CC BY
0DOI 10.53980/24131997_2021_4_79
Л. А. Урханова, д-р техн. наук, проф.
С.А. Лхасаранов, канд. техн. наук, доц.
Э.В. Бадмаева, аспирант, e-mail: e.v.badmaeva330@gmail.com Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, г. Улан-Удэ
УДК 691.542
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ ДОБАВОК
НА СВОЙСТВА И ФАЗОВЫЙ СОСТАВ КОМПОЗИЦИОННЫХ ВЯЖУЩИХ ДЛЯ СУХИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ СМЕСЕЙ*
Изучено влияние комплексного использования в качестве добавок золы-уноса и нанокремнезема на физико-механические свойства и структурообразование цементного камня. Определено, что при замене 30 % цемента золой-уносом прочностные характеристики цементного камня сохраняют прочность. Установлены зависимости структурообразования композиционного вяжущего для сухой смеси от количества активной минеральной добавки - нанокремнезема и пластификатора. Проведенная дифференциально-сканирующая калориметрия показала изменения в составе композиций и выявила формирование новообразований.
Ключевые слова: портландцемент, минеральные добавки, зола-унос, совместный помол, нано-кремнезем, суперпластификатор, дифференциально-сканирующая калориметрия.
L.A. Urkhanova, Dr. Tech. sciences, Professor S.A. Lkhasaranov, Ph.D., Associate Professor E.V. Badmaeva, Postgraduate student
STUDY OF THE EFFECT OF MINERAL SUPPLEMENTS ON PROPERTIES AND PHASE COMPOSITION OF COMPOSITE BINDERS
FOR DRY BUILDING MIXTURES
The effect of the complex use of fly ash and nanosilica as additives on the physical and mechanical properties and structure formation of cement stone has been studied. It was determined that after replacing 30% of cement with fly ash, the strength characteristics of the cement stone retain their strength. Dependences of the structure formation of a composite binder for floor mix on the amount of an active mineral additive -nanosilica and a plasticizer are established. The performed differential scanning calorimetry showed changes in the composition of the compositions and revealed the formation of new phases.
Key words: Portland cement, mineral additives, fly ash, joint grinding, nanosilica, superplasticizer, differential scanning calorimetry
Введение
Известно, что разработка научно обоснованных составов и технологий изготовления сухих строительных смесей (далее - ССС) улучшенного качества с эффективными добавками на основе промышленных отходов является актуальной задачей строительной отрасли [1]. Переработка и использование вторичного сырья или техногенных отходов не только позволяет сохранить окружающую среду, что актуально для Республики Бурятия, но и приводит к сокращению расходов на производство новых составов сухих смесей, в частности для напольных покрытий. Для управления структурой и свойствами растворов из ССС рекомендуется введение модифицирующих добавок различного функционального действия, обеспечивающих пластификацию, гидрофобизацию, воздухововлечение, ускорение структурообразования и биозащиту, а также инновационные технологии их изготовления.
* Исследования выполнены в рамках проекта межрегионального научно-образовательного центра «Байкал».
Традиционные растворы на основе минеральных компонентов для напольных покрытий имеют ограниченный потенциал наращивания основных показателей, в частности прочности при изгибе, стойкости к истиранию, усадки. Это связано с большим количеством негативных побочных явлений, вызываемых вводимыми в них тонкодисперсными компонентами, перекрывающими основной положительный эффект. Использование полимерных модификаторов, хорошо зарекомендовавших себя в сухих строительных смесях различного назначения, непопулярно ввиду значительного удорожания строительного раствора [2].
Решением, не применявшимся ранее, является разработка композиционных вяжущих для ССС, используемых для напольных покрытий, с целью повышения прочности при сжатии и изгибе, адгезии к основанию, стойкости к истиранию, снижения усадочных деформаций. Получение композиционных вяжущих позволяет за счет изменения соотношения между клинкерной составляющей и минеральных добавок, варьирования состава последних, введения химических модификаторов, в частности наноразмерного уровня, и изменения режимов обработки придавать им различные свойства, необходимые для решения конкретной задачи. Применение для модификации сухих строительных смесей наноразмерных модификаторов не только активно влияет на процессы структурообразования при гидратации цемента, но и улучшает технологические свойства смесей.
Материалы и методы
В исследованиях в качестве сырьевых материалов использовались: портландцемент ЦЕМ I 32,5Н 31108-2016 (ООО «Тимлюйский цементный завод»), золошлаковые отходы ТЭЦ-2 г.Улан-Удэ, пирогенный нанокремнезем (НК) «HDK Wacker», суперпластификатор Sika®ViscoCrete® 225 P в виде порошка на основе поликарбоксилатов.
Зола уноса ТЭЦ-2 г. Улан-Удэ относится к низкокальциевым золам, которые имеют высокое содержание (70 масс. %) кристаллической фазы в основном в виде кремнезема и глинозема. Содержание стеклофазы в золе уноса составляет 30 масс. %.
Пирогенный нанокремнезем - высокоактивный, аморфный, пирогенный диоксид кремния (SiO2), получаемый пламенным гидролизом четыреххлористого кремния (SiCU) высокой чистоты. Нанокремнезем представляет собой очень чистый аморфный непористый диоксид кремния с размером частиц от 5 до 40 нм.
Суперпластификатор Sika®ViscoCrete® 225 P - высокоэффективный суперпластификатор (СП) в виде порошка на основе эфиров поликарбоксилатов, предназначенный для производства сухих строительных смесей и бетонов.
Композиционные вяжущие получали совместным помолом портландцемента (ПЦ), золы уноса, суперпластификатора и нанокремнезема до удельной поверхности 400-450 м2/кг на стержневом виброистирателе ВИ-4х350.
Результаты и обсуждение
В исследовании были рассмотрены составы композиционных вяжущих, состоящих из цемента, золы, нанокремнезема и суперпластификатора в различных сочетаниях для выявления влияния наиболее значимого компонента композиционного вяжущего, влияющего на прочность при сжатии (табл.). Для сравнения были взяты составы исходного ПЦ и измельченного до такой же удельной поверхности, как и у многокомпонентных составов. Результаты исследований представлены в таблице.
Таблица
Кинетика набора прочности
№ Составы В/В -отношение Прочность при сжатии гидратного камня, МПа, после, сут
3 7 28
1 ПЦ исходный, контрольный 0,25 10,8 31,2 42,8
2 ПЦ измельченный 0,30 15,3 34,8 48,3
3 ПЦ + Зола 30 % 0,35 22,5 37,4 54,3
4 ПЦ + Зола 30 % + Sika 0,05 % 0,25 30,3 43,5 57,5
5 ПЦ + Зола 30 % + Sika 0,05 % + НК 0,05 % 0,27 55,2 59,4 73,8
Анализ результатов определения прочности при сжатии гидратного камня исследуемых составов показывает, что совместное использование минеральных микро- и ультрадисперсных компонентов (золы-уноса и нанокремнезема) и суперпластификатора приводит к наибольшему увеличению прочности - на 72,5 % по сравнению с исходным портландцементом. Данный эффект достигается путем аддитивного и синергетического взаимодействия компонентов вяжущего, где аморфная часть золы-уноса выполняет роль структурирующего компонента, приводящего к образованию гидросиликатов кальция второй генерации, а кристаллическая часть золы уноса выступает в роли микронаполнителя для повышения плотности композита и снижения усадочных деформаций. Суперпластификатор Sika®ViscoCrete® 225 Р адсорбируется на поверхности частиц вяжущего и благодаря силам отталкивания от эффекта, известного как стерическое препятствие, позволяет частицам композиционного вяжущего эффективно диспергироваться в смеси. Использование в составе композиционного вяжущего нанокремне-зема приводит к направленному формированию структуры композита, обеспечивающего улучшение физико-механических и эксплуатационных свойств напольного покрытия.
Для разъяснения полученных результатов исследования кинетики твердения было принято решение провести физико-химические исследования композиционного вяжущего на основе цемента и золы при оптимальном содержании суперпластификатора и нанокремнезма. Доказано, что высокие физико-механические характеристики композиционного вяжущего объясняются микроструктурой оптимизированного камня, которая отличается однородностью, существенно меньшим размером новообразований, их равномерным распределением, повышенной плотностью и степенью гидратации клинкерных минералов (рис. 1) [6].
Рисунок 1 - Микроструктура образцов: а - исходный цемент (х1000); б - композиционное вяжущее (ПЦ, зола-унос, СП, нанокремнезем) (х2000)
Изменение морфологии образующихся продуктов гидратации портландцемента и композиционного вяжущего подтверждает улучшение физико-механических показателей. Для оценки фазового состава композиционных вяжущих был проведен дифференциально-термический анализ гидратного камня. На всех полученных ДСК- и ТГА-спектрах (рис. 2, 3) наблюдаются эндотермические эффекты при температурах 160-170 °С, связанные с удалением кристаллизационной воды, 490-520 °С - отвечающий за дегидратацию гидроксида кальция Са(ОН)2, 750-780 °С - соответствующий дегидратации гидросиликатов кальция CaO-SiO2-Н2О. Слабый эндотермический эффект, появляющийся у композиционных вяжущих при температуре 900-910 °С, отражает перекристаллизацию силикатов кальция (CaSiOз). На кривых ТГА отражено снижение массы образцов при нагревании, обусловленное потерей адсорбционной воды из структуры материала.
Рисунок 2 - Дериватограмма: а - измельченного цемента; б - композиционного вяжущего, состоящего из цемента, золы, суперпластификатора и нанокремнезема
Рисунок 3 - Дериватограмма композиционных вяжущих: а - без добавок; б - с добавками: суперпластификатором и нанокремнеземом
Результаты дифференциально-термического анализа показывают, что введение в состав композиции модифицирующих микро- и ультрадисперсных добавок способствует изменению фазового состава гидратного камня. При сравнении кривых портландцемента и композиционного вяжущего наблюдается изменение основности образующихся гидросиликатов кальция: эндотермический эффект в области температур 759-780 °С у портландцемента смещается
82
вправо, у композиционных вяжущих - в сторону повышения температуры до 780 °C. Смещение пика связано с тем, что введение золы-уноса, нанокремнезема приводит к образованию дополнительного количества гидросиликатов кальция, отличающихся от традиционных. В композиционном вяжущем образуются дополнительные низкоосновные гидросиликаты кальция, структурированные по поверхности твердой фазы, с образованием более плотного композита с улучшенными физико-механическими свойствами.
Выводы
В исследовании установлено, что совместное введение золы-уноса, суперпластификатора и нанокремнезема для получения композиционных вяжущих для напольных сухих строительных смесей приводит к повышению их физико-механических свойств. Анализ микроструктуры и фазового состава композиционных вяжущих показал повышение однородности и плотности структуры, формирование оптимального состава новообразований твердеющего композита. Использование композиционного вяжущего в составе напольных сухих строительных смесей будет способствовать улучшению технологических свойств при проведении строительных работ, повышению прочностных характеристик, снижению усадочных деформаций напольного покрытия.
Библиография
1. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. - М.: Мир, 1979. - 568 с.
2. Баженов Ю.М., Коровяков В.Ф., Денисов Г.А. Технология сухих строительных смесей: учеб. пособие. - М.: АСВ, 2003. - 96 с.
3. Баженов Ю.М., Королев Е.В. Технология наномодифицирования строительных материалов // Наносистемы в строительстве и производстве строительных материалов: сб. докл. участ. круглого стола. - М.: Изд-во АСВ, 2007. - С. 33-38.
4. Загороднюк Л.Х., Лесовик В.С., Шамшуров А.В. и др. Композиционное вяжущее на основе комплексного органоминерального модификатора для сухих ремонтных смесей // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2014. - № 5. - С. 25-31.
5. Коваленко В.В. Лабораторные исследования изменения динамической вязкости цементно-песчаных растворов в зависимости от соотношения исходных компонентов // Государственное высшее учебное заведение «Национальный горный университет». - СПб., 2001. - С. 27-30.
6. ИващенкоЮ.Г., ТимохинД.К., СтраховА.Т. Модифицирующее действие органических добавок на цементные композиционные материалы // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2012. - № 4. - С. 220-226.
7. Корнеев В.И., Зозуля П.В. Сухие строительные смеси. - М.: Изд-во Стройматериалы, 2010. -
320 с.
8. Лесовик В.С. Классификация активных минеральных добавок для композиционных вяжущих с учетом генезиса // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2012. - № 3. - С. 10-14.
9. Лесовик В.С., Загороднюк Л.Х., Чулкова И.Л. Закон сродства структур в материаловедении // Фундаментальные исследования. - 2014. - № 3, ч. 2. - С. 267-271.
10. Логанина В.И., Макарова Л.В., Мокрушина Ю.А. Тонкодисперсные наполнители на основе силикатов кальция для сухих строительных смесей // Строительные материалы. - 2010. - № 2 -С. 36-37.
11. Сафаров К.Б., Степанова В.Ф., Фаликман В.Р. Влияние механоактивированной низкокальциевой золы-уноса на коррозионную стойкость гидротехнических бетонов Рогунской ГЭС // Строительные материалы. - 2017. - № 10. - С. 20-25.
12. Твердохлебов Д.В. Влияние компонентного состава на реологические и другие технологические свойства пеноцементных смесей: дис ... канд. техн. наук: 05.23.05. - Белгород, 2006. - 148 с.
13. УрхановаЛ.А., Лхасаранов С.А., Бардаханов С.П. Модифицированный бетон с применением нанокремнезема: монография. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ, 2014. - 104 с.
14. Чернышов Е.М. Приложения нанохимии в технологии твердофазных строительных материалов: научно-инженерная проблема, направления и примеры реализации // Строительные материалы.
- 2008. - № 2. - С. 32-36.
15. Яковлев Г.И., Плеханова Т.А., Полянских И. С. и др. Физико-химические свойства и долговечность строительных материалов: учеб. пособие. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2015. - 81 с.
Bibliography
1. Adamson А. Physical chemistry of surfaces. - M.: Mir, 1979. - 568 p.
2. Bazhenov Yu.M., Korovyakov V.F., Denisov G.A. Technology of dry building mixtures: a tutorial. -M.: ASV, 2003. - 96 p
3. Bazhenov Yu.M., Korolev E.V. Technology of nano-modification of construction materials // Collection of reports of participants of the round table "Nanosystems in the construction and manufacture of building materials". - M.: Izd-vo ASV, 2007. - P. 33-38.
4. Zagorodnyuk L.H., Lesovik V.S., Shamshurov A.V. et al. Composite binder based on a complex or-ganomineral modifier for dry repair mixtures // Bulletin of V.G. Shukhov BSTU. - 2014. - N 5. - P. 25-31.
5. Kovalenko V.V. Laboratory studies of changes in the dynamic viscosity of cement-sand solutions depending on the ratio of the initial components // State Higher Educational Institution "National Mining University". - SPb., 2001. - P. 27-30.
6. Ivashchenko Yu.G., Timokhin D.K., Strakhov A.T. Modifying effect of organic additives on cement composite materials // Bulletin of the Saratov State Technical University. - 2012. - N 4. - P. 220-226.
7. Korneev V.I., Zozulya P.V. Dry building mixes. - M.: Publishing House of Building Materials, 2010.
- 320 p.
8. Lesovik V.S. Classification of active mineral additives for composite binders taking into account the genesis // Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. - 2012. - N 3. - P. 10-14.
9. Lesovik V.S., Zagorodnyuk L.H., Chulkova I.L. The law of affinity of structures in materials science // Fundamental research. - 2014. -N 3, P. 2. - P. 267-271.
10. Loganina V.I., Makarova L.V., Mokrushina Yu.A. Fine fillers based on calcium silicates for dry building mixes // Construction Materials. - 2010. - N 2. - P. 36-37.
11. Safarov K.B., Stepanova V.F., Falikman V.R. Influence of mechanoactivated low-calcium fly ash on corrosion resistance of hydraulic concretes of Rogun HPP // Construction Materials. - 2017. - N 10. -P.20-25.
12. Tverdokhlebov D.V. Influence of component composition on rheological and other technological properties of foam cement mixtures: Diss. Candidate of Technical Sciences: 05.23.05. - Belgorod, 2006. -148 p.
13. Urkhanova L.A., Lhasaranov S.A., Bardakhanov S.P. Modified concrete using nanosilicon: monograph. - Ulan-Ude: Publishing House of VSGUT, 2014. - 104 p.
14. ChernyshovE.M. Applications of nanochemistry in the technology of solid-phase building materials: scientific and engineering problem, directions and examples of implementation // Building materials. - 2008.
- N 2. - P. 32-36.
15. Yakovlev G.I., Plekhanova T.A., Polyanskikh I.S. et al. Physico-chemical properties and durability of building materials: textbook. - Izhevsk: Publishing House of IzhSTU, 2015. - 81 p.
