CC BY
1Технические науки. Строительство и архитектура
Научная статья УДК 691.32:691.54
ГРНТИ: 67 Строительство и архитектура ВАК: 2.1.5. Строительные материалы и изделия БОТ 10.51608/26867818 2023 4 58
ВЛИЯНИЕ КАРБАМИД-СОДЕРЖАЩИХ ДОБАВОК НА ПРОЧНОСТЬ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ1
© Авторы 2023 SPIN: 4265-7935 ORCID 0000-0002-8520-4453 ResearcherlD: ААВ-3899-2021 Scopus ID: 57076182100
ИЛЬИНА Лилия Владимировна
доктор технических наук, профессор Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Россия, Новосибирск, e-mail: nsklika@mail. ru)
SPIN: 4888-2644 БЕРДОВ Геннадий Ильич
Scopus ID: 6602628852 доктор технических наук, профессор
Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Россия, Новосибирск, e-mail: stf@sibstrinl. ru)
ДЬЯКОВА Ксения Сергеевна
аспирант, кафедра строительных материалов, стандартизации и сертификации
Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Россия, Новосибирск)
КОЗОРЕЗ Дмитрий Иванович
магистрант
Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Россия, Новосибирск)
Аннотация. Рассмотрена возможность применения карбамид-содержащей добавки для упрочнения цементных конгломератов. Наибольшее увеличение прочности цементного камня получено при добавлении карбамида в количестве 1 % мас. от портландцемента. Прочность при этом увеличивается на 33,7 - 56,8 % в зависимости от срока твердения. Необходимо отметить большее ускорение набора прочности цементным камнем в ранние сроки твердения, чем в стандартном возрасте.
Ключевые слова: карбамид; цемент; строительные материалы; гидросиликаты кальция; портландит; повышение прочности
Для цитирования: Влияние карбамид-содержащих добавок на прочность цементного камня / Л.В. Ильина, Г.И. Бердов, К.С. Дьякова, Д.И. Козорез // Эксперт: теория и практика. 2023. № 4 (23). С. 58-61. ^ 10.51608/26867818 2023 4 58
1 Работа представлялась в виде устного доклада на Международной научно-практической конференции «Новые прогрессивные рецептурно-технологические решения в строительном материаловедении» (18-21 июля 2023 г., Новосибирск).
ЭКСПЕРТ:
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2023. № 4 (23)
EXPERT: THEORY AND PRACTICE
Original article
EFFECT OF CARBAMIDE-CONTAINING ADDITIVES ON CEMENT STONE STRENGTH
© The Author(s) 2023 ILINA Liliia Vladimirovna
doctor of technical sciences, professor
Novosibirsk state University of architecture and civil engineering (Russia, Novosibirsk, e-mail: nsklika@mail.ru)
BERDOV Gennadii Ilich
Applicant
doctor of technical sciences, professor
Novosibirsk state University of architecture and civil engineering (Russia, Novosibirsk, e-mail: stf@sibstrinl.ru)
DYAKOVA Ksenia Sergeevna
PhD Candidate
Novosibirsk state University of architecture and civil engineering (Russia, Novosibirsk)
KOZOREZ Dmitry Ivanovich
master's student
Novosibirsk state University of architecture and civil engineering (Russia, Novosibirsk)
Abstract. The article considers the possibility of using a carbamide-containing additive to strengthen cement conglomerates. The greatest increase in the strength of cement stone was obtained by adding carbamide in an amount of 1% wt. to Portland cement. At the same time, the strength increases by 33.7-56.8%, depending on the hardening period. It is necessary to note a greater acceleration of the strength gain of the cement stone in the early stages of hardening than at a standard age. Keywords: carbamide; cement; calcium hydrosilicates; portlandite; strength enhancement
For citation: Effect of carbamide-containing additives on cement stone strength / L.V. Ilyina, G.I. Berdov, K.S. Dyakova, D.I. Kozorez // Expert: Theory and Practice. 2023. No. 4 (23). Pp. 58-61. doi 10.51608/26867818_2023_4_58
Введение
Как известно, карбамид (КН2)2СО может использоваться в составе противоморозных добавок как самостоятельно, так и совместно с нитрит-нитратом кальция и нитрат-нитрид-хлоридом кальция. В качестве противоморозной добавки мочевина успешно используется в районах с относительно мягким климатом, при котором температура бетона обычно бывает не ниже минус 10 оС. Карбамид пластифицирует бетонную смесь и обусловливает при твердении бетона стабильный темп образования цементного камня [1-2].
При использовании мочевины совместно с нитрит-нитратом кальция и нитрат-нитрид-хлоридом кальция при твердении бетона в температурном интервале от минус 11 до минус 16 оС рекомендуемое количество таких добавок составляет 15 - 18 % от массы воды затворения. При этом отношение количества мочевины к остальным компонентам добавки составляет по массе (по сухому веществу) 1:1. Это соответствует молярному отношению 3:1, то
есть по количеству молей вещества в растворе мочевина превышает остальные компоненты добавки в 3 раза. Добавки, содержащие карбамид, рекомендуется применять практически при любых конструкциях бетонных изделий и условиях эксплуатации [1].
При одинаковой степени гидратации алита в портландцементе прочность цементного камня при введении добавок, содержащих карбамид существенно выше, чем у образцов без добавок. Так при степени гидратации 40 % она составляет соответственно 15 и 5 МПа. В работе [1] это связывают с образованием при введении добавок первичного структурного каркаса, образуемого гидросиликатами кальция.
Следует отметить, как указано в работе [1], что использование добавок, содержащих мочевину, обеспечивает более высокую морозостойкость, чем при введении добавки без мочевины.
Ульянов А.В. и др. отмечают, что с увеличением количества карбамида порядок реакции изменяется с
Технические науки. Строительство и архитектура
2 при содержании его 4,5 % до 2,7 при содержании 6 %. При этом характерно изменение энергии активации реакции. При содержании добавки 3; 4,5 и 6 % она составляет соответственно 70; 80 и 100-160 кДж/моль. Таким образом, с увеличением содержания добавки карбамида повышается энергия активации СО2 [3].
Однако физико-химическая природа действия добавки на упрочнение камня изучена недостаточно.
Материалы и методы
В качестве вяжущего в работе использовался портландцементбез минеральных добавок типа ЦЕМ 0, класса по прочности 42,5, нормально твердеющий производства АО «Искитимцемент» (Новосибирская область, г. Искитим).
Химический состав портландцементного клинкера указан в таблице 1. Техническая характеристика приведена в таблице 2.
Таблица 1 - Химический состав
SiO2 AI2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 Na2O + 0,658 K2O Cl- Нераство римый остаток
20,20 4,86 4,02 64,22 1,69 2,71 0,76 0,01 0,37
Таблица 2. Техническая характеристика
№ п/п Наименование показателя Требуемое значение Фактическое значение
1 Тонкость помола, % не нормируется 3,0
2 Удельная поверхность, м2/кг не нормируется 356
3 Сроки схватывания: начало, мин конец, мин не ранее 60 не нормируется 190 230
4 Равномерность изменения объема не более 10 0,1
5 Нормальная густота, % не нормируется 25,00
6 Предел прочности на изгиб: - в возрасте 2 суток, МПа - в возрасте 28 суток, МПа не нормируется не нормируется 4,4 8,2
7 Предел прочности на сжатие: - после ТВО, МПа - в возрасте 2 суток, МПа - в возрасте 28 суток, МПа более 30,0 не менее 10,0 от 42,5 до 62,5 41,5 23,7 51,3
Таблица 3. Влияние добавки карбамида на свойства цементного камня
Количество добавки, % Прочность (МПа) в возрасте, суток
ТВО 3 7 14 28
0 50,8 36,7 42,8 50,6 61,4
0,5 61,7 53,9 61,5 68,9 77,0
0,75 62,3 55,9 68,3 69,2 80,5
1,0 58,7 54,5 67,1 74,2 82,1
1,5 48,1 49,7 58,6 66,8 73,7
2,0 48,8 49,9 58,8 66,7 73,0
3,0 48,2 46,7 58,8 63,8 71,4
Анализ экспериментальных данных показал, что введение карбамида позволяет значительно повысить прочность цементного камня. Наибольшее увеличение прочности получено при добавлении карбамида в количестве 1 % мас. от портландцемента. Прочность при этом увеличивается на 33,7 - 56,8 % в зависимости от срока твердения. Необходимо отметить большее ускорение набора прочности цементным камнем в ранние сроки твердения, чем в стандартном возрасте. Это может быть обусловлено следующим.
При гидратационном твердении цемента величайшую роль играет взаимодействие с водой трехкальциевого силиката (алита) 3СаО-БЮ2. Его содержание в портландцементе составляет 50 - 65 % мас.
Взаимодействие 3СаО-БЮ2 с водой протекает по реакции [4]:
3СаО-БЮ2 + (п+1)Н2О = 2СаО^Ю2пШО + Са(ОН)2 (1)
Образующийся гидроксид кальция является сильным основанием. Он будет вступать в реакцию с карбамидом вытесняя ЫН Са(ОН)2 + КН2СОКН2 ^ СаСОэ + 2КНэ + Н2О (2)
Проведем термодинамический анализ взаимодействия Са(ОН)2 и (КН2)2СОс образованием СаСОэ. Свойства участвующих в реакции (2) соединений приведены в таблице 3.
Изменение их в результате реакции определено как разность суммарной величины продуктов реакции к исходному веществу. Например, для энергии Гиббса [6-7].
Результаты (эксперимент) Карбамид (КН2)2СО вводили в количестве от 0,5 до 3 % от массы цемента совместно с водой затворения (табл.3). Из цементного теста стандартной консистенции формовали образцы кубики с ребром 20 мм, которые твердели как в условиях тепловлажностной обработки, так и в нормальных условиях в течение 3, 7, 14 и 28 суток.
Его введение позволяет значительно повысить прочность цементного камня. Оптимальная добавка составляет 0,5-1,0 %.
дСреак = 2дСпрод — £дСисх (3)
Определение изменения термодинамических свойств в результате реакции (6) составляет для энтальпии дНреак = -66 кДж, для энергии Гиббса дСреак = -150,48 кДж, энтропии д8реак = 224,06 Дж/(мольК).
Таким образом, рассматриваемая реакцию (6) термодинамически возможна (дв=-150,48 кДж), экзотермична (дНреак = -66 кДж) и сопровождается значительным увеличением энтропии (д8реак = 224,06 Дж/(мольК) вследствие выделения газа (Кй).
ЭКСПЕРТ:
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2023. № 4 (23)
EXPERT: THEORY AND PRACTICE
Таблица 3. Свойства соединений [5]
Свойства Ca(OH)2, портландит (NH2)2C0, карбамид СаСОэ карбонат кальция NH3, аммиак
Молярная масса, г 74,08 60,05 100,09 17,03
Плотность, г/см3 2,24 1,33 2,73 0,771 г/л
Растворимость (в 100 г воды) 0,16 104,7 0 52,6
8°, стандартная молярная энтропия, Дж/(мольК) 76,1 173,04 88,7 192,6
дН0, стандартная молярная энтальпия, Дж/моль -986,6 -319,2 1207,0 -46,1
дв0, стандартная молярная энергия Гиббса, Дж/моль -806,8 -203,84 -1127,7 -16,71
Рассмотрим изменение объема твердой фазы системы. Молярная масса Са(ОН)2 равна 74,8 г, плотность составляет 2,24 г/см3, то есть молярный объем равен 33,07 см3. Молярная масса образующегося СаСОэ равна 100,09 г, плотность составляет 2,71 г/см3, то есть молярный объем составляет 36,93 см3. Карбамид находится в растворе. КНэ выделяется в виде газа. В результате реакции (2) объем твердой фазы в расчете на 1 моль Са(ОН)2 уменьшается на 3,86 см3, то есть на 11,7 %. Это может привести к появлению внутренних напряжений сжатия на поверхности пор, т. е. происходит своего рода «подпрессовка», что приводит к увеличению прочности цементного камня
Выводы
Таким образом, карбамид-содержащие добавки приводят к существенному повышению прочности цементной матрицы искусственных цементных конгломератов. В результате взаимодействия портландита с карбамидом объем твердой фазы в расчете на 1 моль Са(ОН)2 уменьшается на 11,7 %.
Это может привести к появлению внутренних напряжений сжатия на поверхности пор, т. е. происходит своего рода «подпрессовка», что приводит к увеличению прочности цементной матрицы.
Библиографический список
1. Добавки в бетон. Справочное пособие / В.С. Рамачандран [и др.] Под ред. B.C. Рамачандрана. Перевод с англ. Т.И. Розенберг и С.А. Болдырева. Под ред. А.С. Болдырева и В.Б. Ратинова. - М.: Стройиздат, 1988. - 575 с.
2. Журавлев, В. А. Химическая добавка к бетонам на основе карбамида / В. А. Журавлев, Т. В. Мурашкина, Н. В. Гилязидинова // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2005. - № 6(51). - С. 88-89. - EDN PXYUYD.
3. Термодесорбционное масс-спектрометрическое исследование процессов разложения карбамида в бетоне / А. В. Ульянов, И. С. Гончарова, А. К. Буряк [и др.] // Сорбционные и хроматографические процессы. - 2014. - Т. 14, № 1.
- С. 121-128. - EDN SCCBKV.
4. Строительные материалы: учеб. для вузов по строит. спец. / В. Г. Микульский, В. Н. Куприянов, Г.П. Сахаров [и др.]; Под общ. ред. В.Г. Микульского. - 2-е изд., доп. и перераб. - М.: Изд-во АСВ, 2000. - 534 с.
5. Краткий химический справочник / В. А. Рабинович, З.Я. Хавин. - Л. - Химия. 1978. - 392 стр.
6. Основы строительной химии : учебное пособие для бакалавриата по направлению 270800 "Строительство" / Г. И. Бердов, В. Н. Зырянова, Э. А. Кучерова [и др.] ; Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова. - Якутск : Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова, 2014. - 168 с. - ISBN 978-5-75131941-0. - EDN TOKKNX.
7. Межфазное взаимодействие и механическая прочность композиционных вяжущих материалов часть 2. Цементные материалы / Г. И. Бердов, В. Н. Зырянова, Л. В. Ильина [и др.] // Техника и технология силикатов. - 2014. - Т. 21, № 4. - С. 2-8.
- EDN TBJBUT.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации.
Статья поступила в редакцию 11.08.2023; одобрена после рецензирования 27.10.2023; принята к публикации 27.10.2023.
The authors declare no conflicts of interests. The authors made an equivalent contribution to the preparation of the publication.
The article was submitted 11.08.2023; approved after reviewing 27.10.2023; accepted for publication 27.10.2023.
