CC BY
78УДК 666.942.022.4:66.041.9
Л.И. ХУДЯКОВА, канд. техн. наук (lkhud@binm.bscnet.ru), О.В. ВОЙЛОШНИКОВ, канд. техн. наук
Байкальский институт природопользования Сибирского отделения Российской академии наук (670047, г. Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6)
Влияние способов активации
на свойства композиционных вяжущих материалов
Изучено влияние методов активации на свойства композиционных вяжущих материалов с добавкой базальта. Установлено, что механическое смешивание компонентов не способствует получению цементного камня с высокими прочностными показателями. При механоактивации сырьевой шихты образуется высокоразвитая химически активная поверхность обрабатываемого материала, ускоряется процесс его гидратации. Физико-механические характеристики полученных материалов достигают наивысших значений. Лучшие показатели имеют образцы вяжущих, механоактивированные в течение 15 мин и содержащие 30% базальта. Процесс гидромеханоактивации зависит от количества жидкой фазы и содержания добавки, оптимальные значения которых составляют 30 и 20% соответственно. Ультразвуковая обработка сырьевой шихты приводит к неустойчивости формируемой пространственной структуры вяжущего. Это подтверждается низкой гидратационной активностью и, как следствие, невысокими прочностными показателями.
Ключевые слова: механоактивация, гидромеханоактивация, композиционные вяжущие материалы, базальт.
Для цитирования: Худякова Л.И., Войлошников О.В. Влияние способов активации на свойства композиционных вяжущих материалов. Строительные материалы. 2017. № 4. С. 64-67.
L.I. KHUDYAKOVA, Candidate of Sciences (Engineering) (lkhud@binm.bscnet.ru), O.V. VOILOSHNIKOV, Candidate of Sciences (Engineering) Baikal Institute of Nature Management Siberian branch of the Russian Academy of sciences (BINM SB RAS) (6, Sakhyanovoy Street, 670047, Ulan-Ude, Russian Federation)
Influence of Activation Methods on Properties of Composite Binding Materials
The influence of activation methods on the properties of composite binders with the addition of basalt has been studied. It is established that the mechanical mixing of components doesn't contribute to obtaining the cement stone with high strength properties. When the raw charge is mechanically activated, the high developed chemically active surface of the treated material is formed and the process of its hydration is accelerated. Physical-mechanical characteristics of materials obtained reach the highest values. The samples of binders mechanically activated during 15 minutes and containing 30% of basalt have the best indexes. The process of hydro-mechanical activation depends on the amount of the liquid phase and content of the additive, optimum values of which are 30% and 20% respectively. Ultrasound treatment of the raw charge leads to the instability of the formed spatial structure of the binder. It is confirmed by the low hydration activity and, consequently, low strength values.
Keywords: mechanical activation, hydro-mechanical activation, composite binding materials, basalt.
For citation: Khudyakova L.I., Voiloshnikov O.V. Influence of activation methods on properties of composite binding materials. Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2017. No. 4, pp. 64-67. (In Russian).
Производство цемента является не только ресурсоемкой отраслью стройиндустрии, но и одной из самых энергоемких в мировой экономике. Для уменьшения данных показателей в состав цементов вводят минеральные добавки, одним из перспективных видов которых являются базальты, считающиеся нетрадиционным сырьем для данной промышленности. Главное направление их использования — производство базальтового волокна [1—7]. В свою очередь, базальтовое волокно добавляется в цемент с целью получения высококачественных фибробетонов, пенофибробетонов и фиб-роцементных плит [8—12]. Проводятся работы по применению базальтов в качестве флюсующей и ото-щающей добавки в керамические массы при производстве строительной керамики [13]. Перспективным направлением использования базальтов является получение композиционных вяжущих материалов, что позволяет сократить применение портландцементного клинкера, решая тем самым вопросы ресурсосбережения и снижения себестоимости готовой продукции.
В целях повышения качества получаемых материалов используют различные способы активации их сырьевых материалов [14—18], в числе которых механическая, механохимическая, гидромеханохимическая, гидромеханическая, вибрационная, кавитационная, ультразвуковая и т. д. Целесообразность использования данных методов зависит, в частности, от вида применя-
емой добавки. Поэтому целью настоящих исследований явилось изучение влияния методов активации на физико-механические показатели цементных вяжущих материалов с добавкой базальтов.
Для выявления наиболее эффективного способа активации применяли следующие методы: механоактива-цию, гидромеханоактивацию, ультразвуковое диспергирование. Вяжущие также готовились простым смешиванием компонентов.
В качестве сырьевых материалов использовали порт-ландцементный клинкер Тимлюйского цементного завода, гипс Нукутского гипсового карьера, базальт Селендумского месторождения, Республики Бурятия, следующего химического состава, мас. %: SЮ2—48,6; А1203-16,7; Fe2Oз+FeO-П,69; MgO-4,47; СаО-6,25; ТЮ2-2,12; Мп0-0,14; №20+К20-7,4.
При проведении исследований содержание базальтов в вяжущем не превышало 50 мас. %. Содержание гипса оставалось постоянным - 3% от массы клинкера и добавки. Полученные смеси затворяли водой при В/Т = 0,3. Образцы хранили в нормально-влажностных условиях в течение 7 и 28 сут. Испытания проводили по ГОСТ 310.4-81 «Цементы. Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии».
Наиболее простым и экономически выгодным способом получения композиционных вяжущих материалов считается смешивание составных мелкодисперсных
Количество добавки, %
Рис. 1. Зависимость прочности образцов из вяжущего после механического смешивания сырьевых компонентов от количества добавки базальта: 1 - 7 сут твердения, 2 - 28 сут твердения
Количество добавки, %
Рис. 2. Зависимость прочности образцов из вяжущего после гидроме-ханоактивации от количества добавки базальта и водотвердого соотношения: 1 - В/Т = 0,3; 2 - В/Т = 0,35, 3 - В/Т=0,4
компонентов шихты. Однако данный метод не позволяет получить высокие показатели прочности затвердевшего цементного камня (рис. 1).
Введение базальта в состав сырьевой смеси приводит к снижению предела прочности при сжатии образцов цемента. Этот показатель уменьшается с увеличением количества добавки в составе шихты.
Применение метода механоактивации позволяет целенаправленно изменять структуру измельчаемых материалов, влияя тем самым на их реакционную способность. Механическую активацию проводили в стержневом вибрационном измельчителе типа 75ТДр-М, для которого характерна высокая инерционная энергия ударно-сдвигового воздействия мелющих тел на измельчаемую поверхность [19]. Были определены оптимальные параметры: соотношение компонентов сырьевой смеси (табл. 1) и продолжительность активации (табл. 2), позволяющие получить материалы с высокими прочностными показателями.
Как видно из представленных данных, к 7 сут твердения вяжущие композиции набирают более 50% прочности, в дальнейшем ее рост замедляется и к 28 сут твердения достигает наивысших значений.Оптимальным является количество базальта в вяжущем 30%, при котором прочностные показатели образцов максимальны. С дальнейшим увеличением количества базальта предел прочности при сжатии падает.
Известно, что за счет измельчения сырьевых компонентов образуется химически активная поверхность и ускоряется процесс гидратации материала, что приводит к увеличению его прочностных характеристик. Данные табл. 2 показывают, что лучшие показатели имеют образцы вяжущих, подвергнутые механоактива-ции в течение 15 мин. Этого времени достаточно, чтобы
Таблица 1
Количество Предел прочности при Средняя
добавки сжатии, М11а в возрасте плотность,
базальта, мас. % 7 сут 28 сут кг/м3
0 51,3 73,1 2095
10 55,9 76,6 2127
20 62,8 80 2170
30 69 86,5 2204
40 63,7 81,3 2292
50 54,1 75,8 2343
Таблица 2
Время Предел прочности при Средняя
измельчения, сжатии, Ivllla в возрасте плотность,
мин 7 сут 28 сут кг/м3
5 42,4 62,3 2195
10 58,9 75,8 2212
15 69 86,5 2204
20 65,1 78,7 2209
получить высокоразвитую поверхность, позволяющую измельченной композиции в полном объеме провзаи-модействовать с водой. Более продолжительная механо-активация приводит к флокуляции частиц вяжущего, что сокращает реакционную площадь его поверхности, замедляет процесс гидратации и способствует снижению прочности образцов.
Использование гидромеханоактивации позволяет производить активацию вяжущего в жидкой среде. На качество данного процесса значительное влияние оказывает водотвердое отношение. Исследования, проведенные в данном направлении, позволили установить, что оптимальное количество воды затворения составляет 30% от массы шихты (рис. 2).
Меньшее количество жидкой фазы приводит к затруднению формования образцов. Увеличение содержания воды в измельчаемой системе обусловливает снижение механических показателей вяжущих композиций за счет повышения пористости материала и образования рыхлой структуры. Наибольшую прочность при сжатии имеют образцы, содержащие 20% базальта и 80% портландцементного клинкера.
В последнее время в научных исследованиях для подготовки сырья и диспергирования компонентов применяют ультразвуковую обработку, воздействие ко-
100
0 10 20 30 40 50
Количество добавки, %
Рис. 3. Зависимость прочности вяжущих материалов от количества добавки базальта и способа их приготовления: ■ - механоактивация;
- гидромеханоактивация; - механическое смешивание; - ультразвук
J i . ®
июль 2017
65
торой создает переменные звуковые давления, позволяющие разрушать структурные элементы. Поэтому были проведены исследования по установлению влияния ультразвуковой обработки водной системы вяжущих материалов на процесс их гидратации и твердения. Для создания акустических колебаний использовали ультразвуковой диспергатор УЗДН-2. Сырьевую шихту разных составов, затворенную водой, подвергали воздействию ультразвуковых волн частотой 22 кГц в течение 5 мин, затем формовали образцы, хранили в нормально-влаж-ностных условиях и испытывали.
Как показали полученные результаты, воздействие ультразвуковой обработки не оказывает положительного влияния на цементное тесто с добавкой базальта. Затвердевшие образцы имеют низкую прочность при сжатии, которая снижается с увеличением количества добавки базальта. Возможно, объяснением данного процесса является то, что под воздействием ультразвука в изучаемой системе образуются кавитационные пузырьки, приводящие к неустойчивости формируемой пространственной структуры, обусловливающей ее низкую гидратационную активность.
В целом влияние способов активации композиционных вяжущих материалов с добавкой базальта на их прочностные показатели представлено на рис. 3.
Список литературы
1. Сарайкина К.А., Голубев В.А., Семкова Е.Н. Щелочестойкость базальтового волокна и способы ее повышения // Вестник ПНИПУ. Строительство и архитектура. 2012. № 1. С. 185—191.
2. Ходакова Н.Н., Углова Т.К., Фирсов В.В., Татаринцева О.С. Минеральное сырье Кавказа для производства базальтовых волокон // Ползуновский вестник. 2013. № 1. С. 138-142.
3. Khudyakova L.I., Buyantuev S.L., Voiloshnikov O.V. Mineral fiber obtained using low-temperature plasma // Glass and Ceramics. 2013. Vol. 70. No. 7, pp. 297-299.
4. Kumbhar V.P. An overview: basalt rock fibers — new construction material // Acta Engineering International. 2014. No. 2 (1), pp. 11—18.
5. Kunal S. A short review on basalt fiber // International Journal of Textile Science. 2012. Vol. 1 (4), pp. 19—28.
6. Siddiqui R., Naseer S., Uddin B. Basalt: unconventional uses of a conventional rock // International Journal of Science and Engineering. 2015. Vol. 3. Special Number ICRAESM, pp. 116—123.
7. De Fazio P. Basalt fibra: from earth an ancient material for innovative and modern application // Energia, Amblente e Innovazione. 2011. No. 3, pp. 89—96.
8. Бабаев В.Б., Строкова В.В., Нелюбова В.В. Базальтовое волокно как компонент для микроармирования цементных композитов // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2012. № 4. С. 58—61.
9. Borhan T.M. Thermal and mechanical properties of basalt fibre reinforced concrete // International Journal of Civil, Environmental, Structural, Construction and Architectural Engineering. 2013. Vol. 7. No. 4, pp. 334—337.
10. High C., Seliem H.M., El-Safty A., Rizkalla S.H. Use of basalt fibers for concrete structures // Construction and Building Materials. 2015. No. 96, pp. 37—46.
11. Бозылев В.В., Драгель А.А. К вопросу о повышении прочностных показателей изделий из пенобетона неавтоклавного твердения // Вестник Полоцкого государственного университета. Серия F: Строительство. Прикладные науки. 2013. № 16. С. 77—83.
12. Жуков А.Д., Рудницкая В.А. Пенобетон, армированный базальтовой фиброй // Вестник МГСУ. 2012. № 6. С. 83—87.
Экспериментальные данные показывают, что наибольшую прочность имеют вяжущие, полученные методом механоактивации сырьевых материалов. Максимум прочности достигается при содержании базальта в шихте в количестве 30%. Воздействие гидромеханоактива-ции снижает прочность при сжатии вяжущих композиций, максимум которой достигается в составе, содержащем 20% базальта. Худшие показатели имеют образцы, полученные воздействием ультразвука на затворенную водой шихту.
Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что при получении цементных вяжущих материалов с добавлением базальтов наиболее эффективным и экономически выгодным является применение механоактивации сырьевых материалов. Прочность гидратированных продуктов зависит от времени активации и от количества базальта, вводимого в сырьевую шихту. Наилучшие прочностные показатели имеют составы с содержанием базальта в количестве 30% для механоактивации и 20% для гидромеханоакти-вации при их продолжительности в течение 15 мин. При этом вяжущие композиции обладают хорошей водостойкостью. Использование метода механоактивации позволяет получать товарную продукцию на предприятии и поставлять ее на дальние расстояния.
References
1. Saraykina K.A., Golubev V.A., Semkova E.N. Basalt fiber alkali-resistance and methods of its increase. Vestnik PNIPU. Stroitel'stvo i Arhitektura. 2012. No. 1, pp. 185—191. (In Russian).
2. Khodakova N.N., Uglova T.K., Firsov V.V., Tatarintseva O.S. Minerals Caucasus for production of basalt fiber. Polzunovskii Vestnik. 2013. No. 1, pp. 138—142. (In Russian).
3. Khudyakova L.I., Buyantuev S.L., Voiloshnikov O.V. Mineral fiber obtained using low-temperature plasma. Glass and Ceramics. 2013. Vol. 70. No. 7, pp. 297—299.
4. Kumbhar V.P. An overview: basalt rock fibers — new construction material. Acta Engineering International. 2014. No. 2 (1), pp. 11—18.
5. Kunal S. A short review on basalt fiber. International Journal of Textile Science. 2012. Vol. 1(4), pp. 19—28.
6. Siddiqui R., Naseer S., Uddin B. Basalt: unconventional uses of a conventional rock. International Journal of Science and Engineering. 2015. Vol. 3. Special Number ICRAESM, pp. 116—123.
7. De Fazio P. Basalt fibra: from earth an ancient material for innovative and modern application. Energia, Amblente e Innovazione. 2011. No. 3, pp. 89—96.
8. Babaev V.B., Strokova V.V., Nelubova V.V. Basalt fiber as a component for the micro-reinforcement composites. VestnikBGTUim. V.G. Shukhova. 2012. No. 4, pp. 58—61. (In Russian).
9. Borhan T.M. Thermal and mechanical properties of basalt fibre reinforced concrete. International Journal of Civil, Environmental, Structural, Construction and Architectural Engineering. 2013. Vol. 7. No. 4, pp. 334—337.
10. High C., Seliem H.M., El-Safty A., Rizkalla S.H. Use of basalt fibers for concrete structures. Construction and Building Materials. 2015. No. 96, pp. 37—46.
11. Bozylev V.V., Dragel A.A. To the question of the strength indicators of products from non-autodaved foamed concrete increasing. Vestnik Polotskogo gosudarstvennogo yniversiteta. Seria F: Stroitel'stvo. Prikladnye nauki. 2013. No. 16, pp. 77—83. (In Russian).
12. Zhukov A.D., Rudnitskaya V.A. Foam concrete reinforcement by basalt fibres. Vestnik MGSU. 2012. No. 6, pp. 83—87. (In Russian).
13. Barantseva S.E., Levitskiy I.A., Poznyak A.I. Opportunities and prospects of using of the Republic of
13. Баранцева С.Е., Левицкий И.А., Позняк А.И. Возможности и перспективы использования базальтов и туфов Республики Беларусь для производства строительной керамики // Труды Кольского научного центра РАН. 2015. № 5 (31). С. 505-508.
14. Гурьянов Г.А., Клименко Е.А., Васильева О.Ю. Улучшение процесса приготовления и качества бетона на основе анализа способов активации цемента // Вестник ПНИПУ. 2015. № 1. С. 23-41.
15. Ибрагимов Р.А., Пименов С.И. Влияние механохи-мической активации на особенности процессов гидратации цемента // Инженерно-строительный журнал. 2016. № 2 (62). С. 3-12.
16. Kumar S., Kumar R, Bandopadhyay A. et al. Mechanical activation of granulated blast furnace slag and its effect on the properties and structure of Portland slag cement // Cement and Concrete Composites. 2008. Vol. 30. No. 8, pp. 679-685.
17. Sajedi F., Abdul Razak H. Thermal activation of ordinary Portland cement-slag mortars // Materials and Design. 2010. Vol. 31. No. 9, pp. 4522-4527.
18. Пятко Ю.Н., Ахметова Р.Т., Хацринов А.И. и др. Влияние ультразвуковой обработки на свойства трепела // Фундаментальные исследования. 2015. № 12. С. 320-324.
19. Худякова Л.И., Войлошников О.В., Котова И.Ю. Влияние механической активации на процесс образования и свойства композиционных вяжущих материалов // Строительные материалы. 2015. № 3. С. 37-41.
Belarus basalts and tuffs for production of building ceramics. Trudy Kol'skogo nauchnogo tsentra RAN. 2015. No. 5 (31), pp. 505-508. (In Russian).
14. Gur'ianov G.A., Klimenko E.A., Vasil'eva O.Yu. Improving the concrete preparation process and its quality on the basis of activation methods analysis of cement. Vestnik PNIPU. 2015. No. 1, pp. 23-41. (In Russian).
15. Ibragimov R.A., Pimenov S.I. Influence of mechanochemical activation on the feayures in the of hydration of cement. Inzhenerno-stroitel'nyi Zhurnal. 2016. No. 2, pp. 3-12. (In Russian).
16. Kumar S., Kumar R, Bandopadhyay A. et al. Mechanical activation of granulated blast furnace slag and its effect on the properties and structure of Portland slag cement. Cement and Concrete Composites. 2008. Vol. 30. No. 8, pp. 679-685.
17. Sajedi F., Abdul Razak H. Thermal activation of ordinary Portland cement-slag mortars. Materials and Design. 2010. Vol. 31. No. 9, pp. 4522-4527.
18. Pyatko Y.N., Akhmetova R.T., Khatsrinov A.I. et al. Effect of ultrasonic treatment on the properties of tripoli. Fundamental'nye Issledovania. 2015. No. 12, pp. 320-324. (In Russian).
19. Khudyakova L.I., Voiloshnikov O.V. Influence of mechanical activation on process of formation and properties of composite binding materials. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2015. No. 3, pp. 37-41. (In Russian).
II Международный симпозиум по долговечности и устойчивому развитию конструкционного бетона DSCS 2018
4 Москва, 6-7 июня 2018 г.
Организаторы:
Итальянское отделение американского института бетона (ACI IC) и Российская инженерная академия (РИА) При участии Российской академии наук (РАН) и Российской академии архитектуры и строительных наук
(РААСН)
Спонсоры конференции:
Американский институт бетона (ACI) и его комитеты: C130 (Sustainability of Concrete), C201 (Durability of Concrete), C544 (Fiber Reinforced Concrete), C549 (Thin Reinforced Cementitious Products and Ferrocement); Международная федерация по конструкционному бетону (fib); Международный союз экспертов и лабораторий в области испытаний строительных материалов, систем и конструкций (RILEM)
Тематика симпозиума
Сокращение парниковых газов в цементной и бетонной промышленности
Рециклирование и организация удаления отходов в производстве бетонов и растворов Сульфоалюминатные цементы как альтернатива портландцементу и смешанным цементам Щелочеактивированные материалы и геополимеры для устойчивого строительства
Долговечность железобетонных конструкций Оценка жизненного цикла в строительстве из бетона Повторное использование и восстановление функциональности железобетонных конструкций Ремонт и эксплуатация Контроль, инспектирование и мониторинг Примеры из практики
Место проведения конференции: Российская академия наук, Москва, Россия
http://www.aciitaly.com/events/dscs2018 Секретариат симпозиума: ACI Italy Chapter Secretary (aciitalychapter@gmail.com) Российский секретариат: Леонид Иванов, региональная группа РИЛЕМ (l.a.ivanov@mail.ru); Сергей Бронин, Национальная группа ФИБ (bronin@list.ru).
j t. ®
июль 2017
67
