CC BY
31001: 10.12737/22441
Булгаков Б.И., канд. техн. наук, доц., Танг Ван Лам, аспирант, Александрова О.В., канд. техн. наук, доц.
Национальный исследовательский Московский государственный
строительный университет»
ВЛИЯНИЕ НАНОРАЗМЕРНЫХ ЧАСТИЦ САЖИ НА ПРОЧНОСТЬ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ В РАННЕМ ВОЗРАСТЕ
fakultetst@mail.ru
Большинство современных цементов содержат различные добавки, улучшающие свойства как самих вяжущих веществ, так и бетонных смесей и бетонов на их основе. Одной из основных целей их использования является стремление ускорить процессы структурообразования и, тем самым, повысить прочность цементного камня в раннем возрасте (в возрасте 1, 3 и 7 суток), что несомненно является важным и для строителей, и для производителей сборного железобетона, поскольку позволяет сократить сроки достижения его распалубочной и отпускной прочности.
В результате проведённых экспериментальных исследований было установлено, что введение в цементное тесто в качестве модифицирующей добавки небольшого количества тонкодисперсной газовой сажи (до 0,01 % от массы цемента) позволяет увеличить прочность цементного камня на сжатие в раннем возрасте на 18 ^ 79 %. При этом, оптимальной является добавка 0,006 % масс. сажи.
Ключевые слова: цементный камень, наноразмерные частицы, прочность в раннем возрасте, тонкодисперсные добавки, газовая сажа, удельная поверхность.
Введение. Проблема повышения прочности и долговечности портландцементного камня не нова, но по-прежнему весьма актуальна [1-3]. Проведение мероприятий с целью повышения прочности цемента возможно как на стадии его производства, так и в ходе его применения.
Одним из широко используемых в настоящее время приёмов для достижения этой цели является применение различных добавок, влияющих на процессы измельчения клинкера, а также на гидратацию и твердение цемента. Для этого обычно используют такие тонкодисперсные минеральные добавки, как тонкоизмельчён-ный доменный шлак, зола-уноса, зола рисовой шелухи, микрокремнезём, метакаолин и др. Эти добавки не растворяются в воде и являются частью тонкой составляющей твёрдой фазы цементного камня и бетона [4-6].
Минеральные добавки делятся на химически активные и инертные. Активные добавки, состоящие в основном из аморфного SiO2, при нормальной температуре во влажной среде способны взаимодействовать со свободным гидрок-сидом кальция с образованием малорастворимых низкоосновных гидросиликатов кальция или обладают способностью к самостоятельному твердению, особенно при активирующем действии Са(ОН)2. Поэтому, их используют для управления процессами структурообразования цементного камня и твердеющего бетона [7-12].
Введение тонкодисперсных добавок-наполнителей минерального и органического происхождения позволяет уплотнить структуру цементного камня, а, следовательно, и самого бетона за счёт значительного снижения пористости, повысить его прочность, непроницаемость и морозостойкость, а также уменьшить усадку. Кроме того, они позволяют экономить клинкер и увеличивают водоудерживающую способность бетонных смесей, препятствуя их расслоению, при совместном использовании с супер- и гиперпластификаторами [13,14].
Были проведены экспериментальные исследования влияния добавления газовой сажи, представляющей собой инертную минеральную добавку, не обладающую пуццолановой или гидравлической активностью, на прочность цементного камня в раннем возрасте.
Методология. Прочность на сжатие цемент-но-песчаного раствора в возрасте 1, 3 и 7 суток определяли в соответствии с требованиями ГОСТ 30744-2001.
С целью изучения влияния наноразмерных частиц сажи на прочность цементного камня в раннем возрасте использовали термогравиметрический и электронно-микроскопический анализ.
Основная часть. В исследованиях была использована газовая сажа китайского производства (рис. 1) со следующими характеристиками:
- цвет - черный;
- размер частиц -28 - 36 нм;
- удельная поверхность сажевых частиц -800815 м2/г;
- плотность при 20 °С -1,7 - 1,9 г/см3;
- растворимость в воде - не растворяется;
- значение рН водной суспензии (50 г/л) при 20оС > 7.
Рис. 1. Газовая сажа
Перед введением в цементное тесто сажу диспергировали в воде с помощью лабораторного смесителя.
В качестве вяжущего вещества был использован портландцемент класса ЦЕМ II 42,5Н
производства завода «Хоанг Тхач» (СРВ). Основные характеристики клинкера и портландцемента на его основе приведены в табл. 1 и 2.
Таблица 1
Химический состав клинкера ЦЕМ II 42,5 Н
Содержание оксидов, % масс.
СаО 8Ю2 А12Оз Fе2Oз МgO SОз п.п.п
63,23 22,27 5,37 4,12 2,4 1,626 0,984
Таблица 2
Минералогический состав портландцемента
Содержание минералов, % масс.
С38 С28 С3А С^ Прочие
58,3 21,4 5,7 11,4 3,2
В качестве мелкого заполнителя был использован песок реки Ло (СРВ) с модулем крупности 3,0.
Объем используемой добавки сажи изменялся в диапазоне от 0 % (у контрольных образцов) до 0,01% от массы цемента. Определяли нормальную густоту цементного теста, сроки схватывания и прочность на сжатие образцов в возрасте 1, 3 и 7 суток, изготовленных из це-ментно-песчаного раствора при соотношениях Ц : П =1 : 3 и В/Ц = 0,5. Из такого цементно-
песчаного раствора изготавливали 3 балочки размером 40^40^160 мм, которые после твердения в нормальных условиях испытывали на изгиб, а затем их половинки - на сжатие.
Полученные результаты испытаний (табл. 3) анализировали с помощью методов термогравиметрического и электронно-микроскопического анализа на экспериментальных образцах, содержащих цемент и добавку сажи в оптимальном количестве 0,006% масс.
Таблица 3
Результаты испытаний цементного теста и цементно-песчаных растворов,
содержащих добавку сажи
№ п/п Количество сажи, % масс. Нормальная густота цементного теста, % масс. Сроки схватывания, мин. Прочность на сжатие, МПа
начало конец 1 сут. 3 сут. 7 сут.
0 0 27 140 235 7,2 18,2 32,9
1 0,002 27,2 140 235 10,1 21,4 40,1
2 0,004 27 142 230 9,6 22,7 39,1
3 0,006 27 142 230 12,9 24,5 42,7
4 0,008 27,4 142 230 9,5 21,4 40,4
5 0,010 27,4 142 230 10,6 24,3 38,9
Из приведённых в табл. 3 эксперименталь- - нормальная густота цементного теста и сро-
ных результатов следует, что: ки схватывания портландцемента почти не зави-
сят от добавления сажи;
- прочность на сжатие цементно-песчаных образцов, держащих сажу, выше по сравнению с прочностью контрольных образцов без сажи в возрасте 1, 3, и 7 суток. Причём, наибольшее увеличение прочности (на 79 %) наблюдается у образцов с 0,006 % масс. сажи в возрасте 1 суток, а с повышением возраста твердения до 7 суток прирост прочности уменьшается до 18 -^30 %.
Увеличение прочности на сжатие образцов, наполненных сажей, по сравнению с контрольными образцами объясняется тем, что нанораз-мерные сажевые частицы, обладающие очень большой удельной поверхностью и не вступающие в химическое взаимодействие с минералами клинкера и продуктами их гидратации, выполня-
ют функцию центров кристаллизации (гетерогенной нуклеации) для гидратных новообразований при твердении цемента. Кроме того, при введении в большем количестве, чем доли процента частицы сажи из-за их ультрадисперсности (их размер примерно в 100 раз меньше, чем у клинкерных частиц) могут заполнять пустоты между зёрнами цемента, способствуя, тем самым, уплотнению структуры цементного камня, что приводит к повышению его непроницаемости и прочности, в том числе в раннем возрасте [15-17].
Результаты термогравиметрического анализа цементнох образцов в возрасте 1 суток твердения представлены на рис. 2.
а) Контрольный образец (без сажи) Рис. 2. Результаты термогравиметрического Результаты термогравиметрического анализа цементных образцов в возрасте 1 суток твердения показали, что в образцах, содержащих сажу (рис. 2б), общая потеря массы при нагреве (14,48 %) больше, чем у контрольных образцов без сажи (13,15 %) (рис. 2а). Это свидетельствует о том, что наноразмерные частицы сажи способствуют ускорению гидратации цемента с получением эт-
б) Образец, содержащий 0,006% масс. сажи анализа цементных образцов в возрасте 1 суток
трингита, портландита, моногидроалюмината кальция, гидросиликатов кальция с общей формулой CSH (В) и других гидратных новообразований, теряющих химически связанную воду при нагревании.
Эти результаты полностью согласуется с результатами, полученными с помощью метода электронно-микроскопического анализа (рис. 3).
1 I * I I I 1< I I I 4
ИГОМ! НЕ Ю.(ЖУ 8Ярк(№ БВДЬВД) 5Ш2013 ЗДпт
800-МНЕ 10 ОШЧтт даф4Ьад)5Я0/2Ш 2С0пт
а) б)
Рис. 3. Структура цементного камня в возрасте 1 суток: а) контрольный образец (без сажи); б) образец, содержащий 0,006% масс. сажи (увеличение х200000)
На рис. 3б видна более плотная структура цементного камня у образца, содержащий 0,006 % масс. газовой сажи, по сравнению с контрольным ненаполненным образцом (рис. 3а). Помимо эффекта уплотнения структуры цементного камня
наноразмерные частицы сажи также способствуют повышению подвижности цементного теста, играя роль своеобразных «подшипников скольжения» (рис. 4) между зёрнами цемента [6, 15, 16].
Наноразмерные частицы сажи
Флокула гидратированной цементной системы Флокула гидратированной цементной системы, содержащей без тонкодисперсных добавок наноразмерные частицы сажи
Рис. 4. Повышение подвижности цементного теста путём введения в него наноразмерных сажевых частиц
Выводы. На основе полученных экспериментальных результатов можно сделать следующие выводы:
1. Наноразмерные частицы сажи способствуют ускорению процесса гидратации цемента, в результате чего повышается прочность цементного камня в раннем возрасте.
2. Прочность на сжатие цементно-песчаных образцов, содержащих газовую сажу в количествах от 0,002 до 0,01 % от массы цемента в раннем возрасте, на 18 - 79 % выше, чем у контрольных образцов без её добавки. При этом, оптимальной является добавка 0,006 % масс. сажи.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Nguyên Thi Hoàn. Khào sát vai tro cùa hat nano Carbon tói môt sô các tính chât cùa xi mäng Poocläng, Dô án tôt nghiêp, Dai hoc Bách khoa Hà Nôi, 2013, Tr 89. [Нгуен Тхи Хоан. Влияние наноразмерных частиц углерода на свойства портландцемента. Ханойский политехнический университет. 2013, 89 с.].
2. Nguyên Quang Tùng. Khào sát khà näng su dung phu gia dê täng cuöng dô tuôi sóm cho dá xi mäng Poocläng hôn hop, Dô án tôt nghiêp, Dai hoc Bách khoa Hà Nôi, 2013, Tr 91. [Нгуен Куанг Тунг. Возможность применения минеральных добавок для повышения прочности портландце-ментного камня в раннем возрасте. Ханойский политехнический университет. 2013, 91 с.].
3. Vû Dúc Trung, Dào Vän Anh. Khào sát ành huông cùa dá vôi min, muôi carbon, DEG và TEA tói môt sô tính chât cùa xi mäng Quang San, Dô án tôt nghiêp, Dai hoc Bách Khoa Hà Nôi, 2012, Tr 87. [Ву Дук Чунг, Ван Ань Дао. Исследование влияния добавления известняка и углеродной сажи на свойства цемента «Куанг ^н» с помощью метода дифференциального термического анализа (DEG и TEA). Ханойский политехнический университет. 2012, 87 с.].
4. Баженов Ю.М. Современная технология бетона //Совместный международный научный симпозиум «Научные достижения в исследованиях о новых современных строительных материалах». Ханой. 2006. C. 12-18.
5. Баженов Ю.М., Нгуен Динь Чинь, Нгуен Тхе Винь. Высокопрочные бетоны с комплексным применением золы рисовой шелухи, золы-уноса и суперпластификаторов // Вестник МГСУ. 2012. №1. С. 77-82.
6. Pham Hùu Hanh. Bê tông cuöng dô cao- Bê tông chât luong cao. Truöng Dai hoc Xây dung- Hà Nôi. 2009, tr.80. [Фам Хыу Хань. Высокопрочные и высококачественные бетоны //Строительный университет. Ханой. 2009, 80
c.].
7. Баженов Ю.М., Демьянова В.С., Калашников В.И. Модифицированные высококачественные бетоны // М.: Изд. АСВ. 2006, 370 с.
8. Баженов Ю.М. Использование наноси-стем в строительном материаловедении //Вопросы применения нанотехнологий в строи-
тельстве: Сб. докладов участников круглого стола. М.: МГСУ. 2009. С. 4-8.
9. Алексашин С.В., Булгаков Б.И. Мелкозернистый бетон для гидротехнического строительства, модифицированный комплексной ор-ганоминеральной добавкой //Вестник МГСУ. 2013. № 8. С. 97-103.
10. Лесовик В.С., Кучеров Д.Е. Классификация активных минеральных добавок для композиционных вяжущих с учетом генезиса // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2012. № 3. С. 10-14.
11. Трунов П.В. Композиционные вяжущие с использованием вулканогенно-осадочных пород Камчатки и мелкозернистые бетоны на их основе //Дис... д.т.н., Белгород. 2014, 161 с.
12. Данилин Л.Д., Дрожжин В.С., Куваев М.Д., Куликов С.А., Максимова Н.В., Малинов
B.И., Пикулин И.В., Редюшев С.А., Ховрин А.Н. Полые микросферы из зол- уноса - многофункциональный наполнитель композиционных материалов // Цемент и его применение. 2012. №4.
C.100-105.
13. Баженов Ю.М. Технология бетона //Изд., АСВ. М., 2011, 524 с.
14. Воронин В.В. Эффективные добавки
для вяжущих веществ и бетонов //Совместный международный научный симпозиум «Научные достижения в исследованиях о новых современных строительных материалах». Ханой. 2006. C. 98-105.
15. BUi Danh Dai. Phu gia khoang hoat tinh cao cho be tong chat luong cao. Truong Dai hoc Xay Dung - Ha Noi. 2010, tr.70. [Буй Дань Дай. Высокоактивные минеральные добавки для получения высококачественного бетона //Строительный университет. Ханой. 2010, 70
c.].
16. Wanga A., Zhangb C., Suna W. Fly ash effects II. The active effect of fly ash // Cement and Concrete Research. 2004. Vol. 34. P. 2057-2060.
17. Ta Ngoc Dung, Nguyen Van Hoan, Tran Tu Hung, Nguyen Thi Hoan. Phu gia sieu min cai thien cuong do som cua da xi mang. Hoi nghi Khoa hoc ky niem 50 nam Vien KHCN Xay dung, Ha Noi, 11-2013, Tr. 95-99. [Та Нгок Зунг, Нгуен Ван Хоан, Тран Хунг Ту, Нгуен Тхи Хоан. Сверхтонкие добавки, повышающие прочность цементного камня в раннем возрасте. Пятидесятая научная конференция Института науки и технологии строительства. Ханой, 11-2013, С. 95-99].
Bulgakov B.I., Tang Van Lam, Alexandrova O.V.
EFFECT OF NANO-SIZED CARBON-BLACK PARTICLES ON THE STRENGTH OF CEMENT PASTE AT EARLY AGE
Most modern cements contain various additives which improve the properties of both the binders and concrete mixes and concrete.
One of the main purposes of their use is the tendency to accelerate the processes of formation of structure and, thereby, increase the cement stone strength at an early age (the age of 1, 3 and 7 days), it is undoubtedly important for builders and manufacturers of precast concrete, as thus reducing time to achieve its demoulding and handling strength.
As a result of experimental studies found that Portland cement modification is very small amount offine carbon-black (up to 0.01 % by weight of cement) of the cement stone can increase the compressive strength at an early age by 18 ^ 79 %. In this case, the optimal additive is 0.006 mass% of carbon black. Key words: cement stone, nano-sized particles, strength at an early age, fine supplements, carbon-black, specific surface area.
Булгаков Борис Игоревич, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Технологии вяжущих веществ и бетонов».
Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет. Адрес: Россия, 129337, г. Москва, ул. Ярославское шоссе, д. 26. E-mail: fakultetst@mail.ru
Танг Ван Лам, аспирант кафедры «Технологии вяжущих веществ и бетонов». Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет. Адрес: Россия, 129337, г. Москва, ул. Ярославское шоссе, д. 26. E-mail: lamvantang@gmail.com
Александрова Ольга Владимировна, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Технологии вяжущих веществ и бетонов».
Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет. Адрес: Россия, 129337, г. Москва, ул. Ярославское шоссе, д. 26. E-mail: aleks_olvl@mail.ru
