CC BY
23УДК 666.972.162
DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2018-765-11-56-59
А.А. ГУВАЛОВ1, д-р техн. наук (abbas.guvalov@ akkord.az);
Т.В. КУЗНЕЦОВА2, д-р техн. наук (tkouzn@mail.ru); С.И. АББАСОВА1, канд. техн. наук
1 Азербайджанский архитектурно-строительный университет (AZ 1073, Республика Азербайджан, г. Баку, ул. Айны Султановой, 5)
2 Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева (125047, г. Москва, Миусская пл., 9)
Повышение эффективности цементных вяжущих с использованием кремнеземсодержащего модификатора
Исследовано влияние смеси микродисперсного силикатного компонента на активность цемента. Микродисперсный силикатный компонент является отходом алюминиевого производства и состоит из высокоактивного силикатного геля и тонкодисперсного кварца. Предложен способ его введения в сырьевую смесь вяжущего. Оптимизация количества, особенности введения силикатного компонента в цементную систему и условия твердения вяжущего позволяют регулировать его активность, способствуют интенсификации процессов гидратации клинкерных минералов, а также связыванию портландита в дополнительное количество гидросиликатов кальция C—S—H, что в свою очередь приводит к упрочнению структуры цементного камня. Использование силикатного компонента в комплексе с суперпластификаторами позволяет увеличить прочность бетона на 40-50%.
Ключевые слова: минеральные добавки, вяжущее, эффективность, портландцемент, силикатный компонент, гидратация, бетон.
Для цитирования: Гувалов А.А., Кузнецова Т.В., Аббасова С.И. Повышение эффективности цементных вяжущих с использованием кремнеземсодержащего модификатора // Строительные материалы. 2018. № 11. С. 56-59. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2018-765-11-56-59
A.A. GUVALOV1, Doctor of Sciences (Engineering) (abbas.guvalov@ akkord.az);
T.V. KUZNETSOVA2, Doctor of Sciences (Engineering) (tkouzn@mail.ru); S.I. ABBASOVA1, Candidate of Sciences (Engineering)
1 Azerbaijan University of Architecture and Construction (AZ 1073, 5, Ayna Sultanova Street, Baku, Azerbaijan Republic)
2 D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia (9, Miusskaya Square, Moscow, 125047, Russian Federation)
Improving the Efficiency of Cement Binders with the Use of Silica-Containing Modifier
The influence of a mixture of micro-disperse silicate component on the activity of cement is investigated. The micro-disperse silicate component is a waste of aluminum production and consists of a highly active silicate gel and finely dispersed quartz. A method for its introduction into the raw mixture of the binder is proposed. Optimization of the amount, the features of the introduction of the silicate component in the cement system and the conditions of hardening of the binder make it possible to regulate its activity, contribute to the intensification of hydration of clinker minerals, as well as bind the Portlandite in an additional amount of calcium hydro-silicates C-S-H, which in turn leads to the hardening of the structure of cement stone. In the complex, the use of the silicate component with superplasticizers makes it to increase the strength of concrete by 40-50%.
Keywords: mineral additives, binder, efficiency, Portland cement, silicate component, hydration, concrete.
For citation: Guvalov A.A., T Kuznetsova.V., Abbasova S.I. Improving the efficiency of cement binders with the use of silica-containing modifier. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2018. No. 11, pp. 56-59. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2018-765-11-56-59 (In Russian).
Развитие строительного материаловедения требует создания высокоэффективных полифункциональных вяжущих композиций. Одним из наиболее эффективных способов повышения качества вяжущего является применение природных и техногенных минеральных добавок различного происхождения [1—4]. В последнее время имеются многочисленные исследования по использованию тонкодисперсных материалов для модификации структуры цементных композиций [5—7]. При этом изменяются процессы гидратации и твердения цемента, улучшается структура цементного камня и повышаются механические свойства бетона. В связи с этим существует необходимость проводить исследования по управлению структурообразованием цементных систем с применением материалов полифункционального действия. В настоящее время широко применяется эффективная цементная композиция, полученная с применением минеральных добавок на нанодисперсном уровне [1, 5]. В этом направлении проведены многочисленные исследования по разработке и применению природных и искусственных кремнеземсодержащих материалов для производства вяжущих смесей [7].
Целью настоящей работы является исследование влияния силикатного компонента, состоящего из микро- и нанодисперсных частиц, на фазовый состав новообразований и микроструктуры цементного камня, а также на прочностные характеристики бетонов с применением органоминеральных модификаторов.
В исследовании как минеральный компонент применялись отходы алюминиевого производства в виде смеси, состоящей из высокоактивного силикатного геля и тонкодисперсного кварца (смесь микро- и нанокомпонента).
Применяемый минеральный компонент получен путем обработки каолиновой глины серной кислотой (концентрация 40%) при температуре 90оС в течение 1 ч. Затем каолиновая глина термически обрабатывается при 700оС в течение 3 ч. Данную суспензию фильтруют и после отделения алюминия получают смесь в виде отхода, состоящего из силикатного геля и тонкодисперсного кварца при соотношении 1:1,2.
Основные характеристики силикатного отхода представлены в табл. 1.
Для изучения влияния силикатного отхода на активность цементных вяжущих в исследованиях был ис-
Таблица 1
Основные характеристики микро- и нанодисперсного силикатного отхода
Показатель Единица измерения Свойства
Плотность кг/м3 1800-2000
Дисперсность(остаток % 0,5
на сите № 0,063)
рН среда рН 8
Влажность % 18
56
ноябрь 2018
ы ®
Рис. 1. Рентгенограмма цементного камня при твердении в течение 28 сут: а - контрольный; б - с добавкой силикатного компонента
Таблица 2
Физико-химические характеристики цемента
Показатели ЦЕМ I 42,5 Н
Минералогический состав, %
- CзS 65
- С^ 19
- С3А 6
- C4AF 10
- CaSO4.2Н20 4
Физические характеристики: - удельная поверхность, м2/кг - нормальная густота, % - сроки схватывания, ч-мин начало конец - активность, МПа 320 28 2-20 3-05 51
Влияние силикатного компонента на свойства цемента
Таблица 3 Таблица 4
Влияние силикатного компонента на прочность цемента после изотермической выдержки
Состав вяжущего, % Прочность при сжатии, МПа
Цемент Силикатный компонент 7 сут 28 сут
100 0 20 52
90 10 21 56
85 15 22 58
80 20 26 60
75 25 19 48
Состав вяжущего, % Прочность, МПа
Цемент Силикатный компонент При изгибе При сжатии
100 0 2 39
90 10 1,9 42
85 15 2,3 43
80 20 2,5 46
75 25 1,9 36
пользован цемент ЦЕМ I 42,5 Н (НоЫт). Химический состав и физические характеристики цемента приведены в табл. 2.
С целью получения однородной сырьевой смеси предварительно силикатный отход смешивали с общим количеством воды для затворения вяжущего и в виде суспензии вводили в цементно-песчаное вяжущее. Данный способ позволяет избежать агрегации тонкодисперсных частиц и способствует равномерному распределению силикатного отхода по всему объему смеси.
Для определения активности вяжущего, модифицированного силикатным отходом, были изготовлены образцы размером 40x40x160 мм. Испытания проводили на образцах вяжущего, состоящего из портландцемента и кварцевого песка в соотношении 1:3 по массе при во-дотвердом отношении 0,5. Силикатный отход вводился в количестве 10—25% от массы цемента. В качестве контрольных образцов были приняты составы без содержания силикатного компонента. Образцы твердели в пропарочной камере по режиму 3+6+3 ч с изотермической выдержкой при температуре 85оС и в ванне с гидравлическим затвором при относительной влажности воздуха более 90%.
Разработана органоминеральная добавка на основе силикатного компонента и суперпластификатора для высокопрочного бетона. Полученную органоминеральную добавку вводили в количестве 10—25% от массы портландцемента для приготовления бетонной смеси соста-
вом (кг): цемент — 450; песок (модуль крупности 2) — 400; отсев (модуль крупности 3,2) — 550; щебень (фр. 5—20) — 900; вода — в количестве, необходимом для получения 1 м3 бетонной смеси с подвижностью П5.
Введение силикатного компонента сопровождается повышением прочности цементного камня как в нормальных условиях, так и при пропаривании (табл. 3, 4). Следует отметить, что увеличение концентрации силикатного компонента до 20 мас. % при одновременном сокращении цемента в составах вяжущего приводит к увеличению прочности смеси. Дальнейшее увеличение силикатного компонента приводит к уменьшению прочности образцов по сравнению с показателями прочности контрольных образцов. При введении силикатного компонента прочность вяжущего в нормальных условиях твердения через 28 сут увеличивается на 15% по сравнению с контрольным (табл. 3).
Через 12 ч после пропаривания повышение прочности образцов с добавкой составляет 18% по сравнению с контрольными образцами. Это объясняется тем, что силикатный гель, входящий в состав отхода алюминиевого производства, ускоряет процесс гидратации цементных минералов, а также направленно регулирует процесс структурообразования при твердении цемента (табл. 4). Кроме того, микродисперсный кварц уплотняет микроструктуру твердеющего цемента как структурообразующий компонент, что согласуется с мнениями авторов [5—9].
ы ®
ноябрь 2018
57
ОвдИ
Рис. 2. Микроструктура образцов через 28 сут твердения: а - цементный камень; б - цементный камень с 10% силикатным компонентом
Таблица 5
Влияние органоминерального модификатора на свойства бетона
Состав бетонных смесей, кг/м3 Осадка конуса, см Прочность при сжатии, МПа
Цемент Песок Отсев Щебень Вода Модификатор 1 сут 28 сут
450 400 550 900 180 0 16 25,5 59,1
405 400 550 900 135 45 23 40,62 85,69
360 440 550 900 125 90 23 42,58 88,67
315 400 550 900 120 112 23 38,33 87,53
Повышение прочности при введении силикатного компонента связано с изменениями в фазовом составе новообразований. Для изучения особенностей фазо-образования при введении силикатного компонента в цементный композит были проведены рентгенофазо-вые исследования (РФА) образцов. Результаты рентге-нофазового анализа образцов цементного камня (возраст 28 сут) свидетельствуют о достаточно высокой степени гидратации портландцемента, на что указывает сравнительно низкая интенсивность дифракционных отражений минерала алита. Несмотря на относительно большой срок твердения образцов и высокую пуццола-новую активность минеральной добавки, в структуре цементного камня присутствует значительное количество минерала портландит. При этом интенсивность наиболее характерных дифракционных отражений минерала ^=0,491; 0,311; 0,263; 0,193 и 0,179 нм) в структуре цементного камня с добавкой значительно снижается в сравнении с контрольным составом. Более высоко дисперсные частицы силикатного компонента интенсивно вступают в процессы химического взаимодействия (рис. 1) с выделяющимся при гидратации портландцемента Са(ОН)2 и связываются в гидросиликатные новообразования ^=0,304; 0,280; 0,182 нм).
Изучение сколов цементного камня в возрасте 28 сут в электронном сканирующем микроскопе и определение элементного химического состава наиболее характерных новообразований с помощью рентгеновского микроанализатора показали, что структура бездобавочного цементного камня неоднородна, имеет блочный характер и представлена слабозакристаллизованными прослойками высокоосновных гидросиликатов кальция с отношением СаО^Ю2=2—2,3, включающими скопления кристаллов портландита (рис. 2, а). Неоднородная структура затвердевшей системы является причиной более низкой прочности контрольного состава. При введении силикатного компонента формируется плотная однородная структура преимущественно из гидросиликатов кальция пониженной основности СаО^Ю2=1,2—1,3. Мелкокристаллический портлан-дит обнаруживается только в замкнутых порах, что говорит о его кристаллизации уже после формирования основной структуры цементного камня (рис. 2, б).
По результатом электронно-микроскопического анализа можно судить, что силикатный гель, вступая в реакцию с Са(ОН)2, образует игольчатый гидросиликат, который играет армирующую роль и за счет этого повышается прочность модифицированного цементного камня.
58
ноябрь 2018
Для увеличения эффективности модификаторов в регулировании свойств бетонных смесей применяются органоминеральные добавки [9—11]. Aвторами разработана комплексная органоминеральная добавка, состоящая из высокоактивного силикатного компонента, силикатного геля при соотношении силикатный гель:тонкодисперсный кварц, равном 1:1,2, а в качестве органической добавки — натриевая соль антраценовых сульфокислот [10]. Комплексная органоминеральная добавка содержит следующее соотношение компонентов, мас. %: силикатный гель — 40—45; тонкодисперсный кварц — 48—54; натриевая соль антраценовых сульфокислот — остальное.
Комплексную органоминеральную добавку для бетона получают путем совместного смешивания высокоактивного силикатного компонента, выбранного из отходов в соотношении силикатный гель:тонкодисперс-ный кварц — 1:1,2, и органической добавки в виде натриевой соли антраценовых сульфокислот в смесителе принудительного действия с последующим измельчением в шаровой мельнице в течение 1 ч.
Список литературы
1. Низина T.A., Балбалин АВ. Влияние минеральных добавок на реологические и прочностные характеристики цементных композитов // Вестник ТГАСУ.
2012. № 2. С. 148-153.
2. Кузнецова Т.В., Гувалов A.A., Aббасова С.И. Модификатор на основе цеолитсодержащей породы для получения цементных композиций II Техника и технология силикатов. 2016. Т. 3. № 1. С. 22-24.
3. Collepardi M., Olagot J.J., Ogoumah R. Troli Combination of silica fume. fly ash and amorphous nano-silica in superplasticized high-performance concretes. The VII AIMAT Congress, 2004. Italy, pp. 100-108.
4. Hou P., Kawashima S., Wang K. Effects of colloidal nanosilica on rheological and mechanical properties of fly ash-cement mortar II Cement and Concrete Composites.
2013. Vol. 35, pp. 12-22.
5. Коротких Д.Н., Aртамонова Е.М., Чернышов Е.М. О требованиях к наномодифицирующим добавкам для высокопрочных цементных бетонов II Нанотехно-логии в строительстве: Научный интернет-журнал. 2009. № 2. С. 42-49. http:IIwww.nanobuild.ru/ru_RUI journalINanobuild_2_2009_RUS.pdf (дата обращения 28.09. 2018).
6. Гувалов A.A., Кузнецова Т.В., Aббасова С.И. Улучшение структуры высокопрочного бетона с применением модификаторов // Строительные материалы. 2015. № 1. C. 78-80.
7. Quercia G., Brouwers H.J.H. Application of nano-silica (nS) in concrete mixtures. 8-th fib PhD Symposium in Kgs. Lyngby, Denmark. June 20-23, 2010.
8. Баженов Ю.М., Чернышев Ю.М., Коротких Д.Н. Конструирование структур современных бетонов: определяющие принципы и технологические платформы II Строительные материалы. 2014. №. 3. С. 6-14.
9. Кузнецова Е.Ф. Эффективные литые бетоны с использованием отходов камнеобработки. Дисс ... канд. техн. наук. Кострома, 2014. 149 с.
10. Гувалов A.A., Кузнецова Т.В., Aббасова С.И. Эффективность модификаторов в регулировании свойств бетонных смесей II Строительные материалы. 2017. № 7. С. 49-51.
11. Гувалов A.A., Aббасова С.И., Кузнецова Т.В. Улучшение структуры высокопрочного бетона с применением модификаторов II Строительные материалы. 2015. № 12. С. 78-80.
Органоминеральный модификатор применяется в количестве 10—25% от массы бетона. Это позволяет увеличить прочность бетона при сжатии на 40—50% (табл. 5). Кроме того, при оптимальном введении модификатора в бетонную смесь отмечается снижение ее водопотребно-сти и повышение морозостойкости бетона. Заключение.
Таким образом, повышение эффективности цементных вяжущих можно достичь за счет управления процессами структурообразования при применении смеси микро- и наноструктурированного силикатного компонента.
Оптимизация количества, особенности введения силикатного компонента в цементную систему позволяют регулировать его активность, способствуют интенсификации процессов гидратации клинкерных минералов, связыванию Са(ОН)2 в дополнительное количество гидросиликатов кальция C—S—H, упрочняя микроструктуру цементного камня. В комплексе использование силикатного компонента с суперпластификаторами позволяет увеличить прочность бетона на 40—50%.
References
1. Nizina T.A., Balbalin A.V. Influence of mineral additives on the rheological and strength characteristics of cement composites. Vestnik TGSU. 2012. No. 2, pp. 148-159. (In Russian).
2. Kuznetsova T.V., Guvalov A.A., Abbasova S.I. Modifier based on zeolite-bearing rock for obtaining cement compositions. Tehnika i tehnologiya silikatov. 2016. Vol. 3. No. 1, pp. 22-24. (In Russian).
3. Collepardi M., Olagot J.J., Ogoumah R. Troli Combination of silica fume. fly ash and amorphous nano-silica in superplasticized high-performance concretes. The VII AIMAT Congress. 2004. Italy, pp. 100-108.
4. Hou P., Kawashima S., Wang K. Effects of colloidal nanosilica on rheological and mechanical properties of fly ash-cement mortar. Cement and Concrete Composites.
2013. Vol. 35, pp. 12-22.
5. Korotkikh D.N, Artamonova E.M., Chernyshov E.M. On the requirements for nanomodifying additives for high-strength cement concretes. Nanotehnologii v stroitelstve: scientific Internet-journal. 2009. No. 2, pp. 42-49. http:// www.nanobuild.ru/ru_RU/journal/Nanobuild_2_2009_ RUS.pdf (date of access 28.09. 2018). (In Russian).
6. Guvalov AA, Kuznetsova TV, Abbasova S.I. Improvement of the structure of high-strength concrete with the use of modifiers. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2015. No. 1, pp. 78-80. (In Russian).
7. Quercia G., Brouwers H.J.H. Application of nano-silica (nS) in concrete mixtures. 8-th fib PhD Symposium in Kgs. Lyngby, Denmark. June 20-23, 2010.
8. Bazhenov Yu.M., Chernyshev Yu. M., Korotkikh D.N. Construction of the structures of modern concrete: defining principles and technological platforms. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2014. No. 3, pp. 6-14. (In Russian).
9. Kuznetsova E.F. Effective cast concrete using wastes-tone-processing. Kand. Diss. (Engineering). Kostroma.
2014. 149 p. (In Russian).
10. Guvalov A.A., Kuznetsova T.V., Abbasova S.I. Efficiency of modifiers in regulating the properties of concrete mixtures. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 7, pp. 49-51. (In Russian).
11. Guvalov A.A., Abbasova S.I., Kuznetsova T.V. Improving the structure of high-strength concrete with the use of modifiers. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials].
2015. No. 12, pp. 78-80. (In Russian).
®
ноябрь 2018
59
