CC BY
13УДК 691.32
DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-775-10-12-15
Ш.М. РАХИМБАЕВ1, д-р техн. наук (tolypina.n@yandex.ru), Н.М. ТОЛЫПИНА1, д-р техн. наук (tolypina.n@yandex.ru),
А.А. КОСИНОВА2, канд. техн. наук, начальник производственной лаборатории (krikunova-anna@bk.ru); Е.Н. ХАХАЛЕВА1, канд. техн. наук (hahaleva@intbel.ru)
1 Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова (308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46)
2 ОАО «Завод железобетонных конструкций № 1» (308009, г. Белгород, ул. Коммунальная, 5)
Влияние электроповерхностных свойств минерального наполнителя на морозостойкость порошковых бетонов
Исследовано влияние минеральных наполнителей с положительно и отрицательно заряженными электроповерхностными свойствами на морозостойкость порошковых бетонов. Испытания на морозостойкость проводились по ГОСТ 10060-2012 (п. 5.1), по первому базовому методу. Установлено, что наименьшей морозостойкостью обладают образцы порошкового бетона с 30% молотого кварцевого песка по сравнению с порошковым бетоном с 30% молотого мрамора и мелкозернистым бетоном Ц:П=1:3. Результаты подтвердили изложенную в работе гипотезу о том, что бетоны, в которых заряд поверхности пор и капилляров сильно сдвинут в отрицательную область, подвержены более глубокому насыщению материала водой. Об этом свидетельствуют результаты по изменению массы образцов при испытаниях на морозостойкость. Предложено использовать полученные данные в качестве теоретической основы для подбора рациональных составов бетонов повышенной морозостойкости, как мелкозернистых, так и порошковых.
Ключевые слова: электроповерхностные свойства, порошковый бетон, минеральный наполнитель, морозостойкость.
Работа выполнена в рамках реализации Программы развития опорного университета на базе БГТУ им. В.Г. Шухова.
Для цитирования: Рахимбаев Ш.М., Толыпина Н.М., Косинова А.А., Хахалева Е.Н. Влияние электроповерхностных свойств минерального наполнителя на морозостойкость порошковых бетонов // Строительные материалы. 2019. № 10. С. 12-15. 00!: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-775-10-12-15
Sh.M. RAKHIMBAEV1, Doctor of Sciences (Engineering), N.M. TOLYPINA1, Doctor of Sciences (Engineering) (tolypina.n@yandex.ru); A.A. KOSINOVA2, Candidate of Sciences (Engineering), Head of Production Laboratory (krikunova-anna@bk.ru); E.N. KHAKHALEVA1, Candidate of Sciences (Engineering) (hahaleva@intbel.ru)
1 Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov(46, Kostyukova Street, Belgorod, 308012, Russian Federation)
2 "Zavod zhelezobetonnykh konstruktsii №1" OJSC (Plant of reinforced concrete structures) (5, Kommunalnaya Street, Belgorod, 308009, Russian Federation)
Influence of Electro-Surface Properties of Mineral Filler on Frost Resistance of Powder Concretes
The influence of mineral fillers with positively and negatively charged electro-surface properties on the frost resistance of powder concretes is investigated. Tests for frost resistance were carried out according to GOST 10060-2012 (5.1), the first basic method. It is established that the samples of powder concrete with 30% of ground quartz sand have the lowest frost resistance, compared with powder concrete with 30% of ground marble and fine-grained concrete C:N=1:3. The results confirmed the hypothesis stated in the paper that concretes, in which the charge of the surface of pores and capillaries is strongly shifted to the negative domain, are subjected to deeper saturation of the material with water. This is evidenced by the results of changes in the mass of samples during frost resistance tests. t is proposed to use the data obtained as a theoretical basis for the selection of rational compositions of concrete of increased frost resistance, both fine-grained and powder.
Keywords: electro-surface properties, powder concrete, mineral filler, frost resistance.
The work was carried out within the framework of the Program of development of the Flagship University on the basis of V.G. Shukhov BSTU.
For citation: Rakhimbaev Sh.M., Tolypina N.M., Kosinova A.A., Khakhaleva E.N. Influence of electro-surface properties of mineral filler on frost resistance of powder concretes. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2019. No. 10, pp. 12-15. (In Russian). DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-775-10-12-15
Известно, что электроповерхностные явления играют значительную роль в процессах твердения и коррозии строительных материалов на основе вяжущих веществ, в том числе портландцемента [1—3]. В большинстве цементных бетонов в качестве минеральных добавок, мелкого и крупного заполнителей используются материалы с активными центрами различного знака заряда и численного значения. К числу материалов с отрицательным знаком дзета-потенциала относятся кварцевый песок, гранит, кварцитопес-чаник, гидросиликаты кальция и т. п., а положительно заряженные активные центры находятся на по-
верхности частиц портландита, гидроксидов кальция и магния, гидроалюминатов кальция, оксидов железа [4—8]. Что касается карбонатов кальция, то знак заряда их активных центров зависит от условий синтеза, состава внешней среды и других факторов [9, 10].
Молекулы воды обладают слабовыраженным положительным эффективным зарядом, который сосредоточен на двух ионах водорода, входящих в их состав [11]. Из изложенного следует гипотеза, заключающаяся в том, что в процессах гидратации и коррозии, где всегда участвуют молекулы воды, большую роль играют электроповерхностные свойства твердой
a б
EJ vo О
250 200 150 100 50
A i ¡
...........L\................... i
\ i i
........7.11.................... i
Г х\ i
-200
-100 0 100 Дзета-потенциал, мВ
200
Eí vo О
60 50
40 30 20 10
.....
■■ff-\..........~t
"J?.....V""~r
-200 -100 0 100 Дзета-потенциал, мВ
Рис. 1. Электрокинетический потенциал поверхности порошков: а - кварцевый песок; б - мрамор
фазы, из которых состоит вяжущая система. В частности, при магнезиальной агрессии, носителем которой являются положительно заряженные ионы магния, частицы наполнителя и заполнителя, которые обычно несут отрицательный знак заряда, будут стимулировать продвижение фронта коррозии в глубь строительных изделий и конструкций. Этому могут способствовать и стенки пор цементного камня, в котором преобладают отрицательно заряженные гидросиликаты кальция. Если же в качестве минеральной добавки, а также мелкого и крупного заполнителей в бетонах используются положительно заряженные материалы, например известняк, доломит, мрамор, оксиды железа и т. п., интенсивность коррозионных процессов будет снижаться. При коррозии замораживания-оттаивания, которая играет особенно большую роль в суровых условиях климата, характерного для большей части РФ, а также таких стран, как Канада, Норвегия, важнейшими процессами является миграция молекул воды по порам материала.
Отсюда следует вывод, что в условиях коррозии замораживания-оттаивания при использовании в качестве тонкодисперсных минеральных добавок, а также мелкого и крупного заполнителей материалов, имеющих положительный знак дзета-потенциала, интенсивность деструктивных процессов будет снижаться, а при использовании кварцевого песка, гранита и других пород — возрастать.
При сульфатной коррозии основным агрессивным агентом является сульфат-ион, имеющий отрицательный знак заряда. В связи с этим можно предположить, что использование при этом виде коррозии в качестве минеральных компонентов материалов с отрицательным дзета-потенциалом более предпочтительно, чем с положительным зарядом.
Рис. 2. Образец состава № 2 после испытаний на морозостойкость
200
Рис. 3. Образцы составов № 1 и № 3 после 100 циклов замораживания-оттаивания
Для проверки этих гипотез были выполнены исследования, результаты которых изложены ниже.
На частицах мела содержатся как положительно, так и отрицательно заряженные активные центры, обычно с некоторым преобладанием последних. У частиц мрамора, как правило, преобладают положительно заряженные активные центры, у кварцевого песка — отрицательно заряженные. На рис. 1 приведены типичные кривые распределения частиц по величине и знаку заряда, установленные при помощи спектрометра Zetasaiser Nano ZS.
В качестве вяжущего использовали ЦЕМ I 42,5 Н ОАО «Белгородцемент», минеральных наполнителей — измельченные до удельной поверхности £уд=330 м2/кг порошки из мрамора и кварцевого песка. Количество наполнителей в составах порошковых бетонов составляло 30%. Подвижность смеси (Пк) определяли по ГОСТ 5802—86 (п. 2). Для изготовления образцов применялись формы размером 70,7x70,7x70,7 мм. Хранение контрольных образцов и определение прочности производилось в соответствии с требованиями ГОСТ 10180—2012. Свойства исследуемых составов приведены в табл. 1.
Испытания на морозостойкость проводились по ГОСТ 10060—2012 (п. 5.1), по первому базовому методу: среда насыщения — вода; среда и температура замораживания — воздушная (—18±2°C); среда и температура оттаивания — вода (20±2оС). Через каждые пять циклов попеременного замораживания и оттаивания образцы взвешивали и подвергали осмотру для
Таблица 1
Технические свойства исследуемых составов
Параметр Состав № 1 Состав № 2 Состав № 3 (контрольный)
ПЦ : мрамор молотый = 70:30% ПЦ : кв. песок молотый = 70:30% ПЦ : кв. песок = 1:3%
Рабочий состав смеси на замес объемом 1 л, г:
ЦЕМ I 42,5 Н 1260 1260 500
Мрамор молотый 540 - -
Песок кварцевый молотый - 540 -
Песок кварцевый - - 1500
Вода 556 617 359
В/Ц 0,44 0,49 0,72
Характеристики смеси:
Пк, см 12,1 11,4 10,7
Плотность смеси, кг/м3 2016 2030 2176
Коэф. выхода смеси 0,86 0,84 0,92
Свойства бетона, твердевшего 28 сут в н. у.:
Плотность, кг/м3 1973 1841 2128
Прочность при сжатии, МПа 48 90,2 20,2
Таблица 2
Результаты испытаний на морозостойкость
Состав № 1 Состав № 2 Состав № 3
Средняя потеря массы в серии основных образцов - 0,33%; Средняя потеря прочности в серии основных образцов - 21,8% Прирост массы в серии основных образцов - 0,7-1,2%; Потеря прочности в серии основных образцов после разного числа циклов замораживания и оттаивания 21-84% Средняя потеря массы в серии основных образцов - 0,13%; Средняя потеря прочности в серии основных образцов - 7%
выявления дефектов (трещин, сколов). Испытания прекращали при достижении граничных значений: уменьшение массы образца более 2%; ширина раскрытия трещин более 0,1 мм. При достижении образцом одного из указанных граничных значений образец испытывался на прочность при сжатии. Испытания проводились до достижения 100 циклов попеременного замораживания и оттаивания.
Наименьшей морозостойкостью обладают образцы порошкового бетона с 30% молотого кварцевого песка по сравнению с порошковым бетоном с 30% молотого мрамора и мелкозернистым бетоном Ц:П=1:3.
Разрушение образцов состава № 2 началось гораздо раньше, чем у двух других составов. Половина образцов выдержала 26 циклов, а оставшиеся — 78 циклов замораживания-оттаивания. Дефекты появлялись в виде трещин: на начальном этапе «волосяные», далее с разной шириной раскрытия (рис. 2).
На последних циклах замораживания и оттаивания наблюдалось отслоение в виде пластинок. Необходимо подчеркнуть, что потерь массы в процессе испытаний образцов состава № 2 не было, а наоборот, наблюдалось ее приращение. Образцы размером 7,07x7,07x7,07 см, разрушившиеся после 26 и 78 циклов, прибавляли в массе около 5 г, т. е. масса увеличивалась на 0,7—1,2%, в то время как другие составы характеризовались потерей массы.
Составы № 1 и 3 выдержали 100 циклов замораживания-оттаивания (рис. 3).
Применение в качестве микронаполнителя добавки молотого мрамора (30%) положительно влияет
на морозостойкость порошкового бетона по сравнению с добавкой такого же количества молотого кварцевого песка. Это объясняется следующим. Добавка молотого мрамора сдвигает электрокинетический потенциал поверхности капилляров цементного камня в положительную сторону, что затрудняет миграцию молекул воды в капиллярно-пористой системе при периодическом замораживании-оттаивании, так как у диполей воды преобладает положительный заряд. Молотый кварцевый песок с электроотрицательными поверхностными свойствами сдвигает заряд поверхности пор и капилляров в отрицательную область, что способствует более интенсивной миграции молекул воды и более глубокому насыщению материала водой. Об этом свидетельствуют результаты по изменению массы образцов при испытаниях на морозостойкость.
Из рабочей гипотезы авторов следует, что бетоны, в которых отрицательный электрический заряд сильно сдвинут в отрицательную область, должны обладать повышенным сродством к воде и склонностью к водонасыщению. Этот прогноз полностью подтвержден на примере состава № 2, в котором добавлен молотый кварцевый песок. Очевидно, что такими же свойствами обладают мелкозернистые бетоны с повышенным содержанием кварцевого песка. Следовательно, методика определения морозостойкости по ГОСТ 10060—2012 путем определения потерь массы может дать недостоверные результаты, так как потеря массы в результате выкрашивания углов и ребер образцов может быть в той или иной степени ком-
пенсирована накоплением воды. В связи с этим данная методика требует корректировки.
Выводы
Из приведенных данных следует, что рабочая гипотеза, выдвинутая авторами, изложенная во введении данной работы, полностью подтвердилась.
Наиболее интересным результатом, полученным при экспериментальных исследованиях, является тот факт, что порошковый бетон с добавкой молотого кварцевого песка оказался менее морозостойким, чем стандартный мелкозернистый бетон состава
Список литературы
1. Соломатов В.И. О силах взаимодействия в дисперсной цементной системе // Известия вузов. Строительство и архитектура. 1996. № 3. С. 49—52.
2. Рахимбаев Ш.М., Толыпина Н.М., Хахалева Е.Н. Влияние мелкого заполнителя из песка на эффективность действия добавок-разжижителей // Вестник СибАДИ. 2016. № 3. С. 74-79.
3. Рахимбаев Ш.М., Толыпина Н.М., Карпаче-ва Е.Н. Роль пленок, адсорбированных на поверхности частиц природного кварцевого песка, в процессах пластификации бетонных смесей // Промышленное и гражданское строительство. 2014. № 8. С. 15-18.
4. Alves J.A., Baldo J.B. The behavior of zeta potential of silica suspensions. New Journal of Glass and Ceramics. 2014. No. 4, pp. 29-37. DOI: 10.4236/njgc.2014.42004
5. Плугин А.Н. Электрогетерогенные взаимодействия при твердении цементных вяжущих. Дисс. ... д-ра хим. наук. Харьков, 1989. 282 с.
6. Ersoy B., Dikmen S., Uygunoglu T., Icduygu M.G., Kavas T., Olgun A. Effect ofmixing water types on the time-dependent zeta potential of Portland cement paste. Science and Engineering of Composite Materials. 2013. Vol. 20. Iss. 3, pp. 285-292. DOI: 10.1515/secm-2012-0099
7. Вовк А.И. Суперпластификаторы в бетоне: анализ химии процессов // Технология бетонов. 2007. № 3. С. 12-14.
8. Moulin P. Roques H. Zeta potential measurement of calcium carbonate. Journal of Colloid and Interface Science. 2003. 261. 115-126.
9. Минаков С.В. Влияние минеральных добавок на эффективность пластификаторов цементных систем. Теория и практика повышения эффективности строительных материалов. Материалы III Всероссийской конференции молодых ученых. Пенза, ПГУАС. 2008. С. 124-127.
10. Рахимбаев Ш.М., Минаков С.В. Влияние комплексных органо-минеральных добавок на свойства цементного камня // Вестник Донбасской национальной академии строительства и архитектуры. 2010. № 3 (83). С. 43-45.
11. Русанов А.И. Термодинамика поверхностных явлений. Лг.: Изд-во Ленинградского ун-та, 1960. 181 с.
Ц:П=1:3, хотя последний отличается значительной пористостью в области среднего размера пор, а также меньшей механической прочностью. Этот результат обусловлен тем, что дзета-потенциал поверхности пор и капилляров у порошкового бетона с наполнителем из молотого кварцевого песка сильнее смещается в отрицательную область, чем у бетонов с кварцевым песком состава 1:3. Изложенные данные являются теоретической основой для подбора рационального состава как мелкозернистых, так и порошковых бетонов повышенной морозостойкости.
References
1. Solomatov V.I. About interaction forces in disperse cement. Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo i arkhitektura. 1996. No. 3, pp. 49-52. (In Russian).
2. Rakhimbaev S.M., Tolypina N.M., Khakhaleva E.N. Influence of small filler from sand on efficiency of effect of additives-flux oil. Vestnik SibADI. 2016. No. 3, pp. 74-79. (In Russian).
3. Rakhimbaev S.M., Tolypina N.M., Karpacheva E.N. Role of the films adsorbed on a surface of particles of natural quartz sand in processes of plasticization of concrete mixes. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2014. No. 8, pp. 15-18. (In Russian).
4. Alves J.A., Baldo J.B. The behavior of zeta potential of silica suspensions. New Journal of Glass and Ceramics. 2014. No. 4, pp. 29-37. DOI: 10.4236/njgc.2014.42004
5. Plugin A.N. Electroheterogeneous interactions when curing cement knitting. Doc. Diss. (Chemistry). Kharkiv. 1989. 282 p. (In Ukraine).
6. Ersoy B., Dikmen S., Uygunoglu T., Icduygu M.G., Kavas T., Olgun A. Effect of mixing water types on the time-dependent zeta potential of Portland cement paste. Science and Engineering of Composite Materials. 2013. Vol. 20. Iss. 3, pp. 285-292. DOI: 10.1515/ secm-2012-0099
7. Vovk A.I. Super softeners in concrete: analysis of chemistry of processes. Tekhnologiya betonov. 2007. No. 3, pp. 12-14. (In Russian).
8. Moulin P. Roques H. Zeta potential measurement of calcium carbonate. Journal of Colloid and Interface Science. 2003. 261. 115-126.
9. Minakov S.V. Influence of mineral additives on efficiency of softeners of cement systems. Theory and practice of increase in efficiency of construction materials. Materials III All-Russian conference of young scientists. Penza. 2008, pp. 124-127. (In Russian).
10. Rakhimbaev S.M., Minakov S.V. Influence of complex organo-mineral additives on properties of a cement stone. Vestnik donbasskoi natsional'noi akademii stroitel'stva i arkhitektury. 2010. No. 3 (83), pp. 43-45. (In Ukraine).
11. Rusanov A.I. Termodinamika poverkhnostnykh yav-lenii [Thermodynamics of the superficial phenomena]. Leningrad: Publishing house Leningrad University. 1960. 181 p.
