CC BY
69
УДК 666.94.052.6
НИЗИНА ТАТЬЯНА АНАТОЛЬЕВНА, докт. техн. наук, профессор, советник РААСН, nizinata@yandex. ru
БАЛБАЛИН АЛЕКСЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ, аспирант,
06.89@mail.ru
Мордовский государственный университет,
430005, г. Саранск, ул. Большевистская, 68
ВЛИЯНИЕ МИНЕРАЛЬНЫХ ДОБАВОК НА РЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИТОВ
В статье рассматривается влияние минеральных добавок (микрокремнезем, метакаолин) на реологические и прочностные характеристики цементных композитов. На основе экспериментальных исследований приводится анализ изменения упругопрочностных показателей (нормальная густота, плотность, предел прочности) цементного теста.
Ключевые слова: нормальная густота; плотность; предел прочности; цементные композиты; минеральные добавки; микрокремнезем; метакаолин; суперпластификатор .
NIZINA, TATIANA ANATOLYEVNA, Dr. of tech. sc., prof.,
the adviser of the Russian Academy of Architecture and Building Sciences,
nizinata@yandex. ru
BALBALIN, ALEKSEY VLADIMIROVICH, P.G.,
06.89@mail.ru Mordovian State University,
68 Bolshevistskaya st., Saransk, 430005, Russia
INFLUENCE OF MINERAL ADDITIVES ON RHEOLOGICAL AND STRENGTH CHARACTERISTICS OF CEMENT COMPOSITES
The article considers the influence of mineral additives (microsilica, metakaolin) on the Theological and strength characteristics of cement composites. On the basis of experimental research the analysis of changes in the elastic-strength parameters (normal thickness, density, tensile strength) of cement paste are given.
Keywords: normal thickness; density; tensile strength; cement composites; mineral additives; microsilica; metakaolin; super-plasticizer.
Современная технология производства бетона предлагает широкое использование разнообразных добавок для направленного изменения его свойств и экономии основных ресурсов [1].
Минеральные добавки (МД) представляют собой порошки различной минеральной природы, получаемые на основе природных материалов и техногенного сырья, нерастворимые в воде и являющиеся тонкодисперсной составляющей твердой фазы цементных растворов или бетонов [2].
© Т.А. Низина, А.В. Балбалин, 2012
Использование активных минеральных добавок в производстве бетона, смесей и растворов различного назначения неминуемо сопряжено с необходимостью применения высокоэффективных добавок для регулирования реологических свойств бетонных смесей и растворов (пластификаторов) в связи с высокой тонкостью помола МД и, соответственно, развитой поверхностью зерен минерального порошка. Наибольшей эффективностью среди таких добавок обладают суперпластификаторы на поликарбоксилатной основе.
Целью нашего исследования является изучение влияния 4 видов минеральных добавок на упругопрочностные характеристики цементных композитов. В качестве объекта исследования был выбран цемент марки ПЦ 500-ДО производства ОАО «Мордовский цементный завод» и минеральные наполнители метакаолин и микрокремнезем трех видов - Братский, Новокузнецкий уплотненный и Новокузнецкий неуплотненный.
Исследуемые добавки относятся к группе пуццолановых модификаторов, используются в высокоподвижных (самонивелирующихся) сухих смесях для снижения расхода вяжущего, а также для стабилизации смеси и предотвращения водоотделения и высолообразования.
Микрокремнезем (МК) - отход производства кремнийсодержащих сплавов, состоящий из сферических частиц размером 0,01-0,1 мкм и содержащий до 95 % чистого аморфного кремнезема, способного активно реагировать с известью, выделяемой портландцементом при его гидратации с образованием нерастворимых в воде вяжущих. Высокоактивный метакаолин (ВМК) - это искусственный экологически чистый материал, продукт дегидратации каолиновой глины (природного гидроалюмосиликата А12О38Ю2Н2О). ВМК представляет собой порошок от белого до серовато-бежевого или розового цветов со средним размером частиц 1-5 мкм. По своей химической природе ВМК существенно отличается от МК, представляя собой смесь аморфного кремнезема и глинозема практически в равных количествах. Частицы ВМК имеют пластинчатую форму, что обусловливает при указанном размере частиц высокую удельную поверхность, достигающую 30 м2/г [3].
Для обеспечения необходимых реологических свойств в состав вводился высококачественный пластификатор для строительных материалов на основе цементных вяжущих - МеШих 1641 Б (МБ 1641).
Проведенный анализ результатов исследований показал, что введение в состав цементных композиций минеральных добавок, обладающих достаточно высокой удельной поверхностью, приводит к значительному повышению водопотребности (рис. 1), что наиболее ярко проявляется для составов, содержащих Новокузнецкий уплотненный или Братский микрокремнезем. При условии обеспечения равноподвижности исследуемых составов В/Ц отношение для композитов с максимальным (15 % от массы цемента) содержанием данных добавок без пластификатора достигает соответственно 0,34 и 0,39.
Введение эффективного поликарбоксилатного пластификатора МеШих 1641 Б в количестве 0,4-0,8 % от массы связующего позволяет снизить водопо-требность наполненных МД составов на 40 % по отношению к составам без МД.
Анализ изменения нормальной густоты цементного теста в присутствии минеральных добавок показал, что введение до 10 % Новокузнецкого неуплот-
ненного микрокремнезема при содержании от 0,3 до 0,7 % пластификатора не приводит к повышению водопотребности (рис. 1, а). Для составов с другими видами исследуемых минеральных добавок наибольший расход воды для получения равноподвижных систем зафиксирован при их максимальном содержании.
а б
“г4'
=2 2^
Ч N
і —
24' —
>4-
—26- |2£ — ■2 Ч-п
:.е Ж
* н 3
3 б 9 12 15
Хі - содержание микрокремнезема (Новокузнецкий неуплотненный), % от массы цемента
■ й --И— іг
її 12 8_
—( \г
128
± 24 —1 / і 2 Л
І- іі I-
Т - Ет" ь- ~ \
N
■0.2 &
) 3 6 9 12 15
Хі - содержание микрокремнезема (Новокузнецкий уплотненный), % от массы цемента
і:
1
м
-----------;
ZZZ^±.ZZt.
Ш
428-
А
/
™ §
св &1 я
'0 4 н 3
\ Щ 4г
✓
г
р
,/ г
— ■ 1
- / \
/ Г /
/ 1 2
т /
А Г
р / -п
/
/
н 3
Хі - содержание микрокремнезема (Братск), % от массы цемента
Хі - содержание метакаолина, % от массы цемента
Рис. 1. Изолинии изменения нормальной густоты цементных композитов с минеральными добавками:
а - микрокремнезем Новокузнецкий неуплотненный; б - микрокремнезем Новокузнецкий уплотненный; в - микрокремнезем Братский; г - метакаолин
Наибольший эффект от введения пластификатора для составов с микрокремнеземом Новокузнецким неуплотненным наблюдается (в зависимости от расхода добавки) в интервале от 0,25-0,4 до 0,65-0,75 % от массы вяжущего (рис. 1, а). В случае использования уплотненного микрокремнезема этого же производителя добиться необходимой реологии смеси при содержании добавки более 8 % возможно при введении не менее 0,5 % пластификатора (рис. 1, б).
в
г
Несмотря на высокие абсолютные значения водопотребности для составов с Братским микрокремнеземом, обладающим значительной удельной поверхностью, введение суперпластификатора позволяет получить хороший водоредуцирующий эффект (рис. 1, в). Введение пластификатора в системы, содержащие метакаолин, также приводит к значительному уменьшению водопотребности (рис. 1, г).
Как следствие, повышенная водопотребность составов без пластификаторов с высоким содержанием минеральных добавок ведет к падению плотности и прочности цементного камня (рис. 2, 3).
а б
Хі - содержание микрокремнезема (Новокузнецкий неуплотненный), % от массы цемента
Хі - содержание микрокремнезема (Новокузнецкий уплотненный), % от массы цемента
Хі - содержание микрокремнезема (Братск), % от массы цемента
Хі - содержание метакаолина, % от массы цемента
Рис. 2. Изолинии изменения плотности (28 сут.) цементных композитов с минеральными добавками:
а - микрокремнезем Новокузнецкий неуплотненный; б - микрокремнезем Новокузнецкий уплотненный; в - микрокремнезем Братский; г - метакаолин
в
г
н З
Хі - содержание микрокремнезема (Новокузнецкий неуплотненный), % от массы цемента
Хі - содержание микрокремнезема (Новокузнецкий уплотненный), % от массы цемента
б
а
/
У / /
/
/ 60 /
/ /
1 /
■7( /
/
ьи V
\
\
\
V
■80
\ \
□ 3 6 9 12 15
Хі - содержание микрокремнезема (Братск),
% от массы цемента
в
г
0 1 2 3 4 5
Хі - содержание метакаолина,
% от массы цемента
Рис. 3. Изолинии изменения предела прочности при сжатии (28 сут.) цементных композитов с минеральными добавками:
а - микрокремнезем Новокузнецкий неуплотненный; б - микрокремнезем Новокузнецкий уплотненный; в - микрокремнезем Братский; г - метакаолин
Наиболее оптимальные составы по прочностным показателям зафиксированы при введении от 6 до 15 % микрокремнезема Новокузнецкого неуплотненного и содержании пластификатора 0,4-0,6 % от массы цемента (рис. 3, а). Использование в качестве минеральных добавок Новокузнецкого уплотненного (рис. 3, б) и Братского (рис. 3, в) микрокремнеземов не позволило в исследуемых диапазонах получить составы, не уступающие контрольному немодифицированному по прочности. Наилучший результат получен для композитов с содержанием метакаолина 2-4,5 % и пластификатора -0,2-0,6 % от массы цемента. Для данного наполнителя предел прочности при сжатии в зоне оптимума превышает 90 МПа (рис. 3, г).
Выводы
Для различных видов строительных работ требуются бетоны и цементные растворы, отвечающие различным, порой специфическим, требованиям по прочности, водонепроницаемости, стойкости к действию агрессивных сред и т. п. Разнообразить номенклатуру выпускаемых бетонов и растворов помогают многочисленные добавки, позволяющие достигать требуемых характеристик составов с одновременным снижением расхода цемента.
Неотъемлемым компонентом строительной смеси являются минеральные добавки, без применения которых, как правило, невозможно достижение заданного уровня ее свойств. МД, позволяющие повысить плотность и прочность, и, как следствие, морозостойкость и коррозионную стойкость цементных композитов, являются наиболее перспективными.
В результате экспериментальных исследований разработаны полифунк-циональные модификаторы на основе минеральных добавок и поликарбокси-латного пластификатора Melflux 1641 F. Исследовано влияние минеральных добавок на реологические и упругопрочностные характеристики цементных композитов. Проведенная на основе полученных результатов оптимизация позволила разработать составы вяжущих различного функционального назначения на основе цемента марки ПЦ 500-ДО производства ОАО «Мордовский цементный завод» с учетом снижения расхода дорогого импортного пластификатора Melflux 1641 F при обеспечении необходимого уровня технологических и эксплуатационных характеристик.
Библиографический список
1. Батраков, В.Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика / В.Г. Батраков. -2-е изд., перераб. и доп. - М., 1998. - 768 с.
2. Тараканов, О.В. Применение комплекса минеральных добавок в составе органоминеральных модификаторов бетона [Электронный ресурс] / О.В. Тараканов, Е.О. Тараканова // СтройПрОфИль. - 2009. - № 8 (78) - Условия доступа :
http:// stroyprofile. com/ archive/3810
3. Caladrone, M.A. High Reactivity Metakaolin: A. New Generation of Mineral Admixture. Concrete International / M.A. Caladrone, K.A. Gruber, R.G. Burg // Now. - 1994. - Vol. 16. -№ 11. - P. 32-40.
