Влияние минералогического состава цемента при его активации на физико-технические свойства тяжелого бетона Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 666.972.1

С.И. ПИМЕНОВ, инженер (3.14manon@mail.ru),

Р.А. ИБРАГИМОВ, канд. техн. наук (rusmag007@yandex.com)

Казанский государственный архитектурно-строительный университет (420043, г. Казань, ул. Зеленая, 1)

Влияние минералогического состава цемента при его активации на физико-технические свойства тяжелого бетона

С целью интенсификации твердения цементных композиций в современных исследованиях все чаще находят применение различные способы активаций вяжущего. Механохимическая активация цемента в водной среде является одним из эффективных способов активации вяжущего, совершенствование которого является актуальной задачей. В работе приведены результаты исследования влияния минералогического состава портландцемента, подверженного механохимической активации в водной среде в роторно-пульсационном аппарате, на физико-технические свойства тяжелого бетона. Установлено, что применение портландцементов разных производств не влияет на технологические свойства бетонной смеси, полученной из активированной цементной суспензии, но влияет на кинетику твердения тяжелого бетона с получением более высокой ранней прочности при применении портландцемента, содержащего повышенное количество алюминатной фазы.

Ключевые слова: механохимическая активация, портландцемент со шлаком, суперпластификатор, добавка на поликарбоксилатной основе.

Для цитирования: Пименов С.И., Ибрагимов Р.А. Влияние минералогического состава цемента при его активации на физико-технические свойства тяжелого бетона // Строительные материалы. 2017. № 8. С. 64-67.

S.I. PIMENOV, Engineer (3.14manon@mail.ru), R.A. IBRAGIMOV, Candidate of Sciences (Engineering) (rusmag007@yandex.com) Kazan State University of Architecture and Engineering (1, Zelenaya Street, Kazan, 420043, Russian Federation)

Influence of Mineralogical Composition of Cement When Activating It on Physical-Technical Properties of Heavy Concrete

To intensify the hardening of cement compositions, various methods for activation of a binder are increasingly used in modern investigations. The mechanical-chemical activation of cement in the water media is one of efficient methods for activating the binder and its improvement is an actual task. The article presents the results of the study of influence of the mineralogical composition of Portland cement, subjected to the mechanical-chemical activation in the water media in the rotary-pulsed apparatus, on the physical-technical properties of heavy concrete. It is established that the use of Portland cements of different productions does not influence on the technological properties of the concrete mix produced from the activated cement suspension, but influences on the kinetics of hardening of heavy concrete when using the Portland cement containing the increased amount of the aluminate phase.

Keywords: mechano-chemical activation, Portland cement with sludge, superplasticizer, additive on polycarboxylate base.

For citation: Pimenov S.I., Ibragimov R.A. Influence of mineralogical composition of cement when activating it on physical-technical properties of heavy concrete. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 8, pp. 64-67. (In Russian).

В современном монолитном строительстве высотных зданий, зданий повышенной этажности, а также при часто происходящих случаях срывов срока строительства важно применять бетоны с высокой ранней прочностью, позволяющие значительно сокращать продолжительность их выдерживания в опалубке [1, 2].

С целью интенсификации гидратации цемента и ускорения твердения цементного камня еще в середине прошлого века ученые интенсивно исследовали различные способы активации вяжущего, отличающиеся природой воздействия — химической, физической и механической. В современных исследованиях все чаще находят применение комбинации данных способов активаций: физико-химический, механо-физический, механохимический, а также физико-ме-ханохимический [3—6] и др.

Механохимическая активация (МХА) является одним из эффективных способов активации вяжущего, который позволяет интенсифицировать процесс гидратации цемента путем сокращения индукционного периода и поддержания высокой концентрации продуктов гидратации в растворе до завершения процесса кристаллизации [7, 8].

Необходимо отметить преимущества в продолжительности и энергетической эффективности механо-химической активации цемента в водной среде по сравнению с активацией в сухой среде [9, 10], несмот-

ря на проблемность и сложность изучения процессов гидратации цемента, так как эти процессы начинают протекать одновременно с диспергацией цементной суспензии, находясь в динамическом состоянии. В связи с этим влияние механохимической активации цементной суспензии на структурообразование и твердение цементного камня является до сих пор недостаточно изученным вопросом. Остаются нераскрытыми вопросы влияния минералогического состава вяжущего, а также влияние химической основы супер-пластифицирующих добавок, с которыми производится МХА цементной суспензии, на эффективность диспергирования и физико-механические свойства твердеющих цементных композиции.

В связи с этим целью настоящего исследования является изучение влияния минералогического состава вяжущего на технологические свойства бетонной смеси и физико-механические свойства тяжелого бетона, полученных МХА цементной суспензии.

Для приготовления бетонной смеси использовали следующие материалы.

Портландцементы со шлаком марки ЦЕМ 11/А-Ш 32,5Н (ОАО «Вольскцемент» Саратовской обл. и ЗАО «Улья-новскцемент» г. Ульяновска), отвечающие требованиям ГОСТ 31108—2016. Химический и минералогический состав портландцементов приведен в табл. 1 и 2 соответственно.

Вид Химический состав, %

портландцемента SiO2 AI2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 Щелочи CaOCB

Вольский 22,55 4,75 4,7 65,04 1,73 0,21 0,62 0,16

Ульяновский 22,1 5 9 64 0,92 0,94 1,01 0,27

Таблица 2

Вид портландцемента Содержание основных минералов, % Содержание добавок, %

C3S C2S C3A C4AF Гранул. доменный шлак SO3

Вольский 57 21 4,6 14 8 2,2

Ульяновский 54 20 11 12 9,2 2,8

Выбор портландцемента средней марки со шлаком обусловлен его высокой эффективностью использования для МХА в водной среде [5, 11], а также необходимостью развития природоохранных технологий [12, 13].

В качестве мелкого заполнителя при изготовлении экспериментальных образцов использовался песок Камско-Устьинского месторождения, удовлетворяющий требованиям ГОСТ 8736—2014, с модулем крупности 2,7.

В качестве крупного заполнителя при изготовлении образцов использовался гранитный щебень Уральского месторождения фракции 5—20 мм.

В качестве суперпластифицирующей добавки была выбрана добавка на поликарбоксилатной основе — Remicrete SP60 (производство Schomburg). В современных исследованиях применение суперпласти-фицирующей добавки на поликарбоксилатной основе в комплексе с различными органическими или минеральными добавками обеспечивает получение высокопрочных и высококачественных бетонов [2, 8, 14, 15].

Диспергацию и активацию цементной суспензии проводили в роторно-пульсационном аппарате (РПА), выпускаемом по ТУ 5132—001—70447062, с частотой вращения ротора 2900 об/мин, при этом энергонапряженность рабочей зоны составила не менее 20 кВт/м3.

Для исследования были выбраны следующие составы тяжелого бетона (с описанием особенностей приготовления бетонной смеси):

1 — контрольный состав (приготовленный без добавки и без активации цементной суспензии путем обычного перемешивания расчетного количества портланд-

Таблица 1 цемента, мелкого и крупного заполнителя, воды);

2-е механоактивацией цементной суспензии (предварительно 50% расчетного количества портландцемента перемешивалось с расчетным количеством воды затворения, затем полученную суспензию загружали в бункер РПА и подвергали циклической обработке в течение 2 мин; после обработки суспензия выгружалась и перемешивалась с крупным и мелким заполнителем и оставшейся частью портландцемента до получения бетонной смеси в течение 5 мин);

3 — с добавкой Remicrete SP60 (обычное перемешивание всех необходимых компонентов бетонной смеси с введением добавки в количестве 1% от массы портландцемента с водой затворения);

4 — c МХА цементной суспензии (предварительно 50% расчетного количества портландцемента перемешивалось с расчетным количеством воды затворения, содержащей добавку Remicrete SP60 в количестве 1% от массы портландцемента; затем полученную суспензию загружали в бункер РПА и подвергали циклической обработке в течение 2 мин; после обработки суспензия выгружалась и перемешивалась с крупным и мелким заполнителями и оставшейся частью портландцемента до получения бетонной смеси в течение 5 мин).

Количество исходных компонентов бетонной смеси применялось следующее: портландцемент — 490 кг/м3, песок — 595 кг/м3; щебень — 1140 кг/м3. Количество воды затворения применялось для получения одинаковой подвижности бетонных смесей марки П2 (ОК=7—9 см). Бетонные смеси приготавливались как на цементе Ульяновского завода, так и на цементе Вольского завода.

Технологические свойства бетонной смеси определялись в соответствии с ГОСТ 10181—2014 «Смеси бетонные. Методы испытаний».

Предел прочности при сжатии бетонных образцов производились на образцах 10x10x10 см по методике ГОСТ 10180—2012 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам».

Показатель pH жидкой фазы цементной суспензии определялся с помощью рН-метра Testo 206-pH1.

На рис. 1, 2 приведены результаты исследования влияния МХА цементной суспензии на сохраняемость подвижности бетонной смеси.

12 3 4

12 3 4

Я

12 3 4

30 60

Время определения, мин

12 3 4

90

Рис.

ского

1. Изменение подвижности бетонной смеси на цементе Ульянов-

завода: 1-4 - составы бетонной смеси

if'

о

О

1 2 3

J щ

4 1 2 3 4 1 2 3 4 112 3 4

30 60

Время определения, мин

90

Рис. 2. Изменение подвижности бетонной смеси на цементе Вольского завода: 1-4 - составы бетонной смеси

9

7

5

' js "L 'Г' научно-технический и производственный журнал

Ш, Г=РИШ ® август 2017 65

Таблица 3

Состав В/Ц Плотность бетонной смеси, кг/м3 Воздухосодержание бетонной смеси, % Температура бетонной смеси, оС рн Предел прочности при сжатии, МПа, в возрасте

1 сут 3 сут 28 сут

1 0,42 0,41 2389 2395 1,05 1,34 21,6 21,7 11,57 11,37 7,1 6,24 19,57 16,49 40,53 42,85

2 0,42 0,41 2424 2438 0,94 0,79 22.7 22.8 12,05 11,72 13,76 10,83 29,01 24,15 46,15 45,07

3 0,3 2476 2474 0,69 0,85 22 21,5 11,74 11,52 12,32 9,87 31,89 30,95 57,55 59,6

4 0,3 0,29 2472 2481 0,7 0,65 23,5 23,4 11,89 11,75 19,62 15,11 45,01 34,77 65,72 63,45

Примечание. Над чертой приведено среднее значение показателя на цементе Ульяновского завода; под чертой - Вольского завода.

Измерения проводились сразу и через 30, 60 и 90 мин после приготовления бетонной смеси. По данным рис. 1, 2 видно, что подвижность бетонной смеси составов 1, 2 через 90 мин после приготовления бетонных смесей снижается на 85—92%, примерно одинаково на обоих видах цемента. Подвижность смесей составов 3, 4 изменяется медленнее и через 90 мин после приготовления бетонных смесей снижается на 60—70%.

В табл. 3 приведены некоторые технологические свойства бетонной смеси исследуемых составов при применении двух видов портландцемента, а также пределы прочности при сжатии твердеющего тяжелого бетона.

По анализу данных рис. 1, 2 и табл. 3 можно отметить, что применение портландцементов разных производств (Ульяновского и Вольского заводов) одного типа не влияет на технологические свойства бетонной смеси, полученной МХА цементной суспензии, однако влияет на кинетику твердения тяжелого бетона с получением более высокой ранней прочности бетона при применении цемента Ульяновского завода, отличающегося повышенным содержанием алюминатной фазы. При этом

Список литературы

1. Сленьков В.А., Минаков Ю.А., Кононова О.В., Анисимов С.Н., Смирнов А.О., Лешканов А.Ю. Эффективность применения пластифицирующих добавок в производстве тяжелого бетона // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 2. С. 244.

2. Кирсанова А.А., Крамар Л.Я. Органоминеральные модификаторы на основе метакаолина для цементных бетонов // Строительные материалы. 2013. № 11. С. 54-56.

3. Селяев В.П, Низина Т.А., Балбалин А.В. Анализ влияния механоактивации на свойства цементных смесей с полифункциональными добавками // Вестник ВРО РААСН. 2014. Вып. 17. С. 203-208.

4. Ибрагимов Р.А., Изотов В.С. Влияние механохими-ческой активации вяжущего на физико-механические свойства тяжелого бетона // Строительные материалы. 2015. № 5. С. 17-19.

5. Гусев Б.В., Ин И.Л.С., Кривобородов Ю.Р. Активация твердения шлакопортландцемента // Технологии бетонов. 2012. № 7-8 (72-73). С. 21-24.

6. Кривобородов Ю.Р., Ясько Д.А. Активация цемента для улучшения свойств бетона // Новая наука: Проблемы и перспективы. 2015. № 3. С. 105-108.

7. Ibragimov R.A., Pimenov S.I., Kiyamov I.K., Mingazov R.H., Kiyamova L.I. Comparison of the effect of superplasticizing admixtures on the processes of cement hydration during mechanochemical activation // Eastern-

увеличивается предел прочности при сжатии тяжелого бетона в возрасте 1 сут в 2,77 раза, в возрасте 3 сут — в 2,3 раза по сравнению с контрольным составом. На портландцементе Вольского завода предел прочности при сжатии тяжелого бетона увеличивается в возрасте 1 сут в 2,42 раза, в возрасте 3 сут — в 2,1 раза по сравнению с контрольным составом.

Выводы.

Для получения бетонов с высокой ранней прочностью при применении МХА цементной суспензии целесообразнее и эффективнее применять портландце-менты с повышенным содержанием трехкальциевого алюмината, например портландцемент Ульяновского завода. Значительное повышение предела прочности при сжатии тяжелого бетона путем МХА цементной суспензии с суперпластифицирующей добавкой обусловлено диспергирующим воздействием на цементную суспензию, приводящим к уплотнению пор и капилляров в цементном камне, обусловливающих образование более однородной и плотной структуры твердеющего бетона.

References

1. Slen'kov V.A., Minakov Yu.A., Kononova O.V., Anisimov S.N., Smirnov A.O., Leshkanov A.Yu. The effectiveness of the use of plasticizing additives in the production of heavy concrete. Sovremennye problemy nauki i obra-zovaniya. 2015. No. 2, p. 244. (In Russian).

2. Kirsanova A.A., Kramar L.Ya. Organomineral modifiers on the basis of meta-kaolin for cement concretes. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2013. No. 11, pp. 54-56. (In Russian).

3. Selyaev V.P, Nizina T.A., Balbalin A.V. Analysis of the influence mechanical activation on the properties of cement mixtures with multifunctional additives. Vestnik VRO RAASN. 2014. Vol. 17, pp. 203-208. (In Russian).

4. Ibragimov R.A., Izotov V.S. Influence of mechanical-chemical activation of a binder on physical-chemical properties of heavy-weight concrete. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2015. No. 5, pp. 17-19. (In Russian).

5. Gusev B.V., In I.L.S., Krivoborodov Yu.R. Activation of slag Portland cement hardening. Tekhnologii betonov. 2012. No. 7-8 (72-73), pp. 21-24. (In Russian).

6. Krivoborodov Yu.R., Yas'ko D.A. Activation of cement to improve the properties of concrete. Novaya nauka: Problemy iperspektivy. 2015. No. 3, pp. 105-108. (In Russian).

7. Ibragimov R.A., Pimenov S.I., Kiyamov I.K., Mingazov R.H., Kiyamova L.I. Comparison of the effect of superplasticizing admixtures on the processes of cement hydration during mechanochemical activation. Eastern-

European Journal of Enterprise Technologies. 2016. Vol. 4. No. 6 (82), pp. 56-63.

8. Гусев Б.В. Наноструктурирование бетонных материалов // Промышленное и гражданское строительство. 2016. № 1. С. 7-10.

9. Гурьянов Г.А., Клименко Е.А., Васильева О.Ю. Улучшение процесса приготовления и качества бетона на основе анализа способов активации цемента // Транспорт. Транспортные сооружения. Экология. 2015. № 1. С. 23-40.

10. Глухарев Н.Ф. Сухое измельчение в условиях электронейтрализации. СПб.: Издательство Политехнического университета, 2014. 192 с.

11. Совалов И.Г., Хаютин Ю.Г. Методы активации цементов и влияние активации на свойства бетонов. М.: ЦБТИ НИИОМТП, 1963. 41 с.

12. Рахимов Р.З., Рахимова Н.Р., Стоянов О.В. Геополимеры // Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17. № 23. С. 189-196.

13. Рахимов Р.З., Рахимова Н.Р., Халиуллин М.И., Гайфуллин А.Р. Отходы промышленности и экологическая безопасность строительства и городского хозяйства // Научный журнал строительства и архитектуры. 2015. № 2. С. 97-102.

14. Калашников В.И., Тараканов О.В., Кузнецов Ю.С., Володин В.М., Белякова Е.А. Бетоны нового поколения на основе сухих тонкозернисто-порошковых смесей // Инженерно-строительный журнал. 2012. № 8. С. 47-53.

15. Калашников В.И. Что такое порошково-активиро-ванный бетон нового поколения // Строительные материалы. 2012. № 10. С. 70-71.

European Journal of Enterprise Technologies. 2016. Vol. 4. No. 6 (82), pp. 56-63.

8. Gusev B.V. Nanostructuring of concrete materials. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2016. No. 1, pp. 7-10. (In Russian).

9. Gur'yanov G.A., Klimenko E.A., Vasil'eva O.Yu. Improved cooking process and the quality of concrete through activation analysis methods cement. Transport. Transportnye sooruzheniya. Ekologiya. 2015. No. 1, pp. 23-40. (In Russian).

10. Glukharev N.F. Sukhoe izmel'chenie v usloviyakh elek-troneitralizatsii [Dry milling under electrical neutralization]. Saint Petersburg: Publishing house of Polytechnic University. 2014. 192 p.

11. Sovalov I.G., Khayutin Yu.G. Metody aktivatsii tsementov i vliyanie aktivatsii na svoistva betonov [Activation methods of cement and the influence of activation on properties of concrete]. Moscow: TsBTI NIIOMTP. 1963. 41 p.

12. Rakhimov R.Z., Rakhimova N.R., Stoyanov O.V. Geopolymers. Vestnik kazanskogo tekhnologicheskogo uni-versiteta. 2014. Vol. 17. No. 23, pp. 189-196. (In Russian).

13. Rakhimov R.Z., Rakhimova N.R., Khaliullin M.I., Gaifullin A.R. Industrial wastes and environmental safety of construction and municipal economy. Nauchnyi zhur-nal stroitel'stva i arkhitektury. 2015. No. 2, pp. 97-102. (In Russian).

14. Kalashnikov V.I., Tarakanov O.V., Kuznetsov Yu.S., Volodin V.M., Belyakova E.A. Concrete of a new generation on the basis of dry fine-grained powder mixtures. Inzhenerno-stroitel'nyi zhurnal. 2012. No. 8, pp. 47-53. (In Russian).

15. Kalashnikov V.I. What is the powder-activated concrete of new generation. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2012. No. 10, pp. 70-71. (In Russian).

Äs

НАЦИОНАЛЬНАЯ АССОЦИАЦИЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ АВТОКЛАВНОГО ГАЗОБЕТОНА 22-24 ноября iD17 г Екатеринбург НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СОВРЕМЕННЫЙ АВТОКЛАВНЫЙ ГАЗОБЕТОН

CooprtfiikiWTcip

ft

T№nuY

Генеральный спонсор Ф

¿онферкь-учч пртур&чгча к Нацмначьнэ* Агсоц^иг / ¡ранхьод^геин Ае &лйнао ГасЬьтонь.

V трвдкцрн iil|Wii(.1 ширсной чргу| пга^кзс^п-отыс.-и i;:ij иклэштар Mioütlfrtfe

Рлн-гп-не ПфКлн 11-.j* ■ ,rf.H,;jj r>jc4fic*<a r ^ON;1'- ri.i.u

(TfHiriifAbtTia. CraiiTCiniii прф^модгим КДссгф nji p+iM(>

сгаииин uiHfwuo* грогчо] рам ли* pvwFjA'b Gooff нее'.1

upOr'lDSjr гр» ,ч ^ршММктн hj ■'ОС K-JUE1LKC U rpÖf I |:.I4U DC ПрсДДж.: H yi.friM.HHi: . k-L.i

Gi HMd S СЛЙВ/ Hi [ИЗВ-1Л- IL H^IMH: Mli ■ USriyKiJ<&=

*UilVTi« C-1'.'Of .1.' Pjj *■> ПЙВДГК I JI&VI

fjiiiHUHjA^jjH HpÖPiirJfltre^

npt..j.ii-.j4Kiir 1'USlJJ Uilipi'AWt. * I-.' I нп.гт |гй

itQr«iTpimii.ji tO'ji.i-i'-L про*atvpitriiikt итли-снты

P I-Г Hl^CpUJljrfflMbli lljl'к:-J

щ> .льСЦ^/й^н I г i (HS"} Bait" J.i

P,iLi_JfH'Hb4H' Hiji.K-F-'.-mlyiJu nh-|-r( F.ii-'.i"',' I ЛГд^ь.^лг Kill.in

I i^iibdrKnbLL«H>'ji>cpwe'w>PiixiKivMlqu; Плкпы нпгрпшчкн HI Aft. Тгпщннз-рлццЛнфиг 4докть*г ,i»TMJitihKMq

-ПРГ■ ■.1 = Cipbrllhürr.1 пра^тг^СГ^Т rj-^,L'L rt/ölu.,! - ,' и-"чцл0Цьн|^' вбЩСТн njJHVft^iflrt CfapxD-UOrt.iirri-ц* PiF^' "»'I'« С il-H^H.'Vi ЛрЦрфвМННСН »H/ldA ]OHL-

' -PMpUHDH ("■n.V.^lfp.l

■ Catf-pahtttlfrBJHfl* MF I У НСПЫМЧР* J В-PO К Л J [МО Г О mp$fiqHf, О'-. '- np 1.1П(чццт n-,-■:':■;ii

MüCtll Ji iMu^Hl».

■ kftc.ncflaiaMi4 процсссоп Qajiuupo[i»hii>

-структуры, 1Л:учсннг ^шк»1! прцдоссов. прокисши* ¿:IOi-rtHji- oipäbj'ii fflHite:tf--: Uitf: JHC («Lli^j нСТруттк^Мсяста^вйЫГйНфйадСА IBEH

Щ iipH^HftH^h «ТОМННОП r^Wfe.OHi -

' рйШ^ОСС^МЫИ-1' S PUCHрутЦЧ*Г Cl iflff ■ I'ü-.irtI OJ.

I ирвйстч nCDu-_r НМЛ IpВЩМ4С-ГГ□ 5\(С-Г" H npviwrirw:—-rtL1

I. Гй'.'Гиг,-- ij i.-.i -:<il.Ki,< И .11. Mi.'

Ai^J^iiüiUhii« KJI^-i f tij AT D. М-Ме^лгн Д-Н j I. v j.i^-h

P Пч-Ий||-Г|.Н1Н>1,К,Т1нй(ын| Uf*l ,ТЛкТРрн.1Гна^ ||ЯЫ4Н1Нй iiUi'iAii-iv (иКни .................. .- . -

:к'<.111ив C'l^iJ lilies ЧЙ" ППГ hrD+t]

ШВО II A^t ^ЛЛДк« rlpL.^riG'irh'L-L- ,1 О JV .TlMO^"L ■'

pjpjirrp(*7ir см- F ■-■■А¿у1 Ь <<a г-гндгтлиу^'чJM~IÜ™M I ч^--И kl tu 7 HL'hv-L' I- !l|" '.'J-LlHMiTh'äjJ:-! Про;1 .IH\;i' Г J И '¡p i"4 .-■■-■■■ .41 "b

Dpnwiti юокфгргпции 179C-1 tii JiЙв r mjil L-.*l.i- .'д.г.ИрЛфци brtcr.dhj H||p■ ■,•■•■ .■ гкииСи^^н

JJ. ®

август 2017

67