CC BY
16Бондаренко А. И., аспирант, Фоменко Ю. В., канд. техн. наук, Жерновский И. В., канд. геол.-мин. наук, доц., Строкова В. В., д-р, техн. наук, проф. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ КВАРЦА РАЗЛИЧНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
НА СВОЙСТВА ВНВ*
Изучено влияние генезиса кремнеземистого сырья, вида и количества добавки на свойства ВНВ, что позволило определить рациональные области их использования при производстве композиционных вяжущих.
Ключевые слова: кварц, песок, пластифицирующие добавки, ТМЦ, ВНВ.
Изучение кварцевых природных и техногенных песков, а также опыт получения ВНВ на наполнителях различных генетических типов [1, 2] свидетельствует о том, что наиболее эффективным является применение кварцевого сырья с низкой степенью кристалличности [3]. В связи с этим в качестве компонента ВНВ был выбран кварц кварцитопесчаников зеленосланцевой фации метаморфизма Лебединского месторождения (КМА, РФ) в виде отсева дробления, который в силу типоморфных особенностей отличается повышенной степенью дефектности различных порядков и, как следствие, более интенсивной размалываемостью (рис. 1) и высокой реакционной способностью [4].
В качестве кварцевого компонента, как при разработке составов с плотнейшей упаковкой, так и при приготовлении ВНВ помимо отсева использовались осадочные породы — песок ОАО «Вяземское карьероуправление» (табл. 1, 2). При получении композиционных вяжущих при-
менялись: суперпластификаторы - Melment F10, Melflux 1641 F, C-3; ЦЕМ I 42,5 Н производства ЗАО «Белгородский цемент».
600
с2 500
400
300
^ 200
>
100
1
2
3
5
6
7
4
Время, ч
Рис. 1. Динамика размалываемости ТМЦ в зависимо сти от типа кварцевого компонента
Таблица 1
Вид сырья Модуль крупности Плотность, кг/м3 Водопотребность, %
средняя истинная насыпная
Вяземский песок 2,7 1560 2610 1500 6
Отсев дробления кварцитопесчаника 3,7 1520 2710 1415 5,5
Таблица 2
Химический состав кварцевого сырья_
Вид сырья Содержание оксидов по массе, %
SiO2 Al2O3 Fe2Os FeO MgO Na2O K2O SO3 TiO2 CaO п.п.п
Вяземский песок 93,2 2,1 0,75 - 0,3 0,24 0,35 0,06 0,12 1,5 1,1
Кварцитопесчаник 94,32 2,61 0,42 0,81 0,66 0,22 0,65 0,01 0,16 0,46 0,65
Анализ влияния вида пластификатора на эффективность помола ВНВ свидетельствует о том, что максимальное смещение в сторону меньшего размера частиц имеет ВНВ с добавкой МеШих 1641 F (МF), что и обеспечивает его более высокую активность (рис. 2).
Для разработки состава ВНВ-50 был произведен подбор оптимальной концентрации суперпластификаторов. Эффективность воздействия на структурированную систему механических фак-
торов в сочетании с добавкой таких ПАВ, как С-3, Melment F10 и Melflux 1641 F для системы «ВНВ - вода» оценивалось методом совмещения полных реологических кривых, исследуемых в стационарном ламинарном потоке [5].
Установлено, что введение в состав ТМЦ добавок приводит к снижению предельного напряжения сдвига (рис. 3). Повышение содержания в суспензии добавки от 0,1 до 0,65 %, приводит к понижению предельного напряже-
ния сдвига подтверждающего сделанные ранее наблюдения, показывающие, что адсорбция ПАВ происходит на наиболее активных участках поверхности частиц, где в отсутствии ПАВ образуются наиболее прочные контакты между частицами в структуре суспензии и поэтому наиболее эффективным суперпластификатором для исследуемой системы ВНВ является Melflux 1641 F.
S ?: i i i I Шш i з ten í i Ш i i % 115 Ш í i I ¡ i I i l
MltTepmi.'lbl p:rlML>|H)R частиц, мкм
Рис. 2. Распределение частиц по размерам в зависимости от вида вяжущего на основе кварцитопесчаника: ТМЦ-50 - тонкомолотый цемент с содержанием цемента 50 %; ВНВ-50 - вяжущее низкой водопо-требности с содержанием цемента 50 %; ММ - пластификатор Melment F10; МФ - пластификатор Melflux 1641 F
1 1 1 1
1 2
-I—I- -ф- 3
-1—1- —1- —л— 4
1 _ 1 1 ■ 5
6
Содержание добавки, %
Рис. 3. Влияние суперпластификатора на реотехнологические характеристики суспензий на основе песка и кварцитопесчаника:
1 - С-3 (кварцитопесчанник); 2 - С-3 (песок); 3 - Ме1теП (песок); 4 - МеШих (кварцитопесчанник); 5 - Ме1теП (кварцитопесчанник); 6 - MeШux (песок)
Установлено, что наименьший эффект оказывает добавка Melment F10, при максимальном содержании 0,35 % условно-статического предел текучести снижается с 10 до 8 Па, условно динамический - с 70 до 45 Па. При использовании в качестве добавки С-3 максимальное снижение пределов текучести составляет: условно статического - с 10 до 3 Па, условно-динамического - с 70 до 19 Па. Для достижения указанных значений необходимо введение 0,65 % добавки С-3. Введение Melflux 1641 F в количестве 0,05 % повышает значения как условно-динамического, так и условно-статического предела текучести. Дальнейшее увеличение концентрации Melflux 1641 F до 0,2 % позволяет снизить пределы текучести условно-статический и условно-динамический до 3 и 8 Па соответственно.
Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что на условно-динамический предел текучести системы наименьшее воздействие оказывает добавка Melment F10 (снижение составляет с 70 до 18 Па). Добавка С-3 снижает предел текучести до 4 Па, Melflux 1641 F - до 7 Па. На условно-статический предел текучести наименьшее воздействие оказывает добавка С-3 (снижение составляет до 2,1 Па). Добавки Melment F10 и Melflux 1641 F в количестве до 0,2 % оказывают практически одинаковое действие, однако при повышении концентрации Melment F10 наблюдается повышение условно-статического предела текучести. Таким образом, оптимальной с точки зрения снижения структурной прочности и пределов текучести является добавка 0,2 % Melflux 1641 F или 0,65 % С-3 [5].
Выявлен характер изменения вязкости системы в зависимости от генетического типа кремнезема, заключающийся в зависимости величины снижения вязкости от прочности единичного коагуляционного контакта. С увеличением энергии единичного коагуляционного контакта (кварц низкой степени метаморфизма) возрастает величина изменения реологических параметров, что обусловлено различной величиной высвобождаемой иммобилизованной воды. Установлено, что при введении оптимального с точки зрения снижения структурной прочности и пределов текучести количества пластификатора вязкость системы на основе кварца низкой степени метаморфизма на 4050 % ниже, чем на основе кварца осадочных пород.
В ранние сроки твердения композиционных вяжущих происходит уменьшение количества свободного Са(ОН)2, что фиксируется по снижению интенсивности основных характеристи-
ческих отражений по данным РФА. При этом количество наиболее растворимого компонента цементного камня в прогидратированном ВНВ снижается в зависимости от типа пластификатора в следующей последовательности: С-3 ^■Ме1шеи1 ^ МеШих. При этом в этой же последовательности наблюдается увеличение прочности на кварце изученных генетических типов (табл. 3), что обусловлено более быстрой гидратацией вяжущего, вследствие более мелкодисперсного состава, а также лучшей пространственной укладкой частиц вяжущего. Это позволяет ускорить и улучшить их взаимодействие с клинкерными минералами при формировании новообразований.
Использование метаморфогенного кварца позволяет повысить активность композиционного вяжущего на 8,5 % по сравнению с ВНВ на
Состав, свойства и кинетические константы ,
основе песка, и на 11 % — относительно портландцемента.
Для установления причин зависимости активности природных и техногенных песков различных видов от их генетических особенностей проведен полнопрофильный рентгенофазовый анализ с использованием программ FullProf и MAUD [6]. На основании асимметрии рентгеновских отражений сделан вывод, что исследуемые образцы кварца представлены двумя полиморфными модификациями - низкотемпературным а-кварцем и высокотемпературным Р-кварцем (табл. 4) [7]. В качестве микроструктурной характеристики приведен усредненный размер областей когерентного рассеяния (ОКР) - бездефектных кристаллитов из которых состоят минеральные зерна кварца.
Таблица 3
№ п/п Состав вяжущего* Предел прочности при сжатии, МПа U0, МПа/сут ktoB МПа-1 kkor, МПа
1 3 7 28
1 ВНВ-50 (ЦЛ+Melflux) 12 31,24 35,28 52,36 15,14 0,0201 0,999
2 ВНВ-50 (ЦЛ+Melment) 11,03 31,17 38,32 51,17 15,70 0,0162 0,9977
3 ВНВ-50 (Ц:П+С-3) 8,52 29,82 35,36 50,86 11,95 0,015 0,9951
4 ВНВ-50 (Ц:КВП+МеШих) 11,86 32,52 37,52 57,2 18,14 0,018 0,9973
5 ВНВ-50 (Ц:КВП+Ме!тей) 10,08 31,86 34,88 54,21 15,57 0,0183 0,9954
6 ВНВ-50 (Ц:КВП+С-3) 7,82 28,82 33,48 52,12 11,02 0,0153 0,993
* Ц - цемент ЦЕМ I 42,5Н; П - песок Вяземского месторождения; КВП - отсев дробления кварцитопесчаника; 8уд(ВНВ) = 690 м2/кг; В/Ц = 0,34.
Таблица 4
Зависимость активности ТМЦ от состава кварцевого компонента
Наименование кремнеземистого компонента ТМЦ Коэффициент качества, Кк Минеральный состав и микроструктурные характеристики кварца
а-кварц в-кварц
Об.% ОКР (нм) Об.% ОКР (нм)
Кварцитопесчаник Лебединского месторождения 1,29 65 600 35 50
Песок Вольского месторождения 1 75 25
Песок Нижне-Ольшанского месторождения 0,95 78 22
Песок Вяземского месторождения 0,84 87 13
Таким образом, установлена зависимость качества кварцевого компонента композиционного вяжущего от типа и количества полиморфных модификаций кремнезема в составе исходной породы. Показано, что при увеличении содержания высокотемпературной полиморфной модификации Ь-кварца, увеличивается активность кремнезема по отношению к Са(ОН)2 в системе «кварцевый компонент - портландцемент», следствием чего является повышение активности ТМЦ.
На основании методики расчета прогнозируемой прочности вяжущих [8] (табл. 3, 5),
установлены закономерности влияния состава разработанных ВНВ и условия твердения на численные значения коэффициентов корреляции и констант кинетики роста прочности во времени. Увеличение начальной скорости твердения и уменьшение коэффициента торможения, не оказывают существенного влияния на коэффициент корреляции по уравнению теории переноса. Наибольшее влияние на кинетику твердения вяжущего оказывают пластифицирующие добавки. Установлена закономерность влияния состава ВНВ и добавок на численные значения констант твердения по уравнению теории переноса.
Таблица 5
Прогнозирование прочности вяжущего низкой водопотребности по уравнениям теории _переноса с различными химическими добавками_
№ п/п Состав вяжущего ^расч., МПа ^эксперем., МПа Отклонение Д, МПа Отклонение Д, %
по результатам испытаний в возрасте 1, 3 и 7 суток
1 ВНВ-50 (ЦЛ+Melflux) 45,53 52,36 -6,83 -13,04
2 ВНВ-50 (ЦЛ+Melment) 54,13 51,17 2,96 5,78
3 ВНВ-50 (Ц:П+С-3) 55,59 50,86 4,73 9,30
4 ВНВ-50 (Ц:КВП+МеШих) 56,08 57,20 -1,12 -1,96
5 ВНВ-50 (Ц:КВП+Ме1теЩ) 48,56 54,21 -5,65 -10,42
6 ВНВ-50 (Ц:КВП+С-3) 53,93 52,12 1,81 3,47
по результатам 3 и 7 суточных испытаний
1 ВНВ-50 (ЦЛ+Melflux) 44,01 51,17 -7,16 -13,99
2 ВНВ-50 (ЦЛ+Melment) 38,04 52,36 -14,32 -27,35
3 ВНВ-50 (Ц:П+С-3) 39,55 50,86 -11,31 -22,24
4 ВНВ-50 (^KOn+Melflux) 41,04 57,20 -16,16 -28,25
5 ВНВ-50 (^KDn+Melment) 36,89 54,21 -17,32 -31,95
6 ВНВ-50 (Ц:КВП+С-3) 36,89 52,12 -15,23 -29,22
Таким образом, разработаны составы ВНВ на основе слабо упорядоченного кварца пород зеленосланцевой фации метаморфизма. Использование композиционных вяжущих позволяет решить несколько задач: снижение расхода цемента; связывание Са(ОН)2 аморфизованной фазой кремнеземистого компонента; увеличение плотности цементного камня за счет заполнения микропор вторичными продуктами реакций пуццоланового типа и благодаря присутствию в составе вяжущего пластифицирующих добавок.
* Работа выполнена при финансовой поддержке в рамках: Программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова; Гранта РФФИ "Разработка новых подходов к созданию нано- и микроструктурированных строительных композитов на основе природных и техногенных полифункциональных прото- и сингенетических наносистем ".
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Лесовик Р.В. Мелкозернистые бетоны на композиционных вяжущих и техногенных песках: дисс. ... д-ра техн. наук / Левовик Руслан Валерьевич. - Белгород, 2009. - 496 с.
2. Убеев А.В. Активированные вяжущие вещества и пути их применения / А.В. Убеев, Л.А. Урханова // Вибротехнология-92: сб. статей науч. школы стран СНГ. - Одесса, 1992. - С.93 -96.
3. Влияние генезиса минерального напол-
нителя на свойства композиционных вяжущих / И.В. Жерновский, Н.И. Алфимова, Е.А. Яковлев, Т.Г. Юракова, Г.А. Лесовик // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2010. - № 1. - С. 91-94
4. The use of mechanoaktivation for nanostructuring of quartz materials / I. Zgernovsky, V. Strokova, N. Koshukhova, K. Sobolev // Nano-technology in Construction. 4th International Symposium NICOM4. Agios Nikolaos, Crete, Greece. Vay 20-22, 2012. - Р. 1085. Фоменнко Ю.В. Мелкозернистый бетон для тротуарной плитки с пониженным высоло-образованием: Дисс. ... канд. техн. наук / Фе-менко Юлия Владимировна. - Белгород, 2007. -220 с.
6. Некоторые возможности применения полнопрофильного РФА в задачах строительного материаловедения / И.В. Жерновский, В.В. Строкова, Е.В. Мирошников, А.Б. Бухало, Н.И. Кожухова, С.С. Уварова // Строительные материалы. - 2010.- № 3. - С. 102-105
7. Строкова В.В. О влиянии размерных параметров полиморфных модификациях кварца на его активность в композиционных вяжущих / В.В. Строкова, И.В. Жерновский, Ю.В. Фоменко // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2007. - № 3. - С. 48-49
8. Рахимбаев Ш.М. Прогнозирование долговечности строительных материалов по единичному сроку испытаний / Ш.М. Рахимбаев, Н.М. Авершина // Строительные, материалы. -1994.- № 4. - С. 17-18.
