CC BY
73
УДК 691.327:666.97
О. В. Хохряков, А. Р. Хаматова ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ДОБАВКИ НА ОСНОВЕ ЦЕМЕНТА НИЗКОЙ ВОДОПОТРЕБНОСТИ
ДЛЯ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА
Ключевые слова: Цемент низкой водопотребности, добавка, песчаный бетон.
Изучено влияния добавки, полученной на основе цемента низкой водопотребности (ЦНВ-100), на свойства портландцемента. Показано, что эта добавка способствует существенному росту прочности бетона на ранних стадиях твердения, а также увеличивает его марочную прочность. Установлено, что добавка ЦНВ-100 не снижает время сохраняемости подвижности бетонной смеси.
Keywords: The low water demand cement, additive, concrete sand.
Studied the effect of the additive, obtained on the basis of cement with low water demand (CLW-100), on the properties of Portland cement. It is shown that this additive contributes to a substantial increase of concrete strength at early stages of hardening, but also increases its brand strength. Found that Supplement CLW-100 does not reduce the persistence time of the mobility of the concrete mix.
Введение
Модификация цементных бетонов осуществляется различными способами: от применения электромагнитных полей до применения химических и минеральных добавок. Добавки модификаторы отличаются своей химической природой и эффективностью и в настоящее время широко изучается [1-3]. Однако, одному из направлений, а именно применения активаторов твердения на основе портландцемента, уделяется мало внимания.
Как правило, потенциал цементных вяжущих (портландцементы различных видов), реализуется не полностью. Согласно Волженскому [4] степень их гидратации через год при твердении в воде составляет всего 60 %, соответственно, 40 % является неиспользованным (непрореагировавшим). Основная причина неполной реализации их возможностей - низкая удельная поверхность (3000-3500 см2/г), что, главным образом, связано с экономической нерентабельностью измельчения цементного клинкера до более высокой тонины. Несмотря на это, представляет огромный интерес исследования цементных вяжущих с повышенной удельной поверхностью (4500-7000 см2/г), которые с экономической точки зрения становятся целесообразны при использовании современных модификаторов (химических и минеральных) и применения технологических приемов при производстве. Кроме этого обеспечивается возможность производства бетонов на этих вяжущих, начиная от высокопрочных (до 180 МПа) и заканчивая малоцементными, содержащих до 30 % портландцемента.
К таковым вяжущим по праву относятся цементы низкой водопотребности (ЦНВ), появившихся в 80-х годах прошлого века [5]. Бетоны на их основе имеют ряд неоспоримых преимуществ: возможность получения вяжущих с активностью по прочностью 40...110 МПа, пониженная на 25-30 % водопотреб-ность в сравнении с портландцементами, обеспечение высокой морозостойкости и трещиностойкости бетонов на этих вяжущих, пониженное тепловыделение цемента, интенсивный характер твердения бетона в холодный период года и др. Технология производства ЦНВ проста и заключается в совмест-
ном измельчении рядового портландцемента с суперпластификатором в мельницах (шаровых, вибра-ционно-шаровых и др.).
Однако производство ЦНВ имеет ряд недостатков, которые ограничивают его массовое применение [6, 7]. Главным образом, к ним относятся высокие энергозатраты на помол, быстрый износ основного оборудования и продолжительное время измельчения. Решение этих проблем возможно путем измельчения не всей массы исходных компонентов, а лишь её части (10-30 %), которая в последующей технологической цепочке используется в качестве добавки для остальной массы портландцемента [8].
Методы и материалы
Для изучения предложенного технологического приема нами изготовлены пять составов песчаного бетона согласно методике ГОСТ 310.4 (табл. 1). Во всех составах использовали портландцемент ЦЕМ I 42,5Б производства ОАО «Мордовцемент». Состав 1 - контрольный, не содержащий добавок. Составы 2 и 3 получены с использованием водного раствора суперпластификатора С-3, который вводили в количестве 0,3 и 0,6 % от массы цемента (по сухому веществу), соответственно. Для составов 4 и 5 часть ЦЕМ I 42,5Б перерабатывали в добавку ЦНВ-100 путем его совместного измельчения с сухим С-3 в вибрационно-шаровой мельнице. Содержание С-3 в ЦНВ-100, соответственно, принято 2 и 4%. При добавлении ЦНВ-100 к оставшейся части ЦЕМ I 42,5Б в количестве 15 % содержание С-3 к общей массе портландцемента и добавки составило 0,3 и 0,6 %.
Водоцементное отношение (В/Ц) рассчитано ко всей массе ЦЕМ I 42,5Б, в том числе переработанного в добавку ЦНВ-100 (составы 4 и 5). Показатель ДВ/Ц указывает на снижение водопотребности основных составов относительно контрольного. Образцы твердели в нормальных условиях при температуре 22±2 оС и влажности не менее 98 %.
Результаты
Результаты прочности при изгибе составов песчаного бетона представлены в табл. 1, прочности при сжатии - табл. 2.
Таблица 1 - Прочность при изгибе портландцемента ЦЕМ I 42,5Б с добавкой ЦНВ-100
№ В/Ц ДВ/Ц, % РК мм Прочность песчаного бетона при изгибе, МПа, в возрасте
1 3 7 28
суток суток суток суток
ЦЕМ I 42,5Б ОАО «Мордовцемент»
1 0,45 - 108 3,3 4,8 6,3 6,5
ЦЕМ I 42,5Б ОАО «Мордовцемент» с С-3, 0,3 % (добавлен с водой затворения)
2 0,41 8,9 108 3,8 5,2 6,4 6,8
ЦЕМ I 42,5Б ОАО «Мордовцемент» с С-3, 0,6 % (добавлен с водой затворения)
3 0,38 15,6 106 4,6 5,8 6,8 7,0
ЦЕМ I 42,5Б ОАО «Мордовцемент» с добавкой 15 % ЦНВ-100 (4840 см2/г), содержащей С-3 в количестве 2 %
от ее массы
4 0,4 11,1 109 4,5 5,7 6,6 6,9
ЦЕМ I 42,5Б ОАО «Мордовцемент» с добавкой 15 % ЦНВ-100 (4890 см2/г), содержащей С-3 в количестве 4 %
от ее массы
5 0,37 17,8 109 4,8 6,3 7,2 7,5
Таблица 2 - Прочность при сжатии портландцемента ЦЕМ I 42,5Б с добавкой ЦНВ-100
№ В/Ц ДВ/Ц, % РК мм Прочность песчаного бетона при сжатии, МПа/%, в возрасте
1 суток 3 суток 7 суток 28 суток
ЦЕМ I 42,5Б ОАО «Мордовцемент»
1 0,45 - 108 13,6 100 27,3 100 35,2 100 46,7 100
ЦЕМ I 42,5Б ОАО «Мордовцемент» с С-3, 0,3 % (добавлен с водой затворения)
2 0,41 8,9 108 14,7 108 29,6 108 39,5 112 48,9 105
ЦЕМ I 42,5Б ОАО «Мордовцемент» с С-3, 0,6 % (добавлен с водой затворения)
3 0,38 15,6 106 19,6 144 35,5 130 45,3 129 59,7 128
ЦЕМ I 42,5Б ОАО «Мордовцемент» с добавкой 15 % ЦНВ-100 (4840 см2/г), содержащей С-3 в количестве 2 % от ее массы
4 0,4 11,1 109 20,1 148 36,1 132 44,4 126 58,0 124
ЦЕМ I 42,5Б ОАО «Мордовцемент» с добавкой 15 % ЦНВ-100 (4890 см2/г), содержащей С-3 в количестве 4 % от ее массы
5 0,37 17,8 109 24,5 180 42,4 155 49,3 140 63,7 136
Как видно из табл. 1, технологический прием, заключающий в «превращении» части ЦЕМ I 42,5Б в добавку ЦНВ-100, оказался весьма эффективным. Существенно выросла прочность при сжатии во все сроки твердения и, особенно, на ранней стадии (до 80 %). Очевидно, что это связано с высоким содержанием тонких частиц в добавке ЦНВ-100 (составы 4 и 5), которые способствуют интенсивному росту прочности бетона. С другой стороны, С-3, «посаженый» при помоле на часть ЦЕМ I 42,5Б в добавке ЦНВ-100, первоначально препятствует адсорбции
воды, что ведет к снижению водопотребности и, соответственно, росту прочности.
Однако столь интенсивный рост ранней прочности бетона, приготовленного на основе ЦЕМ I 42,5Б с добавкой ЦНВ-100, может негативно повлиять на сохраняемость первоначальной подвижности бетонной смеси и, соответственно, сузить географию её доставки до объекта.
На основании этого необходимо изучить изменение подвижности товарной бетонной смеси со временем. Для этого принят рядовой производственный состав тяжелого бетона (состав 1) класса по прочности В15 на основе портландцемента ЦЕМ I 42,5Б ОАО «Мордовцемент» с добавлением суперпластификатора С-3 с водой затворения в количестве 0,5 % от массы ЦЕМ I. Основные составы 2 и 3 были приготовлены с добавкой ЦНВ-100 в количестве 12,5 и 25 % взамен массы ЦЕМ I, соответственно. Состав 4 отличается тем, что ЦНВ-100 был подвергнут более продолжительному измельчению до удельной поверхности 5800 см2/г. Его содержание в составе бетона также принято в количестве 25 % от массы ЦЕМ I. В основных составах 2-4 общее содержание суперпластификатора С-3, введенного в бетон через добавку ЦНВ-100, составило также как и в составе 1 - 0,5 %.
В таблице 3 приведены составы товарного тяжелого бетона класса по прочности В15. На рис. 1 представлена зависимость подвижности бетонной смеси по осадке стандартного конуса от времени.
Таблица 3 - Составы товарного тяжелого бетона класса по прочности В15
№ Вид добавки, кг/% 8№ см2/г (ЦНВ100) Расход материалов на 1 м3, кг
ЦЕМ I песок гравий вода
1 С-3, 1,3/0,5 - 260 850 1050 153
2 ЦНВ-100 (с 4 % С-3) 32,5/12,5 4500 227,5 850 1050 153
3 ЦНВ-100 (с 2 % С-3) 65/25 4500 195 850 1050 143
4 ЦНВ-100 (с 2 % С-3) 65/25 5800 195 850 1050 136
Как видно из рис.1, несмотря на высокую прочность в раннем возрасте (табл. 1 и табл. 2), сохраняемость подвижности бетонной смеси с добавкой ЦНВ-100 не теряется, а наоборот, возрастает. Наилучший результат высокой сохраняемости подвижности (в 2 раза) получен для состава 4. Вероятно, это связано с блокирующей способностью суперпластификатора, который при помоле был адсорбирован на поверхность частиц портландцемента и, соответственно, введен через добавку ЦНВ-100.
-----_ _ _
N 1-1 —4
L
^^ —■
О 20 40 60 80
Время, мин
Рис. 1 - Сравнение сохраняемости подвижности бетонных смесей
В результате на части массы портландцемента создается временный барьер для молекул воды, что затрудняет смачивание частиц вяжущего, соответственно, жизнеспособность бетонной смеси возрастает.
Заключение
В результате проведенных исследований установлено, что описанный технологический прием может быть рекомендован при производстве цементов низкой водопотребности для снижения общих энергозатрат, увеличения производительности линии и сокращения времени изготовления. С другой стороны, открывается возможность получения бы-стротвердеющих вяжущих.
Литература
1. Морозов Н.М., Степанов С.В., Хозин В.Г. Ускоритель твердения бетона на основе гальванического шлама // Инженерно-строительный журнал. 2012. № 8 (34). С. 6771.
2. Якупов М.И., Морозов Н.М., Боровских И.В., Хозин В.Г. Модифицированный мелкозернистый бетон для возведения монолитных покрытий взлетно-посадочных полос аэродромов // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета.
2013. № 4 (26). С. 257-261.
3. Морозов Н.М., Авксентьев В.И., Боровских И.В., Хозин В.Г. Применение отсевов дробления щебня в самоуплотняющихся бетонах // Инженерно-строительный журнал. 2013. № 7 (42). С. 26-31.
4. Волженский А.В. Минеральные вяжущие вещества. -М.; Стройиздат, 1986. - 464 с.
5. Бикбау М. Я. Нанотехнологии в производстве цемента. - М.: ОАО «Московский институт материаловедения и эффективных технологий», 2008. - 768 с.
6. Хозин В.Г., Хохряков О.В., Сибгатуллин И.Р., Гизза-туллин А.Р., Харченко И. Я. Карбонатные цементы низкой водопотребности - зеленая альтернатива цементной индустрии России // Строительные материалы.
2014. № 5. С. 76-82.
7. Хохряков О.В., Баишев Д.И., Хозин В.Г. Изучение дисперсного состава минеральных компонентов цементов низкой водопотребности после их получения // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2013. № 4 (26). С. 252-256.
8. Зырянов Ф. А., Королев А. С., Трофимов Б. Я. Исследования быстротвердеющих цементных композиций на основе добавки вяжущего низкой водопотребности // Материалы Международной научно-практической конференции «Строительство-2008». Ростов на Дону: Рост. гос. строит. ун-т, 2008. - с.129-131.
© О. В. Хохряков - канд. техн. наук, доцент кафедры «Технологии строительных материалов, изделий и конструкций», КГАСУ, olvik@list.ru, тел.8 (903) 314-52-35; А. Р. Хаматова - магистрант Института строительных технологий и инженерно-экологических систем, КГАСУ, alsukhamatova@yandex.ru.
© O. V. Khohryakov - candidate of technical sciences, associate professor of the Departmen of Technology of building materials, products and structures, KSUAE, olvik@list.ru; A. R. Khamatova - student of Institute for construction technology and environmental engineering systems, KSUAE, alsukhamatova@yandex.ru.
