Влияние органоминеральной добавки на раннюю гидратацию цемента Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

наука

тематический раздел журнала «Строительные Материалы»

УДК 666.972

А.А. ГУВАЛОВ, канд. техн. наук (abbas.quvalov@akkord.az), Азербайджанский архитектурно-строительный университет (Баку, Азербайджанская Республика); А.В. КАБУСЬ, инженер (calorimetry_centr@ukr.net), А.В. УШЕРОВ-МАРШАК, д-р техн. наук, Харьковский национальный университет строительства и архитектуры (Харьков, Украина)

Влияние органоминеральной добавки на раннюю гидратацию цемента

Существенный прогресс в технологиях цемента, бетона и сухих строительных смесей обусловлен в основном ростом функциональности добавок различной природы и механизмов действия [1—3]. Наиболее эффективны в этом плане органоминеральные комплексы, составляемые из суперпластификаторов ПАВ и высокодисперсных компонентов с учетом явлений совместимости, аддитивности и синергизма. Обеспечение заданной физико-химической и технологической функциональности индивидуальных и комплексных добавок базируется на правомерности положения о селективности их влияния на элементарные акты гидратации — адсорбцию, смачивание, химические реакции, растворение, кристаллизацию новообразований, формирование плотной микроструктуры цементного камня и пр. [4]. Не преодоленные до сего времени сложности корректного выделения и количественного описания элементарных процессов обусловливают обращение к феноменологической концепции оценки влияния добавок, особенно интенсивного на самых ранних стадиях твердения, с привлечением методов калориметрии, термокинетического анализа и температурно-временного мониторинга процессов твердения [4,5].

В данной работе приведены результаты термокинетического анализа гидратации цемента в присутствии органоминерального комплекса добавок — модифицированного ПАВ и реакционноспособных дисперсных минеральных компонентов высокой пуццолановой активности [6—8].

Характеристика материалов и методика эксперимента. Суперпластификатор (СП) является продуктом коксохимии — сульфированной при 150—170оС смеси полициклических радикалов ароматических углеводородов типа полиарилсульфонсульфоната марки САС-2. Добавка содержит 50—60% активного вещества, 20—25% солей неконденсированных сульфокислот и 20—25% сульфата натрия.

Дисперсные пуццоланово-активные компоненты: МК — микрокремнезем конденсированный марки МК-85 Челябинского металлургического комбината плотностью 2200 кг/м3; средний радиус частиц 0,2 мкм; площадь удельной поверхности 2000 м2/кг; содержание аморфного SiO2 до 90%; ВП — пепел стекловидный вул-

Таблица 1

Сокращенное название Соотношение минеральных компонентов

МК ВП ТР

ОМ1 1 0 0

ОМ2 1 1 0

ОМ3 1 0 1

канический месторождения Пойлу (Азербайджан), состоящий в основном из аморфизированных SЮ2 — до 70% и А1203 — 15%, щелочесодержащих оксидов — до 10%, ППП — 5%; ТР — трасс-цеолитовая горная порода Таузского месторождения, состоящая из водных алюмосиликатов щелочно-земельных элементов.

Составы комплексных добавок приведены в табл. 1. САС-2 в соответствии с технологическим регламентом вводился в количестве 2% от массы цемента, минеральные добавки — из расчета замены 15% цемента. Минеральный состав цемента Карадагского завода (Азербайджанская Республика), %: 3СаО^Ю2 — 67,4; 2СаО^Ю2 - 10,7; 3СаОА12Оз - 5,5; 4Са0А1203 ^е203 — 10,6. Песок мелкозернистый, модуль крупности « 1.

Эксперименты проведены на твердеющих цементно-песчаных растворах (1:3) с фиксированием температуры твердения образцов, помещенных в полуадиабатический калориметр термосного типа при температуре окружающей среды 24±3оС (В/Т=0,5; масса 250 г). Образцы устанавливались в калориметр сразу после перемешивания раствора. Эксперимент компьютеризирован, с автоматическим фиксированием температурной зависимости ? =/(т) и температурно-временного показателя — гт=/(т).

Обсуждение результатов. Суперпластификаторы, применяемые в современных бетонах и сухих строительных смесях, это, как правило, эффективные ПАВ на основе полинафталин- и полиметиленсульфона-тов, акрилат- и карбоксилсодержащих полимеров. Функциональная эффективность их применения основана на электростатическом и/или стерическом механизмах действия. На зернах цемента и гидратных

24

т, ч

Характерное влияние СП на температурные зависимости твердения цементного раствора: 1 - без добавки; 2 - с добавкой СП

94

научно-технический и производственный журнал

сентябрь 2013

jVJ ®

тематический раздел журнала «Строительные Материалы»

наука

Таблица 2

№ Содержание САС-2, % Индукционный период t, ч Время достижения Atmax, ч ^tmax, °С tT24, оС.ч tT48, оС.Ч

1 - 1,8 9,2 10,2 116 144

2 0,5 2 8,8 11,8 127 150

3 1 2,2 8,7 12,6 127 145

4 1,5 2,8 9,1 14,1 124 139

Таблица 3

№ Комплексная добавка Индукционный период t, ч Время достижения Atmax, ч ^tmax, °С tT24, оС.ч tT48, оС.ч

1 - 1,8 8,5 12 126 157

2 ОМ1 1,8 7,5 13,5 122 143

3 ОМ2 2,7 8,1 13 120 138

4 ОМ3 2,5 7,8 12,5 118 137

новообразованиях формируется адсорбционная пленка, что приводит к торможению начальной гидратации, снижению поверхностного натяжения на границах твердое — жидкость, улучшению и длительному сохранению реологических характеристик цементных и бетонных смесей, а главное, к значительному (до 40%) водоредуцированию.

Замедление гидратации и набора прочности — далеко не всегда желательный эффект. Известны попытки изменения «молекулярного дизайна» структуры полимерных цепей, химического модифицирования ПАВ с целью устранения этого явления. Соединение САС-2, как показано в [6], обладает ярко выраженной гидрофильностью и высокой водоредуцирующей способностью.

Особенности влияния большинства СП, выражающиеся в торможении гидратации, четко отражаются на зависимостях скорости тепловыделения dQ/dт=/(т) и температурных зависимостях — t =/(т) (см. рисунок). Растет продолжительность индукционного периода, замедляется проявление и снижается величина основного экзоэффекта. В [4] зафиксирована возможность удлинения индукционного периода в прямо пропорциональной зависимости от степени поликонденсации по-линафталинсульфоната более 250 ч вследствие адсорбционных явлений на зернах цемента и на гидратных новообразованиях.

Добавка САС-2 является, по данным [6—7], сильнодействующим пластификатором, который не снижает начальной прочности. Это объясняется наличием в его составе олигомерных соединений с высоким содержанием гидрофильных групп и типичного ускорителя — сульфата натрия.

Результаты анализа температурных и температурно-временных зависимостей (табл. 2) подтверждают ожидаемую в [6—7] специфику влияния САС-2 на ранние стадии твердения цемента. Незначительно (от 1,8 до 2—2,8 ч) возрастает продолжительность индукционного периода. Время наступления температурных максимумов сокращается для твердеющих образцов с добавкой в интервале 9,2—8,8 ч. Одновременно растет их абсолютное значение, от 10,2 до 11,8—14,1оС. Интенсифицирующее влияние добавки отмечается даже в возрасте 24 ч. Следует указать на соответствие данных термокинетического анализа результатам испытаний физико-механических свойств бетонной смеси и бетона, полученных авторами [6—7].

Анализ влияния органоминеральных добавок с различными высокодисперсными компонентами показал (табл. 3), что вид минеральной составляющей не влияет

на кинетику ранней гидратации цемента. Различна только длительность индукционного периода гидратации составов с трассом и вулканическим пеплом, которая увеличивается в 1,5 раза. Снижение температурно-временных показателей всех составов с добавками после 24 ч твердения обусловлено заменой части цемента минеральным компонентом (наблюдение характерно лишь для изучаемых в данной работе комплексных добавок).

Выводы. С помощью температурно-временного мониторинга экспериментально доказано, что органоми-неральный комплекс, состоящий из суперпластификатора САС-2 и дисперсных минеральных компонентов пуццоланового действия, в отличие от традиционных добавок подобного типа не замедляет скорость и полноту начальных стадий гидратационного взаимодействия в системе цемент — вода. Таким образом показаны возможности обеспечения функциональной эффективности использования органоминеральной добавки в бетонах с высокими требованиями к ранней прочности.

Ключевые слова: суперпластификатор, минеральный компонент, комплексная добавка, полуадиабатический калориметр.

Список литературы

1. Neville A.M. Wtasciwosci betonu. Wyd. 5. Krakov: Wydawnictwo Polski Cement, 2012. 931 s.

2. Баженов Ю.М., Демьянова В.С., Калашников В.И. Модифицированные высококачественные бетоны. М.: АСВ, 2006. 368 с.

3. Каприелов С.С., Шейнфельд А.В., Кардумян Г.С. Новые модифицированные бетоны. М.: Навруз, 2010. 258 с.

4. Ушеров-Маршак А.В. Селективность действия химических добавок на процессы твердения цементов // Неорганические материалы. 1999. Т. 35. № 12. C. 1531-1534.

5. Ушеров-Маршак А.В. Кабусь А.В. Калориметрический мониторинг ранних стадий твердения цементов в присутствии добавок // Неорганические материалы. 2013. Т. 49. № 4. С. 449-452.

6. Гувалов А.А. Управление структурообразованием цементных систем с полифункциональными суперпластификаторами // Техника и технология силикатов. 2011. Т. 18. № 3. С. 24-27.

7. Гувалов А.А., Кузнецова Т.В. Влияние модификатора на свойства цементных суспензий // Строительные материалы. 2013. № 8. С. 86-88.

научно-технический и производственный журнал

сентябрь 2013

95