CC BY
8Козлов Н.А., канд. техн. наук, доц., Зинченко С.М., канд. техн. наук, доц., Козлова И.Э., магистрант
Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.
ВЛИЯНИЕ АКТИВНОЙ МИНЕРАЛЬНОЙ ДОБАВКИ ПУМИЦИТА НА ПРОЦЕССЫ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ НЕАВТОКЛАВНОГО ПЕНОБЕТОНА
kozlovnikolai@rambler.ru
В отрасли производства строительных материалов постоянно идут поиски в области ресурсо-и энергоэффективности за счёт применения новых технологий, материалов, добавок, а также более глубокого изучения структурообразующих процессов, в том числе и с новыми модификаторами. Исследования цементных композиций с введением активной минеральной добавки алюмосиликатного состава (пумицита) показали свою эффективность, что дало возможность рассматривать данную минеральную добавку в качестве структурообразующего компонента, применительно к технологии ячеистых бетонов. В связи с этим возникает актуальное направление для проведения исследований по оценке применения активной минеральной добавки пумицита в технологии неавтоклавного пенобетона, с изучением особенностей процессов структурообразования. Исследования определили положительную динамику процессов набора прочности цементных композиций в присутствии пенообразователей и пумицита. Анализ полученных данных выявил положительные тенденции на начальном этапе формирования структуры цементного камня. Применение добавки пумицита положительно сказывается на прочностных характеристиках цементных композиций, особенно на начальном этапе твердения в присутствии различных пенообразователей.
Ключевые слова: пенобетон, прочность, цемент, пумицит, термоэффект, активная минеральная добавка.
Развитие малоэтажного строительства, а также строительство многоэтажных домов по каркасно-монолитной технологии создаёт тенденции в развитии и увеличении производственных мощностей выпуска ячеистобетонных стеновых материалов. В связи с чем, возрастает уровень конкуренции на рынке строительных материалов. Снижение стоимости изделий при условии сохранения или увеличения физико-механических и эксплуатационных характеристик готовой продукции является актуальной задачей для технологов многих предприятий.
Наибольшее распространение на рынке стеновых ячеистобетонных изделий получили автоклавные газосиликатные блоки, однако, недостатками его производства является высокая энергоемкость. Неавтоклавный пенобетон со сравнительно простой технологией и меньшими затратами энергии, при обеспечении высоких физико-механических, эксплуатационных характеристик, в том числе и теплоизоляционных на сегодняшний день остаются перспективной областью для исследований.
Известно [1...3], что выбор пенообразователя, играющего важную роль на начальном этапе формирования цементного камня, во многом обуславливает как технологию производства пенобетона, так и техническо-эксплуатационные характеристики получаемой продукции. Кроме того очень важными аспектами для получения высококачественного неавтоклавного пенобетона являются не только ха-
рактеристики портландцемента, наполнителей и модифицирующих добавок, но и их совместимость и взаимодействие [4.6].
Для придания пенобетону высоких физико-механических и эксплуатационных характеристик применяют различные органические и минеральные добавки. В качестве минеральных добавок возможно применение измельчённых природных материалов и техногенных продуктов промышленности. Обязательным условием эффективного применения данных добавок является их совместимость, как с пенообразователем, так и с портландцементом.
Полученные положительные результаты в ранее проведенных научных исследованиях по изучению и разработке органоминеральных модифицирующих комплексов [7] создают предпосылки к тому, что весьма перспективным в качестве наполнителя для получения пенобетона может выступать молотый пумицит Бедыкского месторождения (Кабардино-Балкария), представляющий собой рыхлый продукт смеси пород алюмосиликатного состава вулканического происхождения. Использование активной минеральной добавки пумицита при изготовлении цементных композиций, в том числе и ячеисто-бетонных, позволяет существенно повысить экономическую составляющую производства. Однако до внедрения добавки пумицита в производство пенобетона необходимо произвести всесторонние исследования влияния пумицита
гидратационные процессы, протекающие в цементном камне в присутствии пенообразователя.
Учёными [1, 2] установлены определённые зависимости при анализе процессов гидратации портланцемента, которые находят своё отражение при термографических методах исследования. Формирование силикатного каркаса цементного камня представляется как равновесный процесс, включающий стадии гидролиза клинкерных минералов, формирование цементного геля, агрегация частиц геля и первичная кристаллизация, формирование высокоплотных, кристаллических гидросиликатов с минимальным содержанием воды. При этом исключительно важно одновременное присутствие в системе всех форм гидросиликатов. Только оптимальное соотношение кристаллических и аморфных продуктов позволяет достигать максимальных прочностных показателей цементного камня. Большинство из рассматриваемых объектов, исследовавшихся ранее, в том числе и термографическими методами, включали в себя процесс разделения темографической картины на различные участки. Анализ этих участков позволяет характеризовать влияние выбранных модификаторов на твердеющую цементную систему и оценить характер изменений в цементном камне в зависимости от вида модификатора.
Исходя из обзора данных [4, 5] относительно процессов, происходящих при различных температурах в процессе термографии целесообразно выделить на термограмме следующие термические зоны: 100...200 °С - удаление слабосвязанной воды (ССВ), 200.450 °С - удале-
ние воды из гидратов переменного состава (ГПС), 450.600 °С - дегидратация портлан-дита - Са(ОН)2, 600.700 °С - удаление из гидросиликатов химически связанной воды (ХСВ). В каждом из этих температурных диапазонов происходит скачкообразная потеря массы образца, отражающая процессы удаления слабосвязанной воды, дегидратации портландита и удаления химически связанной воды соответственно.
Объектами исследования явились образцы цементного камня, изготовленные из портландцемента М500 Д0 производства ОАО «Вольск-цемент» при В/Ц=0,33. Были выбраны следующие пенообразователи: GreenFroth Р (белковый, производство Италия) и ПБ2000 (синтетический, Россия). Для изучения влияния различных пенообразователей на физико-механические характеристики цементного камня и их совместное взаимодействие с минеральным наполнителем, пенообразователь вводился в качестве добавки, а предел прочности определялся на образцах-балочках размером 80^20^20 мм. В качестве минеральной добавки-наполнителя применялся молотый пумицит. Образцы цементного камня набирали прочность в течение 7 суток в нормальных условиях. Перед теромграфированием образцы высушивались до постоянной массы. Дифференциально-термический анализ (ДТА) образцов цементного камня с добавками проводился на установке для дифференциально-термического и термогравиметрического анализа «Термоскан 2». Данные испытаний приведены в табл. 1.
Таблица 1
Модификатор Количество добавки, % Температура максимума термоэффекта, оС Предел прочности при сжатии (7 сут), МПа
Контрольный состав (без добавки) - 110; 290; 320; 330;500;520 48,5
вгеепРгоШ 3 100; 390; 450; 480; 520; 570; 670 36,6
Пумицит 10 110; 380; 420; 440; 500; 530 53,2
вгеепРгоШ + Пумицит 3 + 10 120; 370; 450; 500; 530; 670 44,3
ПБ2000 1 110; 330; 370; 520; 550; 610 28,9
ПБ2000 + Пумицит 1 + 10 110; 330;370; 440; 500; 540; 660 38,4
Особенностью представленных на рис. 1 термограмм, является наличие на кривых плавного участка потери массы образца, не сопровождающейся значительными термоэффектами. Этот участок кривой соответствует интервалу температур 200.450 °С, который относят к области дегидратации цементного геля С^-Н (I), С^-Н (II) и тоберморита [1.3]. Сравнение кривых ДТА в этом диапазоне температур выявляет наличие серии слабых эндоэффектов, число и положение которых меняется взависимости от применяемых добавок.
Отсутствие скачкообразной потери массы следует рассматривать как свидетельство дегидратации слабозакристаллизованных гидросиликатов переменного состава [1, 2, 5], к которым можно отнести все виды цементного геля.
Из этого можно сделать вывод, что вид добавки сильно влияет на состав гелевых продуктов гидратации, так как значительно изменяются число, расположение и интенсивность термоэффектов.
700 *С
0 1
2ае зоо 4® 500 еда 7ссс
Рис. 1. Дифференциально-термический анализ образцов цементного камня с добавками: 1 - Контрольный состав (без добавки); 2 - GreenFroth 3 %; 3 - Пумицит 10 %; 4 - GreenFroth 3 % + Пумицит 10 %; 5 - ПБ2000; 6 - ПБ2000 1 % + Пумицит 10 %
Анализ термоэффектов, их количество, интенсивность и температурный интервал, относящихся к образцам с добавкам пумицита и пенообразователей, свидетельствует о наличии общих зависимостей, в частности, изменения касаются степени интенсивности и незначительного сдвига температурного эффекта в пределах
15 °С, что свидетельствует о схожести протекания процессов гидратации и структурообразова-ния, на которые по видимому большее влияние оказывает минеральная добавка пумицита, нежели пенообразователь в независимости от его типа - белковый или синтетический.
Таблица 2
Термографические характеристики модифицированных образцов цементного камня
№п /п Модификатор Количество добавки, % Потеря массы в соответствующих термических зонах, %
ССВ ГПС Портландит ХСВ Общее СВ
1 Контрольный состав (без добавки) - 12,9 3,5 2,6 1,1 20,1
2 GreenFroth 3 13,6 2,3 1,9 0,6 18,4
3 Пумицит 10 13,3 3,9 2,0 2,1 21,3
4 GreenFroth + Пумицит 3 + 10 12,5 3,6 2,5 2,0 20,6
5 ПБ2000 1 13,7 1,1 1,5 0,9 17,2
6 ПБ2000 + Пумицит 1 + 10 13,5 3,3 1,9 1,5 20,2
В присутствии пенообразователя изменяется структура цементного камня в процессе твердения, что проявляется в заметном изменении характера темограммы - термоэффекты слабеют, их частота, количество и интенсивность значительно ниже. У образцов с минеральными добавками, увеличивается количество слабосвязанной воды, что в свою очередь уменьшает количество портландита, химически связанной воды и как следствие негативно сказывается на прочностных характеристиках цементных образцов.
В образцах цементного камня с введением пумицита, количество физически связанной воды на 7 сутки составляет от 12,5 до 13,7 % при общей потере массы образца от 17,2 до 21,3 %. Добавление пенообразователей значительно снижают потери массы в температурных интервалах 200.450 °С, которые соответствуют удалению воды из гидратов переменного состава,
450.600 °С - дегидратации портландита, 600.700 °С - удалению из гидросиликатов химически связанной воды, что значительно сказывается напрочностных показателях (табл. 1), при чём это характерно как для белкового, так и для синтетического пенообразователя.
Из приведённых дифрактограмм следует, что добавление молотого пумицита в качестве минеральной добавки, приводит к увеличению присутствия низкосновных гидросиликатов кальция. Наряду с гидросиликатами кальция в системе также повышается содержание гидроалюминатов и гидросульфоалюминатов кальция, оказывающих на формирование структуры в начальный период твердения значительное влияние. Так же особенностью применения добавки пумицита является снижение количества порт-ландита в твердеющей цементной системе, что связано с химико-минералогическими составом пумицита, а именно наличием реакционно-
способного кремнезёма, образующего гидросиликаты при взаимодействии с известью в цементной суспензии [7].
Выравнивание количества потери масс в различных термических зонах образцов, модифицированных пумицитом и пенообразователем в сравнении с контрольным образцом цементного камня, приводит к росту относительной прочности, подтверждая тот факт, что оптимальное соотношение кристаллических и аморфных продуктов гидратации цементного камня позволяет достигать максимальных прочностных показателей.
Проведённые исследования дают возможность сделать прогнозируемые оценки применения активной минеральной добавки молотого пумицита в технологии производства неавтоклавного пенобетона. Причём, анализ полученных данных, выявил закономерности при выборе пенообразователя, который играет важную роль на начальном этапе формирования структуры цементного камня. Следует отметить, что применение добавки пумицита положительно сказывается не только на прочностных характеристиках затвердевших цементных композиций, но и на процессах структурообразования цементного камня на начальном этапе формирования прочности.
Полученные положительные результаты дают предпосылки к дальнейшей разработке ряда технологических решений, направленных на повышение эффективности производства пенобетона с использованием в качестве сырья материалов природного происхождения, таких как пумицит, позволяющих достигать высокие характеристики конечной продукции и отвечающие требованиям ресурсосбережения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Добавки к бетону // Рамачандран В., Пер. с англ. T.R Розенберг, С.А. Болдырева; Под ред. А. С. Болдырева и В.Б. Ратинова. M.: Стройиз-дат, i988. 563 с.
2. Наука о бетоне: физико-химическое бе-тоноведение / Рамачандран В., Фельдман Р., Бо-дуэн Дж, под ред. В.Б.Ратинова M.: Стройиздат, i986. 278 с.
3. Manzano H., Ayuela A., Dolado J.S. On the formation of cementitious C-S -H nanoparticles // J. Comp.-Aided Mater. Design. 2007. №i4. Р. 45-5i.
4. Страхов А.В., Иващенко Н.А., ^мохин Д.К. Влияние активных минеральных наполнителей на формирование структуры и свойств энергоэффективных строительных композитов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 20i2. Вып. № i (67). ^м 3. С. 228-230.
5. Иващенко Ю.Г., ^мохин Д.К. Физико-химические основы применения высокодисперсных наполнителей при конструировании составов композиционных строительных материалов // Ресурсоэнергоэффективные технологии в строительном комплексе региона, 20ii. № i. С. 40-43.
6. Иващенко Ю.Г., Евстигнеев С.А., Страхов А.В., ^мохин Д.К. Mеханоактивированные модифицирующие добавки для строительных композитов // Вестник Б^У им. В.Г. Шухова. 20i3. № 3. С. 47-52.
7. Иващенко Ю.Г., Зинченко CM. Эффективность использования минеральной добавки алюмосиликатного состава совместно с пластификатором на основе фенолоацетоновых смол в цементных композициях // Вестник ВолгГАСУ: Строительствово и архитектура. 20ii. №. 23 (42). С. ii0-ii5.
Kozlov N. A., Zinchenko S.M., Kozlova I.E.
INFLUENCE OF THE ACTIVE MINERAL ADMIXTURE OF PUMITSIT ON PROCESSES OF STRUCTURIZATION OF NOT AUTOCLAVE FOAM CONCRETE
In branch ofproduction of construction materials constantly there are searches to areas re-surso-and energy efficiency due to application of new technologies, materials, admixtures, and also deeper studying of structure-forming processes, including with new modifiers. Researches of cement compositions with introduction of an active mineral admixture of aluminosilicate structure (pumicite) showed the efficiency that gave the chance to consider this mineral admixture as a structure-forming component, in relation to technology of cellular concrete. In this regard there is an actual direction for carrying out researches on an assessment of application of an active mineral admixture of a pumicite in technology of not autoclave foam concrete, with studying offeatures ofprocesses of structure formation. Researches defined positive dynamics ofprocesses of a set of durability of cement compositions in the presence offoam and a pumitsit. The analysis of the obtained data revealed positive tendencies at the initial stage offormation of structure of a cement stone. Application of an admixture of a pumicite positively affects strength characteristics of cement compositions, especially at the initial stage of curing in the presence of various foam.
Key words: foam concrete, durability, cement, pumicite, the thermic effect, an active mineral admixture.
