CC BY
134
уди: 666.97
СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ПРИНЦИПА СРОДСТВА СТРУКТУР
И. Л. Чулкова
Аннотация. В работе изучались процессы структурообразования и оптимизация структуры и свойств цементного камня и композита в целом в процессе гидратации и твердения с использованием техногенного сырья; создавались строительные композиты с заданными свойствами путем целенаправленного формирования структуры; исследовались промышленные отходы Сибири и Дальнего Востока в качестве возможного сырья для производства композиционных вяжущих и бетонов.
Ключевые слова: структурообразование, строительные композиты, принцип сродства структур, химические добавки, техногенное сырье.
Введение
Для реализации п оложений «Стратегии развития п ромышленности строительных
материалов на п ериод до 2020 года» необходимы высококачественные строительные ком п озиты. Получить эффективные материалы и долговечные изделия возможно, вскрыв значительные резервы в управлении эксплуатационными свойствами бетонов и других материалов на основе цемента путем целена п равленного формирования структуры и свойств цементного камня в п роцессе его твердения, в том числе путем введения минеральных и химических добавок. Эффективное и экономное исп ользование ком п онентов, составляющих минеральные ком позиты, базирующееся на научно обоснованных рекомендациях по их применению для получения изделий с требуемыми свойствами путем регулирования структурообразования от нано - до макроуровня, является актуальной научной проблемой.
Развитие теории целенаправленного структурообразования ком п озитов [1] на основе минеральных вяжущих с использованием природного и техногенного сырья [2] требует проведения обширных исследований на реальных и модельных объектах. Необходимость выявления закономерностей, позволяющих уп равлять п роцессами
структурообразования и о птимизировать состав и свойства ком п озитов, является актуальным.
Строительные комп озиты - это материалы п редставляющие собой многофазные системы, состоящие из двух или более мономатериалов с различными свойствами. Вследствие рационального сочетания нескольких исходных комп онентов образуются новые материалы с заданными свойствами, не присущими исходным ком п онентам, но
сохранившие, в то же время, индивидуальные особенности каждого из них.
Для п олучения высококачественных минеральных бетонов и растворов с широким сп ектром функциональных возможностей следует использовать ком плексные многоком п онентные добавки и ком п озиционные вяжущие, в том числе на основе местного техногенного сырья. Эта задача особенно актуальна для регионов Сибири и Дальнего Востока [3], развитие которых является стратегической задачей России. Так, исп ользование местного техногенного сырья для п роизводства теплоизоляционных
материалов в регионах Сибири и Севера является приоритетным и должно привести к экономии п ривозного клинкерного цемента и улучшению теплофизических и п рочностных характеристик ком п озитов. Создание новых строительных материалов на основе отходов различных п роизводств и соответствующих модификаторов может п ривести не только к ресурсосберегающему, но и к значительному экономическому эффекту.
Целью работы является повышение эффективности п роизводства строительных материалов путем управления процессами структурообразования, формирования
оптимальной структуры и применения техногенного сырья.
Основная часть. В работе изучались п роцессы структурообразования и о птимизация структуры и свойств цементного камня и композита в целом в процессе гидратации и твердения (рис.1.) с ис п ользованием техногенного сырья; создавались строительные ком позиты с заданными свойствами путем целенап равленного формирования структуры (рис.2.); исследовались п ромышленные отходы Сибири и Дальнего Востока в качестве возможного сырья для п роизводства ком п озиционных вяжущих и бетонов.
КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ СТРУКТУР00ЕРА30ВДНИЯ
Критерии оценки на ранних стадиях твердения
кинетика степень гмдрато образов агрегатное характер развитие и кинетика
гидратации гидратации ание состояние кристаллизации состояние структурообразов аж я,
гидратов гидратов гмдратных пленок сроки схватывания и
на послед¥ющи:х стадиях, на протяжении всего жизненного цикла цементного
качестве иным критерий (параметр)
количествекный критерий (параметр)
распределение пор по размерам (капиллярно-пористая структура)
структура пор зависит от гидратов
количественно го содеркани я агрегатного состояния дисперсности морфологии
корреляция параметров структуры пор
прочность --------♦-----
ПЛОТНОСТЬ
*
эксплуатационные
свойства
ІИГТЕ
усадка —і-
Морозо стой КОСТІ
Ї:
Долго
вечность
Ї
выбор и подготовка сырьевые материалов
Рис. 1. Критерии оценки структурообразования
Формирование капиллярно-пористой структуры
Г-1 акроур о ее нЬ
М ик роу р о ве НЬ
Нан оур о в ен ь
'
структуро о бр азо в ан не оптимизация структуры
: _г і_ :
посредстеом гоздеистЕин на сырьевые материалы
+ Iі
помола в яжущее: цемент 1 1 1 вяжущее: цемент, ИЗБ есть В Яш,ее цемент
І І
Г I фракциони-ров ания V J - легкого заполнителя ^Керамзита. аглопорита. стекла]) 1 1' » 1 мелкого наполнителя мелкого и крупного наполнителя и заполнителя
I к »
I*- ^ сов местног о. помола - в яжущего с кислыми 3 Ш □ 1 1' вяжущего с наполнителем карбонатным, цемянкой в яжущего с 3 Ш О Скислыми и ОСНОВ НЫРЛИ , о СП, с гиперпластификаторам
I с 1
Г л МОДИ фици-рования добавками V. - П ОрИ 5 ующие 1 к і » 1 ускорители схватывания и твердения. СП СП. тперпласти-фикаторы
I
г л техногенное сырье - заполнители. 3 ш о. п о р и з ую ш, и е доба в ки г 1 1 1 мелкий наполнитель-, химдоба в ки 3 Ш и. хиМдобав ки
;
■■ 'ч строительные композиты £ V - легкие бетоны (керамзитобетон ы. ячеистые, пеностеклобетон 1 с реставрационные композиции тяжелые бетоны
Рис. 2. Принци п ы п овышения эффективности строительных материалов
Принци п сродства структур заключается в минимизации физико-химических и
структурных различий между регулируемой матрицей и неизменяемой структурой заполнителя или реставрируемого элемента старого сооружения с тем, чтобы поровая структура п олученного комп озита стала в идеале единой и однородной. Это позволит воде мигрировать п о капиллярам всего ком п озита, сп особствуя равномерному
уплотнению и уп рочнению его
новообразованиями.
С учетом действующих классификаций (Таблица 1) предложена концепция формирования структуры строительных комп озитов на основе принципа сродства структур, п о которой все структуры строительных материалов можно разделить на 3 уровня п о размерам п ор (Таблица 2): наноструктура; микроструктура;
макроструктура.
Таблица 1 - Классификация п ор цементного камня п о размерам
11111 1
Радиусы пор ю-3 1 з-4 1С У5 1 3-е . . КР . 11 3-8 1 1 ]-9 ю* 10 10*1
(м) І і і і р- —— | | — I : і і і І
5 3 2 5 3 2 5 3 2 5 3 2 5 3 2 5 3 2 5 3 2 5 3 2
1 1 1 1 1 1
По Г.И.Горчакову Воздушные поры Капиллярные Гелевые поры
По А.Е.Шейкину Некапиллярные поры Микрокапилляры Переходные поры Микрокапилляры
По АВ.Волженско му Пустоты Капиллярные микропоры Переходны е поры Микропоры
По Ю.М.Бутту Крупные поры Капилля рные макро- поры Микрокапилляры Гелевые поры
По Т.Пауэрсу Макропоры Поры между частицами геля Поры геля
По Р.Фельдману Микропоры Адсорбционные поры Межслоевые поры
По А.В.Лыкову Макрокапилляры Микрокапилляры
По М.М.Дубинину Крупные поры Переходные поры Микропоры
Предлагаемая автором Пу сто ты Крупные поры(мак 00 по.оы) Микропоры Капиллярны макропоры Микрокапил ляры (ультр микропоры 10'6 - 10'9м.) Переходные поры Адсобцион Ные (субмик ропоры 10‘9 10’12 м. . ) Гелевые поры Пленочные поры
Таблица 2 - Формирование структуры строительных комп озитов на основе п ринци п а сродства структур
Структура с соответствующими размерами п ор Макроструктура Микроструктура Наноструктура
Компоненты, регулирующие формирование структуры На п олнтели (золы, минеральные на п олнители), заполнители ( п еностекло), п оризующие добавки Ускорители твердения, п ластификаторы, су п ер п ластификаторы, у п лотняющие органические полимеры; п орошковые наполнители Г и п ер пластификаторы, у п лотняющие добавки - тяжелые соли АІ, Ре; нанодисперсные наполнители
Формирование капиллярно-п ористой
структуры с п олучением материалов трех уровней возможно с исп ользованием технологических п риемов фракционирования, совместного п омола, модифицирования добавками, использования техногенного сырья и т.д., и п рименением ком п онентов, создающих о п ределенную п ористость материалов.
Получение высококачественных,
уникальных материалов и изделий из тяжелых бетонов возможно за счет исп ользования прочных и плотных сырьевых материалов и применения нанодисперсных наполнителей и химических добавок - су п ерпластификаторов [4], ги перпластификаторов, тяжелых солей для формирования пористой структуры на наноуровне. Реализация результатов
исследований осуществлена п ри синтезе ком п озитов на моно- и п олиминеральных цементах, которые используются для п роизводства тяжелых бетонов.
Для получения плотной и прочной структуры ком п озитов мелкозернистых бетонов, реставрационных композиций с образованием уп орядоченной микроструктуры необходимо воздействие на микроуровне. Строительные композиты с формированием микроуровня реализованы на цементах и бетонах с добавками электролитов [5] и суп ерпластификаторов (СП) - в реставрационных составах и бетонах на основе рядовых цементов с перечисленными добавками.
Формирование макроструктуры
конструкций теплоизоляционных материалов с образованием воздушных, микро- и макропор возможно введением в систему строительных композитов компонентов, влияющих на формирование макроструктуры. Создание материалов с макроуровнем реализовано в создании нового класса легких бетонов на п римере п еностеклобетона.
В работе использовались различные сырьевые материалы, п роизводящиеся как на территории РФ, так и зарубежных государств.
Качество бетона и его структура, эксплуатационные свойства определяются минеральным составом цемента, и п роцессами структурообразования.
На основании структурной п ористости мономинералов все цементы, производимые в РФ, можно сгруп п ировать в 4 ти п а: алитовый высокоалюминатный, белитовый
низкоалюминатный, алитовый
низкоалюминатный, белитовый
высокоалюминатный.
Изучено изменение структуры п ор, состава и свойств п олиминерального цементного камня в п роцессе твердения п ри нормальных условиях предлагаемых четырех типов цементов с различной удельной п оверхностью от 250 до 450 м2/кг.
Установлено, что измельчение белитового низкоалюминатного цемента не рентабельно свыше 350 м2/кг, изменение количества нанопор и количества связанной воды п рактически не изменяется п ри увеличении удельной п оверхности до 450 м2/кг.
Суммарная п ористость, содержание макроскопических и капиллярных пор мало зависят от минерального состава цементов, тогда как образование нанопор очень чувствительно к содержанию алита и алюмината. При этом механическая п рочность цементного камня и бетона на
основе цементов с различным содержанием связанной воды, суммарной п ористости и крупных пор малочувствительна к минеральному составу цемента. В
наибольшей сте п ени механическая п рочность зависит от содержания нано п ор.
Дис п ерсность и гранулометрия цементных частиц оказывает влияние на формирование п ористой структуры строительных
материалов.
Ранжирован ряд мономинеральных клинкеров по времени измельчения до удельной п оверхности 300 м2/кг: С3А<С35<р-С23<С4АР.
Установлено, что п ри измельчении
клинкеров рядовых цементов, во фракции до 20 мкм п о сравнению с минеральным составом исходного клинкера увеличивается содержание С3Б на 10-12% и в 2-2,2 раза возрастает содержание С3А.
Установлены закономерности измельчения клинкеров в зависимости от их минерального состава, что позволяет целенаправленно регулировать гранулометрический состав цементов в зависимости от назначения и особенностей технологии строительных материалов на их основе. Предложена гибкая технология корректировки С3А в рядовых цементах путем се п арации фракций различного размера, что позволяет получать как высокоалюминатные, так и сульфатостойкие портландцементы на основе рядовых
клинкеров.
Предложенная методика корректировки содержания С3А и других клинкерных минералов путем сеп арации п родуктов п омола п озволяет на основе рядовых клинкеров
п олучать цементы с регулируемым количеством алюмината и алита. Тонкую фракцию,
выделенную из рядового клинкера размером
0...20 мкм, можно ис п ользовать в качестве присадки к рядовому клинкеру для получения быстротвердеющего высокоалюминатного цемента и его разновидностей, а из обедненного п о С3А клинкера - п олучать сульфатостойкие цементы.
Важнейшее воздействие на структуру бетона оказывают химические добавки. На 6 Конгрессе п о химии цемента я п онцы п роранжировали добавки-электролиты
ускорители твердения, но причина и механизм не были установлены. Поэтому в данной работе уделено внимание изучению изменения состава жидкой и твердой фаз в процессе гидратации основных мономинералов цементов (алита и белита), а также влияние известных добавок-электролитов (хлоридов, нитритов, нитратов, сульфатов) на изменение во времени состава
жидкой и твердой фаз в суспензиях алита, структуру п ор затвердевшего цементного камня из алита, кинетику твердения алита при нормальных условиях, степ ень гидратации, а также на изменение состава жидкой и твердой фаз в п роцессе гидратации цементного теста, влияние добавок-электролитов на структуру п ор цементного камня и распределение п ор по размерам, влияние на предел прочности при сжатии и изгибе.
Заключени е
Установлены закономерности изменения состава жидкой фазы в зависимости от вида цемента без добавок и с добавками электролитов с различными анионами. При анализе закономерностей влияния различных электролитов на скорость гидратации, схватывания и твердения цементных систем (бетонов) исходим из того, что скорость процесса взаимодействия клинкерных минералов с водой определяется не интенсивностью п роникновения молекул воды, а скоростью выноса ионов Са2+ от гидратирующейся п оверхности частицы наружу, т.е. в п оровое п ространство. Из этой конце п ции следует, что чем больше растворимость кальциевых солей данной кислоты в воде, тем выше сте п ень п ересыщения жидкой фазы п о отношению к гидратным фазам по иону кальция, тем больше скорость гидратообразования и твердения. В связи с этим растворимость кальциевых солей различных кислот в воде может служить критерием их выбора в качестве химических добавок для ускорения гидратации и твердения бетонных смесей.
Сформулированные в работе закономерности действия ускорителей твердения в зависимости от растворимости их кальциевых солей позволяют выявить и внедрить в п рактику новые не содержащие хлор добавки-электролиты, что значительно расширит их ассортимент.
Б и бли ографи чески й спи сок
1. Лесовик В. С., Чулкова И. Л. У п равление структурообразованием строительных комп озитов: монография. - Омск: СибАДи, 2011. - 420 с.
2. Лесовик В. С. Повышение эффективности производства строительных материалов с учетом генезиса / В. С. Лесовик. - М.: Изд-во АСВ, 2006. -526с.
3. Урханова Л. А. Ис п ользование золы уноса Гусиноозерской ГРЭС в качестве минерального п орошка для асфальтобетона/ Л. А. Урханова, А.
B.Битуев // Вестник СибАДИ, № 4(26). - 2012. -
C.60-65.
4. Чулкова И. Л. Твердение и свойства водных суспензий цементных минералов п од влиянием су п ер пластификаторов/И. Л. Чулкова, В. С.Лесовик, Г. И. Бердов. //Всероссийская конференция «Современные проблемы п роизводства и исп ользования ком п озиционных строительных материалов» НГАСУ (СИБСТРИН), п освященная 100летнему юбилею п рофессора Г. И. Книгиной и 80летнему юбилею п рофессора В. М. Хрулева: сб. науч. статей.- Новосибирск: НГАСУ (Сибстрин), 2009. - С. 46-49
5. Чулкова И. Л. Формирование структуры и свойств цементного камня в п рисутствии неорганических электролитов/И. Л. Чулкова, В. С.Лесовик, Г. И. Бердов. //Всероссийская конференция «Современные п роблемы производства и использования ком позиционных строительных материалов» НГАСУ (СИБСТРИН), п освященная 100летнему юбилею п рофессора Г. И. Книгиной и 80летнему юбилею п рофессора В. М. Хрулева: сб. науч. статей.- Новосибирск: НГАСУ (Сибстрин), 2009. - С. 165-167.
STRUCTURE FORMATION BUILDING COMPOSITES BASED ON THE PRINCIPLE AFFINITY STRUCTURES
I. L. Chulkova
We study the processes of structure and optimization of the structure and properties of cement and composite as a whole in the hydration and hardening of using man-made materials, create construction composites with desired properties by targeting the structure formation, studied industrial wastes of Siberia and the Far East as a potential raw material for the production of composite binding and concrete.
Чулкова Ирина Львовна - доктор технических наук, профессор кафедры «Строительные материалы и специальные технологии» ФГБОУ ВПО СибАДИ. Основное направление научных исследований - управление
структурообразованием строительных
композитов. Общее количество публикаций 150. Электронная почта chulkova_il@sibadi.org
