CC BY
90
§ It 0 »Р а В химии и химической технологии. Том XXIII. 2009. № 7 (100)
УДК 666.9.017
Д. В. Амелина. JI. И. Сычева Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, Москва, Россия
КОМПОЗИЦИОННОЕ ВЯЖУЩЕЕ НА ОСНОВЕ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА И ВОЛОКОН
The composite material on a basis Portland cernent is received, reinforced by cellulose fi-bers and the synthesized crystals ettringite in the presence of organic additives and are defined it durability properties.
Получен композиционный материал на основе портландцемента, армированного целлюлозными волокнами и синтезированными кристаллами эттрингита в присутствии органических добавок, и определены его прочностные свойства.
Материалы на основе портландцемента являются хрупкими и имеют низкую прочность на растяжение, изгиб, а также низкую трещиностойкость и сопротивление удару. Для повышения этих показателей вяжущие материалы армируют. Для этой цели используют органические и неорганические волокна. Широко применяемыми волокнами являются стальные, стеклянные, натуральные волокна (такие как целлюлоза, сизаль, джут и др.) и некоторые полимерные волокна, такие как полипропиленовое, углеродное, кев-ларовое и др. [1].
Сравнительно недавно в качестве армирующего наполнителя в сухих строительных смесях стали использовать волокна целлюлозы. Первоначально их использовали как заменитель асбеста при производстве асбестоцемента. Целлюлозные волокна повышают технологичность сухих строительных смесей, обеспечивают более высокую прочность материалов, способствуют повышению трещиностойкости. Кроме того, волокна из натуральной целлюлозы — экологически чистые. Натуральные целлюлозные волокна применяют в качестве армирующих волокон и "легких наполнителей" в количестве 0,2-7% массовых.
Помимо волокнистых наполнителей для армирования минеральной матрицы можно использовать искусственно синтезированные кристаллы минералов. Эти кристаллы с одной стороны армируют изделие, с другой стороны являются подложкой для кристаллизации аналогичных продуктов гидратации вяжущего.
Объекты исследования. В качестве матрицы для композиционного материала был выбран портландцемент марки 500. Для упрочнения цементного камня использовали следующие армирующие наполнители: 1 ) кристаллы эттрингита;
2) кристаллы эттрингита, модифицированные добавками;
3) целлюлозные волокна;
4) целлюлозные волокна, модифицированные добавками;
5) кристаллы эттрингита синтезированные в присутствии целлюлозных волокон;
У
С й ê S il в химии и химической технологии. Том ХХШ. 2009. №7(100)
6) кристаллы эттрингита синтезированные в присутствии целлюлозных волокон и модифицирующих добавок.
В качестве модифицирующих добавок использовали эфиры целлюлозы Culminai МНРС 6000 PF, МС 7000 PF, С-9133.
Culminai - это продукты на основе метилцеллюлозы (МС) и смешанных эфиров - метилгидроксиэтилцеллюлозы (МНЕС) и метилгидроксипро-пилцеллюлозы (МНРС).
Продукт Culminai представляет собой неионный эфир, полученный взаимодействием целлюлозы с метилхлоридом, окисью этилена и/или окисью пропилена. Степень замещения: от 1,40 до 1,95. С-9133 представляет собой МНРС [2].
Данные добавки являются водоудерживающими. Основной эффект, достигаемый при их введении - повышение водоудерживающей способности цементного камня при его твердении. Эфирами целлюлозы обрабатывали поверхности армирующих элементов (волокон целлюлозы и кристаллов эттрингита) для повышения прочности сцепления продуктов гидратации вяжущего и волокон.
Обсуждение результатов. Предварительно были синтезированы кристаллы эттрингита. Синтез проводили по методу Ли и Деш [3], сливанием трех растворов: насыщенного раствора Са(ОН)г - 783 мл, насыщенного раствора CaS04-2H20 - 132 мл, 1,2% раствора Ab(S04)3 - 85 мл. При сливании данных растворов, протекает следующая реакция:
A12(S04)3 + бСаО + aq —*3Ca0-Al203-3CaS04'32H20
В результате химической реакции, получали суспензию эттрингита, которую выдерживали 7 суток и отфильтровывали.
Структура осадка представляла собой переплетенные игольчатые кристаллы эттрингита размером 22 - 30 мкм.
Проведенный рентгенофазовый анализ подтвердил, что полученное соединение является эттрингитом (9,847; 5,644; 3,893 Â).
Модифицирование поверхности кристаллов эттрингита добавками осуществляли в процессе их синтеза. Концентрацию добавок эфиров целлюлозы подбирали таким образом, чтобы при затворении цемента полученной суспензией, масса добавки по отношению к массе вяжущего вещества составляла 0,05%.
Добавки эфиров целлюлозы предварительно растворяли в 1,2% растворе A12(S04)3, который перед введением добавок нагревали до 60°С (для лучшего растворения последних). Концентрация добавки в суспензии эттрингита составляла 1,66 г/л.
Введение добавок значительно повлияло на морфологию кристаллов эттрингита. Все добавки способствовали увеличению размеров игольчатых кристаллов и объединению их в сферолиты.
Так при введении добавки МНРС 6000 PF эттрингит кристаллизовался в виде тонких игольчатых кристаллов длиной 130 - 170 мкм, объединенных в сферолиты. При введении добавок МС 7000 PF и С-9133 образовывались игольчатые кристаллы длиной 75 - 110 мкм и 30 - 45 мкм соответственно (рис. 1).
С Я 6 $ V в химии и химической технологии. Том XXIII. 2009. № 7 (100)
а б в
Рис.1. Кристаллы эттрингита модифицированные добавками эфиров целлюлозы. Добавки: а - МНРС 6000 РР, б - МС 7000 РР, в - С-9133. Увеличение 600х.
Добавки МНРС 6000 РБ и МС 7000 РБ преимущественно адсорбировались на боковых гранях кристаллов, поэтому рост кристаллов проходил вдоль оси С, что привело к увеличению их длинны и уменьшению диаметра. Добавка С-9133 вероятно в меньшей степени адсорбируется на кристаллах эттрингита, поэтому в ее присутствии размер кристаллов изменялся не существенно.
Кристаллы эттрингита не модифицированные и модифицированные добавками эфиров целлюлозы вводили в цемент в виде суспензий. Количество суспензии соответствовало водоцементному отношению равному 0,3.
Кристаллы эттрингита упрочняют цементный камень, причем лучший эффект достигается при введении кристаллов, модифицированных добавками эфиров целлюлозы. Упрочнение цементного камня обусловлено тем, что кристаллы эттрингита выступают в роли армирующего компонента. Модифицированные добавками кристаллы эттрингита имеют большую длину и обеспечивают повышение прочности при изгибе до 30% (рис. 2).
Вторым армирующим наполнителем, который вводили в портландцемент, были целлюлозные волокна различной длины (120, 250, 500 мкм). Целлюлозные волокна вводили в цемент с водой затворения в количестве 0,5% от массы вяжущего, при водоцементном отношении 0,26. Введение целлюлозных волокон приводит к увеличению прочности при изгибе цементного камня до 50%. Целлюлозное волокно образует структурный трехмерный каркас с прочным переплетением элементов. Такое соединение волокон способствует тому, что вода хорошо удерживается в этом каркасе и обеспечивает более полное протекание процесса гидратации цементной матрицы. Натуральные целлюлозные волокна обладают высоким сцеплением с твердеющим цементным тестом, что подтверждается высокой прочностью композиционного материала. Целлюлозные волокна повышают трещино-стойкость смеси, особенно в начальной стадии твердения, когда усадочные явления наиболее интенсивны.
Целлюлозные волокна и добавки эфиров целлюлозы вводили в цемент совместно, с водой затворения в количестве соответственно 0,5% и 0,05% от массы вяжущего. При совместном введении добавок и волокна прочность композиционного материала снижается по сравнению с прочно-
■
у
О Л 0 X V б химии и химической технологии. Том XXIII. 2009. N8 7(100)
стью материала, содержащего только волокно. Это можно объяснить тем, что эфиры целлюлозы увеличивают вязкость водной суспензии целлюлозного волокна, которой затворяли цемент, что приводит к худшему распределению (комкованию) волокна в этой суспензии и как следствие в цементном тесте.
Следующий наполнитель представляет собой суспензию кристаллов эттрингита и волокон. Данная суспензия была приготовлена сливанием растворов, необходимых для синтеза эттрингита в присутствии волокон. Количество суспензии необходимое для затворения цемента соответствовало во-доцементному отношению - 0,3.
Материалы, армированные волокном и кристаллами эттрингита, имеют большую прочность, чем материалы, армированные только кристаллами эттрингита (рис. 3).
Последний армирующий наполнитель, содержащий целлюлозные волокна, кристаллы эттрингита и модифицирующие добавки был получен аналогично предыдущему, вводимые добавки предварительно растворялись в подогретом растворе сульфата алюминия. Цемент затворялся полученной суспензией при водоцементном отношении - 0,3.
Введение добавок эфиров целлюлозы в систему «портландцемент -кристаллы эттрингита - целлюлозное волокно» приводит к снижению прочностных характеристик. Что обусловлено увеличением вязкости этой системы и ухудшением распределения волокна в ней.
эттрингит+МС зттрингит+С-9133
Время, сут
, . этгр.+ 8ОЛОКНО250 —эттр.+ В0Л0КН05Ш -¿••-эттр.+ оолояно120
Время, сут
-♦-Бездобавочный \ -#-Эттрингит —й— эттрингит+МНРС ¡;
Рис. 2. Прочность при изгибе цементного камня, армированного кристаллами эттрингита в присутствии добавок эфиров целлюлозы.
Рис. 3. Прочность при изгибе цементного камня, армированного кристаллами эттрингита и целлюлозным волокном.
Анализируя данные по прочностным характеристикам полученных композиционных материалов молено сделать вывод, что армирование порт-ландцементной матрицы, как целлюлозным волокном, так и игольчатыми кристаллами эттрингита приводит к упрочнению материала. При совместном введении этих наполнителей материал имеет ещё более высокие проч-
С ît 0 X il в химии и химической технологии. Том XXIII. 2009. №7(100)
ности на изгиб и сжатие. При армировании портландцемента кристаллами и волокном, предварительный синтез кристаллов проходил в присутствии волокон, можно предположить, что часть образовавшегося эттрингита адсорбировалась на поверхности волокна, тем самым, увеличив прочность сцепления продуктов гидратации матрицы и целлюлозного волокна.
Введение эфиров целлюлозы оказало положительный эффект при модифицировании кристаллов эттрингита. Так как были получены более длинные, объединенные в сферолиты кристаллы, эффект упрочнения от их введения в портландцемент был более существенный.
Реализованный в работе способ введения эфиров целлюлозы совместно с целлюлозными волокнами в цементную матрицу не привел к ожидаемому результату. Распределение волокна в матрице ухудшилось. Возможно, волокна целлюлозы, модифицированные добавками эфиров целлюлозы, следует вводить в портландцемент и перемешивать сухим способом, это позволит избежать повышения вязкости цементного теста в процессе его формования.
Библиографические ссылки
1. Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. М.: Астра -семь, 1998. 768 с.
2. Hercules. Culminai, физические и химические свойства, 2005. 28 с.
3. Ли Ф.М. Химия цемента и бетона. М.: Госстройиздат, 1961. 642 с.
УДК 691.54:665.7.033.22:541.182.021
С. Ш. Даулетбаева, В. А. Давидович, Д. Ю. Махин
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина, Москва, Россия
ВЛИЯНИЕ ПАРАФИНОВЫХ ДИСПЕРСИЙ НА СВОЙСТВА ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ
The purpose of the given work is studying of action of a paraffin dispersion on a cement stone. It is established, that introduction of this additive leads to improvement of value of factor of capillary water absorption, that as a result will increase durability of products.
Целью данной работы является изучение действия парафиновой дисперсии на цементный камень. Установлено, что введение этой добавки приводит к снижению значения коэффициента капиллярного водопоглощения, что в итоге увеличит долговечность изделий.
Анализ современного состояния инженерных сооружений показал, что бетон берегоукрепительных стен, плит, мощения откосов железнодорожной насыпи, водопропускных труб, тротуарных и бордюрных плит, дренажных колодцев подвержен быстрому коррозионному износу, особенно под действием температурно-влажностных воздействий. При отсутствии
