CC BY
66
Строительные материалы изделия и конструкции
УДК. 691-53
ВЛИЯНИЕ МОРФОЛОГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ПУЦЦОЛАНОВЫХ ДОБАВОК НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ РАСТВОРОВ
С.А Эмралиева, В.А. Хомич
EFFECT OF MORFOLOGICAL FEATURES OF POZZOLANIC ADMIXTURES ON OPERATIONAL PROPERTIES OF BUILDING MORTARS
S.A Emralieva, V.A. Khomich
Представлены результаты исследования морфологических и физико-химических характеристик ультрадисперсных пуццолановых добавок. Показано влияние пуццолановых добавок с различными морфологическими характеристиками на эксплуатационные свойства строительных растворов.
Ключевые слова: ультрадисперсная пуццолановая добавка, аморфный диоксид кремния, микрокремнезем, строительные растворы.
The article presents the research results of morphological and physicochemical features of the superdispersed pozzolonic admixtures. It represents the effect of pozzolonic admixtures with different morphological features upon operational properties of building
mortars.
Keywords: superdispersed pozzolonic admixture, amorphous silica, earth silicon, building mortars, carbon white.
Для улучшения эксплуатационных свойств строительных растворов и бетонов на основе портландцемента широко используется ультрадисперсная пуццолановая добавка - микрокремнезем - отход производства ферросилиция [1, 2]. Кроме МК известны ультрадисперсные кремнеземистые техногенные продукты: белая сажа (БС) и аморфный диоксид кремния (АДК). Изучение влияния этих добавок на эксплуатационные свойства строительных растворов на основе портландцемента является перспективным. Кроме того, использование добавки АДК, являющейся продуктом от сжигания рисовой шелухи, решает вопрос утилизации сельскохозяйственного отхода.
Для выяснения структурных различий белой сажы БС120 (БС) и аморфного диоксида кремния (АДК) от микрокремнезема МК 85 (МК) были изучены их морфологические и физико-химические особенности. Результаты электронно-микроскопических исследований добавок помещены на рис. 1.
На снимках видно, что агрегаты и частицы Б С и МК имеют сферическую форму, а частицы АДК -чешуйчатую. Наиболее мелкие размеры первич-
ных частиц - 0,02 мкм имеет БС, размер частиц МК в основном составляет 0,1 мкм и наибольший размер имеют частицы АДК (см. таблицу). Гистограммы распределения частиц по размерам в водной суспензии и после 1 минуты диспергирования водной суспензии ультразвуком приведены на рис. 2. Анализ гистограмм распределения частиц по размерам показывает, что первичные частицы БС объединены в агрегаты, в которых они довольно прочно связаны. Частицы АДК практически не агрегированны.
По данным порометрии (см. таблицу) частицы добавки АДК пористые и имеют наименьшие радиусы пор. Исходя из значений величины удельной поверхности, объема и радиуса пор, добавки АДК и БС имеют наибольшую поверхностную активность, а, следовательно, и наибольшую реакционную способность по сравнению с МК.
Пуццолановая активность МК составляет 71 %, БС и АДК - 84 %. Она определяется содержанием диоксида кремния в добавках (см. таблицу) и степенью их аморфизации. Это подтверждает ИК-спектроскопия (рис. 3) широкой областью по-
Рис. 1. Электронно-микроскопические снимки: а) МК; б) БС; в) АДК
Характеристики ультрадисперсных пуццолановых добавок
Добавка Содержание 8Ю2, % 8Уд, м2/г Размер первичных частиц, мкм Уадс., СМ^Г Я пор, нм
БС 95 111 0,02 (диаметр) 0,3494 5,4
АДК 96 182 7,0 (длина) 0,1 (толщина) 0,3234 2,7
МК 91 28 0,1 (диаметр) 0,1235 7,0
глощения при 1000... 1250 см"1 добавок АДК и БС, по сравнению с узкой полосой при 1100 см-1 в спектрах МК.
Все ультрадисперсные пуццоланы гидрофильны и склонны к гидратации. Уменьшение интенсивно-
сти полосы поглощения в области 3500...3600 см-1, отвечающей за валентные колебания О-Н групп, и полосы при 1620 см-1 (деформационные колебания Н-О-Н) в ИК-спектрах МК, по сравнению со спектрами Б С и АДК, объясняется пониженным коли-
Эмралиева СЛ., Хомич В.А.
Влияние морфологических особенностей пуццолановых добавок на эксплуатационные свойства строительных растворов
1з«)
©х II «
Ч 12 О
ч
* 18
аз
К 8
fc0 ю О
А
1; L
6.01 0.55 0.1 0.5 1 5 10 51 100 501 II
8.01 О.й 5.1 0.5 1 5 1! Ш 190 НО 1000
0.01 0.05 0.1 0.5 1 5 10 50 100 500 1000
n® о4
II |
§
Я
<D Ю
О
S.01 0.05 0.1 0.
50 100 500 100С
БС
0.15 0.1 0.5 1 5 II 50 Ш 500 1100
0.01 0.05 0.1 0.5 1 5 11 50 100 501 1
Диаметр, мкм МК
Рис. 2. Гистограммы распределения частиц по размерам: I - в водной суспензии; II - после диспергирования ультразвуком
АДК
1-'-1-'-1-'-1-1-1-'-г
1 \
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 см"1
Рис. 3. ИК-спектры пуццолановых добавок: 1 - МК; 2 - БС; 3 - АДК
чеством молекулярно связанной воды в МК. По данным термического анализа химически несвязанная вода из добавки АДК выделяется при более высоких температурах (150... 180 °С) по сравнению с температурами выделения воды из МК (40...60 °С), что также указывает на повышенную аморфизацию этих добавок. На ИК-спектрах ультрадисперсных БС и АДК в области 950...900 см"1
присутствуют широкие полосы поглощения, свидетельствующие об аморфном состоянии. В ИК-спектрах МК в сравнении с БС и АДК наблюдается вырождение широкой полосы в узкую с максимумом при 960 см-1, что говорит о большей степени закристаллизованное™ его частиц.
Таким образом, добавки БС и АДК имеют более развитую поверхность, в большей степени гид-
ратированы и обладают повышенной пуццолано-вой активностью по сравнению с МК.
Влияние пуццолановых добавок на состав и структуру цементного камня изучали на ПЦ500-Д0. Количество вводимых добавок составляло: 1 % для суперпластификатора С-3, БС, АДК и 10 % для МК (% от массы цемента).
ИК-спектры цементного камня без добавок и с добавкой МК (рис. 4) отличались проявлением интенсивной полосы поглощения 857 см"1, указывающей на присутствие в камне высокоосновных гидросиликатов кальция. В образцах с добавкой БС и АДК эта форма высокоосновных гидросиликатов кальция отсутствовала.
По данным термического анализа в цементном камне с добавками отмечено снижение содержания Са(ОН)2, рис. 5. Потери массы бездобавочного цементного камня при температурах 693 и 738 °С указывает на присутствие в его структуре нескольких разновидностей гидросиликатов каль-
ция. В этой температурной области потеря массы цементного камня с добавкой АДК фиксируется при одной температуре - 712 °С, что свидетельствует о большей однородности состава гидросиликатов этого камня.
По данным рентгенофазового анализа состав гидратных фаз бездобавочного цементного камня представлен портландитом, высокоосновными, отчасти низкоосновными гидросиликатами кальция и не гидратированными клинкерными минералами. В цементном камне с пуццолановыми добавками на рентгенограммах отмечены отражения портландита и гидросиликатных фаз, преимущественно низкоосновных. В цементном камне с добавкой АДК наряду с низкоосновными тобермори-топодобными гидросиликатами кальция присутствуют отражения, соответствующие новому продукту - ксонотлитоподобному гидросиликату кальция, вероятного состава 6Ca06Si02*H20 (d/n = 7,352°; 2,695°; 1,429°; 1,389°) [3]. Схему его
Ш
о >
с о
Q.
С
900
880
8 6 0
840
8 2 0
8 00
С м
Рис. 4. ИК-спектры: 1 - цементного камня без добавок; цементного камня с добавками: 2 - МК; 3 -АДК; 4 - БС
21 I О
"со
О
О со н о
9 2
Ц
О 1 * о
7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91
Время, сутки
Рис. 5. Изменение содержания портландита в образцах: 1 - цементный камень; 2-е добавкой АДК
Эмралиева СЛ., Хомич В.А.
Влияние морфологических особенностей пуццолановых добавок _на эксплуатационные свойства строительных растворов
образования можно представить следующим образом. Чешуйчатая частица АДК содержит на своей поверхности гидратированные поликонденсирован-ные тетраэдры [Si04]4~. Они способны вступать во взаимодействие с гидроксидом кальция и образовывать ксонотлитоподобный гидросиликат кальция:
н н н н н н
0 0 0 0 0 0
I I I I I I
Н-0-Si-O-Si-O-Si-O-Si-O-Si-O-Si-O-H + 6 Са(ОН)2 =
I I I I I I
О О О О О О
и н н н н н
ООО 00 о
Исследования показывают, что структура строительных растворов (рис. 6) с добавкой АДК более однородная по сравнению со структурой раствора с добавкой МК. Строительный раствор состоит из пластинчатых образований, которые плотно прилегают друг к другу (средний радиус пор 19,7 нм).
Строительный раствор с добавкой МК имеет менее однородную структуру, состоящую из гидратов разной формы (пластинчатых и игольчатых). По данным ртутной порометрии его поры значительно крупнее и имеют средний радиус 95,7 нм.
Исследованы эксплуатационные характеристики строительных растворов с цементно-песчаным отношением 1:2 с добавками суперпластификатора С-3 в количестве 1 % от массы цемента и с ультрадисперсными пуццолановыми
добавки БС и АДК в количестве 1 %, МК в количестве 10 % от массы цемента [4].
Результаты исследований водопоглощения и прочности при сжатии (рис. 7, 8) показывают, что бездобавочный раствор по водонепроницаемости соответствовал марке \¥2, его адгезионная прочность к бетонной поверхности составляла 0,2 МПа, деформации усадки - 0,6 мм/м. Введение в раствор суперпластификатора совместно с АДК повышает водонепроницаемость до \¥16, адгезионную прочность до 0,9...1 МПа, усадки при твердении снижаются до 0,45 мм/м.
Использование комплекса суперпластификатор - пуццолановая добавка, изменяя состав гид-ратных фаз цементного камня и его структуру, значительно повышает прочность растворов. Наибольший эффект наблюдается при использовании ультрадисперсных добавок БС и АДК.
Проведенные исследования морфологических характеристик ультрадисперсных добавок и физико-химических характеристик цементного камня и раствора позволили сделать следующие выводы.
- С добавками МК, БС и АДК формируется структура цементного камня с повышенным содержанием гелеобразных фаз.
- Гель, представленный низкоосновными гидросиликатами кальция, имеет повышенную клеящую способность, что увеличивает адгезионную прочность строительного раствора на разных поверхностях.
- Присутствие в структуре камня с добавкой АДК ксонотлитоподобных гидросиликатов кальция способствует армированию структуры цементного камня, что приведет к уменьшению деформаций усадки при твердении.
- Благодаря особой морфологии, высокой дисперсности и активности, добавки АДК и БС вводят в количестве 1 % при этом их действие на прочность, водонепроницаемость и др. свойства цементного камня более эффективно в сравнении с используемым микрокремнеземом.
а) б)
Рис. 6. Снимки строительного раствора с добавками: а) АДК 1 %; б) МК 10 %
12
,10
х ф
о ц
L_
О с о Ч о ш
:
■1 ьи МК
АД к i
!
-1- -1- -i
Базовый Д = 1% Д=10%
Рис. 7. Водопоглощение строительных растворов
¡5
о го
X
J3
S
о
X У
о
Q.
Базовый Д = 1% Д = 10%
Рис. 8. Прочность на сжатие строительных растворов
Литература
1. Влияние добавки микрокремнезема на гидратацию сшита и сулъфатостойкостъ цементного камня / Л.Я. Крамар, Б.Я. Трофимов, Л. С. Талисман и др. //Цемент. - 1989. -№ б. - С. 14-17.
2. Ghafoori, N. Strength and wear resistance of sand-replaced silica fume concrete / N. Ghafoori, H. Diavara // AC I Materials Journal. - 2007. - V. 104, No 2.-P. 206-214.
3. Горшков, В. С. Методы физико-химического анализа вяжущих веществ /B.C. Горшков, В.В. Тима-шев, В.Г. Савельев. - М.: Высшая школа, 1981. — 335 с.
4. Эмралиева, С.А. Улучшение эксплуатационных свойств строительных растворов высокоактивными пуццолановыми добавками / С.А. Эмралиева, В.А. Хомич // Наука ЮУрГУ: материалы 60-й юбил. науч. конф. — Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2008. -Т.1.- С. 63-65.
Поступила в редакцию 16 июня 2009 г.
