CC BY
73
УДК 691.327
Н.Н. Бородкин (Тула, ТулГУ)
РАЗРАБОТКА ЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИЦИЙ НИЗКОЙ ВОДОПОТРЕБНОСТИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕРЖАВОК ТОКАРНЫХ РЕЗЦОВ
Разработаны составы композиционных материалов с цементной матрицей низкоо водопотребности, иротовленные с исполърванием отходов металлургически производств, а также конструкции державок резцов с использованием модифицированной цементноо матрицы на их основе
С появлением эффективных модификаторов для цементов стал доступны особо высокопрочные бетоньы Срок их службы1 проектируется на более чем 100 лет. Конструкционные свойства особо высокопрочных бетонов нормируются только по показателю прочности на сжатие. Евростандарт ЕК 206 предусматривает класс бетона по прочности В115, норвежские нормы1 - класс В 105, японские и английские - В 80. Российские нормы1 нормируют пока только бетон В 60 (СНиП 2.03.01). Американские нормы1 на высокопрочный бетон не содержат указаний по верхним границам прочности.
Основная задача технологии полууения цементных матриц для композиционных материалов заключается в достижении в самом начале структурообразования цементных систем высокой однородности приготавливаемой смеси с минимальной вязкостью или максимальной текучестью при минимально возможном содеежании дисперсионной среды1 - воды:, близкой к теообтически необходимому. Воды1 должно быть достаточно для превращения высококонцентрированного цеменного теста и бетонной смеси на ее основе в потный, прочный и долговечный камень. Данная задача частично решается с применением супер пластификаторов специального состава и строения. Эти химические добавки при их оптимальных дозировках в зависимости от химико-минералогического состава применяемого цемента способны: снизить расход воды: затвооения на 20 - 25 % при сохранени заданной консистенции цеменного теста и бетонной смеси и повысить прочность цементньы: композиций в 1,3 - 1,5 раа [1].
Вслед за получением цементных камней с прочностью на сжатие свыше 250 МПа были получены: так наБ^аемые В8Р-композиты: (уплотненные системы:, содержащие гомогенно-распределенные ультрамалые частицы). Материалы:, включающие специально подготовленные цемены:, микрокремнезем, специальные заполнители и микроволокна за счет специальных технологических приемов при В/Ц = 0,12 - 0,22 позволяют достичь прочности 270 МПа при высокой стойкости к коррозионным воздействиям и истираню [1].
Известково-кварцевые материалы с прочностью на сжатие до 250 МПа были получены путем формования под давлением 138 МПа перед ав-токлавированием. Аналогичная обработка цементного теста позволила снизить В/Ц до 0,06 и обеспечить прочность камня до 330 МПа в возрасте 28 суток нормаьного твердения, а использование алюминатных цементов и горячего прессования при давлении 345 МПа повысить ее до 650 МПа.
Очередным шагом стало получение так называемых МБЕ-цементов (цементов, свободных от макродефектов). При каландрировании цементов в присутствии суперпластификторов и гелеобразователей (например, по-ливинилацетата) при В/Ц = 0,10 - 0,18 можно получить композиты, имеющие чрезвычайно плотную микроструктуру без капиллярных пор. Они имели прочность 100 - 300 МПа, модуль Юнга 35 - 50 ГПа.
Аналогичные работы, проведенные в НИИЖБе и НИИЦементе при участии Института химической физики АН России, позволили получить аналогичные результаты пи использовании высокоглиноземистых цементов струйного помола, cyпeрплаcтификaтoра и частично ацетилированного поливинилового спирта (так называемый «пластцемент»)
Подобную структуру имеют цементные материалы с пониженным содержанием пор (PRC). При получении этих композитов цементные пасты подвергаются специальной обработке давлением выше 200 МПа, в результате чего нeaдcoрбилoвaннaя вода полностью отжимается, снижая реальное водоцементное отношение. Полученный вы соконаполненный композит с прочностью на сжатие выше 250 МПа и с прочностью на растяжение при изгибе свыше 35 МПа представляет собой негидратированные цементные частицы, равномерно распределенные в плотной матице гидратированного продукта [1].
Использование полноценных результатов на макроуровне привело к развотию концепции реактивных порошковых композитов (RPC ).
Реактивные порошковые композиты - специальные высокопрочные фибронаполненные растворы с высоким содержанием миккoкУeмнeзeмa и химически добавок, прежде всего, суперпастифтаторов. По литературным данным, прочность на сжатие таких систем может достигать 200 - 800 МПа, а прочность на растяжение при изгибе - 100 МПа. При этом для получения композитов с прочностью около 200 МПа достаточно простого выдерживания приготовленных растворов при температууе около 90 0С, а для синтеза особо высокопрочных материалов необходима специальная техника и темпееттура около 400 0С. Типичный состав композита RPC-200 приведен в табл. 1 [2].
Практикой доказано, что не всегда в полной меее удается реализовать резервы высокого пластифицирующего эффекта cyпeрплacтификaтo-ров. В первую очередь, это связано с частичной модификацией энергетически активной поверхности частиц цемента. По мере смешивания и взаи-
модействия с водой за стет физико-химического диспергирования флокул и агрегатов цемена равита поверхность этих частиц остаетст адсорбци-онно «незащищенной», что способствует их взаимодействию с дополнительной порцией дисперсионной среды1.
Таблица 1
Состав композита ЯРС-200
Компоненты: композита 3 Количество на 1 м , кг
Сульфатостойкий ПЦ 955
Микрокремнезем (уд. поверхность 18 м2/г) 229
Тонкий песок 1051
Осажденный микроккемнезем (35 м2 /г) 10
Суперпластификатор 13
Стальная фибра 191
Вода 153
Это приводит к переход значительной части поветхности цемента в гидраты1 вследствие вовлечения большого количества воды1 затворения в химическую реакцию, что является основной причиной иненсивной потери подвижности бетонных смесей во времен.
Следует отметить, что с целью повышения гидратационной активности цемента и эффективности его использования в бетоне необходимо:
- повысить дисперсность цемена;
- уменьшить толщин пленок цементного теста (с минимально допустимым водосодеежанием) между зернами заполнителей, что может быть достигнуто резким снижением его вязкости и повышением заполнения объема пор и фракционным заполнителем;
- довести до минимума объем крутых пор, являющихст концентраторами напряжений и приводящих к снижению прочностных характеристик и долговечности цементного камня и бетона.
Для достижения поставленной цели при тонком измельчении поли-минеральных и полидисперсных вяжущих возникает необходимость модифицирования их гидратациожо-аетивты: поверхностей таким обраом, чтобы1 первоначально создавалась диффузионна преграда для смачивания их водой. Это может привести к значительному снижению необходимого количества воды1 для получения низковязких цементно-водных систем, следствием чего будет максимальное сближение твердой фаы1, создание условий для их диффузионного взаимодействия, синтеза мелкоккисталли-ческих гидратных новообраований, резкое повышение адгезионной прочности продуктов гидратации, снижение до минимума объема ккупных пор и в целом получение цементного камня и бетона с высокой плотностью, прочностью и долговечностью.
Вяжущее низкой водопотребности (ВНВ) получают по специальной технологии совместным помолом инградиентов: клинкера или готового портландцемента и сухого модификтора, при необходимости активной минеральной добавки (шлака, пуццоланы1, золы-унос и т.п.) и наполнителя. Механохимическая обработка позволяет синергетически усилить полезные свойства компонентов комплексного вяжущего: прочность цемента возрастает на 2 - 3 марти, а пластифицирующий эффект органического компонента модификатора увеличивается примерно в два раза и более. На практике это приводит к снижению водосодеежания изоплгстичных смесей до 120 - 135 л/м3 и В/Вяж. до 0,25 - 0,30 для подвижных смесей и до
0,20 - 0,25 для жестких.
Заметным преимуществом применения мелкозернистых бетонов на ВНВ является снижение температууы изотеемического прогрева или полный отказ от тепловой обработки.
В Тульском государственном университете были проведені исследования по получению ВНВ и испытания физико-механических свойств данных композиций. Для получения композиций и исследования ж свойств использовали портландцемент М 500 Михайловского цементного завода. Активность вяжущего, определенная по ГОСТ 10180-78, соответствовала 51,2 МПа. Тонкость помола цемента соответствовала удельной поверхности 3300 см2 /г. В качестве заполнителя использовали окский кварцевый песок - наиболее распространенный мелкий заполнитель в Центральной зоне России. Удельная поверхность до 1500 см /г, модуль крупности Мк = 2,0. В зкспєлимєнттх принят молотый песок с удельной поверхностью более 1500 см2/г.
В кчестве активных минеральных добавок в экспериментах использовали: молотый основной доменный гранулированный шлак Новотульского металлургического завода. Насыпная плотность шлака 1140 -1150 кг/м3. Химический состав доменного шлака приеден в табл. 2. Тульские шлаки по химическому составу оттичаются от других основных шлаков повышенным содержанием кремнезема (до 40 % ).
Минее алогический состав представлен преимущественно пироксе-новыми (диопсидовыми) соединениями и содеежит примерно до 90 % кристаллитов. В бетонах и композициях на основе вяжущих низкой водопотребности может пименятьсс смесь крупных и мелких заполнителей или только мелкие заполнители. В бетонах и композициях на основе вяжущих низкой водопотребности могут применяться смесь крутых и мелких заполнителей или только мелкие заполнители. Гранулометрический состав диспеесных заполнителей должен обеспечивать образование структуры камня, которая имела бы большие показатели физико-механических свойств при минимальном расходе вяжущего.
Химический состав шлака
Таблица 2
Содержание оксидов Удельная поверхность, см2/ г Модуль основ- ности Мо
81 О2 АІ2°3 Са О Мп О М§° БеО Б
38,47 7,5 42,26 - 0,23 7,25 0,31 1,74 2800- 1,05 -
- - 43,36 - - - -1,92
39,38 9,05 0,26 7,9 0,35 3000 1,1
Технологический процесс изготовления ВНВ из цемента включает в себя следующие этапы1.
1. Совместный помол цемента с плаcтификатoрaми до удельной поверхности Буд = 4000 ... 5000 см /г; В экспериментах при помоле использовали суперпластификатор С-3.
2. Подготовка заполнителей и наполнителей смеси.
3. Приготовление формовочной смеси.
4. Формование изделий с последующим тветдением.
Если помол цемента до необходимой удельной поверхности осуществляется без добавления пластификатора, то данные добавки вводят в воду для затворения. Приготовление рacтвoрa пластификатора осуществляют растворением от дозированного количества воды1 и пластификатора.
Тщательно перемешанную смесь сухих компонентов (молотого цемента с добавками и кварцевого песка) затворяли водой в процессе перемешивания.
В табл.3. приведены: составы: и соответствующие физико-
механические свойства мелкозетнистых бетонов на основе ВНВ.
Испытания свойств проводились в соответствии с ГОСТ 10180-78.
Анализ результатов (табл. 3) покаывает следующее.
1. Прочность обрацов бетона на основе ВНВ зависит от состава бетонной смеси, тонкомолотых добавок и дисперсности кварцевого песка.
Особенностью ВНВ является многовариантность составов и соответственно свойств вяжущих, дающа возможность наиболее полно реализовать потенциал портландцементного клинкера в зависимости от конкретных требований, предъявляемых технологией производства и условиями эксплуатации изделий и конструкций. Важно при этом подчеркнуть, что бетоны: на ВНВ отличаются значительно меньшей энергоемкостью, а с экологической точки зрения новая технология позволяет почти вдвое сократить выбросы: промышленных газов в цементной промышленности и
вовлечь в производство огромное количество разнообразных техногенных отходов.
2. Максимальная прочность возрастает с увеличением содержания композиционного вяжущего, и наибольшей прочностью обладает цементный камень с модифицирующей добавкой. Однако в этом случае заметно возрастает усадка материла, что делает затруднительным получение изделий больших размеров и требует применения особых мееоприягий по компенсации усадки. Увеличение расхода цемента ведет к удорожанию материала. Для сокращения его расхода заменяют часть цемента активными минеральными наполнителями.
3. Из данных этой табл. 3 еле дет, что при условии сохранения, а в нeкотoчых случаях и повышения активности исходного портландцемента при применении технологии ВНВ создается реальная возможность замены значительной части клинкера в вяжущем на различные минеральные добавки.
Таблица 3
Физико-механические характеристики ВНВ
Вид вяжущего Содержание и вид добавок Нормль-ная густота цементного теста, % Сроки схватывания, час.- мин Предел прочности, МПа
начало конец 1 сут. 28 сут.
Портландцемент М500 - 26 1-35 3 - 50 16,0 51,3
ВНВ-100 - 17 0 - 55 2-00 41,8 111,4
ВНВ - 80 Песок-20 Шлак-20 17 18 1 -30 1 -40 3 - 50 2-40 41,4 43,0 105,3 106,0
ВНВ - 60 Песок-40 Шлак-40 18 18 1 -45 2-05 4- 10 4-30 37,8 39,1 84,1 85,7
С использованием цемента промышленного производства и рада минеральных добавок в зависимости от содержания клинкерной части в составе ВНВ получены вяжущие с ноомльной гототой 17 - 18 % и активностью 112,4 МПа. Если максимльно достижима активность чистоцеменного ВНВ превышает 111 МПа, то в случае замены 20 % цемента на эк-Биваенное количество рлличных минерльных добавок прочность стандартного раствора составила 105,0 - 106 МПа, что практически соизмеримо с активностью ВНВ-100. Кроме экономии клинкерной части, ВНВ-80 отли-
чается лучшими сроками схватывания теста нормальной густоты, что должно обеспечивать более высокие формовочные свойства бетонных смесей при производстве бетонных работ.
Средняя активность ВНВ-60, содержащего различные минеральные добавки, составляет 85,0 МПа, что значительно выше активности чисто клинкерного поотландцемента.
Одна из особенностей ВНВ заключаетст в его способности длительное время сохранять активность пи хранении. Это является следствием микрокапсулирования активных поверхностей клинкерных минералов цемента модификатором пи совместном помоле и создания адсорбционной прегуады, предотвращающей взаимодействие частиц цемена с влагой окружающей сседы.
Лабораторными, опытными испытаниями определены отличительные особенности бетонных смесей и бетонов на основе ВНВ. Установлено, что водопотребность таких смесей на 35 - 45 % ниже водопотребности бетонных смесей на портландцементе, что предопределяется значением ноо-маьной густоты теста из этого вяжущего. Испытания бетонных смесей на ВНВ различных видов с расходом вяжущего, изменяющимся в широких пределах (360 - 600 кг/м3), покааи, что при осадке конуса 20 - 22 см они практически не расслаиваются, а при расходе этого вяжущего ниже 300 кг/м3 не расслаивающася высокоподвижна бетонна смесь получается при относительно повышенном содетжании песка.
Анаиз результатов испытаний показывает, что уменьшение расхода ВНВ сЦ: П = 1 : 2доЦ: П = 1 : 3 практически не приводит к снижению прочности, повышению водопоглащения. Даьнейшее снижение расхода ВНВ до Ц: П = 1 : 4 снижает прочность.
Фоомовочные свойства умєрєнно подвижных бетонных смесей ха-рактеризуютст повышенной вязкостью в состоянии покоя и значительным тиксотропным ражижением пи механических воздействиях. Установлено также, что не требуютст какие-либо изменения в способе и оборудовании по транспортированию, укладке и уплотнению бетонных смесей на основе ВНВ [3].
Важное значение имеет кин етика набора прочности бетонов на основе ВНВ, заключающаст в достижении высоких покаателей в ранте периоды твєрдєния. Это предопределяет существенное ускорение сроков строительства при возведении монолитных сооружений и возможность изготовления железобетонных конструкций в заводски условия без использования термообработки.
Из рис. 1 видно, что с применением ВНВ-100 удается получить особо прочные тяжелые бетоны. На основе традиционных высокоактивных портландце ментов, даже с использованием высокоэффективных суперпластификаторов, ранее это не представлялось возможным. Однако при этом важна роль принадлежит природе, плотности, прочности и геометрической форме зерен используемого крупного заполнителя. Примене-
ние плотного и высокопрочного габбро с зернами кубической формы позволяет получить бетоны из подвижных смесей (ОК = 4 ... 6 см) прочностью более чем 150 МПа. Дальнейший рост прочности бетонов лимитируется прочностью заполнителл, а носителем прочности является высокопрочный цементный камень из ВНВ. Следовательно, для даьнейшего повышения прочности бетона необходимо применять заполнители, прочность которых соизмерима или выше прочности такого цементного камня.
На рис. 1 приведены графики изменения прочности при сжатии бетонов на основе ВНВ во времени с использованием раличных заполнителей при расходе вяжущего в среднем 400 кг/м3.
Как видно из приведенных данных , коэффициент призменной прочности бетонов находится в пределах 0,82 - 0,86, а у контрольных составов - 0,77 - 0,79. Это, по-видимому, может быть объяснено улучшением состояния контактной зоны на границе радела "цементный камень - заполнитель", а также состава и структуры новообраований в этой зоне.
Время,сут
Рис.1. Кинетика набора прочности при сжатии бетонов на основе ВНВ с использованием различных заполнителей:
1 - гранитного песка; 2 - известнякового песка;
3 - железосодержащих отходов
Автором раработана и запатентована конструкция ржущего инструмента (Патент .№217267 С1 7 В 23 В 27 /00 Опубл. 27.11.2003. Бюл. № 33) и изготовлена эксперименгаьна партия резцов на основе ВНВ. Резец со-
держит (рис. 2) комбинированную державку, режущую пластину, установленную на державке, посредством узла крепления. Державка резца состоит из верхнего и нижнего металических слоев и одной металической укосины и вставки из композиционного материаа на основе ВНВ.
Рис. 2. Конструкция державки резца на основе ВНВ и металла
Резец данной конструкции работает при точении следующим образом. При малых вылетах резца, например, равных высоте державки Н , с режущей пластиной и узом крепления пластины жесткость конструкции обеспечивает клин, состоящий из верхнего металлического слоя и пластины укосины, которая вместе с нижним слоем державки 5 опирается на край поверхности резцедбежателя.
Вставка из композита хорошо гасит колебания и обладает достаточной прочностью.
При работе с ддугими вылетами ( Ь = 2Н) прочность и жесткость конструкции обеспечивают металические укосины (две и более), ко^оь^ опираютсс на нижний слой державки в зависимости от вылета.
Библиографический список
1. Гаврилин И.В. Композиционные материаы в машиностроении / И.В. Гаврилин. - М., 1989. - 40 с.
2. Васильев В.В. Механика конструкций из композиционных мате-риаов: справочник / В.В. Васильев. - М.: Машиностроение, 1988. - 272 с.
3. Васин С.А. Прогнозирование виброустойчивости инструмента при точении и фрезеровании / С.А. Васи. - М.: Машиностроение, 2006. -384с.
4. Пат. 2280542 РФ, МПК В23 В 27/ 00 Резец / Васин С.А., Васин Л.А., Бородкин Н.Н.; завитель и патентообладатель ТулГУ. -№2005112363/02; заявл. 25.04.2005 ; опубл. 27.07.2006, Бюл. №21. - 5 с.: ил.
Получено 17.01.08.
