CC BY
22
УДК 666.946.2
Сатыбалдиев А.К., Кривобородов Ю.Р.
СВОЙСТВА СУЛЬФОАЛЮМИНАТНОГО ЦЕМЕНТА С РАЗЛИЧНЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ГИПСА
Сатыбалдиев Арген Кененбаевич, студент 4 курса кафедры химической технологии композиционных и вяжущих материалов, e-mail : argen.kenenbaj j 4@gmail. com;
Кривобородов Юрий Романович, доктор технических наук, профессор кафедры химической технологии композиционных и вяжущих материалов;
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия улица Героев Панфиловцев, 20, Москва, Россия, 125480
Изучено влияние вещественного состава сульфоалюминатного цемента на прочностные и деформационные свойства цементного камня. Установлено, что при содержании гипса в составе цемента до 5-7 масс. % прочность камня повышается, а при большем содержании сульфата кальция увеличивается расширение, но снижаются прочностные характеристики. При оптимальном содержании гипса (10 масс. %) сульфоалюминатный цемент имеет и высокие прочностные характеристики, и необходимую величину расширения для эффективного омоноличивания сборных железобетонных конструкций.
Ключевые слова: сульфоалюминатный клинкер, вещественный состав цемента, прочность камня, деформационные свойства.
PROPERTIES OF SULFOALUMINOUS CEMENT WITH DIFFERENT CONTENT OF GYPSUM
Satybaldiev A.K., Krivoborodov Y.R.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The influence of the material composition of sulphoaluminous cement on the strength and deformation properties of cement stone was studied. It was found that with a gypsum content of up to 5-7 wt. percentage the strength of the stone increases, and with a higher content of calcium sulphate, the expansion increases, but the strength characteristics decrease. At the optimum content of gypsum (10 mass %), the sulphoaluminous cement has both high strength characteristics and the necessary expansion value for effective monolithic of precast concrete structures.
Keywords: sulfoaluminous clinker, material composition of cement, stone strength, deformation properties.
Опыт омоноличивания сборных конструкций растворами и бетонами на основе обычного портландцемента показывает, что при этом не достигается необходимая монолитность вследствие усадки цементного камня в процессе схватывания и твердения. В местах соединения с бетонными поверхностями нарушается сцепление из-за трещин, образующихся вследствие усадки. Вода, проникающая в эти трещины, при атмосферном воздействии особенно при попеременном замораживании и оттаивании вызывает дальнейшее разрушение материала, что приводит к нарушению монолитности всего сооружения.
С целью снижения усадочных деформаций варьируют составом бетона, водоцементным отношением, разновидностью заполнителей, температурными и влажностными условиями твердения. Однако наиболее эффективным способом решения проблем усадочных деформаций является использование цементов, компенсирующих усадочные деформации цементного камня и бетона [1].
На протяжении многих лет исследования многих ученых были направлены на поиск ответа, как же избежать усадки цементного камня, как обеспечить расширение цементного камня при твердении,
которое бы компенсировало усадку, какие силы обусловливают это явление. В идеале было бы желательно достичь расширения, равного усадке в любой заданный момент твердения цементного камня. Однако сложные химические, физические и физико-химические процессы, обусловливающие объемные изменения гидратационной структуры цемента, не позволяют прогнозировать величину химической усадки, поэтому предусматривается некоторое превышение деформаций расширения цементного камня над усадкой.
Предложено несколько теорий, объясняющих расширение цементного камня при твердении. Одни ученые считают, что расширение цементного камня вызвано образованием высокодисперсных частиц гидросульфоалюмината кальция (ГСАК), которые появляются в результате взаимодействия раствора гипса с алюминатами кальция в твердой фазе. Формирование структуры протекает в два этапа. На первом этапе формируется каркас
кристаллизационной структуры с возникновением контактов срастания между кристалликами, на втором этапе новые кристаллизационные контакты не образуются, а происходит обрастание уже имеющегося каркаса. Если кристаллический скелет структуры не сплошной, а представлен отдельными
блоками, то в камне возможно протекают процессы усадки или набухания (расширения) без нарушения целостности камня и уменьшения прочности [2]. Ряд исследователей [3] связывали расширение с переходом моносульфатной формы
гидросульфоалюмината кальция в
высокосульфатную форму. При взаимодействии С4АН13 с гипсом образуется моносульфат, который затем перекристаллизовывается в трехсульфатную форму, что и вызывает расширение цементного камня. К существенному недостатку приведенной гипотезы относится отсутствие доказательства перехода моносульфатной формы
гидросульфоалюмината кальция в трехсульфатную и образования моносульфоалюмината кальция в цементном камне в начальный период его твердения. Т. В. Кузнецовой [4] установлено, что расширение цементного камня вызывается увеличением объема твердой фазы в процессе гидратации, причем той ее части, которая не в состоянии разместиться в поровом пространстве твердеющей системы. Образующаяся твердая фаза воздействует на окружающую среду, и, если она в состоянии уплотниться или переместиться, то расширение гидратационной структуры не происходит. Если окружающая среда не способна уплотниться, то увеличивающаяся в объеме твердая фаза вызывает внутреннее напряжение, приводящее к расширению цементного камня. В зависимости от условий, определяющих кинетику образования
гидросульфоалюмината кальция в период гидратации цемента, структура может упрочняться, расширяться и даже разрушаться [5].
Образование гидросульфоалюмината кальция трехсульфатной формы возможно при взаимодействии алюминатов кальция с водой в присутствии гипса, однако большая скорость образования эттрингита наблюдается при гидратации безводного сульфоалюмината кальция. Поэтому учеными была разработана технология сульфоалюминатного клинкера [6-8].
Сульфоалюминатный клинкер (САК) представляет собой продукт обжига смеси, рассчитанной на получение в его составе сульфоалюмината кальция 3СаО•3Аl2О3•СаSО4 (С3А3СS), 12СаО-7АЬО3, 2СаО^Ю2 (ОД.
В качестве сырьевых материалов для получения САК используют известковый компонент, гипс и материалы, содержащие не менее 35% А12О3. Расчет сырьевой смеси производится по двум модулям: сульфатному Б0 и алюминатному А0.
Большое влияние на свойства цемента оказывает соотношение компонентов в нем. В зависимости от количества введенного расширяющегося
компонента (сульфоалюминатного клинкера) цемент может быть безусадочным или расширяющимся. Самонапряжение и линейное расширение цемента находятся в прямой зависимости от гипса в цементе. Увеличение его количества в цементе обусловливает значительное повышение величины расширения и самонапряжения. Для получения плотной и прочной
структуры цементного камня необходимо оптимизировать вещественный состав цемента.
В связи с этим целью работы было установление оптимального количества гипса в составе сульфоалюминатного цемента.
В работе использовали:
- сульфоалюминатный клинкер (АО «Подольск-Цемент»);
- природный гипсовый камень Новомосковского месторождения.
Химический состав используемых материалов представлен в табл. 1
Таблица 1 - Химический анализ сульфоалюминатного клинкера
ППП АЬОз Ре2Оз СаО МяО БОз
0,55 10,90 22,9 4,22 54,54 1,67 3,22
Приготовление цементов осуществляли смешением раздельно измельченных в лабораторной мельнице МБЛ сульфоалюминатного клинкера и гипсового камня до дисперсности, характеризуемой удельной поверхностью ~ 350 м2/кг.
Образцы-балочки размером 1x1x3 см формовались из цементного теста при В/Т соответствующем нормальной густоте (табл. 2). Приготовленные образцы твердели в воздушно-влажных условиях, и расформовывались через 24 часа, затем помещались в воду для последующего твердения.
Таблица 2 - Нормальная густота сульфоалюминатного цемента с различным содержание гипса
Содержание гипса, % 0% 5% 10% 15%
Нормальная густота, % 25 26 28 29
Сроки
схватывания, мин
начало 20 19 16 15
конец 40 38 24 20
Определение прочностных характеристик цементного камня при изгибе осуществлялось на испытательной машине Р-05 (погрешность измерений составляет ±0,1 МПа). Определение прочности на сжатие производилось на гидравлическом прессе П-10 (погрешность измерений составляет ±0,2 МПа). Испытания проводились на 1, 3, и 7 сутки твердения на шести образцах-балочках размером 1х1х3 см, прочность на сжатие - соответственно на двенадцати половинках этих же образцах. Определение линейного расширения осуществляли по стандартной методике.
Результаты испытаний представлены на рис. 1 и в табл. 3.
Рисунок1 - Прочностные характеристики сульфоалюминатного цемента с различным содержанием гипса (правый рисунок - прочность при изгибе; левый - прочность при сжатии.
Таблица 3 - Деформационные свойства сульфоалюминатного цемента с различным содержание гипса
Состав цементов, масс. % Линейное расширение, %, в возрасте, сут (водное хранение)
САК Гипс 2 3 7
100 0 0,05 0,15 0,45
95 5 0,25 0,65 1,15
90 10 0,35 0,85 1,68
85 15 0,57 1,19 2,32
Выводы
В результате работы установлено, что при увеличении концентрации добавки гипса в сульфоалюминатном цементе:
— увеличивается нормальная густота цементного теста;
— уменьшается время начала и конца схватывания;
— повышаются прочностные характеристики материала в первые сроки твердения при концентрации гипса до 10 масс. %;
— увеличивается линейное расширение цементного камня, что связано с образованием гидросульфоалюмината кальция трехсульфатной формы;
— оптимальное содержание гипса в составе цемента является 10 масс. %, при этом сохраняются высокие прочностные характеристики и достаточно высокие значения линейного расширения.
Список литературы
1. Кузнецова Т.В. Алюминатные и сульфоалюминатные цементы. - М.: Стройиздат, 1986. - 208 с.
2. Кривобородов Ю.Р., Самченко С.В. Состав и свойства расширяющихся цементов: учеб. пособие. - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2004. - 54 с.
3. Михайлов В.В., Литвер С.Л.
Расширяющийся и напрягающий цементы и самонапряженные железобетонные
конструкции. - М., Стройиздат, 1974. - 325 с.
4. Кузнецова Т.В. Химия и технология расширяющихся и напрягающих цементов. -М.: ВНИИЭСМ, 1980. - 60 с.
5. Самченко, С.В. Формирование и генезис структуры цементного камня. Монография / С.В. Самченко - М.: Московский государственный строительный университет, Ай Пи Эр Медиа, ЭБС АСВ, 2016. - 284 с. Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/49874.
6. Кривобородов Ю.Р., Самченко С.В. Физико-химические свойства сульфатированных клинкеров: аналит. обзор. Серия 1. Цементная промышленность. - М.: ВНИИЭСМ 1991. - 55 с.
7. Самченко С.В. Сульфатированные алюмоферриты кальция и цементы на их основе: монография. - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2004. - 120 с.
8. S.V. Samchenko, Y.R Krivoborodov, D.A. Zorin. Minerals of expansive and non-shrinkage sulfomineral cements // MATEC Web of Conferences, SPbWOSCE-2016 "SMART City" 2017. - EDP Sciences, 2017. - C. 0300603011
