CC BY
15DOI: 10.12737/article_5968b44fa49b52.68901976
Пустовгар А.П., канд. техн. наук, научный руководитель НИИ СМиТ Кузина А. Ф., аспирант, м.н.с.
Адамцевич А.О., канд. техн. наук, н.с.
Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет
КАЛОРИМЕТРИЯ ЦЕМЕНТНЫХ ПАСТ С РАЗЛИЧНЫМ ОВП ВОДЫ ЗАТВОРЕНИЯ
kuzinaAF@mgsu.ru
В работе с использованием метода изотермической калориметрии анализируется степень влияния окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) и других физико-химических свойств воды затворения на кинетику процесса гидратации цементных систем в присутствии различных модифицирующих добавок.
Ключевые слова: калориметрия, цемент, модифицирующие добавки, окислительно-востанови-тельный потенциал.
Введение. На сегодняшний день, основное внимание в вопросах совершенствования технологии производства строительных смесей различного назначения, равно как и изделий на их основе, уделяется преимущественно изучению компонентов твердой фазы: анализу влияния качества цемента и заполнителей на свойства конечного материала [1-4], изучению эффективности и селективности действия добавок [5-9] и т.д. В тоже время, изучению влияния исходных свойств жидкой фазы на качество конечного продукта посвящено кратно меньше исследований. В качестве одного из наиболее активно развиваемых направлений исследований в данной области можно выделить лишь работы, направленные на изучение воздействия физико-химических параметров воды затворения на свойства цементных систем при электрохимической или электромагнитной активации жидкой фазы, а также воздействию данного фактора на характеристики готовых изделий [10-11].
В то же время, процесс гидратации цемента представляет собой сложную химическую реакцию, на протекание которой может оказывать влияние целый спектр исходных свойств воды за-творения: величина pH, окислительно-восстановительный потенциал (ОВП), диэлектрическая проницаемость и т.д. Помимо этого, в настоящий момент, в сфере производства сухих строительных смесей до 100 % рецептур содержат различные модификаторы. Неуклонно растет и степень «химизации» в производстве товарного бетона для монолитного строительства, а также заводского изготовления бетонных и железобетонных изделий.
В связи с вышесказанным, важной научной задачей на сегодняшний день становится расширение знаний в области изучения влияния физико-химических свойств воды затворения на
процессы гидратации цементных систем - в том числе, при условии использования различных типов модифицирующих добавок.
Материалы и методы. Для проведения экспериментальных исследований в работе использовался цемент ПЦ 500 Д0 производства ООО «СЕРЕБРЯНСКИЙ ЦЕМЕНТНЫЙ ЗАВОД» с известным химическим, фазовым и гранулометрическим составом (табл. 1, рис. 1).
Таблица 1
Химико-минералогический состав цемента
Химический состав Минералогический состав
Оксид/ элемент Содержание, % Фаза Содержание, %
CaO 61,55 CзS 61,4
SiO2 20,66 Р^ 14,1
Fe2Oз 4,79 CзA 4,6
Al2Oз 3,65 C4AF 15,2
SOз 2,95 Полуводный гипс 2,1
MgO 1,95 Двувод-ный гипс 1,9
1,03 Ca(OH)2 0,7
0,307
MnO 0,234
Na2O 0,191
SrO 0,154
Cr2Oз 0,014
ппп 2,52
Для моделирования условий протекания процесса гидратации в многокомпонентной системе использованы модифицирующие добавки, представленные в таблице 2. В качестве пластификаторов использованы добавки с разным принципом действия: суперпластификатор с электро-
статическим эффектом (С-З) и гиперпластификатор на основе поликарбоксилатов со стерическим эффектом (Melflux 5581).
Рис. 1. Гранулометрический состав цемента
Все добавки использовались в дозировках, рекомендуемых производителями. Для создания гомогенной дисперсной системы добавок в жидкой фазе использовался ультразвуковой гомогенизатор УЛга-СеП УСХ 750 (режим: мощность 750 Вт, частота 20 кГц, время смешивания 60 сек.).
В качестве жидкой фазы использованы образцы воды из различных источников. [12] Для всех исходных и полученных после гомогенизации образцов жидкой фазы определены следующие характеристики: уровень рН и окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) (табл. 3). Измерения свойств воды проводились в лабораторном помещении с постоянным темпе-ратурно-влажностным режимом при 20 °С и 50 % влажности.
Модифицирующие добавки
Таблица 2
№ Тип (основной эффект действия) Добавка Производитель/ Поставщик Дозировка, % (по массе цемента)
1 Суперпластификатор С-3 ЗАО «Владимирский ЖБК» 0,5
2 Гиперпластификатор Melflux 5581 BASF Constraction Polymers (Trostberg, Германия) 0,5
3 Ускоритель (противоморозная добавка) Формиат кальция Ca(HCOO)2 ЗАО «ЕВРОХИМ-1» 2
Таблица 3
Образцы воды
№ Обозначения Вода Добавка рН ОВП, мВ
1 Дист Дистиллированная - 7,8 259
2 Дист+С3 Дистиллированная С-3 10,0 104
3 Дист+MF Дистиллированная MF 5581 8,7 130
4 Дист+ФК Дистиллированная Формиат кальция Ca(HCOO)2 7,5 -61
5 П Проточная источник 1 - 8,0 128
6 П+С3 Проточная источник 1 С-3 9,3 61
7 П+MF Проточная источник 1 MF 5581 8,1 100
8 П+ФК Проточная источник 1 Формиат кальция Ca(HCOO)2 7,1 -33
9 Проточная источник 2 Проточная источник 2 - 7,0 230
10 Проточная источник 3 Проточная источник 3 - 7,3 395
11 Биореактор Очищенная сточная вода из биореактора - 7,5 224
12 Бутилированная Бутилированная питьевая вода - 9,5 247
Изучение влияния различных факторов на кинетику процесса гидратации в рамках исследования осуществлялось с использованием метода изотермической калориметрии на микрокалориметре TAM AIR с воздушным термостатом. Все измерения проводились при температуре 20 °C по стандартной методике [13-15].
Постановка эксперимента. На первом этапе производилась оценка влияния свойств
воды затворения на кинетику протекания процесса гидратации. По результатам данного эксперимента были отобраны 2 образца воды затворе-ния с различным уровнем ОВП, для которых проведены дальнейшие исследования с использованием модификаторов. Полученные графики теплового потока при измерении тепловыделения гидратации образцов с добавками интегрирова-
лись с целью получения графиков полной тепловой энергии. Числовые значения полной тепловой энергии в контрольных точках на 8, 16, 24, Результаты
32, 40, 54 часах с момента затворения заносились в таблицу для дальнейшего анализа.
Рис. 2. Тепловыделение образцов с различной водой затворения
Время (часы)
а) б)
Рис. 3. Тепловыделение образцов с различной водой затворения в присутствие добавок а) - графики теплового потока; б) - интегральные графики суммарного тепловыделения
Численные значения тепловой энергии к различным моментам времени
Таблица 4
Добавка Значения полного тепловыделения, Дж/г
8 часов 16 часов 24 часа 32 часа 40 часов 54 часа
Дистиллированная вода
- 39,09 111,31 160,73 188,25 207,06 229,99
С-3 28,2 0,72 107,3 0,96 164,3 1,02 193,7 1,03 211,9 1,02 234,2 1,02
MF 5581 12,2 0,31 62,2 0,56 123,5 0,77 156,8 0,83 176,2 0,85 198,8 0,86
Формиат кальция 59,2 1,51 111,7 1,00 138,2 0,86 156,9 0,83 172,3 0,83 195,0 0,85
Проточная вода (Источник 1)
- 37,99 110,52 160,00 187,38 206,09 228,97
С-3 25,7 0,68 105,0 0,95 162,6 1,02 192,2 1,03 210,4 1,02 232,7 1,02
MF 5581 11,7 0,31 57,8 0,52 117,3 0,73 150,3 0,80 169,8 0,82 192,5 0,84
Формиат кальция 59,8 1,57 113,2 1,02 140,0 0,87 158,7 0,85 174,0 0,84 196,3 0,86
В таблице 4 значения полного тепловыделения к различным моментам времени при использовании одной воды затворения сравниваются с
аналогичными значениями при использовании другой воды. Точки, в которых наблюдаются более высокие значения выделены зеленым, а в которых значения ниже - красным.
Обсуждение результатов. Результаты проведенного исследования показали следующее:
1) изменение ОВП воды затворения оказывает незначительное влияние на кинетику процесса гидратации и объем тепловыделения образцов в процессе твердения.
2) Диспергирование в воде затворения всех рассмотренных в рамках исследования добавок приводит к снижению значения ОВП жидкой фазы. Наиболее существенное уменьшение значения ОВП зафиксировано при использовании ускоряющей добавки на основе формиата кальция.
3) При использовании в составе цементной пасты суперпластификатора С-3 с электростатическим эффектом, исходный уровень ОВП воды затворения не оказывает существенного влияния на изменение кинетики гидратации исследуемых образцов. В то же время при использовании гиперпластификатора Melflux 5581 на основе поликарбоксилатов обладающие стериче-ским эффектом наблюдается более существенное замедление процесса гидратации исследуемых образцов при использовании воды затворения с более низким исходным значением ОВП. При этом для ускоряющей добавки на основе фор-миата кальция наблюдается обратная зависимость, что также свидетельствует о том, что различные добавки обладают различной степенью чувствительности к свойствам жидкой фазы как в количественном, так и в качественном плане.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Adamtsevich A., Eremin A., Pustovgar A., Pashkevich S., Nefedov S. Research on the Effect of Prehydration of Portland Cement Stored in Normal Conditions // Applied Mechanics and Materials. 2014. Vol. 670-671. P. 376-381
2. Баженов Ю.М. Технология бетона. М.: АСВ, 2007. 528с
3. Inozemtcev A.S., Korolev E.V. A method for the reduction of deformation of high-strength lightweight cement concrete // Advances in Cement Research. 2016. Vol. 28 (2). Pp. 92-98
4. Grishina A.N., Korolev E.V. Influence of na-noscale barium hydrosilicates on composition of cement stone // Key Engineering Materials. 2016. Vol. 683. Pp.90-94
5. Пустовгар А.П., Бурьянов А.Ф., Василик П.Г. Особенности применения гиперпластификаторов в сухих строительных смесях // Строительные материалы. 2010. №12. С. 62-65.
6. Адамцевич А.О., Пустовгар А.П., Еремин
A.В., Пашкевич С.А., Исследование влияния формиата кальция на процесс гидратации цемента с учетом фазового состава и температурного режима твердения // Строительные материалы. 2013. №7. С. 59-61
7. Ушеров-Маршак А.В. Бетоноведение: Современные этюды. Х.: Раритеты Украины, 2016. 135 с.
8. Пустовгар А.П. Модифицирующие добавки для сухих строительных смесей // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2002. №4. С. 8-10
9. Egor Secrieru, Victor Mechtcherine, Christof Schröfl, Dmitry Borin Rheological characterisation and prediction of pumpability of strainhardening cement-based-composites (SHCC) with and without additionof superabsorbent polymers (SAP) at various temperatures // Construction and Building Materials 112 (2016). Pp. 581-594
10. Рыжаков Д.С., Гульков А.Н., Гуляев В.Т., Козин А.В., Голохваст К.С. Исследование физико-химических параметров воды затворения при электрохимической активации и влияние на прочностные характеристики бетона // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Выпуск № 5-2. Т 11. 2009.
11. Баженов Ю.М., Фомичев В.Т., Ерофеев
B.Т., Федосов С.В., Матвиевский А.А., Осипов А.К., Емельянов Д.В., Митина Е.А., Юдин П.В. Теоретическое обоснование получения бетонов на основе электрохимически- и электромагнит-ноактивированной воды затворения // Интернет-вестник ВолгГАСУ. 2012. Выпуск 2 (22).
12. Elena Gogina., Igor Gulshin. Simultaneous Denitrification and Nitrification in the Lab-scale Oxidation Ditch with Low C/N Ratio // Procedia Engineering. 2015. Т. 117. С. 107-113.
13.Адамцевич А.О., Пашкевич С.А., Пустовгар А.П. Использование калориметрии для прогнозирования роста прочности цементных систем ускоренного твердения // Инженерно-строительный журнал, 2013. №3(38). С. 36-42.
14. Адамцевич А.О., Пустовгар А.П. Особенности влияния модифицирующих добавок на кинетику твердения цементных систем // Сухие строительные смеси. 2015. №4. С. 26-29.
15. Deboucha W., Leklou N., Khelidj A., Oudjit M.N. Hydration development of mineral additives blended cement using thermogravimetric analysis (TGA): Methodology of calculating the degree of hydration // Construction and Building Materials 146.
C. 687-701.
Kuzina A.F., Pustovgar A.P., Adamtsevich A.O.
CALORIMETRY CEMENT PASTES WITH DIFFERENT ORP OF MIXING WATER
This work dealt with the method of isothermal calorimetry analyzes the degree of influence of the oxidation-reduction potential (ORP) and other physico-chemical properties of mixing water on the kinetics of hydration of cement systems in the presence of various modifiers.
Key words: calorimetry, cement, modifying agents, oxidation - reduction potential.
Пустовгар Андрей Петрович, кандидат технических наук, научный руководитель Научно-исследовательского института Строительных материалов и технологий.
Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет. Адрес: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д.26. E-mail: pustovgarap@mgsu.ru
Кузина Аниса Фаруковна, аспирант, младший научный сотрудник Научно-исследовательского института Строительных материалов и технологий.
Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет. Адрес: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д.26. E-mail: anisakuzina@mail.ru
Адамцевич Алексей Олегович, кандидат технических наук, научный сотрудник Научно-исследовательского института Строительных материалов и технологий.
Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет. Адрес: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д.26. E-mail: AdamtsevichAO@mgsu.ru
