Прочность цементного камня с минеральными добавками на основе обожженной глины и карбонатных пород

Балыков Артемий Сергеевич; Низина Татьяна Анатольевна; Володин Владимир Владимирович; Коровкин Дмитрий Игоревич

АРХИТЕКТУРА И СТРОИТЕЛЬСТВО

УДК 691.31:691.261.1:620.173 DOI 10.24411/2686-7818-2020-10031

ПРОЧНОСТЬ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ С МИНЕРАЛЬНЫМИ ДОБАВКАМИ НА ОСНОВЕ ОБОЖЖЕННОЙ ГЛИНЫ ИКАРБОНАТНЫХПОРОД*

Приведены результаты исследования прочности при сжатии цементного камня в возрасте 1, 7 и 28 суток, модифицированного поликарбоксилатным суперпластификатором и минеральными добавками на основе местных сырьевых ресурсов Республики Мордовия обожженная полиминеральная глина, доломит и термоактивированная смесь глины и известняка. Зафиксирован высокий темп набора прочности цементных композитов при сжатии в возрасте 1 и 7 суток 41ч50 и 75ч86% от прочности в возрасте 28 суток соответственно. Выявлены оптимальные дозировки минеральных добавок обожженной глины и термоактивированной смеси глины и известняка, способствующие повышению прочностных показателей цементного камня относительно контрольного бездобавочного состава не более 19 и 12% от массы твердой фазы соответственно. Установлена относительная химическая инертность Ельниковского доломита в цементных системах.

Ключевые слова: цементный камень, минеральная добавка, обожженная глина, карбонатные породы, прочность при сжатии.

В настоящее время цементный бетон является основным конструкционным строительным материалом. От его качества, соответствия свойств функциональному назначению и условиям эксплуатации зависит надёжность и долговечность строительных изделий и конструкций. При этом известно, что одним из основных средств управления процессами структурообразования и физико-механическими характеристиками бетонов является применение различного рода модификаторов цементных систем химических и минеральных добавок, используемых как индивидуально, так и комплексно [1, 2].

Известно, что алюмосиликатные породы, составляющие более 70% земной коры, являются распространённым сырьем для получения эффективных модификаторов цементных систем. В частности, одной из наиболее пуццоланически активных минеральных добавок для бетонов является метакао-лин, представляющий собой продукт термической обработки мономинеральных каоли-нитовых глин в диапазоне 650^800 °С [3]. Однако территориальная и количественная ограниченность каолинитовых глин, высокая стоимость получаемого обогащённого сырья, растущие потребности в каолине бумажной и медицинской промышленностей обус-

* Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Республики Мордовия в рамках научного проекта № 18-43-130008. Работа представлена в качестве доклада на XI Академических чтениях РААСН - Международной научно-технической конференции «Долговечность, прочность и механика разрушения строительных материалов и конструкций», посвященной памяти первого Председателя Научного совета РААСН «Механика разрушения бетона, железобетона и других строительных материалов» Почетного члена РААСН, д.т.н., профессора Зайцева Юрия Владимировича (Саранск, ФГБОУ ВО "Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва", 2020 год).

** Балыков Артемий Сергеевич (artbalrun@yandex.ru) - кандидат технических наук, инженер; Низина Татьяна Анатольевна (nizinata@yandex.ru) доктор технических наук, профессор; Володин Владимир Владимирович (volodinvv1994@gmail.com) аспирант; Коровкин Дмитрий Игоревич (asfkorovkin@yandex.ru) - аспирант; все - Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва (Саранск, РФ).

лавливают низкую степень применения ме-такаолина в цементной отрасли. В связи с этим актуальным направлением является разработка пуццолановых добавок на основе широко распространенных полиминеральных глин [4].

Применение обожжённых глин в качестве минеральных добавок для цементных систем имеет достаточно давнюю историю. Уже в начале 1930-х годов в СССР и США проводились исследования пуццолановой активности глинитов и возможности их использования в строительной отрасли. В работах [5-11] на основе оценки реакционной способности термоактивированных глин определены оптимальные параметры их обжига в зависимости от химико-минералогического состава исходного сырья. Установлено, что повышенной активностью отличаются первоначальные продукты дегидратации и терморазрушения глинистых минералов с частично перестроенной (метастабильной) кристаллической решеткой. При этом переход в активную форму большинства глинистых минералов (каолинит, монтмориллонит, ил-лит, бентонит и др.) достигается в температурном диапазоне 400^800 °С.

Целью данной работы являлось исследование влияния минеральных добавок на основе обожженной полиминеральной глины и карбонатных пород Республики Мордовия на прочность при сжатии цементного камня в возрасте 1, 7 и 28 суток.

Основным компонентом вяжущего в рецептуре цементных систем являлся портландцемент 500-Д0-Н производства ПАО «Мор-довцемент» (Ц). В качестве модификаторов использовались поликарбоксилатный суперпластификатор МеШих 5581 Р (СП) и следующие виды минеральных добавок (МД):

1) термоактивированная глина Никитского месторождения Республики Мордовия (ТГН) (температура и длительность обжига -700°С и 2 часа;5 = 7800 см2/г (помол в тече-

уд. *

ние 1 часа));

2) доломит Ельниковского месторождения Республики Мордовия (ДЕ) (5уд= 4450 см2/г (помол - 3 часа));

3) термоактивированная смесь Никитской глины и известняка Атемарского месторождения Республики Мордовия (ТС(ГН+ИА)) (соотношение глины и известняка = 2:1; температура и длительность обжига - 700°С и 2 часа).

Исследование проводилось на цементных системах с дозировкой суперпластификатора Melflux 1% от массы вяжущего (портландцемент + минеральная добавка) и во-довяжущим отношением В/(Ц+МД)=0,21 при варьировании содержания применяемых минеральных модификаторов в составах в диапазоне 0ч20% от массы вяжущего (Ц+МД) с шагом 5% (см. таблицу).

Определение прочностных показателей цементного камня при сжатии проводилось на установке Wille Geotechnik® (модель 13-PD/401). Настройка основных параметров и фиксирование полученных экспериментальных результатов осуществлялись с применением программного обеспечения GEOSYS 8.7.8.

По результатам экспериментальных исследований (см. рисунок) выявлено, что исследуемые составы с минеральными добавками ТГН, ДЕ и ТС(ГН+ИА) отличаются высокими темпами набора прочности цементного камня при сжатии в возрасте 1 и 7 суток -41^50 и 75^86% от прочности в возрасте 28 суток соответственно.

Установлено, что при применении добавок термоактивированной полиминеральной Никитской глины и термоактивированной смеси Никитской глины и Атемарского известняка наиболее высокие значения предела прочности цементного камня при сжатии в возрасте 28 суток достигнуты в составах №2 и 9 (см. таблицу) при содержаниях указанных модификаторов соответственно равных 10 и 5% от массы вяжущего (Ц+МД) -117,2 и 114,9 МПа. При этом по результатам анализа рисунка выявлены оптимальные дозировки минеральных добавок ТГН и ТС(ГН+ИА), способствующие повышению прочностных показателей цементных систем -не более 19 и 12% от массы твердой фазы соответственно. При установленных уровнях

fl

ЭКСПЕРТ:

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

2020. № 4 (7)

EXPERT: THEORY AND PRACTICE

Исследуемые составы цементных систем

Номер состава Портландцемент Вид минеральной добавки

ТГН ДЕ ТС(ГН+ИА)

% массы твердой фазы (портландцемент + минеральные добавки)

1 95 5 - -

2 90 10 - -

3 85 15 - -

4 80 20 - -

5 95 - 5 -

6 90 - 10 -

7 85 - 15 -

8 80 - 20 -

9 95 - - 5

10 90 - - 10

11 85 - - 15

12 80 - - 20

Контрольный 100 - - -

Рис. Влияние вида и дозировки минеральных добавок на предел прочности при сжатии цементного камня в возрасте 1, 7 и 28 суток

дозировок минеральные добавки на основе ного уровня содержания минеральных доба-термоактивированной Никитской глины и вок приводит к падению прочностных пока-термоактивированной смеси Никитской гли- зателей цементного камня ниже значения, ханы и Атемарского известняка являются актив- рактерного для контрольного состава. ными и обладают повышенной физико-хими- По результатам исследования (см. рису-ческой эффективностью. Превышение указан- нок) установлено, что Ельниковский доломит

является инертной минеральной добавкой. Увеличение содержания в рецептуре цементных систем указанного наполнителя с 5 до 20% от массы твердой фазы (Ц+МД) приводит к последовательному снижению прочности при сжатии цементного камня в возрасте 28 суток со 103,1 до 92,8 МПа соответственно. При этом достигнутый уровень прочностной характеристики цементных композитов исследуемых составов на 7^16% ниже аналогичного показателя контрольного состава (110,6 МПа).

Библиографический список

1. Давидюк А.Н. Бетон в строительстве новые вызовы и перспективы // Вестник НИЦ. Строительство. - 2017. - №12. - С. 5-13.

2. Ушеров-Маршак А.В. Бетоны нового поколения бетоны с добавками // Бетон и железобетон. Оборудование. Материалы. Технологии. - 2011. - №1. - С. 7881.

3. Tironi A. Kaolinitic calcined clays: Factors affecting its performance as pozzolans / A. Tironi, M.A. Trezza, A.N. Scian, E.F. Irassar // Construction and Building Materials. 2012. Vol. 28. Issue 1. Pp. 276281. DOI: 10.1016/ j.con build mat.2011.08.064.

4. Rakhimov R.Z. Effect of the Addition of Thermally Activated Heavy Loam to Portland Cement on the Properties of Cement Stone / R.Z. Rakhimov, N.R. Rakhimova, A.R. Gayfullin, V.P. Morozov // Inorganic Materials: Applied Research. 2018. Vol. 9. No. 4. Pp. 679686. DOI: 10.1134/S2075113318040330

5. Fernandez R. The origin of the pozzolanic activity of calcined clay minerals: A comparison between kaolinite, illite and montmorrilonite / R. Fernandez, F. Martirena, K.L. Scrivener // Cement

and Concrete Research. 2011. Vol. 41.No. 1. Pр. 113122.

6. Schulze S.E. Optimization of cements with calcined clays as supplementary cementitious materials / S.E. Schulze, R. Pierkes, J. Rickert // Proc. XIV International Congress on the Chemistry of cement, 2015. 693 p.

7. Sabir B.B. Metakaolin and calcined clays as pozzolans for concrete: a review / B.B. Sabir, S. Wild, J. Bai // Cement and Concrete Composites. 2001. Vol. 23. No.6. Рp. 441454. DOI: 10.1016/S0958-9465(00)00092-5

8. Гайфулин А.Р. Влияние добавок глинитов в портландцемент на прочность при сжатии цементного камня / А.Р. Гайфулин, Р.З. Рахимов, Н.Р. Рахимова // Инженерно-строительный журнал. - 2015. - №7(59). - С. 66-73.

9. Низина Т.А. Влияние добавок в портландцемент обожжённой глины на прочность цементного камня / Т.А. Низина, В.В. Володин, А.С. Балыков, Д.И. Коровкин // Региональная архитектура и строительство. - 2019. - №3 (40). -С. 58-68.

10. Володин В.В. Опыт применения обожжённой глины в качестве минеральной добавки к цементным композитам / В.В. Володин, Т.А. Низина, А.С. Балыков, Д.И. Коровкин [и др.]. // Долговечность строительных материалов, изделий и конструкций: материалы Всеросс. науч.-техн. конф. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2018. - С. 36-42.

11. Balykov A.S. Optimization of formulations of cement composites modified by calcined clay raw material for energy efficient building constructions / A.S. Balykov, TA Nizina, V.V. Volodin, D.I. Korovkin // 14th International Congress for Applied Mineralogy (ICAM2019). Belgorod: Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov, 2019. Pp. 307310. DOI: 10.1007/978-3-030-22974-0_73

Поступила в редакцию 03.06.2020 г.

ЭКСПЕРТ:

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

2020. № 4 (7)

EXPERT: THEORY AND PRACTICE

STRENGTH OF CEMENT STONE WITH MINERAL ADDITIVES BASED ON CALCINED CLAY AND CARBONATE ROCKS

Study results of cement stone compressive strength aged 1, 7 and 28 days, modified withpolycarboxylate superplasticizer and mineral additives based on local raw materials of the Republic of Mordovia (calcined polymineral clay, dolomite and thermally activated mixture of clay and limestone) are presented. High rate of increasing cement composites compression strength at the age of 1 and 7 days (41-50 and 7586% of the strength at the age of 28 days, respectively) was recorded. Optimal dosages of mineral additives of calcined clay and thermally activated mixture of clay and limestone are identified, the sizes of which do not exceed 19 and 12 % by binder weight, respectively, which contribute to an increase in strength characteristics of cement stone relative to the control composition without additives. The relative chemical inertness of Elnikovsky dolomite in cement systems is revealed.

Keywords: cement stone, mineral additive, calcined clay, carbonate rocks, compressive strength.

* Balykov Artemy Sergeevich - Candidate of Technical Sciences, Engineer; Nizina Tatyana Anatolyevna -Doctor of Technical Sciences, Professor; Volodin Vladimir Vladimirovich - Postgraduate Student; Korovkin Dmitry Igorevich - Postgraduate Student; all - National Research Mordovia State University (Saransk, Russia).

Received for publication on 03.06.2020

Текст научной работы на тему «Прочность цементного камня с минеральными добавками на основе обожженной глины и карбонатных пород»