CC BY
8
УДК 666.9-4
Колмогоров А.Ю., Корчунов И.В., Потапова Е.Н.
ВЛИЯНИЕ МИНЕРАЛЬНЫХ ДОБАВОК НА МОРОЗОСТОЙКОСТЬ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ
Колмогоров Андрей Юрьевич, магистр 1-го года обучения кафедры композиционных и вяжущих материалов; f.kolmogorov-5@yandex.ru.
Корчунов Иван Васильевич, ассистент кафедры; Потапова Екатерина Николаевна, д.т.н., профессор кафедры;
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, ул. Героев Панфиловцев, дом 20.
В статье показаны результаты исследований прочностных характеристик составов цемента с добавлением различных минеральных добавок (известняк, доломитовый отсев), в комбинации с химическими добавками, такими как: гиперпластификатор и воздухововлекающий агент. Доказано, что увеличением дисперсности применяемых минеральных добавок, возможно добиться замещение доли клинкера в цементе до 20 % без ухудшения прочностных характеристик. Более того, полученные составы обладают повышенной морозостойкостью. В ходе исследования также установлена корреляция между значениями открытой пористости и морозостойкостью материала.
Ключевые слова: портландцемент, минеральные добавки, гиперпластификатор, доломит, известняк, морозостойкость, пористость
THE EFFECT OF MINERAL ADDITIVES ON THE FROST RESISTANCE OF HARDENED CEMENT
Kolmogorov A.Y., Korchunov I. V., Potapova E.N.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
The article considers the results of studies of the strength characteristics of cement compositions with the addition of various mineral additives (limestone, dolomite), in combination with chemical additives such as: hyperplasticizer and air entrapping agent. It is proved that by increasing the dispersion of the mineral additives used, it is possible to achieve a replacement of the clinker fraction in cement up to 20% without deterioration of strength characteristics. Moreover, the resulting compositions have increased frost resistance. The study also established a correlation between the values of open porosity and frost resistance of the material.
Key words: portland cement, mineral additives, hyperplasticizer, dolomite, limestone, frost resistance, porosity
Введение
Научно-технический прогресс не стоит на месте, вместе с ним делает шаги вперед и мировая экономика, что позволяет открыть новые горизонты в различных сферах человеческой деятельности. Для человека открываются все новые и новые возможности, которые требуют в первую очередь, различные ресурсы, способные удовлетворить потребности бурно развивающейся
промышленности. Однако, развитие практически любых элементов инфраструктуры, связанных со строительством, зачастую осложняется
экстремальными климатическими условиями. Такие условия требует разработки материалов, которые по своим характеристикам будут оптимальны для сложных, из-за холода, климатических условий. Более того, интенсивные темпы строительства создают дефицит клинкера в регионах активной застройки. Поэтому, получение бетонов на основе добавочных цементов, приспособленных к условиям перепада температур через границу в 0оС является актуальной технологической задачей, призванной как сократить расход клинкера при производстве 1 т цемента, так и с целью придания специальных свойств материалу.
В данной работе проводилось исследование механизмов действия карбонатных добавок на свойства цемента, что представляет не только научный, но и практический интерес, позволяя в значительной степени нивелировать экологический ущерб окружающей среде вследствие уменьшения показателя клинкер-фактора.
Экспериментальная часть
В данной работе проводится изучение влияния доломита и известняка в портландцементе на прочностные характеристики камня, а также на морозостойкость и пористость исследуемых образцов. На основе предыдущих исследований, было установлено, что оптимальным содержанием добавки является 20 % по массе цемента [1].
При определении прочностных характеристик портландцемента ПЦ 500-Д0-Н (ООО "ХайдельбергЦементРус (п.Новогуровский)") с добавлением доломитового отсева Скрипкинского месторождения различных фракций в присутствии химических модификаторов, было доказано, что оптимальной степенью измельчения используемой добавки является Sуд=4000 см2/г. При введении же известняка (г.Липецк), было установлено, что наилучшими характеристиками на 28 сутки твердения обладает состав с известняком с Sуд= 4000 см2/г. Полученные данные представлены на рис. 1.
-О-ф! -Щ-Ф2 —Д—ФЗ -О-БД
О Ф1 -И-Ф2 -Д-ФЗ -О-БД
3 сут 7 сут 14 сут 28 сут Время твердения, сут
3 сут 7 сут 14 сут 28 сут Время твердения, сут
Рис. 1 Влияние содержание вида и удельной поверхности минеральной добавки на прочность при сжатии для фракций добавки Ф1 = 2000 см2/г; Ф2 = 3000 см2/г; Ф3 = 4000 см2/г; а) - доломит; б) - известняк
Зачастую, высокоразвитая удельная поверхность, как минеральной добавки, так и самого клинкера оказывает двойственное влияние на свойства цементного камня. За счет мелких частиц кальцита структура уплотняется, а степень гидратации может увеличиваться и, таким образом, ожидается, что свойства материала будут улучшаться. Кристаллы карбонатов могут служить подложкой для кристаллизации гидросиликатов кальция различного состава ввиду своей кристаллической многогранности. Однако значительное увеличение удельной поверхности, может спровоцировать увеличение и водопотребности смеси, отражающееся, впоследствии, на пористости материала. Известно [2], что определенное количество сферических замкнутых пор воспринимается как благоприятная особенность структуры в контексте повышения ее морозостойкости. Однако, повышенная пористость, безусловно, будет способствовать ухудшению, как прочности, так и морозостойкости материала. Суммарный объем H2O, примерно на 9% меньше, чем у такого же количества замерзшей воды. Поэтому при замерзании воды в структуре цементного камня, при превращении ее в лед, появляются растягивающие напряжения,
воздействующие на стенки пор и постепенно расшатывающих его структуру. Путем введения воздухововлекающей и пластифицирующией добавок. В нашем случае это Glenium Air 125 и Glenium ACE 430, соответственно. Добавки
вводилась с водой затворения в количестве 0,5 масс. %.
Ввиду того, что испытания морозостойкости велось по [3], предусматривающем проведение циклов замораживания и оттаивания образцов в насыщенном состоянии в 5 % растворе NaCl, чрезвычайно важно, чтобы открытая пористость образца (в отличии от общей пористости) была минимальна. Полученные гидростатическим
взвешиванием данные открытой образцов представлены на рис.2. 12%
пористости
к
Н 10% £
и 8%
ь
f 6% н
| 4%
и S
а- 2%
О
и
0%
Известняк I Доломитовый отсев
2200
3000
4000
Значение удельной поверхности см2/г
Рис. 2 Влияние вида и тонкости дисперсности минеральной добавки на открытую пористость в составах
Влияние добавок в составе с добавлением тонкомолотых минеральных добавок, на параметры пористой структуры цементного камня объясняется благоприятным изменением процессов твердения вяжущего. Наибольшая открытая пористость у составов с самым низким коэффициентом морозостойкости - составы с Sуд=2200 см2/г. Аналогично у составов с самым высоким коэффициентом морозостойкости. В ходе исследования было установлено, что открытая пористость с увеличением дисперсности добавки сокращается и составляет 2 % и 4 % для известняка и доломита, соответственно, при Sуд=4000 см2/г. Полученные данные хорошо коррелируют с результатами определения морозостойкости (табл.1), где представлены значения коэффициентов морозостойкости (отношение средней прочности образцов после наложения циклов к прочности контрольных).
Таблица 1 Экспериментальные значения коэффициента морозостойкости
Цемент: ПЦ 500-Д0-Н
Бездобавочный состав К8(изг) К^(сж)
Коэф. морозостойкости: 0,91 0,89
Добавки: Известняк Доломит
Коэф. морозостойкости: К5(изг) К^(сж) К5(изг) К^(сж)
Буд = 2000 г/см2 0,87 0,90 0,85 0,89
Буд = 3000 г/см2 0,90 0,94 0,86 0,91
Буд = 4000 г/см2 0,97 0,99 0,90 0,96
Образцы всех составов показали положительные результаты при их испытании после 30 циклов попеременного замораживания и оттаивания. Наибольшие потери по прочности составляют 15% по отношению к контрольным образцам состава доломитом с содержанием 20 % доломитового отсева с Sуд=2200 см2/г (максимально допустимые потери -15 %). Потери по массе образцов - балочек так же соответствуют нормам и находятся в интервале от 0 до 1,3%. Таким образом, можно утверждать, что удельная поверхность используемых добавок влияет на морозостойкость добавочного цемента. Мелкодисперсные микронаполнители способствуют формированию плотной структуры, за счет влияния на гидратацию цемента. Более того, в зернах наполнителей могут локализоваться напряжения, возникающие при испытании образцов на прочность, что повышает данный показатель у добавочных цементов. Безусловно, содержание самой добавки также важно, и требует точного соблюдения соотношений компонентов в зависимости от условий эксплуатации конкретного состава. Введение карбонатных добавок свыше 20 % от массы цемента может привести к значительному снижению прочностных характеристик.
Выводы
Данные минеральные добавки при добавлении гиперпластификатора и воздухововлекающего так же улучшают показатели при испытаниях на морозостойкость. Добавление гиперпластификатора позволило существенно снизить водопотребность
цементного теста, что является необходимым, т.к. мы используем минеральную добавку с высоким показателем площади удельной поверхности, а для ее смачивания требуется большое количество воды, по сравнению с добавками, имеющими другие показатели Sуд. В свою очередь воздухововлекающее действует как ПАВ и увеличивает количество пузырьков воздуха в полученном составе. Таким образом образуется дополнительное пространство внутри структуры бетона, в котором расширяется замерзающая вода. Это позволяет предотвратить повышение внутреннего давления, которое отвечает за образование трещин при низких температурах. Равномерное распределение пор с воздухом по всему объему бетона повышает его морозостойкость. Отмечается закономерность между результатами экспериментов на морозостойкость и на определение открытой пористости. Чем выше открытая пористость, тем ниже коэффициент
морозостойкости.
Список литературы
1. Потапова Е. Н., Корчунов И. В. Изменение структуры цементного камня под действием отрицательных температур// Техника и технология силикатов. 2020, № 2. - С.45-52.
2. Моргун А. Н. Морозостойкость бетона, способы ее повышения 5с Яаше8Ь М., Azenha М.,
3. ГОСТ 10060.0-95 Бетоны. Методы определения морозостойкости. Общие требования. М.: Изд-во стандартов. 1997. 13 с.
