CC BY
42
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
уДк 666 97 Д. Н. ДОРОГОБИД
В. В. УШАКОВ
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
КОМПЛЕКСНАЯ
ХИМИЧЕСКАЯ АКТИВАЦИЯ
ТВЕРДЕНИЯ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА_
Представлено обоснование применения ускорения твердения цементных композитов путем применения комплексных химических добавок отечественного производства. Предложены пути активации твердения и рассмотрен механизм структурообразования цементного камня в присутствии добавок различного вещественного состава. Приведены практические пути создания импортозамещающих ускоряющих, комплексных добавок и механизмы их действия.
Введение ется использование материалов с ускоренным набором прочности.
Активация твердения цементных композитов Поэтому в настоящее время одним из наиболее является весьма актуальной проблемой современ- доступных способов ускорения твердения цементного материаловедения с учетом необходимости ных композитов является активация химическими энергосбережения в производстве строительных добавками.
материалов и при проведении строительных работ. При изготовлении высококачественных ускори-Это связано с удорожанием и труднодоступностью телей твердения применяются, как правило, дорого-высокомарочных и быстротвердеющих цементов, стоящие компоненты, такие, как гиперпластифика- | удорожанием энергоносителей на тепловую обра- торы, микрокремнезем, комплексные ускорители и ботку при изготовлении железобетонных изделий. упрочнители, противоусадочные и снижающие проПри увеличении объемов строительства, при отделке ницаемость модификаторы. На массовом производи ремонте строительных объектов актуальным явля- стве и при постоянной потребности химических доба-
вок ускорителей применение таких дорогостоящих модификаторов малодоступно. В условиях конкуренции необходимо создавать комплексные химические активаторы твердения на основе недорогих отечественных добавок. Такие активаторы следует получать путем усложнения их состава и применения интенсивной технологии, что предполагает полифункциональность их действия.
Пути химической активации
Характер пор (их размер) по-разному сказывается на прочности, которая связана с макропорами, гелевые поры не снижают прочности камня. Таким образом, для получения высокой прочности морфология гидратных фаз должна быть такой, чтобы обес-печииалось образование преимущественно гелевых пор, а общая пористость камня была минимальной. Низкая пористость цементного камня обеспечивается снижением В/Ц. Следовательно, активатор должен не только ускорять гидратацию, но и быть пластификатором и агентом, воздействующим на морфологию гидратных фаз в нужном направлении, обладать полифункциональным действием.
Пластификация активатора связана с воздействием на ДЭС, определяющий коллоидно-химические свойства дисперсии. С помощью активатора надо уметь управлять коллоидно-химическими свойствами цементных дисперсий. Для этого есть два пути: создание нужной ионной атмосферы дисперсионной среды и воздействие на электронные характеристики поверхности.
Пористость камня меняется во времени и связана со степенью гидратации, причем начальная плотность цементного камня является функцией В/Ц (обратная пропорциональность), коллоидно-химических свойств дисперсии (параметры ДЭС) и морфологии новообразования. Из этого следует, что возможность понижения пористости камня как одного из ведущих факторов повышения прочности материалов на основе цементов связана или с ускорением гидратации, или с повышением начальной плотности камня. Таким образом, наибольшего успеха можно добиться, если параллельно и одновременно воздействовать как на коллоидно-химические свойства системы, так и на интенсивность гидратации, при этом активаторы твердения должны быть одновременно и пластификаторами.
Важно то, что параллельно за счет введения тех же веществ возможно воздействие на коллоидно-химические свойства бетонных смесей вследствие изменения как ионной атмосферы, так и электронной структуры поверхности. Важную роль в процессе гидратообразования, а следовательно, и твердения играет рН среды. Активаторы должны обладать такими свойствами, которые бы воздействовали нарН жидкой фазы в нужном направлении.
Для обеспечения высокой ранней прочности необходима более сильная концентрация гидросуль-фоалюминатных фаз, однако очень быстрый набор прочности способствует накоплению внутренних напряжений, снижающих ее. В связи с этим в систему целесообразно вводить ионы Б04 в виде труднорастворимых соединений.
Поскольку прочность цементного камня пропорциональна концентрации гидратных фаз, активатор должен ускорять гидратацию. В связи с тем, что в процессе твердения происходит зарастание пор новообразованиями, очевидно, что прочность связана со степенью гидратации нелинейно. Ускоре-
ние гидратации силикатных фаз обеспечивается повышением концентрации и интенсивности активных центров на поверхности цементных минералов.
В состав гидросиликатов входят примесные ионы, которые воздействуют на морфологию и энергетические характеристики цементирующих фаз (прочность адгезионных и когезионных контактов). Гипс и некоторые сульфаты являются причиной встраивания в решетку гидросиликатов иона БО,,, что сказывается на морфологии, составе гидросиликатов и макроструктуре гелевого слоя.
Кроме того, ион Б04 снижает степень полимерности гидросиликатов и повышает в них отношение СаО/БЮ.,. Хлористый кальций, наоборот, способствует повышению полимерности гидросиликатов и снижает в них отношение СаО/БЮ^. В этом случае образуется более проницаемый слой гидросиликатов.
Ионы, способные химически модифицировать поверхность, могут одновременно влиять на свойства системы как потенциалопределяющие ионы. Такие ионы в жидкой фазе должны обладать специфическими свойствами и быть способными или достраивать решетку (Са+г или изоморфные — Мд + 2, А1+3, Ре + 3), или образовывать с ионами решетки труднорастворимые соединения. Включать в состав нужные ионы можно путем введения электролитов и порошков труднорастворимых соединений, металлов,
Практическое решение проблемы
Наиболее широко применяют смеси, состоящие из электролитов и ПАВ первой группы. При правильно подобранных дозировках добавок электролитов и ПАВ вначале удается использовать пластифицирующий эффект ПАВ, а затем достаточно высокий темп твердения бетона в результате введения электролитов. Кроме того, подобные сочетания добавок способны корректировать темп твердения бетонов.
В результате удлиняются сроки до полного поглощения гидрофилизирующих ПАВ (которые расходуются в основном на стабилизацию зародышей новой фазы) и, соответственно, удлиняется индукционный период твердения вяжущих. Этот эффект может быть использован не только для высокоалюминат-ных, но и для других цементов, например, применяемых в холодных бетонах с добавкой поташа.
Кроме того, совместное введение в бетонные смеси гидрофилизирующих ПАВ и электролитов улучшает структурно-механические свойства цементного камня, способствует снятию внутренних напряжений, в частности термических, при тепло-влажностной обработке бетона и, в конечном счете, повышает его прочностные характеристики и морозостойкость.
Однако, применяя добавки электролитов и гидрофилизирующих ПАВ, можно придать бетону и некоторые новые свойства. Соответственно, появляется возможность создания материалов специального назначения, например для ремонта железобетонных конструкций, эксплуатирующихся в агрессивных для стальной арматуры средах и поврежденных вследствие ее коррозии при эксплуатации сооружений. Совместное введение для этих целей нитритов сульфатов и органических ПАВ-ингибиторов коррозии оказывается в подобной ситуации особенно интересным.
Совместное введение гидрофилизирующих ПАВ и электролитов улучшает и структурно-механичес-
кие свойства цементного камня, способствует снятию внутренних напряжений, в конечном счете, повышает его прочностные характеристики и долговечность. Аналогично действуют и более сложные композиции, состоящие из нескольких электролитов и гидрофилизирующих ПАВ.
Комбинируя электролиты с гидрофилизирую-щими ПАВ и меняя в зависимости от назначения дозировку добавок и их соотношение, можно успешно использовать их и при зимнем, бетонировании, и в условиях нормального твердения, и при тепловлажностной обработке. Однако подобный результат может считаться общим, так как электролиты обычно влияют на эффективность ПАВ, а последние, в свою очередь, могут вызвать необходимость некоторого повышения дозировки электролитов для достижения того же, что и при отсутствии ПАВ, ускорения твердения.
Это понятно, так как известно, что добавки электролитом заметно влияют на так называемые полноценные мылоподобные ПАВ с очень сильными гидрофильно-полярными группами при развитых гидрофобных радикалах, т. е. на ПАВ с сульфонатами. Следовательно, можно говорить о качественно общих закономерностях, присущих подобным комбинациям добавок, которые могут отличаться лишь в количественном отношении.
Не менее популярны и более сложные комбинации добавок, в состав которых входит модифицированный лигносульфонат — основной компонент такой добавки, призванный заменить суперпластификатор. Для этого лигносульфонат вводят в повышенной дозе, что приводит к двум нежелательным для сборного железобетона побочным эффектам: замедленной гидратации цемента и излишне сильному воздухововлечению, снижающему прочность бетона. Первое побочное действие лигносульфоната устраняют путем введения электролита — ускорителя твердения, второе — применяя пеногаситель.
Вывод
Целесообразно создавать многоцелевые комплексные активаторы, полифункциональность которых усиливается за счет усложнения их состава. Нужны активаторы, параллельно воздействующие на скорость гидратации, обеспечивающие разжижающее действие и влияющие на морфологию в плане повышения начальной плотности камня. Видимо, возможно создание активаторов, которые повысят количество связанной воды в ранние сроки (по линии алюминатных фаз) и обеспечат релаксацию внутренних напряжений, возникающих в результате быстрого набора прочности.
Библиографический список
1. Сватовская Л.Р , Сычев М.М. Активированное твердение цементов. - Л.: Стройиздат, 1983. - 160 с.
2. Влияние доблвок водопонизителей на пластические, плотностные и прочностные характеристики портландцемента / Д.Н. Дорогобид, В В. Ушаков // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Вып.1: СибАДИ. - Омск: ЛЕО, 2004. - с. 221-226.
3. Влияние добавок электролитов на пластические свойства и сроки схватывания портландцемента / Д.Н. Дорогобид, В.В.Ушаков // Дорожно-транспортный комплекс как основа природопользования. Книга 1. - Омск: Изд-во СибАДИ, 2004. - с. 180-182.
ДОРОГОБИД Дмитрий Николаевич, преподаватель кафедры «Производство строительных материалов, изделий и конструкций».
УШАКОВ Владимир Викторович, кандидат технических наук, профессор кафедры «Дорожное и строительное материаловедение».
Статья поступила в редакцию 03.11.06. © Дорогобид Д. Н., Ушаков В. В.
Объявление
О конкурсе работ, представляемых на соискание премий Правительства Российской Федерации в области образования
Межведомственный совет по присуждению премий Правительства Российской Федерации в области образования объявил конкурс работ на соискание премий Правительства Российской Федерации 2007 года в области образования. Представление работ должно производиться в соответствии с Порядком представления работ на соискание премии Правительства Российской Федерации в области образования.
Работы на соискание премий Правительства Российской Федерации в области образования (далее — премии) 2007 года принимаются с 15 января 2007 г. до 1 марта 2007 г. включительно.
К участию в конкурсе допускаются работы, поступившие в Министерство образования и науки Российской Федерации не позднее указанных сроков (вне зависимости от даты отправки материалов по почте).
Адрес: 125993, г. Москва, ул. Тверская, 11.
Телефоны для справок: (095) 629-32-62,629-10-28,629-19-71,629-17-09.
