% 0,0% 0,2% 1,0% 0,0% 4,6% 6,1%

3 0,0% 0,3% 0,4% 0,0% 0,3% 1,1% 0,0% 5,6% 7,1%

4 0,0% 0,2% 0,3% 0,0% 0,2% 1,0% 0,0% 4,6% 6,1%

Для оценки достоверности полученных данных рассчитывали ошибку эксперимента при 3-х повторах, ошибка для всех испытаний составила менее 5 %.

Анализируя данные в таблице можно сделать несколько выводов.

Образцы, изготовленные из бетонной смеси, отобранной из верхней части формы, имеют меньшие деформации, чем образцы, изготовленные из бетонной смеси, отобранной из средней или нижней части формы. Таким образом, чем больше в образцах растворной части, тем значительнее они расширяются.

Условия твердения значительно влияют на деформации образцов. Повышение влажности образцов стимулирует их твердение, что усиливает деформации. Высушивание образцов предотвращает их расширение, однако, при возобновлении нормального твердения, деформации начинают нарастать.

Образцы по-разному деформируются с разных сторон, т.е. происходит их коробление, причиной этого может являться расслоение смеси при изготовлении образцов 4х4х16см.

Деформации значительно нарастают после 7 суток твердения, что может свидетельствовать о том, что причина значительных деформаций и коробления образцов - перекристаллизация магнезиального камня.

Таким образом, условия твердения образцов оказывают влияние на их деформации, однако к короблению приводит именно расслоение бетонной смеси в процессе формования.

Так как причиной коробления легкого магнезиального бетона является расслоение бетонной смеси, были предложены способы для его снижения: введение в бетонную смесь суперпластификатора на поликарбоксилатной основе Melflux 5691 F (0,5 % от массы магнезиального вяжущего); введение в бетонную смесь эфиров целлюлозы ВегтосоП 379 (0,1 % от массы магнезиального вяжущего). Обе добавки позволяют значительно повысить вязкость бетонной смеси, что должно снизить ее раствороотделение. Melflux также позволит снизить количество затворителя без изменения подвижности бетонной смеси, уменьшение количества затворителя позволит сформировать более стабильный магнезиальный камень, не склонный к деформированию.

Так как одной из вероятных причин неравномерных деформаций магнезиального легкого бетона может являться неоднородность состава бетона по объему, мы оценили расслаиваемость бетонной смеси с предложенными добавками. Результаты представлены в таблице № 6.

Таблица № 6

Расслаиваемость магнезиальной легкой бетонной смеси

№ п/ п Часть формы Масса бетонной смеси, г Масса заполнителя, г Высота слоя, мм Масса растворной части с уч. Н Раствороотделе ние, %

эетон с добавкой МеШих 5691 Б

1. Верхняя 2392 96 70,0 2460 2,5

Нижняя 2850 90 80,0 2587,5

2. Верхняя 2395 96 70,0 2463,214 2,4

Нижняя 2853 96 80,0 2584,688

3. Верхняя 2520 100 73,0 2486,301 2,2

Нижняя 2758 90 77,0 2598,701

Среднее значение 2,4

Бетон с добавкой эфиров целлюлозы Вегтосо11 379

4. Верхняя 2496 95 72,0 2501,042 1,3

Нижняя 2763 92 78,0 2568,269

5. Верхняя 2486 96 72,0 2489,583 1,3

Нижняя 2753 96 78,0 2554,808

6. Верхняя 2501 95 72,0 2506,25 1,1

Нижняя 2758 94 78,0 2561,538

Среднее значение 1,2

Достоверность полученных результатов оценивали по ошибке эксперимента, которая составила: для эксперимента с МеШих 5691 Б -0,44 %, для эксперимента с ВегтосоП 379 - 0,33 %, что составляет менее 5 % от раствороотделения. Раствороотделение снизилось при введении обеих добавок, однако, добавка ВегтосоП более эффективна, и снижает растворооделение в 3 раза.

Для оценки влияния предложенных добавок на расслоения бетонной смеси были изготовлены образцы-балочки 4х4х16 см, из верхней, средней и нижней части бетонной смеси, отбор осуществляли из форм 15х15х15 см после уплотнения. У образцов определяли: пределы прочности при сжатии и изгибе в 7 и 28 сутки твердения, деформации расширения/усадки. Образцы твердели в нормальных условиях.

Результаты испытаний представлены в таблицах №№ 7 и 8.

Таблица № 7

Результаты определения предела прочности образцов

Предел прочности при Предел прочности Средняя плотность, г/см3

сжатии, МПа при сжатии, МПа

Бетон с добавкой Melflux 5691 Б

Свойства за 7 суток твердения

Из нижней части 5,5 22,0 1,762

Из средней части 5,2 17,6 1,580

Из верхней части 5,0 12,9 1,422

Свойства за 28 суток твердения

Из нижней части 10,0 30,4 1,736

Из средней части 6,7 12,0 1,680

Из верхней части 7,1 9,9 1,563

Бетон с добавкой эфиров целлюлозы Bermocoll 379

Свойства за 7 суток твердения

Из нижней части 5,3 16,5 1,562

Из средней части 4,8 15,0 1,540

Из верхней части 4,3 14,9 1,522

Свойства за 28 суток твердения

Из нижней части 9,7 20,6 1,538

Из средней части 9,4 18,7 1,523

Из верхней части 9,1 17,8 1,501

Для оценки достоверности полученных данных рассчитывали ошибку эксперимента при требуемом количестве повторов, ошибка для всех испытаний составила менее 5 %.

Сравнивая изменения свойств бетонных образцов в зависимости от уровня отбора смеси из формы 15х15х15 см, можно сделать вывод, что добавка Melflux не позволяет получить бетон с однородными свойствами. Разница в прочности стала более значительной, что может быть связано с влиянием щелочности среды на эффективность добавки, так как расслоение магнезиальной бетонной смеси приводит к изменению количества

М Инженерный вестник Дона, №12 (2021) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nl2y2021/7341

затворителя в различных частях формы. Добавка ВегтосоП значительно снижает неоднородность свойств бетона, разница по прочности в 28 сутки твердения становится менее 15 %.

В таблице 8 показаны деформации образцов легкого магнезиального бетона в зависимости от условий их твердения и уровня отбора бетонной смеси. Образцы твердели в нормальных условиях.

Таблица № 8

Определение деформаций усадки/расширения легкого магнезиального бетона

Часть образца, для которой Бетон с добавкой эфиров целлюлозы Bermocoll 379 Бетон с добавкой Melflux 5691 F

определялись № стороны образца Усредненное изменение измене отрезка

деформации 1 7 28 1 7 28

сутки сутки сутки сутки сутки сутки

1 0,0% 0,1% 0,2% 0,0% 0,1% 1,1%

Нижняя 2 0,0% 0,1% 0,2% 0,0% 0,2% 1,2%

3 0,0% 0,1% 0,2% 0,0% 0,3% 1,3%

4 0,0% 0,0% 0,2% 0,0% 0,2% 1,2%

1 0,0% 0,1% 0,2% 0,0% 0,1% 0,9%

Средняя 2 0,0% 0,2% 0,3% 0,0% 0,0% 1,0%

3 0,0% 0,1% 0,2% 0,0% 0,1% 1,1%

4 0,0% 0,1% 0,2% 0,0% 0,1% 1,0%

1 0,0% 0,1% 0,0% 0,0% 0,1% 0,8%

Верхняя 2 0,0% 0,2% 0,0% 0,0% 0,1% 0,9%

3 0,0% 0,3% 0,1% 0,0% 0,2% 1,0%

4 0,0% 0,2% 0,0% 0,0% 0,0% 0,9%

Для оценки достоверности полученных данных рассчитывали ошибку эксперимента при 3-х повторах, ошибка для всех испытаний составила менее 5 %.

Как видно из данных, представленных в таблице 9, добавка BermocoП способствует снижению расширения образцов магнезиального бетона, а главное, снижает разницу в деформациях между образцами, изготовленными из бетонной смеси, отобранной из разных уровней формы.

Выводы

1. Установлено, что в процессе уплотнения легких бетонных магнезиальных смесей происходит их расслоение, что приводит к короблению образцов бетона.

2. Выявлено, что условия твердения значительно влияют на деформации расширения магнезиального бетона, в связи с чем, хоть и не являются причиной коробления, но значительно его усугубляют.

3. Доказано, что расслоение бетонной смеси влияет на прочность и плотность получаемого материала.

4. Установлено, что введение добавки эфиров целлюлозы Bermocoll 379 способствует снижению расслаеваемости, повышению однородности бетонной смеси и бетона, снижению его склонности к короблениию.

Литература

1. Козлова B.K., Сутула И.Г., Гущина Е.Н., Маноха A.M. Применение низкообжиговых магнезиальных вяжущих при получении теплоизоляционных и теплоизоляционно-конструкционных материалов // Ползуновский вестник. - №3. - 2008. - С. 232-235.

2. Крамар Л.Я., Черных Т.Н. Обжиг бруситовой породы для получения магнезиального вяжущего строительного назначения //Популярное бетоноведение, 2009. - №5. - С. 47-53.

3. Wenqing, Y. X. G. C. L., Xiuying B. J. A. Study on hydration mechanism of magnesium oxychloride cement prepared by caustic dolomite // Journal of the chinese ceramic society. - 1998. - Т. 4.

4. Namsone E., Sahmenko G., Korjakins A. Production of Magnesium Binder Composites Using Local Raw Materials and Technogenic Products // Environment. Technologies. Resources. Proceedings of the International Scientific and Practical Conference. - 2021. - Т. 3. - pp. 236-241.

5. Зимич В.В., Крамар Л. Я., Трофимов Б. Я. Влияние различных видов затворителей на гигроскопичность магнезиального камня // Вестник ЮУрГУ. Серия «Строительство и архитектура». - Вып. 6.- № 12 (112). -2008. - С. 13-15.

6. Мирюк О. А. Фазовые превращения при твердении магнезиального вяжущего // Вестник Национальной инженерной академии РК. - 2009. - №. 4. - С. 128-132.

7. Крамар, Л.Я. О требованиях стандарта к магнезиальному вяжущему строительного назначения // Строительные материалы. 2006. №1. - С. 47-53.

8. Зимич В.В., Крамар Л.Я. Формирование структуры и свойств магнезиального камня, модифицированного соединениями двух- и трехвалентных металлов // Сб. докладов. - М.: РХТУ им. Менделеева, 2009.

- С. 93-97.

9. Аверина, Г.Ф., Черных Т.Н., Крамар Л.Я. Влияние фактора фракционной неоднородности магнезиального сырья на свойства получаемого вяжущего // Тенденции развития науки и образования. - 2016.

- №. 13-1. - С. 5-7.

10. Войтович В.А., Спирин Г.В. Полы на основе магнезиальных вяжущих веществ // Строительные материалы. 2003. - №9. - С. 8-9.

11. Шелягин, В.В. Магнезиальный цемент (сырье, технология получения и свойства). - Санкт-Петербург: «Проспект науки», 2006. - 206 с.

References

1. Kozlova B.K., Sutula I.G., Gushchina E.N., Manokha A.M. Polzunovskiy vestnik. №3. 2008. pp. 232-235.

2. Kramar L.Ya., Chernykh T.N. Populyarnoe betonovedenie, 2009. №5. pp. 47-53.

3. Wenqing, Y. X. G. C. L., Xiuying B. J. A. Journal of the chinese ceramic society. 1998. T. 4.

4. Namsone E., Sahmenko G., Korjakins A. Environment. Technologies. Resources. Proceedings of the International Scientific and Practical Conference. 2021. T. 3. pp. 236-241.

5. Zimich V.V., Kramar L. Ya., Trofimov B. Ya. Vestnik YuUrGU. Seriya Stroitelstvo i arkhitektura. V. 6. № 12 (112). 2008. pp. 13-15.

6. Miryuk O. A. Vestnik Natsional'noy inzhenernoy akademii RK. 2009. №. 4. pp. 128-132.

7. Kramar, L.Ya. Stroitel'nye materialy №1. 2006. pp. 47-53.

8. Zimich V.V., Kramar L. Ya. Sb. dokladov. M.: RKhTU im. Mendeleeva, 2009. pp. 93-97.

9. Averina, G.F., Chernykh T.N., Kramar L.Ya. Tendentsii razvitiya nauki i obrazovaniya. 2016. №. 13-1. pp. 5-7.

10. Voytovich V.A., Spirin G.V. Stroitel'nye materialy. 2003. №9.pp. 8-9.

11. Shelyagin, V.V. Magnezial'nyj cement (syr'e, tekhnologiya polucheniya i svojstva) [Magnesia cement (raw materials, production technology and properties)]. Sankt-Peterburg: «Prospekt nauki», 2006. 206 p.