CC BY
35
6. Белоусов Б.В.. Копылов Б.А., Бессонов В.И. Использование известково-эолъного вяжущего для укрепления песчаных грунтов// Использование местных строительных материалов и отходов промышленности в дорожном строительстве Казахстана. - Алма-Ата: Минавтодор Каз. ССР, 1976. - С. 3-9.
7. Щеблыкина Т.П., Малинина Л.А., ЛишенкоА.В. Применение крупнотоннажных отходов. Экологические аспекты и законодательные акты // Строит, материалы. 1994. N° П.
8. Бикбау М.Я. Экология и строительная индустрия // Строит, материалы, 1994. №9.
9. Рациональное применение золы ТЭЦ: Результаты научно-практических исследовании/ Сост. Э П. Гужулев, Ю Т Усмап-ский. Омск: Омский гос. ун-т, 1998 -238 с.
КОСАЧ Анатолий Федорович, кандидат технических наук, доцент.
РАЩУПКИНА Марина Алексеевна, аспирантка. КОСАЧ Наталья Анатольевна, аспирантка.
Дата поступления статьи в редакцию: 05,08.06 г. © Косач А.Ф., Ращупкина М.Л., Косач H.A.
УДК 691.53
В. А. ХОМИЧ
Т. С. химич
С. А. ЭМРАЛИЕВА
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
УЛУЧШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ШТУКАТУРНЫХ СОСТАВОВ НА ОСНОВЕ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА ТОНКОДИСПЕРСНЫМИ ДОБАВКАМИ
Установлено, что тонкодисперсные добавки, в зависимости от их структурированности и химической активности, влияют на формирование структуры цементных композиций. Уплотнение или разуплотнение структуры композиций на наноуровне, при введении тонкодисперсных добавок, приводит к изменению их физико-механических свойств. Приведены примеры использования этих свойств для улучшения эксплуатационных характеристик штукатурных составов.
Улучшение эксплуатационных характеристик повсеместно применяемых штукатурных растворов на основе портландцемента представляет собой актуальную задачу. При этом создание технологий с использованием местных и региональных ресурсов является наиболее перспективным.
В специальной литературе широко дискутируется вопрос об «эффекте микронаполнителя», который заключается в увеличении прочностных свойств бетонов при введении в цементные композиции тонкодисперсных наполнителей. Эффект находи т объяснение: в заполнении наполнителем пор цементной композиции, проявлении им гидравлической или пуццолановой активности, образовании частицами наполнителя центров кристаллизации для гидратных новообразований и др. К настоящему времени «эффект микронаполнителя» до конца не изучен [1].
В представленной работе тонкодисперсные наполнители испытаны в штукатурных растворах. Исследовано влияние на свойства штукатурных составов структурированных порошков, состоящих из агрегатов наночастиц — порошков технического углерода и белой сажи, Технический углерод является химически инертным по отношению к компонентам портландцементной композиции, белая сажа
и микрокремнезем обладают пуццолановой активностью.
На первом этапе работа проводилась с цементно-глиняными штукатурными составами. Использовалась добавка бентонитовой глины Любинского месторождения Омской области. Глина является водоудорживающей и пластифицирующей добавкой. Однако недостатком применения «жирной» бентонитовой глины является воздушная усадка затвердевшей композиции, что вызывает появление трещин в тонкослойных покрытиях. Для ликвидации этого недостатка требуется введение в композиции армирующей добавки. В качестве такой добавки опробованы порошки технического углерода, полученные в отделе экспериментальных технологий углеродных материалов ИППУ СО РАН, г. Омск. Технический углерод известен как структуро-формирующая добавка в глиняно-песчаные композиции для изготовления разовых литейных форм. При его введении возрастает прочность и газопроницаемость композиций.
Следует отметить, что для штукатурных составов, используемых при реконструкции крупнопанельных зданий массовой застройки, необходимо, чтобы показатели по паро- и воздухопроницаемости композиций были не ниже показателей исходных
Таблица ]
Физико-химические характеристики технического углерода (ТУ)
Марка ТУ 51ладс., м'/г АДФ. см'/100 г Вид агрегатов частиц
П161 165 ВП Линейные
П60.Ч 35 80 .Линейные
П145 115 105 Разветвленные
П267 232 174 Разветвленные
цементных растворов. По литературным данным паро- и воздухопроницаемость цементного камня определяют поры субмикроскопического или наиоуровня, имеющие размеры порядка 100 нанометров. По природе происхождения они вписываются в гидратные новообразования и микрокапилляры цементных композиций [2]. Поры такого уровня могут обеспечить «кластеры» частиц высокодисперсного порошка технического углерода с частицами компонентов цементно-глиняной композиции.
При выборе марки технического углерода, для использования его как добавки в штукатурные составы, решались задачи: по — сохранению подвижности растворной смеси и прочностных характеристик затвердевших композиций; — уменьшению усадки и повышению трещиностой-кости затвердевшего раствора; — сохранению или повышению паро- и воздухопроницаемости «штукатурки».
Нами исследованы четыре марки технического углерода, характеристики которых по удельной поверхности (5уладс.) и структурированности агрегатов (величина адсорбции дибутилфталата АДФ) приведены в табл.1. Отдельные частицы агрегатов имеют размеры 10-19, 48-60, 10-19, 19-25 нм соответственно для порошков технического углерода марок П161, П603, П145, П267.
Для решения поставленных задач проведены электронно-микроскопические исследования, изучены прочностные свойства песчано-глинистых композиций и реологические свойства глинистых суспензий. Количество вводимых порошков варьировалось от0,01 до 1,00 % (по массе).
Как показывают данные электронно-микроскопических исследований, агрегаты из частиц технического углерода (ТУ) концентрируются на поверхности частиц глины, а также образуют пространственные сетчатые структуры (рис. 1).
Рис. 1. Электронно-микроскопическая фотография бентонитовой глины с техническим углеродом П161
Сцепление между агрегатами частиц ТУ в объеме происходит с образованием более или менее рыхлой пространственной сетки. Оптимальные структуры ТУ обеспечат более равномерное распределение рыхлой сетки агрегатов в объеме композиции. Тогда сохранится (или незначительно снизится) подвижность композиции до схватывания вяжущего и повысится прочность затвердевшей системы из-за дополнительного каркаса из сетчатой структуры. Образование армирующей сетки из частиц технического углерода препятствует усадке затвердевшей композиции и повышает ее трещиностойкость.
Прочность на сжатие определялась по ГОСТ 3594. В каждой серии экспериментов определялся процент отклонения прочности образцов с добавками от прочности беэдобавочного образца. Увеличение прочностных характеристик в отдельных областях концентрации технического углерода фиксировалось для образцов с добавками ТУ марок П161 и П603. Для образцов с добавками ТУ марок П145 и П267 наблюдалось снижение прочности.
Исследование реологических свойств проводилось на цилиндрическом ротационном вискозиметре «РЕОТЕСТ 2.1». Измерялась структурная вязкость 20 %-ной суспензии бентонитовой глины, модифицированной порошками технического углерода от 0,01 % до 1% (по массе). Результаты исследований приведены на рис. 2.
Увеличение вязкости, а значит структурированности системы, наблюдалось в глинистых суспензиях с техническим углеродом П603. Вязкость суспензий, при введении ТУ П161, практически сохранялась. Повышение вязкости, в случае использования в качестве модификатора ТУ П603, можно объяснить слабым поверхностным кислотно-основным взаимодействием частиц глины (рН изоэлектрического состояния 8,1) с порошком П603 (рН - 6,6). Полученные результаты показывают, что наиболее подходящим для штукатурных составов является технический углерод марки П161, так как при его введении сохраняются реологические свойства суспензии.
Оптимальный состав цементной композиции был выбран по эксплуатационным характеристикам штукатурных составов (прочность на сжатие, водопоглощение, подвижность, водоудерживаю-щая способность, расслаиваемость). Проводились испытания воздухопроницаемости (ГОСТ 29234.11) сухих штукатурных композиций с добавкой технического углерода и без нее. Воздухопроницаемость композиции оптимального состава в 1,4 раза выше по сравнению с бездобавочиой.
МПа'с
-о loo tere с
Рис. 2. Зависимость динамической вязкости от скорости сдвига композиций: 1 - бентонитовая глина с добавкой 1 % ТУ Ш61; 2 - бентонитовая глина; 3 - бентонитовая глина с добавкой I % ТУ П603
о 7 14 21 2В 35 42 19 56 63 70 77 84 91
Сутки
Рис. 4. Прочность на сжатие цементных композиций с добавками: 1 - суперпластификатора; 2 - суперпластификатора и микрокремнезема; 3 - суперпластификаторп и белой сажи
Данные ртутной порометрии показали, что штукатурный состав на основе цемента с добавкой бентонитовой глины имел средний размер пор 77 нм. Средний размер пор штукатурного состава с добавкой технического углерода ¡1161 (оптимальный состав) составлял 379 нм. Более высокий процент технического углерода, вводимого в композиции, вызывал уменьшение среднего размера пор до 99 нм.
Таким образом, добавка технического углерода приводит к разуплотнению структуры цементной композиции. Это происходит за счет концентрирования (адсорбции) агрегатов ТУ на поверхности зерен цемента и частиц глины. В результате плотность упаковки композиции уменьшается уже на начальной стадии ее твердения. Полученные результаты испытаний оптимального состава цементной композиции (цемент ПЦ400-Д20 — бентонитовая глина - ТУ П161 - песок) позволили рекомендовать его для штукатурных работ внутренней отделки помещений зданий.
Вторым этапом работы явилось исследование цементных композиций с микронаполнителями, обладающими пуццолановой активностью. В качестве микронаполнителей исследовались образцы аморфного кремнезема: микрокремнезем МК85 (отход производства ферросилиция, г. Челябинск) и белая сажа БС120 (г. Стерлитамак). Удельная поверхность микрокремнезема - 22 мг/г , белой сажи - 94 м'7г , величина адсорбции дибутилфга-лата, характеризующая структурность образцов, составила соответственно 46 и 210 см'/ЮОг, содер-
жание БЮ., в образцах — 85 и 88 %. В качестве пластифицирующего агента в композициях использовался суперпластификатор СЗ.
Микроскопические снимки (400-кратное увеличение) цементных композиций, проводились через сутки после их затворения водой (рис. 3). Структура композиции с белой сажей более однородна по сравнению со структурой композиции с микрокремнеземом, что предполагало более высокие прочностные характеристики затвердевших композиций. Вместе с этим следовало ожидать повышения прочности композиции в процессе ее твердения за счет пуццоланового взаимодействия диоксида кремния тонкодисперсных добавок с гидроксидом кальция — продуктом гидратации цемента. Логично было предположить, что чем выше удельная поверхность и больше процентное содержание ЬЮ., в добавке (белая сажа), тем выше ее пуццолановая активность. Известно, что в результате пуццолановой реакции образуются низкоосновные гидросиликаты кальция, имеющие более высокую дисперсность по сравнению с частицами Са(ОН)., и заполняющие поры композиции [3]. При этом структура композиции должна уплотняться в процессе ее т вердения.
Действительно, как показали результаты испытаний образцов (на прочность при сжатии), композиции с белой сажей имели более высокую прочность (рис. 4). При этом воздухопроницаемость композиции с микрокремнеземом и белой сажей в Зраза ниже, сопротивление прониканию воды
в 2-3 раза выше, а водопоглощение примерно на 30 % ниже по сравнению с бездобавочным образцом. Полученные результаты нашли применение в разработке гидроизоляционных составов штукатурных композиций (цемент ПЦ500-Д0 — суперпластификатор СЗ — белая сажа БС120 или микрокремнезем МК85 — фракционированный песок).
Результаты проведенных исследований показывают, что добавки высокодисперсных структурированных порошков образуют в портланд-цементных композициях пространственные сетчатые структуры, обеспечивая в процессе их твердения снижение усадки и повышая трещино-стойкость. Добавка технического углерода марки П161 разуплотняет структуру на наноуровне (увеличивает средний размер пор наноуровня), что приводит к повышению паро- и воздухопроницаемости штукатурных покрытий.
Добавки белой сажи, наоборот уплотняют структуру портлапдцементной композиции за счет пуццолановой реакции, в результате которой образуются высокодисперсиые низкоосновные гидросиликаты кальция, заполняющие поры. Это выражается в снижении воздухопроницаемости и повышении гидроизоляционных свойств штукатурных составов.
Таким образом, введение тонкодисперсных добавок технического углерода и аморфного кремне-
зема в цементные композиции приводит как к разуплотнению, так и уплотнению структуры на паноуровне. Структурные изменения вызывают изменение физико-механических свойств, придавая композициям ряд полезных качеств, имеющих практическое применение при разработке штукатурных составов различного назначения.
Библиографический список
1. Larbi J.A., Bijen J.M. The chemistry оГ the pole fluid of silica (ume-blended cement systems //Cem. and Concr. Res. -1990. -V. 20. - № 4. - P. 506-516.
2. Кдприелов С.С., Шейнфельц A.B., Кривобородов Ю.Р. Влияние структуры цементного камня с добавками микрокремнезема и суперпластификатора на свойства бетона //Бетон и железобетон. - 1992. - №7. - С. 4-7.
3. Федосов C.B., Базанов С.М. Сульфатная коррозия бетона. - М.: Изд-во АСВ, 2003 - 192с.
ХОМИЧ Вера Алексеевна, кандидат химических наук, доцент, профессор кафедры «Инженерная экология и химия».
ХИМИЧ Татьяна Сергеевна, аспирантка. ЭМРАЛИЕВА Светлана Анатольевна, аспирантка.
Дата поступления статьи в редакцию: 05.08.06 г. © Хомич В.А., Химич Т.С., Эмралиева С.А.
Книжная полка
Богодухов С.И. Курс материаловедения в вопросах и ответах. - М: Машиностроение, 2005. — 288 с.
Пособие состоит из пяти частей. В первой части приведены вопросы-тесты по важнейшим областям материаловедения, Каждому разделу предшествуют сведения из соответствующей области. Тесты содержат по четыре альтернативных ответа. В конце каждого раздела приведены ответы к разделу. Вторая часть пособия содержит справочные сведения по углеродистым и легированным конструкционным сталям, инструментальным сталям, цветным металлам и сплавам (марочные обозначения, химический состав, некоторые свойства, режимы термической обработки), неметаллическим материалам. Этот раздел можно использовать при решении задач первой части и как самостоятельное пособие для подбора материалов при выполнении курсовых и дипломных работ. В третьей и четвертой частях приведены фрагменты, имитирующие эхо-распечатки обучающей и контролирующей программ "Диаграммы состояния" и "Упражнения по диаграмме железо-углерод". Пятая часть содержи т материалы по программе "Экзаменатор". Пособие предназначено для закрепления теоретических знаний, полученных студентами на занятиях по материаловедению, путем решения задач, а также может быть использовано при выборе материалов для конкретных деталей.
Каблова E.H. Литейные жаропрочные сплавы. Эффект Кишкина С.Т. - М.: Наука, 2006. - 272 с.
В сборнике представлены материалы, развивающие идеи академика СТ. Кишкина выдающегося ученого-металловеда, создателя гетерофазной теории жаропрочности и вьгеокожаропрочных литейных сплавов, по упрочнению современных жаропрочных сплавов и технологии изготовления монокристаллических лопаток газовых турбин. Рассматриваются теоретические основы создания монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов, легированных рением и рутением, особенности выплавки ренийсодержащих безуглеродистых жаропрочных сплавов повышенной чистоты, основные свойства монокристаллов в вы-сокорениевых и ренийрутенийсодержащих сплавах. Приводится технология монокристаллического литья турбинных лопаток методами направленной, в том числе высокоградиентной, кристаллизации. Представлены данные по впервые разработанной автоматизированной компьютерной системе управления плавильно-заливочными установками для литья лопаток с равноосной, направленной и монокристаллической структурами. Кроме того, приведены воспоминания крупных ученых, в том числе академиков РАН. Для научных и инженерно-технических работников научно-исследовательских институтов, конструкторских бюро, заводов отрасли и смежных отраслей промышленности.
