Влияние комплексных добавок на морозостойкость портландцемента Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 666.9-4

МОРОЗОСТОЙКОСТЬ

И.В. Корчунов, Н.В. Свентская*

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20 , корп. 1 *e-mаil:s.w.nаtаli@mаil.ru

ВЛИЯНИЕ КОМПЛЕКСНЫХ ДОБАВОК НА ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА

В данной работе представлены результаты исследования морозостойкости портландцемента с комплексными добавками. В ходе работы было изучено влияние моно-добавок - формиата натрия и формиата кальция на свойства портландцемента. На основе данных исследований были оптимизированы концентрации комплексных добавок, вводимых в портландцемент на основе супер- и гипер-пластификаторов - Melment и Melflux и морозостойких добавок - формиата натрия и формиата кальция. Установлено, что составы, содержащие формиат натрия обладают повышенной прочностью и морозостойкостью, в сравнении составами на основе формиата кальция. Описаны преимущества использования комплексных добавок над моно-добавками.

Ключевые слова: пластифицирующие добавки, морозостойкие добавки, портландцемент, прочность, пористость

Современный уровень разработок в области строительных цементов позволяет при

использовании рядовых марок портландцемента путем ввода многофункциональных и комплексных добавок получать цементы со значительно улучшенными строительно-техническими

свойствами - повышенной прочностью регулируемыми сроками схватывания, повышенной морозостойкостью и другими характеристиками.

Целью настоящей работы являлось: оптимизация составов портландцемента с комплексными добавками, обладающих

повышенной прочностью и морозостойкостью.

На первом этапе работы проводили оценку эффективности введения в портландцемент монодобавок: повышающих морозостойкость -формиатов натрия и кальция и водоредуцирующих добавок - супер и гиперпластификаторов - Ме1шеП и МеШих. На втором этапе проводили оптимизацию составов цементов комплексными добавками на основе супер- и гипер-пластификаторов и морозостойких добавок.

Оценка эффективности введения

морозостойких добавок.

Как известно, формиаты натрия и кальция являются ускорителями схватывания и твердения, принцип их действия заключается в интенсификации процесса гидратации цемента с образованием гелей, которые захватывают в свои ячейки большое количество жидкой фазы, тем самым ускоряя процесс схватывания и последующий набор прочности цементного камня [1].

Формиат кальция, имеет одноименный с вяжущими веществами кальций-ион. Согласно современной теории гидратации цемента, образующиеся в результате протонирования связи Са-0 основных клинкерных минераллов ионами Н+, ионы Са2+, обладают большой подвижностью и способны образовывать при взаимодействии с анионом ОН- ранее продиссоциированной воды портландит (Са(0Н)2). Увеличение содержания в растворе ионов Са2+ повышает растворимость вяжущих веществ и ускоряет темп набора прочности преимущественно в начальный момент времени,

интенсифицируя образование зародышей новой фазы. На рис. 1 представлены данные по прочности цементного камня в присутствии добавок формиата натрия и кальция. Установлено, что прочность модифицированных составов, твердевших при нормальных условиях на 28 сутки на 18 и 40 % (формиат кальция и формиат натрия) выше, чем у бездобавочного портландцемента.

свойства

цемента

Рис.1. - Механические с морозостойкими добавками.

1 - прочность на изгиб (2% ФК); 2 - прочность при сжатии (2% ФК); 3 - прочность на изгиб (1% ФН); 4 -прочность при сжатии (1% ФН); 5 - прочность на изгиб (Б/Д); 6 - прочность при сжатии (Б/Д).

Добавка формиат натрия относится ко второму типу добавок - ускорителей схватывания. Его действие основано на быстром образовании с основными клинкерными минералами труднорастворимых комплексных солей, а так же в присутствии гидроксида кальция образуется щелочь [2]: 3СаОА12О3 + пСа(ОН)2 + 2пЫаООСН + тН2О = 3СаОА12О3пСа(ООСН)2тН2О + 2пШОН

В результате реакции присоединения составляющих цемента и добавок второго класса наблюдается уплотнение структуры и улучшение прочностных характеристик цемента. Это, главным образом, обусловлено быстрым образованием первичного каркаса из двойных солей гидратов и гидроксосолей, на котором впоследствии

выкристаллизовываются гидросиликаты кальция, образуя плотную структуру повышенной прочности и отличающейся наименьшей пористостью.

Водоредуцирующие добавки. Стремясь улучшить прочностные характеристики в ходе работы использовались добавки супер- и

гиперпластификаторы - Ме1шеП и МеШих. Известно, что до 25% воды затворения вступает в химическую реакцию с цементом, примерно столько же находится в физически связанном состоянии с цементом. Оставшаяся вода необходима для обеспечения удобоукладываемости смеси. Эффективность действия добавок-

суперпластификаторов обусловлена снижением водоцементного отношения на 30-40% при сохранении подвижности цементного теста. Уменьшение количества воды затворения способствует формированию структуры с наименьшим количеством пор.

Адсорбируясь на частицах цемента, молекулы пластификатора, представляющие собой анионактивные вещества с большим количеством полярных групп, образуют мономолекулярный слой, увеличивая отрицательный заряд поверхности частицы (электростотический эффект).

Наибольшее водоредуцирующее действие гиперпластификаторов объясняется совокупным действием вышеописанного электростатического и стрерического эффекта отталкивания, возникающего при помощи боковых гиброфобных полиэфирных цепей молекулы поликарбоксилата, которые мешают сближению частиц цемента.

На рисунке 2 представлены данные по прочности цементного камня в присутствии добавок супер- и гиперпластификаторов. Из рисунка видно, что прочность пластифицированных составов, твердевших при нормальных условиях на 28 сутки на 35 - 60 % (Ме1шеШ;Р10 - МеШих 2651Б) больше чем у бездобавочного портландцемента.

1 2 3 4 5 6 Рис.2. - Механические свойства цемента с добавками

- ускорителями твердения. 1 - прочность на изгиб (0,5% СП); 2 - прочность при сжатии (0,5% СП); 3 - прочность на изгиб (0,5% ГП ); 4 -прочность при сжатии (0,5% ГП ); 5 - прочность на изгиб (Б/Д); 6 - прочность при сжатии (Б/Д).

Это может быть объяснено тем, что образовавшийся вокруг поверхности цементной частицы адсорбционный слой добавки, водопроницаем. Таким образом, дефлокулирующие действие

пластификаторов обеспечивает больший контакт цементных частиц и воды, ввиду чего процесс гидратации проходит наиболее полно и в более короткие сроки.

Рациональность использования комплексных модифицирующих добавок с целью повышения морозостойкости портландцемента. Анализируя результаты полученных данных, возник интерес к разработке состава, способного быстро набирать свою прочность (как формиаты) при условии высокой и конечной прочности (как в случае пластификаторов). Кроме того, разрабатываемые составы должны обладать повышенной морозостойкостью. Морозостойкость цемента - это способность сохранять прочность и

работоспособность при действии попеременного замораживания и оттаивания в насыщенном состоянии [1]. Испытание морозостойкости составов проводили в 5%-ом растворе №С1 (1 цикл: замораживание Т=-18 °С в течении 2 час и оттаивания Т=20 °С в течении 2 час). Образцы испытывали на прочность после 20 и 30 циклов попеременного замораживания и оттаивания, что соответствует классам по морозостойкости Б150 и Б200.

Результаты исследований морозостойкости показали, что при использовании комплекса формиата натрия (1%) и МеШих, удалось достигнуть повышения прочностных характеристик на 15%, в сравнении с остальными составами, для которых данный показатель колеблется от 9 до 10%. При этом, цемент с комплексной добавкой при сохранении пластифицированной смесью

повышенной подвижности в начальный момент гидратации, сумел сократить сроки схватывания, одновременно улучшая прочностные

характеристики на начальном этапе твердения.

Известно, что объем, занимаемый льдом на 9 % больше объема воды. Из-за этого при замерзании цементного камня и превращения свободной воды в его составе в лед, возникают растягивающие напряжения, воздействующие на стенки пор и постепенно расшатывающих его структуру. Помимо условно замкнутых пор в структуре цемента присутствуют капиллярные поры (от 1 до 10 мкм), в которых так же присутствует химически несвязанная вода. Согласно гипотезе Т. Пауэрса, из-за отсутствия необходимого места, вода, находящаяся в таких порах, как правило, не может полностью превратиться в лед и поэтому передает давление льда на стенки пор.

Чтобы ущерб от расклинивающего давления льда был минимален, рационально использовать составы с необходимым количеством замкнутых пор, в которые будет оттесняться "избыточная" вода, без нарушений структуры цемента. По большей части этот эффект достигается путем введения воздухововлекающих добавок. В случае использования добавок формиатов натрия и кальция, во многом повышение морозостойкости связано со снижением открытой (внешней) пористости, что подтверждается полученными экспериментальными

данными. Цементные балочки оттаивали при комнатной температуре в растворе хлорида натрия, стоит отметить, что в результате ускоренного таяния льда при контакте с раствором КаС1, поглощается большое количество теплоты (около 334Дж/г) и температура резко понижается. Данный эффект вызывает растягивающие напряжения в цементном камне. Диффузия раствора соли в структуру цемента через открытые поры приводит к возникновению градиента ее концентрации, что так же повышает напряжения, и приводит к формированию дефектов в поверхностном слое - шелушение и отслаивание поверхностного слоя. Подробнее зависимость коэффициента морозостойкости, Кя, показывающего отношение прочности образцов, подвергшихся циклическому замораживанию - оттаиванию к прочности образцов, насыщенных раствором №С1 от пористости представлено в табл. 1.

Установлено, что формиат кальция способствует улучшению прочностных характеристик

преимущественно в начальный момент времени. В то время как составы, содержащие формиат натрия,

отличаются лучшей марочной прочностью, пониженной пористостью и лучшей морозостойкостью. Преимущество

модифицированных составов над бездобавочным цементом очевидно, так как после 30 циклов попеременного заморажива-ния-оттаивания в соляном растворе, К бездобавочного цемента равен 0,62, что на 15% ниже допустимой нормы, так же образцы потеряли до 7,5% по массе, что так же больше нормы (5%).

Таким образом, в работе изучено влияние введения в портландцемент моно-добавок и комплексных добавок на основе пластифицирующих добавок и морозостойких добавок. Показано, что наиболее высокими значениями коэффициента морозостойкости обладают моно-добавки формиата натрия в количестве 1%, & равен 0,98 и 0,88 соответственно 20 и 30 циклов замораживания и оттаивания, а также комплексные добавки на основе формиата натрия (1%) и гиперпластификатора МеШих (0,5%): К равен 0,93 и 0,85 соответственно 20 и 30 циклов замораживания и оттаивания.

Таблица 1. Зависимость коэфф. морозостойкости от пористости.

Состав Открытая пористость, % Коэффициент морозостойкости

20 циклов 30 циклов

Портландцемент Б/Д 7.0 0.82 0.62

Портландцемент+ФН (1%) 3.0 0.98 0.88

Портландцемент + ФН(1%) + СП(0,5%) 3.0 0.85 0.87

Портландцемент + ФН(1%) + ГП(0,5%) 5.0 0.93 0.85

Портландцемент + ФК (2%) 3.0 0.97 0.85

Портландцемент + ФК (2%) + СП(0,5%) 3.0 0.81 0.80

Портландцемент + ФК (2%)+ ГП(0,5%) 6.0 0.93 0.79

Корчунов Иван Васильевич студент кафедры химической технологии композиционных и вяжущих материалов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Свентская Наталья Валерьевна к.т.н., ассистент кафедры химической технологии композиционных и вяжущих материалов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Литература

1. Ружинский С.И., «Противоморозные добавки» □ 2003 г. Харьков

2. Дворкин Л.И. Дворкин О.Л., «Морозостойкость бетона» - статья, 2005.

КотсЬмпоу ¡уап УаяНуеужЬ*, $уеМ$кауа Nаtаlyа Уа1егуеупа** D.I. MendeleevUniversity оГ СЬешюа1 ТесЬпо1о§у оГ Мо8со-^

* e-шаП: [email protected].** e-шаП: s.w.nаtа1i@,mаi1.ru■

THE EFFECT OF COMPLEX SUPPLEMENTS ON THE FROST RESISTENCE

Abstract. In this work resu1ts of research of frost resistance of a cement with comp1ex additives are presented. During The influence of mono-additives - a formiat of sodium and a formiat of ca1cium on properties of a cement has been studied. On the basis of these researches concentration of the comp1ex additives entered into a cement on the basis of super - and hyper-softeners - me1ment and me1f1ux and frost-resistant additives - a formiat of sodium and a formiat of ca1cium have been optimized. It is estab1ished that the structures containing formiat of sodium have the increased durabi1ity and frost resistance. in comparison by structures on the basis of a formiat of ca1cium. Advantages of use of comp1ex additives over mono-additives are described.

Keywords: the p1asticizing additives. frost-resistant additives, a portlandteement, durability, porosity.