CC BY
7
Труды Кольского научного центра РАН. Химия и материаловедение. Вып. 5. 2021. Т. 11, № 2. С. 180-184. Transactions Ко1а Science Centre. Chemistry and Materials. Series 5. 2021. Vol. 11, No. 2. P. 180-184.
Научная статья УДК 691.54
D0l:10.37614/2307-5252.2021.2.5.037
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЯЖУЩЕГО ДЛЯ ПЕНОБЕТОНА С КОМПЛЕКСОМ МИНЕРАЛЬНЫХ МОДИФИКАТОРОВ
Дарья Дмитриевна НецветВиктория Викторовна Нелюбова2
12Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова, Белгород, Россия
1netsvet_ dd@mail. ru
2nelubova@list.ru
Аннотация
Рассмотрено влияние минеральных добавок на реологические характеристики вяжущего для пенобетона. Составы в исследовании разделены на две группы: на основе наноструктурированного вяжущего (НВ) и на основе цемента. Для составов первой группы в качестве модифицирующей добавки предложено использование портландцемента, для составов второй группы — НВ и ангидрита. Показано, что введение цемента в НВ повышает вязкость из-за увеличения концентрации крупноразмерных частиц, при этом совместное применение наноструктурированного вяжущего и ангидрита в качестве модификаторов цементной системы способствуют снижению вязкости теста и повышению его подвижности, что сокращает количество воды затворения. С технологической точки зрения это позволит получать материалы с рациональной поровой структурой за счет оптимизации процессов поризации. Ключевые слова:
реологические характеристики, вяжущие, ячеистые материалы, минеральные модификаторы Original article
RHEOLOGICAL CHARACTERISTICS OF THE BINDER FOR FOAM CONCRETE WITH A COMPLEX OF MINERAL MODIFIERS
Daria D. NetsvetViktoria V. Nelubova2
12Belgorod state technological university named after V. G. Shukhov, Belgorod, Russia
1netsvet_dd@mail.ru
2nelubova@list.ru
Abstract
The paper considers the effect of mineral additives on the rheological characteristics of a binder for foam concrete. The compositions in the study were divided into two groups: based on nanostructured binder (NB) and based on cement. For the compositions of the first group portland cement is proposed as a modifying additive, for the compositions of the second group NB and anhydrite were used as modifying additives. It has been shown that the introduction of cement into NB increases the viscosity due to an increase in the concentration of large-sized particles, while the combined use of nanostructured binder and anhydrite as modifiers of the cement system helps to reduce the viscosity of the cement mortar and increase its mobility, which reduces the amount of mixing water. From a technological point of view, this will make it possible to obtain materials with a rational pore structure by optimizing porosity processes. Keywords:
rheological characteristics, binders, cellular materials, mineral modifiers
Качество неавтоклавных ячеистых материалов зависит от многих факторов, в числе которых эффективность технологического оборудования и производственных процессов, состав материала, состав и свойства сырьевых компонентов.
Основными компонентами пенобетона являются вяжущее, пенообразователь, минеральные добавки и заполнители (опционно). Конечные характеристики материала зависят как от качества пенообразователя, кратности и стойкости полученной на его основе пены, которая обеспечивает создание пористой структуры пенобетона, так и от физико-механических характеристик матрицы, создаваемой на основе вяжущего, ее способности фиксировать исходную поровую структуру. Многочисленными работами, в том числе выполненными авторским коллективом, обоснована эффективность использования добавок различного состава для дополнительной стабилизации пеномассы и упрочнения матричной основы зачастую используются [1-6].
© Нецвет Д. Д., Нелюбова В. В., 2021
Одним из факторов, обеспечивающих качество готовых ячеистых изделий, является реология смеси: слишком подвижная смесь вызовет осадку смеси, нарушение ячеистой структуры; излишне жесткая смесь не обеспечит должной поризации системы и приведет к формированию более плотной матрицы. При этом реологическое поведение системы напрямую зависит от особенностей используемого связующего.
Традиционно в качестве вяжущего применяют портландцемент различных марок, однако современные требования по экологичности и технологичности ставят задачи поиска альтернативных видов вяжущих.
В БГТУ им. В. Г. Шухова разработано наноструктурированное вяжущее (НВ), которое зарекомендовало себя как в качестве основного вяжущего компонента, так и минерального модификатора (ММ) [7-10]. Кроме того, рядом работ обосновано, что ангидрит может эффективно заменять гипс при производстве цемента [11-13].
С учетом изложенного целью настоящей работы является исследование влияния дозировок НВ и ангидрита в составе смеси для матрицы пенобетона на ее реологические свойства.
Съемка составов проводилась с помощью ротационного вискозиметра Rheotest RN1.4, в основе работы которого лежит цилиндрическая измерительная система. Опыт проводился с использованием регулируемого напряжения сдвига (CS).
Для исследования были выбраны следующие составы:
1) портландцемент марки ЦЕМ I 42,5 Н;
2) НВ силикатного состава;
3) НВ с 30 % портландцемента;
4) НВ с 50 % портландцемента;
5) портландцемент с 20 % НВ;
6) портландцемент с 20% НВ и 5 % ангидрита.
Измерения для всех составов проводились при одинаковом В/Т = 0,4, что обусловлено технологическими параметрами производства ячеистых бетонов.
Согласно полученным данным, все составы имеют тиксотропный тип течения: при увеличении градиента скорости сдвига эффективная вязкость плавно снижается. Контрольным составом целесообразно считать состав 1 — на основе портландцемента без добавок, как наиболее часто применяемую в технологии строительных материалов систему. Среди исследуемых в работе составов именно цемент обладает наибольшей способностью к формированию первичной пространственной коагуляционной структуры. Распределение твердой фазы в объеме жидкой дисперсионной среды и первичная гидратация цемента с формированием гелевидных фаз обусловливают высокие значения начальной вязкости (рис., а, состав 1).
Наименьшую вязкость имеет НВ (состав 2). Это объясняется технологией получения вяжущего: в результате длительного постадийного измельчения твердой фазы в присутствии стабилизаторов формируется суспензия с высокой концентрацией твердой фазы при минимально допустимой влажности. В полученной системе частицы твердой высокодисперсной фазы равномерно распределены по объему дисперсионной среды и разделены тонкими прослойками жидкости, что обеспечивает высокую подвижность системы.
О 5 10 15 20 25 30 35 0 5 10 15 20 25 30 35
Градиент скорости сдвига, с"1 Градиент скорости сдвига, с*1
а б
Реограммы смесей на основе НВ (а) и портландцемента (б) в зависимости от состава
Увеличение доли цемента в системе (рис., а, составы 3 и 4) приводит к росту начальной вязкости: в системе увеличивается содержание крупнодисперсных частиц, наблюдается уплотнение системы и уменьшение сольватной оболочки на поверхности твердой фазы, что вызывает снижение подвижности и увеличение вязкости. Наибольшей вязкостью обладает состав с 50 % цемента, что можно объяснить наибольшей плотностью смеси и нехваткой в системе технологический «смазки» — воды.
При введении в систему НВ (рис., б, составы 5 и 6) происходит ее «разбавление» менее реакционно активным веществом, что и объясняет изменения реологического поведения теста, однако вязкость изменяется не аддитивно. При этом дисперсная фаза (измельченные частицы песка) является, по сути, инертным по отношению к воде компонентом.
Введение дополнительно 5 % ангидрита (рис., б, состав 6), который также не является гидратным вяжущим и инертен по отношению к воде, снижает вязкость в 3 раза по сравнению с чистым цементом (состав 1) и в 2 раза по сравнению с модифицированным вяжущим (состав 5). Несмотря на постоянное В/Т для всех смесей, в данном случае снижение вязкости объясняется сокращением доли компонента, способного образовывать прочные пространственные коагуляционные структуры за счет химического взаимодействия с водой, т. е. «разбавлением» активной твердой фазы (цемента) инертными компонентами (НВ, ангидрит).
Стоит отметить, что снижение начальной вязкости в цементной системе с использованием НВ и ангидрита является положительным фактором в случае получения ячеистых композитов, поскольку поризация такой более подвижной смеси будет осуществляться при меньших трудозатратах.
В ходе исследований было рассмотрено влияние компонентного состава вяжущей системы на ее реологические характеристики. Независимо от состава, все системы имеют тиксотропный тип течения. Наименьшей вязкостью обладает НВ — как наиболее разбавленная дисперсионной средой система, наибольшей — смесь цемента и НВ в соотношении 1:1 (состав 4), ввиду наибольшего насыщения системы твердой фазой. Введение ангидрита приводит к снижению вязкости по сравнению с чистым цементом и составом с 20 % модификатора (состав 5), что является положительным фактором, поскольку поризация такой более подвижной смеси будет осуществляться при меньших трудозатратах. Таким образом, состав с 20 % НВ и 5 % ангидрита можно рассматривать в дальнейших исследованиях в кчестве наиболее перспективного с точки зрения реологии для получения пенобетонных смесей и пенобетонов неавтоклавного твердения.
Список источников
1. Попов А. Л., Нелюбова В. В., Безродных А. А. К вопросу о модификации ячеистых бетонов автоклавного твердения минеральными волокнами // Инновационные материалы и технологии в дизайне: тез. докл. IV Всерос. науч.-практ. конф. с участием молодых ученых. 2018. С. 25-26.
2. Нецвет Д. Д., Нелюбова В. В., Строкова В. В. Композиционное вяжущее с минеральными добавками для неавтоклавных пенобетонов // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В. Г. Шухова. 2019. № 4. С. 122-131.
3. Свойства композиционного вяжущего на основе наноструктурированной суспензии / В. В. Строкова [и др.] // Строительные материалы. 2017. № 1-2. С. 50-54.
4. Нелюбова В. В., Строкова В. В., Безродных А. А. Влияние модификатора из аморфизованного сырья на процессы поризации газобетонной смеси // Труды Кольского научного центра РАН. 2019. Т. 10, № 1-3. С. 230-237.
5. Нецвет Д. Д., Сивальнева М. Н., Винакова А. Ю. Структурные особенности пенобетона с комплексом минеральных модификаторов // XI Международный молодежный форум «Образование. Наука. Производство»: материалы форума. Белгород, 2019. С. 552-556.
6. Нецвет Д. Д. Исследование влияния минеральных стабилизирующих добавок на свойства пены // Сборник материалов Международной научно-технической конференции молодых ученых БГТУ им. В. Г. Шухова, посвященной 165-летию В. Г. Шухова. Белгород, 2018. С. 1057-1061.
7. Череватова М. С., Мирошников Е. В., Павленко Н. В. Бесцементное наноструктурированное вяжущее негидратационного типа // Технологии бетонов. 2012. № 5-6 (70-71). С. 21-22
8. Пеногазобетон с наноструктурированным модификатором / А. В. Сумин [и др.] // Строительные материалы. 2016. № 1-2. С. 70-75.
9. Строкова В. В., Сивальнева М. Н. Фибропенобетон на основе бесцементного нано-структурированного вяжущего // Фундаментальные, поисковые и прикладные исследования РААСН по научному обеспечению развития архитектуры, градостроительства и строительной отрасли Российской
Федерации в 2016 году: сб. Серия: Научные труды РААСН / Российская академия архитектуры и строительных наук. М., 2017. С. 390-398.
10. Павленко Н. В., Череватова А. В., Строкова В. В. Особенности получения рациональной поровой структуры пенобетона на основе наноструктурированного вяжущего // Строительные материалы. 2009. № 10. С. 33-36.
11. Tzouvalas G., Dermatas N., Tsimas S. Alternative calcium sulfate-bearing materials as cement retarders. Part I. Anhydrite // Cement and Concrete Research. 2004. Iss. 34. P. 2113-2118.
12. Analysis of anhydrite gypsum effects on quality of cement / O. Onat [et al.] // Intern. Res. J. Engineering and Technology (IRJET). 2016. Vol. 3, Iss. 8. Р. 824-829.
13. Дополнительные требования к гипсоангидригу как к регулятору сроков схватывания цемента / А. М. Дмитриев [и др.] // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2008. № 7. С. 20-23.
References
1. Popov A. L., Nelyubova V. V., Bezrodnyh A. A. K voprosu o modifikacii yacheistyh betonov avtoklavnogo tverdeniya mineral'nymi voloknami [On the issue of modification of cellular concretes of autoclave hardening with mineral fibe]. Tezisy dokladov IV Vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii s uchastiem molodyh uchenyh "Innovacionnye materialy i tekhnologii v dizajne" [Abstracts of the IV All-Russian scientific and practical conference with the participation of young scientists "Innovative materials and technologies in design"], 2018, рр. 25-26. (In Russ.).
2. Necvet D. D., Nelyubova V. V., Strokova V. V. Kompozicionnoe vyazhushchee s mineral'nymi dobavkami dlya neavtoklavnyh penobetonov [Composite binder with mineral additives for non-autoclaved foam concrete]. Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo universiteta im. V. G. Shuhova [Bulletin of Belgorod State Technological University named after V. G. Shukhov], 2019, No. 4, рр. 122131. (In Russ.).
3. Strokova V. V., Necvet D. D., Nelyubova V. V., Serenkov I. V. Svojstva kompozicionnogo vyazhushchego na osnove nanostrukturirovannoj suspenzii. [Properties of a composite binder based on a nanostructured suspension]. Stroitel'nye materialy [Building materials], 2017, No. 1-2, рр. 50-54. (In Russ.).
4. Nelyubova V. V., Strokova V. V., Bezrodnyh A. A. Vliyanie modifikatora iz amorfizovannogo syr'ya na processy porizacii gazobetonnoj smesi [The effect of the modifier from amorphized raw materials on the processes of porization of the aerated concrete mixture]. Trudy Kol'skogo nauchnogo centra RAN [Proceedings of the Kola Scientific Center of the Russian Academy of Sciences], 2019, Vol. 10, No. 1-3, рр. 230-237. (In Russ.).
5. Necvet D. D., Sival'neva M. N., Vinakova A. Yu. Strukturnye osobennosti penobetona s kompleksom mineral'nyh modifikatorov. [Structural features of foam concrete with a complex of mineral modifiers]. MaterialyXI Mezhdunarodnogo molodezhnogoforuma "Obrazovanie. Nauka. Proizvodstvo" [Proceedings of the XI International Youth Forum "Education. The science. Production"]. Belgorod, 2019, рр. 552-556. (In Russ.).
6. Necvet D. D. Issledovanie vliyaniya mineral'nyh stabiliziruyushchih dobavok na svojstva peny. [Investigation of the effect of mineral stabilizing additives on the properties of foam]. Sbornik materialov Mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii molodyh uchenyh BGTU im. V. G. Shuhova, posvyashchennoj 165-letiyu V. G. Shuhova [Collection of materials of the International Scientific and Technical Conference of Young scientists of V. G. Shukhov BSTU, dedicated to the 165th anniversary of V. G. Shukhov]. Belgorod, 2018, рр. 1057-1061. (In Russ.).
7. Cherevatova M. S., Miroshnikov E. V., Pavlenko N. V. Bescementnoe nanostrukturirovannoe vyazhushchee negidratacionnogo tipa [Cement-free nanostructured binder of non-hydration type]. Tekhnologii betonov [Concrete technologies], 2012, No. 5-6 (70-71), рр. 21-22. (In Russ.).
8. Sumin A. V., Strokova V. V., Nelyubova V. V., Eremenko S. A. Penogazobeton s nanostrukturirovannym modifikatorom [Foam concrete with a nanostructured modifier]. Stroitel'nye materialy [Building materials], 2016, No. 1-2, рр. 70-75. (In Russ.).
9. Strokova V. V., Sival'neva M. N. Fibropenobeton na osnove bescementnogo nano-strukturirovannogo vyazhushchego [Fibropenobetone based on a cementless nanostructured binder]. Fundamental'nye, poiskovye i prikladnye issledovaniya RAASN po nauchnomu obespecheniyu razvitiya arhitektury, gradostroitel'stva i stroitel'noj otrasli RossijskojFederacii v 2016godu. Sborniknauchnyh trudovRAASN. Seriya «Nauchnye trudy RAASN» Rossijskaya akademiya arhitektury i stroitel'nyh nauk [Fundamental, exploratory and applied research of the RAASN on scientific support for the development of architecture,
urban planning and the construction industry of the Russian Federation in 2016. Collection of scientific papers of the RAASN. The series "Scientific works of the RAASN"]. Moskva, 2017, рр. 390-398. (In Russ.).
10. Pavlenko N. V., Cherevatova A. V., Strokova V. V. Osobennosti polucheniya racional'noj porovoj struktury penobetona na osnove nanostrukturirovannogo vyazhushchego [Features of obtaining a rational pore structure of foam concrete based on nanostructured binder]. Stroitel'nye materialy [Building materials], 2009, No. 10, рр. 33-36. (In Russ.).
11. Tzouvalas G., Dermatas N., Tsimas S. Alternative calcium sulfate-bearing materials as cement retarders. Part I. Anhydrite. Cement and Concrete Research, 2004, Iss. 34, pp. 2113-2118.
12. Onat L. O., Valiyev Kh. R., Agapov R. V., Kangarli L. M. Analysis of anhydrite gypsum effects on quality of cement // International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET). 2016. Vol. 3, Iss. 8, pp. 824-829.
13. Dmitriev A. M., Kovalyova I. E., Shutova, A. V. Ryazin V. P., Panina N. S., Stekanov D. I., Kurochkin V. Yu. Dopolnitel'nye trebovaniya k gipsoangidrigu kak k regulyatoru srokov skhvatyvaniya cementa. [Additional requirements for gypsum anhydrite as a regulator of cement setting time]. Stroitel'nye materialy, oborudovanie, tekhnologii XXI veka [Construction materials, equipment, technologies of the XXI century], 2008, No. 7, рр. 20-23. (In Russ.).
Сведения об авторах
Д. Д. Нецвет — кандидат технических наук;
В. В. Нелюбова — кандидат технических наук.
Information about the authors
Daria D. Netsvet — PhD (Engineering);
Viktoria V. Nelubova — PhD (Engineering).
Статья поступила в редакцию 21.03.2021; одобрена после рецензирования 01.04.2021; принята к публикации 05.04.2021.
The article was submitted 21.03.2021; approved after reviewing 01.04.2021; accepted for publication 05.04.2021.
