CC BY
203
УДК 691. 3
Н. Н. Морозова, Хамза Абдулмалек Кайс
О РОЛИ ПРИРОДНОГО ЦЕОЛИТА НА ПРОЧНОСТЬ МЕЛКОЗЕРНИСТОГО БЕТОНА
Ключевые слова: Цеолит, пуццолановая активность, мелкозернистый бетон.
Бетон был и остается наиболее часто используемым материалов в строительстве. Обычный бетон, как правило, содержит примерно 12% цемента и 80% мелкого и крупного запольнителей по массе. Частичная замена портландцемента активными минеральными добавками позволяет не только получить положительный экономический и экологический эффекты, но улучшить технические его показатели. Среди известных минеральных добавок большой интерес представляют природные цеолиты. Природный цеолит повышает прочность цементного камня в связи с его высокой пуццолановой активностью и соответственно способствует росту прочности бетона. В работе было исследовано влияние природного цеолита фирмы «Gawish import & export egypt» фракции 0-0,08 мм на свойства мелкозернистого бетона. Полученные результаты показали, что прочность при сжатии с содержанием 5% и 10% цеолита и 0,5% добавки Melflux увеличилась на 37% и 28% соответственно по сравнению с контрольным составом.
Keywords: Zeolite, pozzolanic activity, fine-grained concrete.
Concrete belongs to the most frequently used materials in the building industry for many years. Ordinary concrete usually contains about 12% of cement and 80% offine and course aggregate by weight. partial substitution of Portland cement by active mineral additives permits not only to obtain positive economical and ecological effects, but to improve its technical performance. Among the famous mineral additives zeolite is of great interest. Natural zeolite increases the strength of cement stone due to its high pozzolanic activity and therefore contributes to the growth of concrete strength. In this work was studied the influence of natural zeolite of the firm "Gawish import & export egypt" faction 0-0,08 mm on properties of fine-grained concrete. The results showed that the compressive strength with the content of 5% and 10% of zeolite and 0.5% of the additive Melflux increased by 37% and 28% respectively compared to the control composition.
Введение
В любой стране мира современное строительство немыслимо без цементного бетона. Это связано с его физико-механическими эксплуатационными
свойствами, и с его технологичностью и долговечностью. С другой стороны, производство портландцемента является процесс энергетически требовательный, который, кроме того, приводит к нарушению баланса природной среды из-за высокого уровня выбросов CO2 в атмосферу. Эти негативные аспекты могут быть уменьшены при снижении удельного расхода портландцемента в общем объеме бетона при применении тонкодисперсных наполнителей с пуццолановыми свойствами за счет частичной замены цементного вяжущего вещества. Это не только может улучшить свойства конечного продукта, но имеет очевидные экологические и экономические выгоды.
Пуццолановые материалы могут быть природными или искусственного происхождения. Иногда используют промышленные побочные продукты (летучая зола, микрокремнезем, металлургические и доменный шлаки и др.) [1-4].
К числу природных пуццоланов относят цеолиты, опоки, мергели, метакаолины и т.п. [5-7]. Особый интерес проявляется к природным цеолитам, которые представляют собой каркасные алюмосиликаты с равномерно распределенными порами, каналов и полостей. Общая формула радикала каркасных
силикатов [AlXSin-xO2n]X В пустотах каркасных алюмосиликатов размещаются крупные катионы с малыми малым зарядом: К+, Na+, Ca+, Ва+ и анионы ОН-, СО32-, SO42- и молекулы воды [18]. Поэтому, они по своей химической природе имеют специфические
свойства, такие как ионный обмен, молекулярные сита, обладают большой площадью поверхности и каталитической активностью, что делает их предпочтительным материалом для различного промышленного применения. Главными
породообразующими минералами природных цеолитов являются клиноптилолит, морденит, анальцимом и шабазит [8].
Во всем мире добыча природного цеолита оценивается в диапазоне 2,7-3,2 млн. тонн/год [9]. Цеолиты относят к пуццолановым материалам из-за их реактивного кремнезема (SiO2) и оксида алюминия (Al2O3), которые вступают в реакцию с портландитом при гидратации портландцемента и превратщает его в C-S-H гелей и алюминатов, при этом микроструктура затвердевшего цементного бетона улучшается, а бетон становится более непроницаемым [10].
Характеристика материалов
Для изготовления мелкозернистого бетона использовали портландцемент марки ЦЕМ I 42,5 Н, фракционированный песок, природный цеолит и химические модификаторы водоредуцирующего действия.
Портландцемент марки ЦЕМ I 42,5 Н имел химический состав, приведенный в табл. 1, а минеральный его состав представлен следующий: C3S в количестве 62%, C2S - 17%, С3А- 4% и C4AF - 14%.
Природный цеолит (табл.1), выпускаемый фирмой «Gawish import & export egypt» (Египет) фракции 00,08 мм, содержит клиноптилолита 75%, кварца 8%, плагиоклаза до 3%, карбоната 2,5%, гидрослюды до 3%, его химическая формула - (Na2 +, K2 +) O ■ AI2O3 ■ 8SiO2 ■ 10H2O, соотношение Si/Al составляет 4,8-5,4, а
удельная поверхность естественной влажности по ПСХ - 990 м2/кг. Модуль основности породы находится в пределах 0,1-0,15, что позволяет отнести ее к группе кислых пуццолановых добавок.
Таблица 1 - Химический состав портландцемента и природного цеолита
Наименование показателя Значение показателя, %
ЦЕМ I 42,5 Н цеолит
SiO2 22,0 71,4
СаО 66,2 1,26
MgO 0,86 0,45
Fe2O3 5,32 1,04
Na2O 0,14 2,086
АШз 4,79 11,9
SOs 0,09 -
K2O 0,6 3,02
В качестве водоредуцирующего модификатора использован суперпластификатор Melflux 2641 F производства Degussa Constraction Polymers (SKW Trostberg, Германия) приобретенный в ООО «ЕвроХим-1», представляет собой легко растворимый в воде порошковый продукт, полученный методом распылительной сушки на основе
модифицированного полиэфиркарбоксилата.
Технические данные: желтоватый порошок, насыпная плотность - 350...600 г/л, потери при нагревании -макс. 2,0 мас.%, 20% раствор при 20 0С, имеет рН = 6,5-8,5;
В качестве заполнителя использовали природный нефракционированный песок Камского месторождения ПО «Нерудматериалы» г. Казань, который подвергался подготовке - сушке и фракционированию.
Результаты и обсуждение
Положительный эффект действия активных минеральных добавок в цементных системах базируется на их способности связывать гидроксид кальция, образующийся в результате гидратации минералов портландцемента в присутствии воды при комнатной температуре. Данный факт обусловлен содержанием в цеолитах, в первую очередь, SiO2 и в небольших количествах Al2O3 в химически активной форме. Поскольку их количество в разных месторождениях различено, то интенсивность взаимодействия с известью будет различен. Этот факт можно проследить на пуццолановой активности двух близких по химическому состава материалов: цеолит и перлит. Цеолит, как и перлит являются природными материалами. Перлит по существу представляет вулканическое стекло, в составе которого 70-75% SiO2; 12-14% AI2O3; 3-5% Na2O (К2О), около 1% Fe2O3, CaO, МgО. Так же как и цеолит перлит характеризуется наличием связанной воды. Такие два близкие по химическому составу материалы и обладающие замкнутой пористостью были подвергнуты исследованию пуццолановой активностью по поглащению СаО из насыщенного раствора извести. Известно, что пуццолановая
активность минеральных добавок зависит не только от природы, но и от их дисперсности. Перлит, используемый в работе для сравнения с цеолитом, имел дисперсность по ПСХ 1700 м2/кг. В результате эксперимента получены следующие зависимости, приведенные на рис.1 и 2.
Как видно из рисунков 1 и 2, природный цеолитовый порошок обладая меньшей удельной поверхностью на 40%, чем перлитовый порошок, показал большую пуццолановую активность к тридцатому дню эксперимента на 80%. Это обстоятельство еще раз показывает то, что природные цеолиты уникальны по своим свойства и своеобразны по характеру взаимодействия с гидроксилом кальция в цементных вяжущих.
300
ю о ч и
Ч и О
а О
ев U
О «
о
250
200
150
100
50
20 25 30 Время, сут
Рис. 1 - Активность перлитового порошка по отношению к СаО
!= 500
со 400
25 30
Брерля. сут
Рис. 2 - Активность цеолитового порошка по отношению к СаО
Существует также исследования, которые направлены на изучение свойств мелкозернистых бетонов, содержащих природный цеолит в качестве частичной замены связующего [11-14], но изучаемые при этом природные материалы характеризуются небольшим содержание цеолитового минерала (1527%). В нашей работе рассматриваются природные цеолиты с богатым содержанием клиноптилолита.
В связи с этим объектом исследования данной работы явился мелкозернистый бетон. Согласно
0
нового ГОСТ 25192-2012 "Бетоны. Классификация и общие технические требования", мелкозернистый бетон - это бетон на цементном вяжущем с плотным мелким заполнителем. Снижение спроса на гравий и щебень для тяжелого бетона уже отмечалось в кризис 2009 г [17], а это знак к развитию мелкозернистых бетонов, особенно для Приволжского Федерального округа России и, в частности, для Республики Татарстан. Поэтому, для получения мелкозернистого бетона был подготовлен фракционированный песок.
Проблема выбора рационального зернового состава заполнителей изучалась многими исследователями, однако в настоящее время она далеко не исчерпана и требует дальнейших исследований. Как известно, количество цементирующего вещества в бетонах определяется объемом пустот заполнителей и их суммарной поверхностью, на которой должна быть создана цементирующая пленка. Из литературы [15, 16] известно, что пустотность и удельная поверхность от мелких к крупным песка уменьшается. Наибольшее снижение этих показателей достигаются в фракционированных песка.
С этой целью был рассеян песок на три фракции: фр.1,25-0,63, фр. 0,63-0,315 и фр.0,315-0,16. Для изготовления мелкозернистого бетона эти фракции песка взяты в количестве 65% фр.1,25-0,63, 5% фр. 0,63-0,315 и 30% фр.0,315-0,16. Модуль крупности такого песка составил 2,42.
Подготовленный таким образом песок был использован в качестве заполнителя в мелкозернистом бетоне, в котором дополнительно использовали природный цеолит в количестве 5 и 10% в замен портландцемента. Количество химической добавки МеШих было принято 0,2, 0,5 и 0,7 % от массы вяжущего (табл. 2). Изменение прочности мелкозернистого бетона с такими материалами показаны в табл. 4 и на рис. 1 и 2.
Количества портландцемента в мелкозернистом бетоне принято из условия экономичного состава, по данным [10] таковыми являются составы при соотношении цемента к песку 1:2 ... 1:3, в которых песок средней крупности. В мелкозернистом (песчаном) бетоне применение песков из группы мелких с повышенной удельной поверхностью и
пустотностью приводит к увеличению количества воды затворения при сохранении
удобоукладывааемости бетонной смеси, что неизбежно снизит прочность бетона.
Как видно из табл. 3, в случае изготовления мелкозернистого бетона с химической добавкой МеШих прочность на сжатие может быть увеличена по сравнению с без добавочным составом на 30% при ускоренном твердении (ТВО) и на 24% при твердении в нормальных температурно- влажностных условиях. Введение природного цеолита 5 % в замен цемента с модификатором МеШих приводит к росту прочности мелкозернистого бетона на 15% после ТВО и на 22% при твердении в нормальных условиях. При введение 10% цеолита прочность на сжатие возрастает лишь на 3-5%.
Как видно из рис. 3, введение минеральной и химической добавки в мелкозернистый бетон увеличивает прочность на изгиб. Наибольшее прирост прочности возможно достичь в составах с 5% цеолита и 0,55 добавки мелфлюкс. Высокие показатели прочности получены и при введении с бетон 10% цеолита. Такой результат может гарантировать получения мелкозернистых бетонов для дорожного строительства, где по мимо прочности при сжатии есть требования к прочности при изгибе.
Анализ результатов прочности после тепло-влажностной обработке (табл.3) при температуре 80оС по режиму (3+6+2) показывает аналогичные зависимости прочности, полученных при нормально -влажностных условиях твердения.
Таблица 3 - Прочность мелкозернистого бетона
Как видно из рис. 4, прочность мелкозернистого бетона на сжатие при введение цеолита в количестве 5% возрастает и тем больше, чем больше в составе добавки разжижителя- МеШих. Высокое совместное действие химической и минеральной добавок вероятно обусловлено строением последней и ее высокой реологической активностью, которая была исследована ранее [7]. Увеличение количества цеолита до 10% снижает прочность по сравнению с составом, содержащим цеолита 5%, но лишь на
Таблица 2 - Состав мелкозернистого бетона
№ состава Расход материалов на замес, г
цемент песок фракционированный цеолит МеШих, %
1 600 1500 - -
2 600 1500 - 0,3
3 0,5
4 0,7
5 570 1500 30 0,3
6 0,5
7 0,7
8 540 1500 60 0,3
9 0,5
10 0,7
№ состава В/Ц Прочность при изгибе, кг/см2 Прочность на сжатии , МПа
ТВО 28 сут н. тв. ТВО 28сут н. тв.
1 0.35 61.43 74.85 43.48 51.65
2 0.33 61.93 74.9 54.7 62.75
3 0.29 62.13 75.33 56.02 64.08
4 0.28 63.87 77 53.22 60.51
5 0.33 64.25 86.2 55.92 63.04
6 0.29 65.06 98.55 64.58 71
7 0.28 64.2 79.45 56.32 65.42
8 0.33 63.43 85.75 54.83 60.66
9 0.29 66.2 89 57.12 66
10 0.28 62.86 84 48.02 59.1
9,8%. Добавка МеШих с дозировкой до 0,5% во всех составах способствует росту прочности, а более 0,5% снижает ее, но выше контрольного состава (.№1) на 14,5 %. Поэтому, для получения равнопрочных бетонов возможна большая замена портландцемента на цеолит.
Рис. 3 - Изменение прочности мелкозернистого бетона при изгибе в возрасте 28 сут нормального твердения
Рис. 4 - Изменения прочности мелкозернистого бетона на сжатие в возрасте 28 сут нормального твердения
По результатам работы можно сделать следующие выводы:
- определяющим фактором пуццолановой активности для каркасных силикатов является их специфическая структура, а удельная их поверхность вторична,
- химическое модифицирование мелкозернистого бетона на фракционированном песке добавкой МеШих 2641 Б позволяет повысить прочность и при изгибе и при сжатии, но наибольший эффект проявляется в бетонах испытанных на сжатие;
- введение природного цеолита в количестве 5 и 10% от массы цемента не приводит к повышению водопотребности смеси;
- введение всего лишь 5% природного цеолита приводит к росту прочности при сжатии на 37%; тогда как введение 10% цеолита тоже повышает
прочность при сжатии, но на 28%, а при изгибе - на 19%;
- бетоны с применением цеолита и добавки Melflux эффективно твердеют и при тепловом воздействии, при этом наблюдается рост прочности до 50% от контрольного состава.
Таким образом, изготовление мелкозернистого бетона на фракционированном песке с использованием органической добавки совместно с природным цеолитом является высокоэффективным приемом строительства.
Литература
1. Donatello S, Tyrer M, Cheeseman CR. Comparison of test methods to assess pozzolanic activity. Cement Concrete Comp. 2010;32:121-7.
2. Сагдатуллин Д.Г., Морозова Н.Н., Хозин В.Г., Ильичева О.М. Деформации высокопрочного композиционного гипсового вяжущего при твердении// Вестник ЮжноУральского государственного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2010.№ 15 (191). С. 51-53.
3. Рахимов Р.З., Халиуллин М.И., Гайфуллин А.Р. Состав и гидравлическая активность керамзитовой пыли // Цемент и его применение. 2013. № 1. С. 124-128.
4. Коровкин М.О., Калашников В.И., Ерошкина Н.А. Влияние высококальциевой золы-уноса на свойства самоуплотняющегося бетона// Региональная архитектура и строительство. 2015. № 1. С. 49-53.
5. Malhotra VM, Mehta PK. Pozzolanic and cementitious materials. UK: Taylor & Francis; 1996.
6. Сагдатуллин Д.Г., Морозова Н.Н., Хозин В.Г., Власов
B.В. Высокопрочное гипсоцементноцеолитовое вяжущее // Строительные материалы. 2010. № 2. С. 53-55.
7. Морозова Н.Н., Кайс Х.А.Эффективность цеолита из Египта в портландцементе// Вестник Казанского технологического университета. 2015. Т. 18. № 24. С. 6265.
8. Karakurt C, Kurama H, Topcu IB. Utilization of natural zeolite in aerated concrete production. Cement Concrete Comp. 2010; 32:1-8.
9. irta RL. Zeolites. U.S. Geological Survey Minerals Yearbook; 2012.
10. Poon CS, Lam L, Kou SC, Lin ZS. A study on the hydration rate of natural zeolite blended cement pastes. ConstrBuild Mater. 1999;13:427-32.
11. Canpolat F, Yilmaz K, Kose MM, Sumer M, Yurdusev MA. Use of zeolite, coal bottom ash and fly ash as replacement materials in cement production. Cement Concrete Res. 2004; 34:731-5.
12. Vogiatzis D, Kantiranis N, Filippidis A, Tzamos E, Sikalidis
C. Hellenic natural zeolite as a replacement of sand in mortar: mineralogy monitoring and evaluation of its influence on mechanical properties. Geosciences. 2012; 2:298-307.
13. Jitchaiyaphum K, Sinsiri T, Jaturapitakkul Ch, Chindaprasirt P. Cellular lightweight concrete containing high-calcium fly ash and natural zeolite. Int J Min Met Mater. 2013;20:462-71.
14. Морозова Н.Н. Модификация портландцемента цеолитсодержащей породой для получения смешанного вяжущего: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Н.Н.Морозова. Казань, 1997.
15. Боровских И.В., Морозов Н.М., Хозин В.Г. Оптимизация гранулометрического состава песка для получения высокопрочного тонкозернистого бетона// Известия КазГАСУ, 2008, №2 (10).- С.121-124.
16. Мелкозернистые бетоны: Учеб. пособие / Ю. М. баженов, У.Х. Магдеев, Л.А. Алимов, В.В. Воронин, Л.Б. Гольденберг.- М.: МГСУ, 1998.- 148с.
17. Семенов А.А. Российский рынок щебня и гравия: тенденции последних лет и перспективы развития// Строительные материалы. 2010. №2. - С. 4-7.
18. Кузнецова Т.В., Кудрряшов И.В., Тимашев В.В. Физическая химия вяжущих материалов. М.: Высш. шк.,
1989.-384 с.
© Н. Н. Морозова - канд. техн. наук, доцент кафедры «Технологии строительных материалов, изделий и конструкций», КГАСУ, ninamor@mail.ru; Хамза Абдулмалек Кайс - магистрант Института строительных технологий и инженерно-экологических систем, КГАСУ, hamza.qais@mail.ru.
© N. N. Morozovа - candidate of technical sciences, associate professor of the Departmen of Technology of building materials, products and structures, KSUAE, ninamor@mail.ru; Hamzah Abdulmalek Qais - master's student of Institute for construction technology and environmental engineering systems, KSUAE, hamza.qais@mail.ru.
