CC BY
10
УДК 666.9-4
Жаворонков Д. С., Корчунов И. В., Потапова Е. Н.
ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦЕМЕНТОВ С ПЛАСТИФИКАТОРАМИ И МИНЕРАЛЬНЫМИ ДОБАВКАМИ
Жаворонков Дмитрий Сергеевич, бакалавр кафедры химической технологии композиционных и вяжущих
материалов; dm-javoron@mail.ru.
Корчунов Иван Васильевич, ассистент кафедры;
Потапова Екатерина Николаевна, д.т.н., профессор;
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, ул. Героев Панфиловцев, дом 20.
В статье представлены результаты исследования составов цемента с добавлением различных доменных минеральных шлаков в присутствии водоредуцирующей добавки - гиперпластификатора. Установлены оптимальные по свойствами составы, а также разработан состав с наилучшими характеристиками для дальнейшего изучения. Доказано, что с увеличением содержания минеральной добавки сверх оптимального значения происходит снижение, как водопотребности, так и плотности и прочности цементного камня.
Ключевые слова: цементный камень, прочность, шлак, гиперпластификатор
CEMENTS MORTARS STRENGTH IN THE PRESENSE OF PLASTICIZERS AND MINERAL ADDITIVES
Zhavoronkov D. S., Korchunov I. V., Potapova E.N.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
The cement compositions with the various blast furnace mineral slags in the presence of a water-reducing hyperplasticizer additive were studied. The compositions with the optimal properties were determined, and the composition with the best characteristics was developed for further study. It is proved that the mineral additives content increasing beyond the optimal value, leads to a decrease in both water demand, the density and strength of cement stone.
Key words: cement stone, cements strength, slag, superplasticizer additive
Введение
В настоящее время получение механически прочных и долговечных материалов является довольно перспективным направлением химико-технологических исследований в России. Получение конструкций из бетонов на основе вяжущих с высоким содержанием минеральных добавок может сократить общее количество цемента (за счет увеличения прочности материалов), необходимого для строительства, что в свою очередь, как снизит стоимость строительства, так и повысит доступность жилья, производственных или инфраструктурных объектов [1]. Помимо снижения количества цемента в общей смеси, шлаки, за счет своей меньшей стоимости ощутимо снизят затраты на производство стройматериалов, а также повысят прибыль и рентабельность отечественных металлургических предприятий, производящих гранулированные шлаки, что положительно скажется на экономике страны. Также шлаковые добавки в цементе повышают немаловажную для железобетонных конструкций характеристику - коррозийную стойкость. Конечно, замещение вяжущего компонента минеральными добавками должно происходить без ухудшения эксплуатационных
характеристик проектируемых составов.
Механические характеристики цементного камня зависят от природы сырья и необходимого количества воды на стадии затворения в условиях нормального протекания процесса гидратации [2]. Для увеличения прочности и плотности в исходную цементную смесь были добавлены различные модификаторы. Для уменьшения количества воды на практике активно используют функциональные водоредуцирующие добавки - пластификаторы.
Экспериментальная часть
В данной работе проводился сравнительный анализ прочностных характеристик составов цемента ЦЕМ I 42,5Н ГОСТ 31108-2016 производства Филиал ООО «ХайдельбергЦемент Рус» в п. Новогуровский с добавлением минеральных добавок различных месторождений. В качестве минеральной добавки использовали доменные гранулированные шлаки «Тулачермет» (г.Тула), «НЛМК» (г.Липецк) и «РУСАЛ Ачинск» (г.Ачинск). Цемент со шлаками подверглись совместному помолу для увеличения эффективной поверхности и перемешивания смеси.
Ранее авторами [3] было изучено влияние шлаков на физико-механические свойства цементного камня. Исходя из того, что добавление шлаков напрямую
ведет к увеличению водопотребности, в данном исследовании к смеси также была добавлена водоредуцирующая добавка-гиперпластификатор BASF Glenium Ace 430 (далее СП) в количестве 0,7 % по массе цементной смеси для сокращения количества воды затворения. Вид и дозировку добавки подобрали на основе данных полученных в
[4].
Как известно, с уменьшением необходимого количества воды прочность цементного материала
№ я Я кД
н «
Е а.
о
я
29
28
27
26
25
24
23
22
•Тулачермет РУСАЛ Ачинск
■НЛМК ■Без шлака
повышается. На первом этапе исследования -определялись свойства цементного теста, модифицированного изучаемыми добавками. В качестве контрольного образца взят состав без шлака и без пластификатора.
Полученные данные исследования свойств цементного теста с химическими и минеральными модификаторами приведены на Рис. 1.
■Тулачермет РУСАЛ Ачинск
■НЛМК ■Без шлака
130
Я
я
Е 120
е?
i.
я
о 110
X
вГ 5 100
■
я
а
90
н
55
»
и 80
U
в
¡2
о 70
а.
и
60
10 20 50
Содержание шлака, % а)
10 20 50
Содержание шлака, %
б)
Рис. 1 Влияние содержание доменного гранулированного шлака на свойства цементного теста: а) - нормальную густоту, % и б) - сроки схватывания (конец), мин
Установлено, что при введении в состав добавки пластификатора, нормальная густота снижается вне зависимости от содержания шлаков (все зависимости модифицированных составов располагаются в области под прямой бездобавочного цемента). Причем максимальное снижение водопотребности наблюдается для состава шлака НЛМК (от 28 % до 23 % по массе цемента).
Полученные результаты показывают (Рис. 1), что с увеличением содержания шлаков падают так же и показатели сроков схватывания, что можно объяснить, как уменьшением количества воды на стадии затворения (показатель нормальной густоты), так и разницей в скорости реакции цемента и шлака с водой. В дальнейшем данный эффект имел воздействие на прочностные показатели цементного камня.
Увеличение сроков схватывания состава, содержащего 5 % и 10 % шлака «Тулачермет» с 120 минут до 125 минут, соответственно, может быть связано с тем, что фактор замедления гидратации цементных частиц данным шлаком существеннее остальных, однако при увеличении содержания вышеуказанного шлака с 20 % до 50 % время схватывания заметно снижается. Для шлаков остальных производителей изменение сроков схватывания не столь значительны - 20 минут для шлака НЛМК и 10 минут для Ачинского шлака. В
целом при увеличении содержания различных шлаковых добавок нормальная густота, как и сроки схватывания уменьшается. Наиболее выраженная данная тенденция наблюдается у составов с шлаками «НЛМК». Уменьшение сроков схватывания при условии нормального протекания процесса гидратации является неоспоримым преимуществом данных составов перед бездобавочным образцом. Толщина прослойки минеральной добавки между гидратными фазами цементного камня при содержании шлака более 20% очень значительны, что отражается, в свою очередь, на твердении и последующем наборе образцами прочности.
На следующем этапе исследовались прочностные характеристики цементного камня. На основе полученных показателей водопотребности (или нормальной густоты) цементного теста испытуемых составов цемента с минеральными добавками были заформованы образцы, которые набирали свою прочность в условиях повышенной влажности W=95% и температуре 20 оС. Испытания проводились на 1, 7, 14 и 28 сутки твердения, однако в данной статье приведены показатели прочности только на 28 сутки твердения.
Полученные данные представлены на Рис. 1. Для сравнения, на графики вынесен бездобавочный состав, которому соответствует черная линия на Рис.1.
Рис. 2 Влияние содержание доменного гранулированного шлака на физико-механические показатели цементного камня: а) прочность при сжатии, МПа; б) Истинная плотность цементного камня, г/см3
Полученные результаты показывают (Рис. 2), что при содержании шлака до 5 % прочность и плотность увеличивается, соответствующие показатели прочности составов выше, чем у состава цемента без шлака. С увеличением содержания шлака до 10 % все составы показывают тенденцию ухудшения прочностных характеристик. При увеличении содержания шлака с 10 % до 20 % по массе цемента в случае «Тулачермет» и «РУСАЛ Ачинск» прочность растет. Это может быть связано с взаимодействием данных шлаков с гидратными фазами цементного камня, приводящему к образованию гидрогранатов в цементной матрице, за счет чего плотность цементного камня и, как следствие, его прочность увеличиваются. В интервале от 20 % до 50 % содержания шлаков прочность составов сильно снижается.
Наибольшая прочность достигается в составвах с концентрацией не более 10 %. При достижении концентрации шлаков в 50% прочность цементного камня сильно падает. Для выбора наиболее подходящих по прочностным характеристикам составов были отсеяны все составы прочность которых была ниже прочности контрольного образца. Составов с большей прочностью оказалось 6: 5-процентные составы всех трех шлаков, 10-процентный состав шлака «НЛМК», 20-процентные составы шлаков «НЛМК» и «РУСАЛ Ачинск».
Наилучшие показатели прочности у 5-процентного состава шлака «НЛМК», что можно объяснить более быстрыми сроками
схватывания и меньшими значениями нормальной густоты, соответственно большей плотностью
цементного камня. Помимо наилучших показателей прочности, 5-процетный состав шлака «НЛМК» имеет, как уже было отмечено выше, меньшие по сравнению с бездобавочным составом сроки схватывания, что означает ускоренную реакцию гидратации и твердения. Данный показатель может быть
существенен при проведении ускоренного строительства в короткий период оптимальных для строительства температур. Выводы
Были определены оптимальные по свойствам составы цементного камня. Установлено влияние изучаемых добавок на водопотребность и сроки схватывания цементного теста Установлены оптимальные по свойствами составы, а также разработан состав с наилучшими характеристиками для дальнейшего изучения. Доказано, что с увеличением содержания минеральной добавки сверх оптимального значения происходит снижение, как водопотребности, так и плотности и прочности цементного камня. Это может быть связано со значительным уменьшением прослойки продуктов гидратации цементного камня, обеспечивающих набор прочности образцов. Наилучший по прочностным характеристикам обладал состав - цемент с добавлением 5 % шлака «НЛМК» и 0,7 % гиперпластификатора Glenium ACE 430.
Список литературы
1. Plank, J. Concrete admixtures - Where are we now and what can we expect in the future?//19.International Baustofftagung. 16-18.Septembr 2015. Weimar, Tagungsbericht, 1, 2015, P.1-27/1-42.
2. Штарк Й., Вихт Б. Долговечность бетона / Пер. с нем. - А.Тулаганова. Под ред. П. Кривенко. - Киев: Оранта; 2004. - 301 с.
3. Жаворонков Д.С. Кузнецов А.В., Корчунов И.В.// Материалы международной научно-технической конференции молодых ученых. Инновационные материалы и технологии, 2021. С. 214-217
4. Корчунов И.В., Торшин А.О.,Курдюмова С.Е. и соавт.//Сухие строительные смеси. 2017. №.2. С. 42-46.
