CC BY
18Хархардин А.Н., д-р техн. наук., проф., Вишневская Я.Ю., аспирант, Алфимова Н.И., канд. техн. наук, ст. преп. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ БЕТОНОВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ МОДИФИЦИРОВАННОГО ПОРТЛАНДЦЕМЕНТНОГО
ВЯЖУЩЕГО
alfimovan@mail.ru
В данной статье рассмотрена возможность повышения эффективности производства мелкозернистых бетонов за счет использования композиционных вяжущих модифицированных комплексной кремнеземсодержащей добавкой. Подобраны оптимальные дозировки, обеспечивающие максимальные физико-механические характеристики композита. Предложена технология производства мелкозернистого бетона с учетом использования разработанных композиционных вяжущих.
Ключевые слова: мелкозернистый бетон, микронаполнители, силикатная добавка, поликонденсация, портландит
В настоящее время одним из перспективных направлений в современном строительстве является применение мелкозернистых бетонов, общими предпосылками к развитию которого являются сравнительная простота технологии изготовления изделий, относительно низкая энергоемкость производства, практически неисчерпаемые запасы исходных материалов для вяжущих и заполнителей, возможность использования в качестве сырья отходов промышленности.
Повышение эффективности мелкозернистых бетонов, отличающихся повышенным расходом вяжущего, связано с применением эффективных композиционных вяжущих, микронаполнителей, эффективных химических добавок, а так же с активацией сырьевых компонентов [1].
С появлением суперпластификаторов (СП) и высокодисперсных кремнеземсодержащих
материалов, в технологии бетона произошел перелом. Комплексное воздействие этих добавок на цементную систему выражается в том, что на ранней стадии структурообразования, в пластичном состоянии, система обретает повышенную вязкость и связность и характеризуется ярко выраженной тиксотропностью, а на поздней стадии цементный камень характеризуется особым качественным составом и особой геометрией структуры. Первое проявляется в повышенном содержании мелкозернистых кристаллогидратов типа С8Н(1), прочность которых в идеале может достигать 1000 МПа, а реакционная способность значительно ниже, чем у первичных гидратов. Второе - в повышенном содержании гелевых
пор и, соответственно, в сокращенном объеме капиллярных [2].
Известно, что образуемый при гидратации цемента портландит (Са(ОН)2), снижает прочность и коррозионную стойкость цементных композитов. С целью его связывания в данной работе предлагается
трехкомпонентные силикатные добавки, взаимодействующие с ним в цементном геле на микро- и нанодисперсном уровне. Носителем нанодисперсного уровня является
метакремниевая кислота, ее димеры, триммеры и их соли, образующиеся в разбавленном жидком стекле и при разложении кремнефтористого натрия в щелочных средах. Микродисперсной добавкой является тонкомолотый твердофазный силикат натрия. Раздельное введение указанных добавок в цементное вяжущее не приводит к заметному результату - повышение прочности цементного камня. Ионы свежеобразованной поверхности при измельчении твердофазных добавок, по-видимому, являются центрами кристаллизации гидросиликатов кальция и взаимодействия с ними.
На первом этапе были проведены исследования по изучению влияния удельной поверхности вводимой силикатной добавки на формирование структуры цементного камня. Кинетика помола свидетельствует о том, что удельная поверхность изменяется
пропорционально продолжительности помола от 400 до 740 м2/кг (рисунок 1). После 30 мин начинается процесс агрегации частиц и удельная поверхность увеличивается не значительно.
(-С
и
л н о о к
X
л «
о
к «
св
к л
ч
<Ц
800 700 600 500 400 300 200 100
0 10 20 30 40
Время помола, мин
Рисунок 1 - Кинетика помола силикатной добавки
50
Деполимеризация кремнезема 8Ю2 в жидком стекле наступает при достижении рН=10,5-11, а при подкислении раствора жидкого стекла до рН<10,5 образуется кремневая кислота, которая затем полимеризуется до кремнезема с образованием геля.
Растворы жидкого стекла обладают ограниченной устойчивостью: со временем они постепенно разлагаются с выделением кремневой кислоты, которая сначала
поликонденсируется до образования димеров, триммеров и коллоидных частиц (золь), а затем до образования пространственной непрерывной структуры (гель). Равновесие между полимерными и мономерными формами анионов зависит от концентрации и рН раствора объясняется влиянием растворителя (воды), вызывающего деструкцию (гидролиз) полимера. Таким образом, разбавление жидкого стекла способствует образованию низкомолекулярных форм.
Микр ((частика твердс1фазного силиката
среда цементного геля
0 ™ Ш
0~ Связывание частиц ионами Са
I
Рисунок 2 - Предполагаемый механизм взаимодействия
Анализ литературных данных показал, что положительное влияние на
структурообразование цементного камня оказывает дозировка жидкого стекла до 5%. С целью уточнения оптимального содержания добавки были проведены исследования по определению прочности цементного камня,
жидкое стекло вводилось в интервале 1-5%. Образцы твердели в нормальных условиях в течение 28 суток. Из полученного графика (рисунок 3) следует, что оптимальным количеством жидкого стекла является концентрация 3 %, дальнейшее увеличение добавки снижает прочность композита.
0
55
, 50
<ц К
I 45
о ев
X 40
л
н
о
о
К 35 ^
о а С
53,20
46,50
30
0 1 2 3 4 5
Содержание добавки, % Рисунок 3 - Зависимость прочности цемнетного камня от дозировки жидкого стекла
Количество твердофазной добавки, (Ка^Рб - Его количество принимаем в
подбирается так же опытным путем, но для количестве 30 % от массы добавки. лучшего ее влияния необходимо введение Для исследований были подготовлены
отвердителя - кремнефтористого натрия составы с различным процентным содержанием
добавок.
□ СГл 10 мин помол □ СГл 30 мин помол
78,2
80 70 60 50 40 30 20 10 0
43 43
63,5 63,5
58,6
44,8
46,7
71,4
51,3
68,1
49,7
10
Количество добавки, %
Рисунок 4 - Изменение прочности композита в зависимости от количества добавки
Были так же проведены исследования влияния ТВО на прочность цементного камня, модифицированного комплексной
кремнеземсодержащей добавкой (рисунок 5).
Из полученных результатов можно сделать вывод, что при тепловлажностной обработке происходит активизация силоксановых связей (81-0), что способствует набору прочности.
□ СГл 10 мин помол □ СГл 30 мин помол
3 5
Количество добавки, %
10
Рисунок 5 - Изменение прочности композита, прошедшего тепловую обработку в зависимости от
количества добавки
Для подбора оптимальной дозировки суперпластификаторов были проведены следующие опыты. В качестве объектов исследования были выбраны
суперпластификатор С-3 и МеШих 1641 Б. Из полученных данных видно, что
суперпластификатор С-3 на
меламинформальдегидной основе разжижает
смесь не значительно (рисунок 6), даже при концентрации 2 % не удовлетворяет требованию по растекаемости смеси 170 мм. Суперпластификатор на поликарбоксилатной основе МеШих 1641 Б значительно разжижает смесь и при концентрации 0,3 % удовлетворяет требованию по разжижению 170 мм (рис. 7).
0,5 1 1,5
Концентрация добавки С-3, %
2,5
Рисунок 6 - Зависимость растекаемости цементного теста от содержания суперпластификатора С-3
0
2
Концентрация добавки МеШих 1641Р, %
Рисунок 7 - Зависимость растекаемости цементного теста от содержания суперпластификатора МеШих
1641 Б
С целью изучения влияния
кремнеземсодержащей добавки на процессы гидратации цемента проведен рентгенофазовый и термический анализы образцов цементных
композитов в чистом виде и с добавкой, при которой обеспечивается максимальная прочность в возрасте 28 суток твердения в нормальных условиях.
7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 Нач .угол = 4; Кон.угол = 56; Шаг = 0,05; Экспоз. = 0,38; Скорость = 8 ; Макс .число имп. = 359;
Рисунок 8 - Рентгенограмма цементного камня
456
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 Нач.угол = 4; Кон.угол = 56; Шаг = 0,05; Экспоз. = 0,38; Скорость = 8 ; Макс.число имп. = 406:
Рисунок 9 - Рентгенограмма цементного камня, содержащего кремнеземистую добавку
о
<м
Рисунок 10 - Термический анализ цементного камня: а - с кремнеземистыми добавками,
б - без добавок
Установлено, что этот комплекс добавок значительно снижает интенсивность отражения портландита, что объясняется связыванием ионов Са2 при взаимодействии с силикатным ионом, имеющие свободные связи, это же подтверждается результатами термического анализа из которых видно, что при введение
комплексной кремнеземсодержащей добавки, количество портландита в цементном камне, в сравнении с бездобавочным значительно снижается, о чем свидетельствует уменьшение площади эндотермического пика на деривотограмме цементного камня
модифицированного добавкой в интервале
а
б
температур 450-500 °С.
На основе подобранных составов была разработана технология вибропрессованых мелких стеновых блоков, с учетом использования вяжущего модифицированного комплексной кремнеземсодержащей добавкой, которая состоит из следующих переделов:
• помол силикатной твердофазной добавки;
• предварительное смешивание воды, жидкого стекла и суперпластификатора;
• приготовление бетонной смеси;
• формование изделий;
• тепловлажностная обработка.
Таким образом, использование силикатных добавок позволяет увеличить прочность мелкозернистых бетонов, сократить количество вяжущего, как самого дорогостоящего и энергоемкого материала, а введение экспериментально подобранного
суперпластификатора МеШих 1641 Б позволит значительно увеличивать прочность
мелкозернистого бетона в результате снижения водопотребности бетонной смеси.
Экономическая эффективность разработанных составов мелкозернистых бетонов основана на предпочтительном использовании комплексных кремнеземистых добавок.
При этом получаем не только экономический эффект, но и экологический -снижение количества клинкерной составляющей позволит сократить производство цемента и уменьшить колоссальное загрязнение атмосферы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Иващенко С. И. Исследование влияния минеральных и органических добавок на свойства цементов и бетонов / С. И. Иващенко // Известия вузов. Строительство. - 1993. - № 9. - С. 16-19.
2. Красный И. М. О механизме повышения прочности бетона при введении микронаполнителей / И. М. Красный // Бетон и железобетон. - 1987. - № 5. - С . 10-11.
