CC BY
16УДК 666.972.1
Б.В. ГУСЕВ, д-р техн. наук, член-корр. РАН;
С. ИН ИЕН-ЛЯНЬ, д-р техн. наук, Тайваньский государственный университет;
Ю.Р. КРИВОБОРОДОВ, д-р техн. наук, Российский химико-технологический университет
им. Д.И. Менделеева
Повышение активности золосодержащих цементов и бетонов на их основе
Развитие электроэнергетики на современном этапе, основанной на применении твердого топлива, предопределило образование огромного количества зол и шлаков в золохранилищах и отвалах. В последние годы накоплен большой опыт применения отвальных золошлаковых смесей при производстве строительных материалов, однако их использование в промышленности не превышает 8—10% от общего ежегодного выпуска. Главным препятствием широкого применения этих техногенных материалов является низкая активность зол. Цель исследований — повышение активности зол и цементов путем их раздельной или совместной активации в водной среде непосредственно перед приготовлением бетона на строительной площадке или заводе железобетонных изделий.
Для исследования взяты зола Рязанской ТЭС и цементы промышленного выпуска. Активация их осуществлялась в роторно-пульсационных аппаратах [1], обрабатываемая среда в которых подвергается воздействию больших напряжений сдвига, гидравлическим ударам, кавитации, пульсации в широком диапазоне частот.
Установлено, что водопотребность цементно-золь-ного раствора из совместно активированных цемента и золы (15% от массы цемента) меньше, чем у цементного теста с тем же количеством неактивированной золы. Это связано с разрушением в процессе обработки в аппарате крупных частиц золы губчатого строения, впитывающих большое количество воды и тем самым повышающих водопотребность смеси. Благодаря появлению частиц правильной шарообразной формы и осаждению на них аморфного гидроксида кальция уменьшается внутреннее трение смеси и ее водопотребность.
В связи с этим рост пластической прочности активированного цементно-зольного теста происходит более интенсивно, чем рост прочности неактивированных образцов исходного цемента с золой, причем интенсив-
ность структурообразования цементного камня пропорциональна времени активации.
Активация цементно-зольной смеси приводит к повышению удельной поверхности компонентов, появлению большого количества дефектов структуры цементных и зольных частиц, увеличению числа микродисперсных гидратных новообразований, обладающих хорошо развитой поверхностью и являющихся подложками кристаллизации гидратных соединении. Все это ускоряет образование гидросиликатов кальция и других продуктов гидратации, увеличивает число коагуляцион-ных и адгезионных контактов и ведет к повышению прочности твердеющей системы. Предварительная активация золы в водной среде повышает прочность образцов из цементно-зольного теста при сжатии и изгибе во все сроки твердения.
При введении зол различной степени активации в бетонную смесь улучшается удобоукладываемость и повышается прочность при сжатии. Мелкодисперсные сферические частицы золы вследствие их довольно гладкой текстуры оказывают заметное пластифицирующее воздействие на бетонную смесь и увеличивают ее подвижность.
Прирост прочности бетонных образцов на основе активированного цементно-зольного теста относительно бетонных образцов такого же состава, но на основе обычного цемента с золой составляет в возрасте 3 сут — 200-300%; 7 сут - 170-180%; 28 сут - 50-60%.
При твердении цементного камня с добавкой золы в количестве 15% в первые сутки на частицах золы образуется аморфная хлопьевидная оболочка из Са(ОН)2 толщиной до 3 мкм. Между этой пленкой и поверхностью частицы золы имеется прослойка воды (рис. 1), которая заполняется продуктами взаимодействия - ионами, под действием которых развивается постепенная
Рис. 1. Частица золы с гидратной оболочкой в цементно-зольном Рис. 2. Структура цементно-зольного камня. Твердение 14 сут в нор-камне. Твердение 1 сут в нормальных условиях. РЭМ, увеличение Х6000 мальных условиях. РЭМ, увеличение Х3000
60
научно-технический и производственный журнал
август 2012
®
Таблица 1
Вид золы Содержание оксидов,% ППП
SiO2 AI2O3 Fe2O3 СаО MgO K2O Na2O
Обычная 41,5 17,8 5,5 3,5 1,5 1,2 0,6 28,4
Активированная 41 14 3,2 2,7 1,1 1 0,3 36,9
Таблица 2
Время обработки, мин Содержание частиц, %, размером, мкм
0-10 10-20 20-40 40-80 более 80
Без обработки 5,2 8,6 7 35,2 44
3 10,5 13,3 9,1 38,1 29
5 14,3 16,7 11,9 44,1 13
Рис. 3. Разрушение оболочки крупной частицы золы за счет пуццола-новой реакции. Цементно-зольный камень, твердение 7 сут в нормальных условиях. РЭМ, увеличение Х6000
эрозия поверхности частиц золы. Эти результаты согласуются с данными, опубликованными М. Кокубу и Д. Ямада в трудах VI Международного конгресса по химии цемента (1976 г.); Y. Halse и P.L. Pratt в журнале «Cement and Concrete search» (1984 г.). Прослойка воды заполняется продуктами взаимодействия ионов кальция и растворимыми компонентами стекловидной фазы золы. На это указывает изменение химического состава золы, обработанной в водной среде в течение 5 мин (табл. 1).
В результате взаимодействия золы и цементных минералов образуются гидроалюминаты и гидросиликаты кальция, а в присутствии гипса — гидросульфоалюмина-ты кальция. С применением электронного микроскопа выявлено, что через 2—3 сут твердения образуются мелкие игольчатые кристаллы и кристаллы в виде призм длиной 2—3 мкм и толщиной 0,2—0,3 мкм, которые расположены хаотично на поверхности частиц золы. При дальнейшем твердении продолжается рост гидратов, приводящий к уплотнению цементного камня и его упрочнению (рис. 2).
При деформации образца пора с частицей золы является концентратором напряжений, которые могут еще более усиливаться вследствие различия в упругих свойствах частиц золы и гидратированного цемента. Пониженная прочность неактивированных зольных цементов в ранние сроки может быть объяснена наличием в цементном камне равномерно распределенных пор, покрывающих значительную долю поперечного сечения образца [2].
При активации золы как совместно с цементом, так и раздельно увеличивается дисперсность частиц (табл. 2), а следовательно, и удельная поверхность, измеренная методом воздухопроницаемости, или методом
Рис. 4. Возникновение поры вокруг частицы неактивированной золы. Цементно-зольный камень, твердение 14 сут в нормальных условиях. РЭМ, увеличение Х6000
низкотемпературной адсорбции азота. В этом случае мелкодисперсные частицы золы способствуют увеличению плотности цементного камня.
В результате раскалывания крупных частиц размером 50—100 мкм, деформации и «размыва» поверхностного остеклованного слоя, достигавшего у крупных частиц толщины 40 км, высвобождается много мелких шаровидных частиц размером 1—5 мкм, появляется большое количество дефектов структуры, что в значительной степени повышает пуццолановую реакцию золы (рис. 3).
В цементном камне с неактивированной золой с исчезновением околозольной оболочки поверхность частицы золы остается гладкой и возникает сферическая пора размером до 3 мкм (рис. 4).
Таким образом, цементный камень и бетон, полученный на основе совместно активированных золы и цемента, обладает повышенной прочностью за счет активного участия золы в формировании структуры цементного камня.
Ключевые слова: цемент, зола, гидратация, твердение, прочность, микроструктура цементного камня.
Список литературы
1. Кривобородов Ю.Р., Плотников В.В. Эффективность домола цемента в устройстве для диспергации смесей // Цемент. 1988. № 12. С. 16-17.
2. Кривобородов Ю.Р., Плотников В.В. Процессы гидратации минералов в присутствии золы // Труды НИИЦемента. М., 1988. Вып. 96. С. 47-48.
rj научно-технический и производственный журнал
М ® август 2012 6?
