CC BY
0DOI 10.53980/24131997_2024_2_112
С.А. Лхасаранов1, канд. техн. наук, доц., e-mail: solbon230187@mail.ru Л.А. Урханова1' 2, д-р техн. наук, проф., e-mail: urkhanova@mail.ru А.А. Иванов1, аспирант, e-mail: vadim290607@gmail.com Н.Н. Смирнягина1, д-р техн. наук, доц., e-mail: smirnyagina09@mail.ru П. Сэргэлэн3, канд. техн. наук, доц., e-mail: psergee@must.edu.mn
1 Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, г. Улан-Удэ
2 Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ),
г. Москва
3 Монгольский государственный университет науки и технологий, г. Улан-Батор УДК 691.542
ИССЛЕДОВАНИЕ ФАЗОВОГО СОСТАВА КОМПОЗИЦИОННЫХ ВЯЖУЩИХ ДЛЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКОГО БЕТОНА
В статье представлены результаты исследования по получению композиционных вяжущих для гидротехнического бетона. В качестве активной минеральной добавки для композиционного цементного вяжущего был использован стекловидный перлит Мухор-Талинского месторождения Республики Бурятия. Определена пуццоланическая активность стекловидного и закристаллизованного перлитов. Проведена оценка физико-механических свойств и фазового состава известково-перлитовых вяжущих автколавного твердения для последующей оценки и идентификации гидратных фаз композиционного цементного вяжущего. Проведен рентгенофазовый анализ портландцемента и композиционного вяжущего со стекловидным перлитом с удельной поверхностью 600 м2/кг. Выявлено, что использование активной минеральной добавки на основе стекловидного перлита приводит к повышению количества низкоосновных гидросиликатов кальция в цементном камне. Проведен электронно-микроскопический анализ композиционных вяжущих для бетона гидротехнических сооружений.
Ключевые слова: портландцемент, стекловидный перлит, прочность при сжатии, гидротехнический бетон, фазовый состав, микроструктура.
S.A. Lkhasaranov1, Cand. Sc. Engineering, Associate Prof. L.A. Urkhanova1' 2, Dr. Sc. Engineering, Prof.
А.А. Ivanov1, P.G. student N.N. Smirnyagina1, Dr. Sc. Engineering, Associate Prof. P. Sergelen3, Ph.D., Associate Prof.
1 East Siberia State University of Technology and Management, Ulan-Ude 2 Moscow Automobile and Road Construction State Technical University (MADI), Moscow 3 Mongolian State University of Science and Technology, Ulaanbaatar
RESEARCH OF PHASE COMPOSITION OF COMPOSITE BINDERS FOR HYDRAULIC CONCRETE
The article studies production of composite binders for hydraulic concrete. Vitreous perlite from the Mukhor-Tala deposit of the Republic of Buryatia was used as an active mineral additive for the composite cement binder. Pozzolanic activity of vitreous and crystallized perlites was determined. Assessment of physical and mechanical properties and phase composition of autoclave-cured lime-perlite binders were carried out for subsequent assessment and identification of the hydrate phases of the composite cement binder. An X-ray phase analysis of Portland cement and a composite binder with vitreous perlite with a specific surface area of 600 m2/kg was carried out. The study established that use of active mineral additive based on glassy perlite leads to increase in amount of low-basic calcium hydrosilicates in cement stone. Electron microscopic analysis of composite binders for concrete hydraulic structures was carried out.
112
Key words: portland cement, vitreous perlite, compressive strength, hydraulic concrete, phase composition, microstructure.
Введение
Обеспечение заданных показателей качества бетонов для гидротехнического строительства требует применения вяжущих веществ, отличающихся минеральным составом и специальным набором свойств для учета массивности конструкций, расположения их относительно уровня воды и степени агрессивности водной среды [1-6]. Применение различных активных минеральных добавок природного и техногенного происхождения изучалось ранее многими исследователями [7-13]. При этом использование активных минеральных добавок может приводить к различным эффектам: снижению тепловыделения, повышению коррозионной стойкости, устранению отрицательного воздействия высокого температурного градиента при гидратации вяжущего, изменению физико-механических свойств [1, 2, 6, 14, 15].
Поскольку композиционные вяжущие представляют собой сложные многокомпонентные системы и их твердение происходит на разных масштабных уровнях, это затрудняет однозначное понимание явлений в твердеющих системах. Использование физико-химических методов исследования позволит аргументировано объяснять и уточнять механизмы взаимодействия между компонентами вяжущих систем [7, 12, 16]. Исследование фазового состава и микроструктуры композиционных вяжущих для гидротехнического бетона позволит выявить оптимальные составы вяжущих веществ, обеспечить заданный набор требуемых физико-механических показателей.
В связи с этим целью работы является исследование фазового состава композиционного вяжущего для гидротехнического бетона на основе портландцемента, стекловидного и закристаллизованного перлита.
Материалы методы исследования
В исследовании в качестве вяжущего использовали портландцемент ЦЕМ I 42,5 Н ООО «Тимлюйцемент» состава, %: C3S - 66,7, C2S - 12,6, C4AF - 12,2, СзА - 6,3; нормальная густота 25,25 %.
В качестве тонкодисперсных минеральных добавок использовались стекловидный и закристаллизованный перлиты Мухор-Талинского месторождения (Республика Бурятия). Содержание стеклофазы в составе стекловидного перлита составляет около 80 %. На рентгенограммах отмечается один небольшой пик с d/n = 3,29А, относимый к минералу санидину. В закристаллизованном перлите содержание стеклофазы составляет до 40 %. Кристаллические фазы закристаллизованного перлита представлены минералами тридимитом, кристобалитом, санидином и альбитом [17].
Исследование пуццоланической активности стекловидного и закристаллизованного перлита определяли по количеству поглощенного СаО из насыщенного раствора гидрооксида кальция одним граммом добавки при нагревании, согласно ГОСТ 25592-2019. Из предварительно высушенной пробы добавки отвешивали навеску массой 1 г. В полученную навеску заливали 100 мл насыщенного раствора гидроксида кальция и выдерживали при температуре 85-90 °С в течение 8 ч. Затем прекращали нагрев и оставляли пробу на 15 ч для остывания до температуры 20 °С. После отбирали 50 мл раствора и титровали в присутствии метилового оранжевого 0,1Н раствором соляной кислоты.
Стекловидный перлит предварительно измельчался в лабораторном виброистирателе ВИ-4х350 до удельной поверхности - 300-800 м2/кг, определяемой методом воздухопроницаемости через слой материала на приборе ПСХ-2. В роли водоредуцирующей добавки использовался суперпластификатор «Полипласт ПК тип S» на основе модифицированных поликарбокси-латов (ООО «Полипласт-Сибирь»), вводимый в состав цемента с водой затворения.
Образцы размером 2*2*2 см изготавливали из цементного теста нормальной густоты. Прочность образцов при сжатии определяли на гидравлическом прессе П-10. Микроструктуру
образцов исследовали с помощью растрового электронного микроскопа «JEOL JSM-6510LV» на базе центра коллективного пользования «Прогресс» ВСГУТУ, фазовый состав исследовали на рентгеновском дифрактометре в Монгольском государственном университете науки и технологий (г. Улан-Батор).
Результаты исследования и их обсуждение
При выборе вида активной минеральной добавки важно оценить ее пуццоланическую активность, т. е. способность минеральной добавки вступать в химическое взаимодействие с гид-роксидом кальция и увеличивать количество гидросиликатов кальция. Оценка пуццоланиче-ской активности перлита (табл. 1) показала, что стекловидный перлит обладал средними пуц-цоланическими свойствами, в то время как закристаллизованный перлит был отнесен к добавкам с низкими пуццоланическими свойствами. При взаимодействии стекловидного и закристаллизованного перлита с насыщенным раствором гидроксида кальция происходило образование низкоосновных гидросиликатов кальция (С^-Н) в результате чего концентрация Са(ОН)2 в растворе снижалась.
Таблица 1
Пуццоланическая активность перлита
Наименование АМД Концентрация СаО в растворе, мг/г
Стекловидный перлит 31,08
Закристаллизованный перлит 24,92
Для выявления фазового состава продуктов гидратации вяжущих материалов был запланирован и реализован комплексный метод физико-химических исследований, включающий определение прочности при сжатии вяжущих на основе перлита с различной удельной поверхностью и известью, подвергнутых автоклавной обработке (табл. 2). Содержание извести во всех составах составило 10 % по массе. После определения прочности при сжатии, состав с наибольшей прочностью был исследован на рентгеновском дифрактометре для выявления образованных в результате гидратации фаз.
Таблица 2
Прочность при сжатии известково-перлитовых вяжущих после автоклавной обработки
Состав вяжущего Средняя плотность, кг/м3 Прочность при сжатии, МПа
Стекловидный перлит 90 % (8уд=300 м2/кг)+известь 10 % 1890 7,6
Стекловидный перлит 90 % (8уд=450 м2/кг)+известь 10 % 1960 10,4
Стекловидный перлит 90 % (8уд=600 м2/кг)+известь 10 % 1660 11,2
Стекловидный перлит 90 % (8уд=800 м2/кг)+известь 10 % 1600 13,2
Анализ рентгенограммы (рис. 1) показал, что известково-перлитовое вяжущее твердеет в условиях автоклавирования с образованием низкоосновного гидросиликата кальция - тобер-морита ^/п 3,07; 3,54 А). На рентгенограмме идентифицируются пики, соответствующие цео-литоподобным фазам - гейландиту ^/п 2,96; 3,11; 4,00; 4,25; 4,29; 8,88 А) и мордениту ^/п 3,14; 3.29; 3,79; 4,09; 4,15 А).
Рисунок 1 - Рентгенограмма известково-перлитового вяжущего (стекловидный перлит 90 % (8уд=800 м2/кг) + известь 10 %)
Авторами ранее в работах [14, 15] были определены физико-механические свойства композиционных вяжущих с различными видами перлита и степенью дисперсности. Для исследуемых вяжущих было характерно увеличение прочности при сжатии по мере увеличения степени дисперсности перлита. Для состава с наиболее высокими показателями (ПЦ+20 % стекловидного перлита, удельная поверхность 600 м2/кг) по прочности и контрольного бездобавочного портландцемента был проведен рентгенофазовый анализ (рис. 2, 3).
Рисунок 2 - Рентгенограмма цементного камня (контрольного) после 28 сут твердения
На наличие портландита указывало существование характерных линий 2,61; 1,92 А. Сравнение интенсивности пиков, относимых к портландиту в контрольном бездобавочном цементе и композиционном вяжущем со стекловидным перлитом, показало, что происходит их снижение на 25-30 %. Анализ дифрактограмм цементного камня с добавкой стекловидного перлита подтвердило, что в гидратированном композиционном вяжущем идентифицируются дополнительные пики низкоосновных гидросиликатов кальция, сходных по структуре с афвилли-том СзS2Hз ^/п 1,92 А) и тоберморитом С5S6H6 ^/п 3,07; 3,54 А). Образующийся при гидратации портландит взаимодействовал с аморфным кремнеземом измельченного стекловидного перлита, при этом ионы Са2+ из раствора адсорбировались на поверхности зерен перлита, которые были заряжены отрицательно. Рост кристаллогидратов и образование новых привели к заполнению межзернового пространства коагуляционными контактами новообразований, переходящих в кристаллизованные [17-19].
Для подтверждения результатов по формированию микроструктуры композиционного вяжущего был проведен электронно-микроскопический анализ (рис. 4).
Рисунок 4 - Микроструктура цементного камня (увеличение *8000): а - ПЦ через 28 сут твердения; б - ПЦ + дисперсный стекловидный перлит
через 28 сут твердения
Структура контрольного цементного камня и композиционного вяжущего с дисперсным стекловидным перлитом была представлена кристаллами гидросиликатов кальция различной
формы и плотности упаковки. На поверхности скола модифицированного композиционного вяжущего наблюдали более плотную бездефектную структуру. Наличие слоистой структуры гидросиликатов кальция, заполнение межпорового пространства игольчатыми кристаллами гидро-силиктаов кальция наблюдалось в составе, модифицированном стекловидным перлитом. Более компактная структура с наличием сросшихся кристаллов низкоосновных гидросиликатов кальция обусловливала повышение физико-механических свойств композиционного вяжущего со стекловидным перлитом.
Таким образом, проведенные исследования процессов структурообразования композиционного вяжущего показали изменения микроструктуры и фазового состава с возможностью для повышения физико-механических свойств и долговечности бетонов для гидротехнических сооружений.
Заключение
Применение активной минеральной добавки на основе стекловидного перлита приводит к повышению прочности на сжатие композиционного вяжущего за счет участия дисперсного стекловидного перлита в формировании структуры цементного камня.
Определено, что стекловидный перлит обладает средними пуццоланическими свойствами, в то время как закристаллизованный перлит относится к добавкам с низкими пуццола-ническими свойствами.
Выявлено, что при введении стекловидного перлита в состав вяжущего происходит снижение интенсивности пиков относимых к портландиту. Образование низкоосновных гиросили-катов кальция способствует росту прочности и долговечности композита.
Исследование выполнено в рамках гранта «Молодые ученые ВСГУТУ-2024».
Библиография
1. Григорьев В.Г., Козлова В.К., Андрюшина Е.Е. и др. Композиционные портландцемента для гидротехнического строительства // Ползуновский вестник. - 2012. - № 1-2. - С. 62-64.
2. Ибе Е.Е. Композиционные цементы для гидротехнического строительства // Молодежь и наука: сб.к материалов IX Всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых с между-нар. участием, посвящ. 385-летию со дня основания г. Красноярска. — Красноярск: Изд-во Сибирского федерального ун-та, 2013.
3. Li Q., Liang G., Hu Y. et al. Numerical analysis on temperature rise of a concrete arch dam after sealing based on measured data // Mathematical Problems in Engineering. - 2014. - N 6. - Р. 1-10.
4. Yerramala A., Ganesh Babu K. Transport properties of high volume fly ash roller compacted concrete // Cement and Concrete Composites. - 2011. - N 33, Iss. 10. - P. 1057-1062.
5. Dolen T.P., Ibanez-de-Aldecoa R., Eharz J.L. et al. Successful large RCC dams - what are the common features? // Proceedings of the fourth international symposium on roller compacted concrete (RCC) dams.
- 2003. - N 2. - P.127-137.
6. Ларсен О.А., Александрова О.В., Наруть В.В. и др. Исследование свойств активных минеральных добавок для применения в гидротехническом строительстве // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. -2020. - № 8. - С. 8-14.
7. Каприелов С.С., Шейнфельд А.В., Кривобородов Ю.Р. Влияние структуры цементного камня с добавками микрокремнезёма и суперпластификатора на свойства бетона // Бетон и железобетон. - 1992.
- № 7. - С. 4-5.
8. Баженов Ю.М., Алимов Л.А., Воронин В.В. Структура и свойства бетонов с наномодификато-рами на основе техногенных отходов. - М.: Изд-во МИСИ-МГСУ, 2013. - 201 с.
9. Бабаев Ш.Т., Башлыков Н.Ф., Гольдина И.Я. Повышение прочности цементного камня // Цемент. - 1990. - № 9. - С. 13-15.
10. Shane D., Mark T., Cheeseman C.R. Comparison of test methods to assess pozzolanic activity // Cement and Concrete Composites. - 2010. - N 32 (2). - P. 121-127.
11. Урханова Л.А., Цыдыпова А.Ц. Влияние золя кремнекислоты на физико-механические свойства полистиролбетона // Строительные материалы. - 2018. - № 1-2. - С. 45-51.
12. Жерновой Ф.Е., Мирошников Е.В. Комплексная оценка факторов повышения прочности цементного камня добавками ультрадисперсного перлита // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2009. - № 2.
- С. 55-60.
13. Лесовик В.С., Жерновой Ф.Е., Глаголев Е.С. Использование природного перлита в составе смешанных цементов // Строительные материалы. - 2009. - № 6. - С. 84-87.
14. Иванов А.А., Урханова Л.А., Лхасаранов С.А. и др. Исследование влияния тонкодисперсных добавок на свойства композиционных вяжущих для гидротехнического бетона // Вестник ВСГУТУ. -2023. - № 2 (89). - С. 80-88.
15. Урханова Л.А., Иванов А.А., Лхасаранов С.А. Композиционный цемент с дисперсным перлитом и коллоидной добавкой для гидротехнического бетона // Цемент и его применение, 2024. - №1. -С.56-60.
16. Демьяненко О.В., Копаница Н.О., Саркисов Ю.С. и др. Исследование свойств цементного камня с комплексной добавкой // Вестник ТГАСУ. - 2020. - Т. 22, № 4. - С. 147-156.
17. Цыремпилов А.Д., ЗаяхановМ.Е., Хардаев П.К. и др. Эффективные вяжущие и бетоны на основе эффузивных пород. - Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 1999. - 348 с.
18. Танг В.Л., Нгуен З.Т.Л. Пуццоланическая активность тонкодисперсных минеральных компонентов различной природы Вьетнама // Техника и технология силикатов. - 2021. - Т. 28, № 1. - С. 7-12.
19. Толыпина Н.М., Хахалева Е.Н., Толыпин Д.А. Структурообразование цементной матрицы с водоредуцирующей добавкой в условиях гидротермального синтеза // Вестник ВСГУТУ. - 2024. - № 1 (92). - С. 107-115. - DOI: 10.53980/24131997_2024_1_107.
Bibliography
1. Grigoryev V.G., Kozlova V.K., Andryushina E.E. et al. Composite Portland cements for hydraulic engineering // Polzunovskiy VESTNIK. - 2012. - N 1-2. -P. 62-64.
2. Ibe E.E. Composite cements for hydraulic engineering construction // Youth and science: collection of materials of the IX Russian scientific and technical conference of students, graduate students and young scientists with international participation, dedicated to the 385th anniversary of the founding of Krasnoyarsk. -Krasnoyarsk: Siberian Federal University, 2013.
3. Li Q., Liang G., Hu Y. et al. Numerical analysis on temperature rise of a concrete arch dam after sealing based on measured data // Mathematical Problems in Engineering. - 2014. - N 6. - P. 1-10.
4. Yerramala A., Ganesh Babu K. Transport properties of high volume fly ash roller compacted concrete // Cement and Concrete Composites. - 2011. - N 33, Iss. 10. - P. 1057-1062.
5. Dolen T.P., Ibanez-de-Aldecoa R., Eharz J.L. et al. Successful large RCC dams - what are the common features? // Proceedings of the fourth international symposium on roller compacted concrete (RCC) dams.
- 2003.- N 2. - P.127-137.
6. Larsen O.A., Aleksandrova O.V., Narut V.V et al. Study of the properties of active mineral additives for use in hydraulic engineering // Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. -2020. - N 8. - P. 8-14.
7. Kaprielov S.S., Sheinfeld A.V., Krivoborodov Yu.R. Influence of cement stone structure with addition of microsilica and superplasticizer on concrete properties // Concrete and Reinforced Concrete. - 1992. - N 7.
- P. 4-5.
8. Bazhenov Yu.M., AlimovL.A., Voronin V.V. Structure and properties of concrete with nanomodifiers based on technogenic waste. - M.: MISS-MGSU, 2013. - 201 p.
9. Babaev Sh.T., Bashlykov N.F., Goldina I.Ya. Increasing the strength of cement stone // Cement. -1990. - N 9. - P. 13-15.
10. Shane D., Mark T., Cheeseman C.R. Comparison of test methods to assess pozzolanic activity // Cement and Concrete Composites. - 2010. - N 32 (2). - P. 121-127.
11. UrkhanovaL.A., TsydypovaA.Ts. Influence of silicic acid sol on physical and mechanical properties of polystyrene concrete // Stroitel'nye Materialy (Construction materials). - 2018. - N 1-2. - P. 45-51.
12. Zhernovoy F.E., Miroshnikov E.V. Comprehensive assessment of factors for increasing the strength of cement stone by adding ultrafine perlite // Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. - 2009. - N 2. -P. 55-60.
13. Lesovik V.S., Zhernovoy F.E., Glagolev E.S. Use of natural perlite in mixed cements // Stroitel'nye Materialy (Construction materials). - 2009. - N 6. - P. 84-87.
14. Ivanov A.A., Urkhanova L.A., Lkhasaranov S.A. et al. Investigation of the effect of fine disperse additives on the properties of composite binders for hydraulic concrete // ESSUTM Bulletin. - 2023. - N 2 (89). - P.80-88.
15. Urkhanova L.A., Ivanov A.A., Lkhasaranov S.A. Composite cement with dispersed perlite and colloidal additive for hydraulic concrete // Cement and its Applications. - 2024. - N 1. - P. 56-60.
16. Demyanenko O.V., Kopanitsa N.O., Sarkisov Yu.S. et al. Study of the properties of cement stone with a complex additive // Journal of Construction and Architecture. - Tomsk, 2020. - Vol. 22, N 4. - P. 147-156.
17. Tsyrempilov A.D., ZayakhanovM.E., Khardaev P.K. et al. Effective binders and concretes based on effusive rocks. - Ulan-Ude: Publishing house BSC SB RAS, 1999. - 348 p.
18. Tang V.L., Nguyen Z.T.L. Pozzolanic activity of finely dispersed mineral components of various natures in Vietnam // Technique and Technology of Silicates. - 2021. - Vol. 28, N 1. - P. 7-12.
19. Tolypina N.M., Khakhaleva E.N., Tolypin D.A. Cement matrix structuring with water-reducing additive under hydrothermal synthesis // ESSUTM Bulletin. - 2024. - N 1 (92). - P. 107-115. - DOI: 10.53980/24131997 2024 1 107.
