CC BY
6Оптимизация гранулометрии цемента в цементных растворах регулированием поверхностного натяжения воды
Абдуллаев Рамзан Магомедович
аспирант, ФГБУН «Комплексный научно-исследовательский институт им. Х.И. Ибрагимова» Российской академии наук (КНИИ РАН), Академия наук Чеченской республики (АН ЧР), ramzan007abd@mail.ru
Абдуллаев Магомед Абдул-Вахабович
научный сотрудник, ФГБУН «Комплексный научно-исследовательский институт им. Х.И. Ибрагимова» Российской академии наук (КНИИ РАН), Академия наук Чеченской республики (АН ЧР), mgdaa@mail.ru
Абдуллаев Абухан Магомедович
научный сотрудник, ФГБУН «Комплексный научно-исследовательский институт им. Х.И. Ибрагимова» Российской академии наук (КНИИ РАН), Академия наук Чеченской республики (АН ЧР), han-100@mail.ru
Исследование гранулометрии цемента является одной из актуальных задач связанных с повышением качества цементного камня и бетона. Установлена тесная взаимосвязь между поверхностным натяжением воды и диспергированием цементного порошка. Показано повышение дисперсного состава цементного порошка применением поверхностно-активных веществ ПАВ в виде гиперпластификаторов. Гистограммы исследования гранулометрии цемента показывают измельчение цементных зерен разной удельной поверхности, где введением ПАВ средний размер частиц в суспензии снижается в 2 раза. Об этом также свидетельствует динамика частиц, которая связана с увеличением количества зерен в суспензии. Подтверждением снижения среднего радиуса частиц также являются микрофотографии зерен цементного порошка до и после введения ПАВ в воду затворения цемента. Ключевые слова: цемент, поверхностное натяжение, диспергирование, ПАВ, гиперпластификаторы.
Введение
Вопросам изучения и совершенствования свойств высококачественных бетонов посвящены многочисленные работы российских и зарубежных ученых. Разработкам высококачественных цементобетонов с применением нанодобавок и комплексных модификаторов посвящены многочисленные труды таких известных ученых как Е.В. Королев, А.Н. Пономарев,В.Р. Фаликман, Ю.М. Баженов, К. Соболев, В.С. Изотов, А.Ф. Хузин и другие.
Существует множество методов получения высококачественных бетонов и растворов. Способ использования гипер-пластифицирующих добавок является одним из современных и рациональных. В работах [1-6] приводятся результаты применения различных пластификаторов, а также комплексных добавок для достижения плотной и однородной структуры конечного материала. Основой получения высоких прочностных показателей во-множестве случаев является снижение во-доцементного отношения (В/Ц) бетонной смеси, в результате чего достигают марки бетона 800-1000 кгс/см2. Кроме этого, сохраняется подвижность бетонных смесей, что немаловажно при возведении высотных зданий и сооружений из высокопрочного бетона [4-6]. Важным фактором является использования гиперпластифицирующих добавок, присутствие которых приводит к снижению значений поверхностного натяжения, проявляющееся диспергированием системы и уплотнением цементной матрицы в бетонах. [7-11].
Методы и материалы исследования
Для проведения экспериментальных исследований в качестве основного вяжущего применялся портландцемент АО «Чеченцемент» ЦЕМ I 42,5 Н, основные свойства используемого цемента приведены в таблице 1.
Таблица 1
Основные свойства цемента_
Завод из- Удельная НГ, % Плот- Сроки схватыва- Активность,
готови- поверх- ность, ния, час-мин. Мпа, 28 су-
м сч о тель и ность кг/м3 начало конец сжатие изгиб
марка м2/кг
сч Чеченце- 330 25 3100 2-15 3-40 52,6 6,2
о О! 2 мент ЦЕМ 142,5Н
О Ш
т х
<
т о х
X
Гиперпластификатор Белорусского производства FremGiperST-Bи Одолит-К на основе поликарбоксилатных эфиров, которые вводились с водой затворения в различных дозировках.
Определение поверхностного натяжения воды и воды с добавками ПАВ проводили методом висящей капли на тензио-метре DSA100 фирмы «Кг^». Погрешности выдаваемых результатов поверхностного натяжения - менее 1%. Для определения значений поверхностного натяжения растворы готовились следующим образом: на электронных весах измеряли количество воды, с помощью специальной пипетки вводили добавки FremGiperS-TB или одолит-К. Воду с добавкой ПАВ перемешивали на магнитной мешалке в течение 1 минуты.
Результаты и обсуждения
При введении гиперпластификатора FremGiperS-TB, вода затворения приобретает низкое значение поверхностного натяжения рис.1 и, следовательно, большую проникающую способность.
Рис. 1. Влияние различных концентраций а) Егвтарвгв-ТБ и б) Одо-лит-К на поверхностное натяжение воды.
Здесь видно, что с увеличением концентрации ПАВ в воде происходит интенсивное снижение поверхностного натяжения воды. На графике видно, что при отсутствии ПАВ значение поверхностного натяжения равно 72,5 мН/м, при максимальном содержании FremGiperS-TB поверхностное натяжение воды отпускается до 43 мН/м. Максимальное содержанием добавки Одолит-К снижает поверхностное натяжение воды до 50 мН/м. Основываясь на полученных результатах по изменению поверхностных свойств воды, проведены исследования по изучению дисперсности цементного порошка.
Рисунок 2. Размер частиц и их распределения в результате отслаивания от 100 мкм зерен цемента в воде. Размер частиц - 2571нм; динамика - 356.
13.00
0.0
=¡100.0
^0.0
1.0
10.0
100.0 1000 01ате1ег (11111)
6000
Рисунок 3.. Размер частиц и их распределения в результате отслаивания от 100 мкм зерен цемента в воде с добавкой гиперпластификатора одолит-К. Размер частиц - 1289; динамика - 949.
Исследование гранулометрического состава частиц, получаемых применением в виде диспергирующего вещества смеси воды с гиперпластификаторамиFremGiperS-TB или Одолит-К, проводилось на анализаторе частиц. Принцип действия анализатора частиц HORIBALB-550 основывается на регистрации под разными углами оптического излучения, рассеянного частицами в кювете. В ходе проведения анализов были обнаружены размеры частиц цементов, а также определен
факт появления в системе новых частиц разных размеров. После пропускания цементного порошка через сита оставшееся количество зерен с размерами 100 и более мкм взвешивалось на электронных весах. Полученные зерна добавлялись в заранее приготовленную концентрированную смесь воды и гиперпластификатора. После перемешивания суспензия подвергалась анализу гранулометрии частиц. Полученные результаты представлены на рисунках 2-4.
Результаты исследований частиц цемента на лазерном анализаторе HORIBA говорят о том, что после перемешивания 100 мкм зерен в жидкой концентрированной смеси воды с гиперпластификатором в отличие от использования воды повышает динамику частиц в 3 раза. Средний размер частиц в результате добавки гиперпластификатора понижается. Высокая динамика объясняет улучшение отслаивания частиц от крупных 100 микронных зерен.
20.00
0.0
Зъ
1100.0
Ъ.о
100.0
(и
1000 п)
Рисунок 4. Размер частиц и их распределения в результате отслаивания от 100 мкм зерен цемента в воде с добавкой гиперпластификатора Ргвт01рвгЗ-ТБ. Размер частиц - 1141; динамика - 1261.
Для получения более глубокой картины полученного при измельчениипосредством введения в воду ПАВ ^гет Giper S-ТВ), по данным анализатора частиц и сравнения результатов диспергирования зерен цемента, в начале сделаны снимки порошка обычного цемента и цемента приготовленного измельчением в течение 4 минут клинкера с добавлением гипса и железных огарков в лабораторной шаровой мельнице РМ-100. Значение удельной поверхности данного цементного порошка не провышало 2000 см2/г, тогда как в той же мельнице в течение 12 минут измельчения получается обыкновенный стандартный цемент со значением удельной поверхности 31003400 см2/г. Ниже приведены микрофотографии двух цементов, сделанные на РЭМ (рис.5 и 6).
Рисунок 5. Цемент 8уд=3200 см2/г.
I I
О 00 А п.
шш
со см о см
о ш т
X
<
т О X X
Рисунок б.Цемент 8Уд=1600 см^/г.
Образец цемента приготовленного 4 мин. измельчения отличается от цементна обычного присутствием в своем составе большого количества крупных зерен размерами 40-50 мкм. Для дальнейшего анализа и проверки эффекта наибольшего диспергирования, полученного по данным анализатора частиц в результате применения в воде ПАВ (Frem Giper S-TB) проводили с использованием цементного порошка малого измельчения с удельной поверхностью 2000 см2/г.
Получаемые суспензии на основе цементного порошка сразу после приготовления взбалтовали в течение 30 сек. выливали в термостойкую стекляную чашку, на дне которого рас-пологались предметные стекла, и высушивали в сушильном шкафу при постоянной температуре 1000С. Предметные стекла, на каторых высушены образцы суспензий, ставили в столик для образцов и исследовали поверхности полученных образцов.
Микрофотографии частиц цементного порошка с удельной поверхностью 2000 см2/г диспергированного в обычной воде и в воде с ПАВ (Frem Giper S-TB) представлены на рисунках 7. и
Рисунок 7. Цемент диспергированный в дистиллированной
Рисунок 8. Цемент диспергированный в воде с ПАВ(Ргет в1рег Э-ТВ).
По снимкам, сделанным на РЭМ, видно, что результаты полученные на анализаторе частиц, подтверждаются наличием большого количества более однородных размеров мелких частиц. По микрофотографиям можно установить, что до модификации ПАВ зерна цемента имели неоднородный характер и имели в составе крупные и мелкие зерна. На снимках, сделанных после модификацирования ПАВ (рисунок 8), ясно представлено, что исходные крупные зерна, которые можно наблюдать на первом снимке (рисунок 7), уже отсутствуют . Поверхность образца равномерная, зерна цемента получили однородные и более мелкие размеры. Исследования на РЭМ позволяют сделать вывод о том, что модифицирование воды ПАВ дает мощный эффект диспергирования цементных зерен исходного порошка.
По результатам проведенных исследований можно сделать вывод о том, что при очень сильном снижении поверхностного натяжения до величин приближенных к критическим, возможно самопроизвольное диспергирование системы в отсутствие внешних механических воздействий. Следовательно, замешивание грубодисперсных цементов с удельной поверхностью 1800-2800 см2/г высокоэффективными ПАВ (гиперпластификаторами) дают эффект повышения удельной поверхности цементного порошка в результате снижения поверхностного натяжения в водных растворах. Применение ПАВ в воде затворения цементного теста приводит к дополнительному эффекту диспергирования, что подтверждается исследованиями с использованием РЭМ. Очевидно, что наиболее эффективным из использованных гиперпластификаторов является Frem Giper S-TB, присутствие которого приводит к сравнительно более низким значениям поверхностного натяжения воды, и при этом достигается минимальный размер частиц в результате самопроизвольного диспергирования цементного порошка.
Выводы
Показано повышение дисперсного состава цементного порошка применением поверхностно-активных веществ ПАВ в виде гиперпластификаторов. Гистограммы исследования гранулометрии цемента показывают измельчение цементных зерен разной удельной поверхности, где введением ПАВ средний размер частиц в суспензии снижается в 2 раза. Об этом также свидетельствует динамика частиц, которая связана с увеличением количества зерен в суспензии. Подтверждением
снижения среднего радиуса частиц также являются микрофотографии зерен цементного порошка до и после введения ПАВ в суспензию.
Литература
1. Баженов Ю.М., Демьянова B.C., Калашников В. И. Модифицированные высококачественные бетоны. -М.: Издательство Ассоциации строительных вузов. -2006. -368 с.
2. Каприелов С.С. Общие закономерности формирования структуры цементного камня и бетона с добавкой ультрадисперсных материалов //Бетон и железобетон, -1995. -№6. -С.16-20.
3. Афанасьев Н. Ф., Целулойко М. К. Добавки в бетоны и растворы. -Киев.: Будивэльник. -1989. -128 с.
4. Plank J., Bassioni G., Dai Z., Keller H., Sachsenhauser B., Zouaoui N. Neueszurwechselwirkungzwischenzementen und polycarboxylat-fliefimitteln // Proceedings der 16 Internationalen Baustofftagung. Weimar, 2006. - Band 1. - Р. 579-598.
5. Изотов В. С., Ибрагимов Р. А. Ресурсосбережение при производстве железобетонных изделий с добавками гиперпластификаторов. Технологии бетонов. -2013. -№ 5. -С. 40-41.
6. Коробов Н.В., Которажук Я.Д., Старчуков Д.С. Патент РФ № 2331602. Получение высокопрочного бетона с использованием комплексной добавки. 19.03.2007.
7. Ребиндер П.А. Поверхностные явления в дисперсных системах. Физико-химическая механика. Избранные труды. М.: Наука, 1979. С. 384.
8. Морозов Н.М., Хозин В.Г., Мугинов Х.Г. Особенности формирования структуры модифицированных песчаных бето-нов//Строительные материалы, 2010, №9. С.72-73.
9. Патент № 2149844. Расширяющая добавка к цементу, Опубл. 27.05.98 БИ № 15.
10. Джамбулатов Р.С., Дадашев Р.Х., Межидов В.Х., Элимханов Д.З./ Поверхностное натяжение водных суспензий бентонитов / ТРУДЫ КНИИ РАНБатаев Д.К.С. Комплексный научно-исследовательский институт им. Х.И. Ибрагимова РАН. Грозный, 2013. С. 8-11.
11.Королев Е.В., Гришина А.Н., Пустовгар А.П. Поверхностное натяжение в структурообразовании материалов. Значение, расчет и применение //Строительные материалы. 2017. № 1-2 С. 104-108.
Optimization of cement granulometry in cement mortars by regulating the
surface tension of water Abdullaev R.M., Abdullaev M.A.-V., Abdullaev A.M.
Comprehensive Research Institute named after. H.I. Ibragimov JEL classification: L61, L74, R53
The study of cement granulometry is one of the urgent tasks associated with improving the quality of cement stone and concrete. A close relationship has been established between the surface tension of water and the dispersion of cement powder. An increase in the dispersed composition of cement powder is shown by using surfactants in the form of hyperplasticizers. Histograms of the study of cement granulometry show the grinding of cement grains of different specific surface areas, where the introduction of a surfactant reduces the average particle size in the suspension by 2 times. This is also evidenced by particle dynamics, which is associated with an increase in the number of grains in the suspension. The reduction in the average particle radius is also confirmed by microphotographs of cement powder grains before and after the introduction of a surfactant into the cement mixing water. Keywords: cement, surface tension, dispersion, surfactants, hyperplasticizers. References
1. Bazhenov Yu.M., Demyanova V.S., Kalashnikov V.I. Modified high-quality concrete.
-M.: Publishing house of the Association of Construction Universities. -2006. -368 s.
2. Kaprielov S.S. General patterns of formation of the structure of cement stone and
concrete with the addition of ultradisperse materials // Concrete and reinforced concrete, -1995. -No. 6. -P.16-20.
3. Afanasyev N. F., Tseluloiko M. K. Additives to concrete and mortars. -Kiev:
Budivelnik. -1989. -128 s.
4. Plank J., Bassioni G., Dai Z., Keller H., Sachsenhauser B., Zouaoui N.
Neueszurwechselwirkungzwischenzementen und polycarboxylat-fliefimitteln // Proceedings der 16 Internationalen Baustofftagung. Weimar, 2006. - Band 1. -R. 579-598.
5. Izotov V. S., Ibragimov R. A. Resource saving in the production of reinforced
concrete products with additives of hyperplasticizers. Concrete technologies. -2013. -No. 5. -S. 40-41.
6. Korobov N.V., Kotorazhuk Ya.D., Starchukov D.S. RF Patent No. 2331602.
Production of high-strength concrete using a complex additive. 03/19/2007.
7. Rebinder P.A. Surface phenomena in disperse systems. Physico-chemical
mechanics. Selected works. M.: Nauka, 1979. P. 384.
8. Morozov N.M., Khozin V.G., Muginov Kh.G. Features of the formation of the
structure of modified sand concrete // Construction materials, 2010, No. 9. P.72-73.
9. Patent No. 2149844. Expanding additive to cement, Publ. 05.27.98 BI No. 15.
10. Dzhambulatov R.S., Dadashev R.Kh., Mezhidov V.Kh., Elimkhanov D.Z./ Surface
tension of aqueous suspensions of bentonites / PROCEEDINGS OF KNII RANBataev D.K.S. Complex Research Institute named after. H.I. Ibragimov RAS. Grozny, 2013. pp. 8-11.
11. Korolev E.V., Grishina A.N., Pustovgar A.P. Surface tension in the structure formation of materials. Meaning, calculation and application //Building materials. 2017. No. 1-2 P. 104-108.
X X О го А С.
X
го m
о
м о м
CJ
