CC BY
180
УДК 666.942.82
О. А. Голубева*, Е. Н. Потапова
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20, корп. 1, стр. 4 * e-mail: [email protected]
ВЛИЯНИЕ МЕТАКАОЛИНА НА СВОЙСТВА БЕЛОГО ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА
Изучено влияние вида и содержания активной минеральной добавки метакаолина на свойства цементного теста и цементного камня белого портландцемента: изучены прочностные характеристики, пористость, и морозостойкость цементного камня белого портландцемента с метакаолином.
Ключевые слова: метакаолин; белый портландцемент; пуццолановые реакции; повышение долговечности.
Современное промышленное, гражданское и индивидуальное строительство характеризуется высокими требованиями к дизайну, как отделки всех интерьеров, так и внешнему архитектурному оформлению зданий, сооружений и строительных комплексов. Решение этой важнейшей проблемы строительства возможно только при использовании эффективных отделочных строительных материалов, которые должны обладать необходимым комплексом строительно-технических и декоративных свойств. Применяемые для этих целей декоративные строительные материалы должны отвечать жестким требованиям к прочности, атмосферо-коррозионной и морозостойкости. Во многих странах растет потребление белого портландцемента. Поэтому необходимость расширения производства и повышения качества белого портландцемента очевидна.
В условиях рыночной экономики остро встает проблема выпуска высокосортного белого портландцемента на основе ресурсосберегающей технологии, отвечающего жестким требованиям к строительно-техническим свойствам, в том числе высокие требования предъявляются к белизне цементного камня, рыночной цене и конкурентоспособности. Из недостатков белого портландцемента следует отметить низкую морозо- и коррозионную стойкость, что обуславливает недолговечность изделий из него.
Учитывая то, что свойства цементного камня предопределяются характеристиками его структуры, решение проблемы увеличения срока службы бетонных сооружений будет зависеть от возможности повышения качества цементного камня за счет введения различных добавок.
В последние годы в качестве высокоэффективной пуццолановой добавки все большую популярность в мире получает метакаолин (МК). Применение МК позволяет замещать часть портландцемента в составе бетона без ущерба для его свойств
MK обычно содержит 50...55 % SiO2 и 40...45 % AhOз [1]. По размеру частицы метакаолина, как правило, составляют от 0,5 до 5 микрон в диаметре
- на порядок меньше, чем размер цементного зерна и на порядок больше, чем частицы микрокремнезема. MK имеет белый цвет, что делает его более привлекательным при использовании с белым цементом, т. к. при этом не происходит снижение белизны цемента.
Метакаолин получают путем термообработки каолина, одного из самых богатых природных минералов. Каолин - это слоистый силикат, состоящий из чередующихся слоев диоксида кремния и оксида алюминия в тетраэдрической и октаэдрической координации (рис. 1).
^ Кремний J Алюминий
00
Л Кислород ** г-
J Водород
• • • •
*
1» J j 4 -»J 4
п
Рис. 1. Структура каолина
Каолинит - минералогический термин для гидратированного алюминийдисиликата,
AhSi2O5(OH)4, основной составляющей каолина (40...70 %). Другие минералы в составе каолина -кварц, калиевая слюда и рутил.
При нормальных условиях окружающей среды, каолин является достаточно стабильным. Однако, при нагревании до температуры 650.. .900 Х, каолин теряет 14 % своей массы в связанных гидроксильных ионах. При термической обработке, или прокаливании, разрушается структура каолина, что приводит к потере дальнего порядка в структуре [2].
2SЮ2•AЪ0з•2H2O = 2SЮ2•AЪOз + 2H2O (1)
Результатом дегидроксилирования является метакаолин.
Исходный каолин не реагирует с новообразованиями цементного камня и является пассивным заполнителем, снижающим прочностные характеристики. Метакаолин же способен вступать во взаимодействие с
портландитом, образовывая нерастворимые низкоосновные гидроалюмосиликаты кальция: Al2Si2O7 + Са(ОН)2 ^ С^-Н, С4АН13, С3АН6, C2ASH8 (2)
МК будет улучшать свойства растворов и бетонов. Мелкие частицы, которые могут помещаться между цементными зернами, придают составу пастообразную структуру, которая в свою очередь уменьшает водоотделение и приводит к более однородной микроструктуре. МК при введении его в цемент повышает прочность и долговечность, пуццолановые реакции ускоряют процессы гидратации в портландцементе. Кроме того, частичная замена цемента метакаолином в цементном растворе и бетоне снижает объем пор, что способствует повышению морозостойкости и водостойкости [3]. Поэтому исследования, направленные изучение влияния метакаолина на свойства цементного камня в процессе твердения являются актуальными.
Целью данной работы является разработка составов белого портландцемента с метакаолином.
В качестве исходного материала был выбран белый портландцемент ОАО «Щуровский цемент» (Холсим), в качестве активной минеральной добавки (АМД) - высокоактивный метакаолин (МК) и метакаолин модифицированный (МКМ), предоставленные компанией ООО МетаРус.
Было исследовано 9 составов белого портландцемента. Метакаолин вводили в количестве от 3 до 10 % (табл. 1).
Определена нормальная густота
бездобавочного цементного теста белого портландцемента: НГ = 33,0 %. При введении метакаолина в количестве 3 % происходит увеличение нормальной густоты до 34,0 % (см. табл. 1). Дальнейшее введение добавки в количестве до 10 % приводит к увеличению на 0,5 % соответственно количества воды, необходимой для обеспечения удобоукладываемости цементного теста, так как ультрадисперсный размер частиц метакаолина обуславливает его высокую водопотребность.
При введении в бездобавочный цемент модифицированного метакаолина в количестве 3 % НГ повышается до 33,5 %, однако при
увеличении количества вводимого
модифицированного метакаолина до 10 % наблюдается уменьшение нормальной густоты до 32,0 %.
При добавлении МК сроки схватывания цементного теста удлиняются, а в присутствии ММК несколько сокращаются (см. табл. 1).
Таблица 1
Нормальная густота и сроки схватывания цементного теста белого портландцемента_
№ п/п Добавка к цементу, % Нормальная густота, % Сроки схватывания, ч - мин
МК ММК начало конец
1 Бездобавочный белый, БД 33,0 0:55 1:30
2 3 - 34,0 1:20 2:05
3 5 - 34,5 1:35 2:30
4 7 - 35,0 1:45 2:50
5 10 - 35,0 1:50 2:55
6 - 3 33,5 1:15 1:55
7 - 5 33,0 1:05 1:40
8 - 7 32,5 0:50 1:15
9 - 10 32,0 0:45 1:10
Основываясь на том, что низкая водопотребность положительно влияет на прочностные характеристики цементного камня, полученные результаты позволяют предположить, что образцы из составов с МК будут иметь прочностные характеристики ниже, чем образцы составов с ММК, а состав № 9 должен характеризоваться самой высокой прочностью.
Для испытания на прочность готовили образцы - балочки 1 х1х3 см, которые твердели 1 -28 сут в воздушно-влажных условиях. Для белого портландцемента характерен спад прочности при изгибе и при сжатии в возрасте 7 сут, что можно объяснить перекристаллизацией алюминатных фаз, и рост прочности образцов цементного камня к 28 сут твердения. Прочность бездобавочного цементного камня в возрасте 1 сут при изгибе составляет 7,2 МПа, при сжатии - 34,6 МПа (рис. 2). Среди составов с немодифицированным МК наибольшую прочность при изгибе и при сжатии на всем периоде твердения так же показали образцы с содержанием МК 10%.
12 15 18 Время, сут
а
12 15 18 Время, сут
21 24 27
б
Рис. 2. Кинетика набора прочности цементного камня с немодифицированным метакаолином: а - при изгибе; б - при сжатии
б
Рис. 3. Кинетика набора прочности цементного камня с модифицированным метакаолином: а - при изгибе; б - при сжатии
Лучшие прочностные характеристики во все сроки твердения характерны для состава белого портландцемента с содержанием ММК в количестве 10% (рис. 3). Данные, полученные при испытаниях образцов - балочек на прочность подтверждают предположения, основанные на результатах, полученных при определении свойств цементного теста.
Определена пористость цементного камня, твердевшего 28 сут. Пористость образца цементного камня без добавок составила 7,1 см3/г (рис. 4). При введении МК в количестве до 10 % значение пористости плавно увеличивается до 9,5 см3/г (рис. 4-а). Это объясняется тем, что водоцементное отношение является по существу решающим фактором в регулировании пористости цемента. Вся излишняя вода, вводимая в цемент в силу необходимости получения
удобоукладываемой бетонной смеси, создает пористую структуру цементного камня. При введении в бездобавочный белый портландцемент
ММК в количестве 10 % значение пористости снижается до минимального - 5,3 см3/г (рис. 4-б), что меньше пористости, бездобавочного цементного камня.
Полученные результаты по пористости хорошо согласуются с прочностными характеристиками.
Исследована морозостойкость образцов цементного камня составов из белого портландцемента с метакаолином (рис. 5). Применялся ускоренный метод определения морозостойкости при многократном
замораживании оттаивании. Всего было проведено 20 циклов замораживания-оттаивания, что соответствуют марке морозостойкости Г 150.
Потеря прочности образцов цементного камня без добавок составили 17 % (рис. 5). При введении метакаолина в количестве 10 % значение потери прочности уменьшилось всего на 1 % и составило 16 % (рис. 5-а).
а б
Рис. 4. Изменение пористости образцов цементного камня (составы - по табл. 1): а - с немодифицированным метакаолином; б - с модифицированным метакаолином
а б
Рис. 5. Потери прочности образцов цементного камня (составы - по табл. 1): а - с немодифицированным метакаолином; б - с модифицированным метакаолином
Введение модифицированного метакаолина привело к снижению потери прочности на 5 %, что является существенным, т. к по ГОСТ 10060-2012 потери прочности не должны превышать 15 %. Самыми морозостойкими из испытываемых оказались образцы цементного камня с содержанием 10 %, ММК, их потеря прочности составила всего 12 % (рис 5-б).
Таким образом, проведенные исследования позволяют сделать следующий вывод: замена 10 % белого портландцемента метакаолином
приводит к значительному улучшению строительно - технических характеристик белого цемента, а, следовательно, повышает его долговечность. Изучение влияния добавок метакаолина показало, что для улучшения свойств с белым портландцементом целесообразно применять модифицированный метакаолин. Лучшие результаты при испытаниях соответствовали образцам с содержанием метакаолина в количестве 10 %.
Голубева Ольга Анатольевна студент кафедры химической технологии композиционных и вяжущих материалов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Потапова Екатерина Николаевна д.т.н., профессор кафедры химической технологии композиционных и вяжущих материалов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Kostuch JA, Walters V, Jones TR. High performance concretes incorporating metakaolin: a review. In: Dhir RK, Jones MR, editors // Concrete 2000. London, UK: E&FN Spon. - 1993. - Р. 1799-1811.
2. Михайлюта Е.С., Алексеев Е.В., Коледа В.В., Шевченко Т.А. Особенности формирования фазового состава метакаолинов и его влияние на их свойства // Цемент и его применение. - 2012. №9. - С. 66-71.
3. Стеенберг М., Херфорт Д., Поульсен С., Скибстед Й., Дамтофт Й. Композиционный цемент на основе портландцемента, известняка и прокаленной глины // Цемент и его применение. - 2012. №9. - С. 44-49.
Golubeva Olga Anatolyevna*, Potapova Ekaterina Nikolaevna
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: olga [email protected]
THE INFLUENCE OF METAKAOLIN ON PROPERTIES OF WHITE CEMENT
Abstract
The influence of the form and content of the active mineral additives metakaolin on properties of cement paste and cement paste of white Portland cement: strength characteristics studied, porosity, and frost white portland cement paste with metakaolin.
Key words: metakaolin; white cement; pozzolanic reaction; increase durability.
