CC BY
66
УДК 691.555
Г.И. Бердов, Л.В. Ильина, М.А. Раков, Д.В. Орешкин*
ФГБОУВПО «НГАСУ» (Сибстрин), *ФГБОУВПО «МГСУ»
ВЛИЯНИЕ ВОЛЛАСТАНИТА НА МЕХАНИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ, ИЗГОТОВЛЕННОГО ИЗ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТНОГО КЛИНКЕРА
Исследовано влияние введения добавки волластонита (2...11 масс. %) на повышение прочности цементного камня, изготовленного как на свежеприготовленном клинкере, так и на хранившемся 4 месяца во влажных условиях. Оптимальным количеством добавки волластонита является 5.9 масс. %.
Ключевые слова: портландцементный клинкер, цементный камень, длительность хранения, механическая прочность, волластонит.
Для регулирования свойств цементных материалов используется большое количество различных добавок [1]. Так, повышение прочности цементного камня может быть достигнуто введением минеральной добавки такой, как вол-ластонит.
В работе исследован портландцементный клинкер производства ООО «Искитимцемент» (Новосибирская область) марки ПЦ 400 Д-20, служащий полуфабрикатом для приготовления этого цемента. Минеральный состав порт-ландцементного клинкера, % мас.: С^ — 50...55, С^ — 18...22, С3А — 7...11, C4AF — 12.15. Химический состав клинкера, % мас: SiO2 — 20,7; А1203 — 6,9; Fe2O3 — 4,6; СаО — 65,4; MgO — 1,3; SO3 — 0,4; п.п.п.— 0,5. Клинкер хранился в виде гранул размером 5.10 мм.
Исследованы пробы клинкера после хранения в течение 7 сут при нормальных условиях (температура 20 ± 2 °С, влажность — не более 60 %) — свежеприготовленный клинкер, после хранения в течение 4 мес. в среде с влажностью около 80 % при температуре 20 ± 2 °С.
Исследования проводились на образцах цементного камня размерами 20^20x20 мм, полученных в результате твердения теста нормальной густоты при нормальных условиях и после тепловлажностной обработки по режиму: подъем температуры в течение 3 ч, выдержка при температуре 85 °С в течение 6 ч и снижение температуры в течение 2 ч.
Волластонит вводился в количестве 2, 5, 7, 9 и 11 % от массы клинкера. Клинкер как свежеприготовленный, так и хранившийся в течение четырех месяцев во влажных условиях, измельчали в шаровой мельнице до удельной поверхности 320 м2/кг. Затем к нему добавляли 5 % двуводного гипса и указанные выше добавки волластонита.
Полученные результаты приведены в табл. 1, 2.
Табл. 1. Влияние добавок волластонита на прочность цементного камня, изготовленного из свежеприготовленного клинкера
Условия и продолжительность
Прочность образцов цементного камня, МПа
при количестве волластонита, % от массы вяжущего
твердения 0 2 5 7 9 11
ТВО 55,7 59,1 62,2 64,0 67,0 60,6
Нормальные условия, 1 сут 9,9 11,9 12,2 14,4 15,1 12,2
Нормальные условия, 3 сут 16,5 19,3 20,0 22,8 26,2 18,3
Нормальные условия, 7 сут 34,5 33,8 38,1 40,5 42,2 37,1
Нормальные условия, 28 сут Табл. 2. Влияние добавок ленного из клинкера, хранивш 64,8 волластс егося 4 м 65,7 шита на шс. во в 76,0 прочное лажных 76,2 ть цементн условиях 77,3 ого камн 69,6 я, изготов-
Условия и продолжительность твердения Прочность образцов цементного камня, МПа
при количестве волластонита, % от массы вяжущего
0 2 5 7 9 11
ТВО 55,1 55,9 61,4 63,1 64,0 59,9
Нормальные условия, 1 сут 7,5 9,1 9,8 10,9 12,1 10,2
Нормальные условия, 3 сут 15,2 16,4 20,0 20,3 21,2 16,6
Нормальные условия, 7 сут 33,0 33,0 38,1 38,6 39,1 33,3
Нормальные условия, 28 сут 61,9 65,0 70,2 73,1 74,5 68,2
Проведем анализ полученных результатов.
1. Влияние количества добавки волластонита. На рисунке приведена зависимость прочности цементного камня от количества вводимой добавки (волла-стонит) при твердении в течение 28 сут в нормальных условиях и после тепло-влажностной обработки.
Зависимость прочности цементного камня, твердевшего в нормальных условиях и после тепловлажностной обработки, от количества волластонита
Введение уже 2 % масс. волластонита приводит к существенному повышению прочности цементного камня. По мере увеличения количества водимого волластонита до 9 % прочность образцов повышается. Однако при добавлении 11 % волластонита во всех случаях отмечено снижение прочности цементного камня.
Оптимальная добавка волластонита составляет 5.9 % масс. Образцы цементного камня, твердевшие при нормальных условиях, при введении вол-ластонита показали более высокие результаты при использовании свежеприготовленного клинкера, чем хранившиегохся в течение 4 мес. во влажных условиях.
2. Влияние добавки волластонита на прочность цементного камня, твердевшего в различных условиях. В табл. 3 приведены данные по увеличению прочности цементного камня, изготовленного из измельченного клинкера, твердевшего в различных условиях и содержащего добавку волластонита относительно аналогичных значений для контрольных (бездобавочных) образцов.
Табл. 3. Увеличение прочности образцов цементного камня с добавкой волластонита по отношению к прочности образцов без добавки
1. Исходный (свежеприготовленный) клинкер с добавкой 5 % гипса
Условия и продолжительность твердения
Увеличение прочности образцов клинкерного камня,
%
при количестве волластонита, % от массы вяжущего
2 5 7 9 11
ТВО 6,1 11,7 14,9 20,3 8,8
Нормальные условия, 1 сут 20,2 23,2 45,4 52,5 22,2
Нормальные условия, 3 сут 16,9 21,2 38,2 58,7 10,9
Нормальные условия, 7 сут -1,9 10,4 17,4 22,3 7,5
Нормальные условия, 28 сут 1,4 17,3 17,6 19,3 7,4
2. Клинкер после 4 месяцев хранения во влажных условиях с добавкой волластонита и 5 % двуводного гипса
ТВО 1,5 11,4 14,5 16,2 -2,2
Нормальные условия, 1 сут 21,3 30,7 45,3 61,3 36,0
Нормальные условия, 3 сут 7,9 31,6 33,6 39,5 9,2
Нормальные условия, 7 сут 0 15,6 16,9 18,5 0,9
Нормальные условия, 28 сут 5,0 13,4 18,0 20,3 10,2
Введение волластонита приводит к увеличению прочности образцов во все сроки твердения. Это увеличение наиболее значительно при количестве вводимого волластонита 7.9 % масс. При увеличении содержания добавки до 11 % масс. эффект снижается.
Влияние волластонита на прочность образцов, изготовленных из свежеприготовленного и «состаренного» (клинкер, хранившийся 4 мес. во влажных условиях) клинкера, однозначно.
Во все сроки твердения (1...28 сут) увеличение прочности составляло 40...60 %. Эффект увеличения прочности после 7 и 28 сут твердения больше по сравнению с 1 и 3 сут.
3. Влияние добавок волластонита на соотношение значений прочности цементного камня после нормального твердения и тепловлажностной обработки. В табл. 4 приведены отношения прочности при сжатии образцов, твердевших при нормальных условиях в течение 28 сут R28, и прочности Rтао, достигаемой при тепловлажностной обработке.
Табл. 4. Отношение значений прочности после твердения в течение 28 сут при нормальных условиях Я288 и после тепловлажностной обработки Я
Количество добавки волластонита, % масс.
Вяжущее *
0 2 5 7 9 11
Клинкер свежеприготовленный 1,18 1,18 1,22 1,21 1,21 1,29
Клинкер после 4 мес. хранения во влажных условиях 1,11 1,10 1,14 1,14 1,11 1,13
Во всех случаях при твердении в нормальных условиях достигается более высокое значение прочности. Это хорошо известный факт [2—4] может быть обусловлен соотношением скорости протекания двух процессов, определяющих формирование прочности цементного камня: гидратообразования и структурообразование. Первый из этих процессов обусловлен, в основном химическими реакциями: гидратацией и гидролизом клинкерных минералов. Второй процесс — структурообразование определяется во многом физическими явлениями, формированием прочных контактов между частицами. Эти процессы оказывают взаимное влияние друг на друга [5, 6].
Ускорение гидратообразования, достигаемое при тепловлажностной обработке, изменяет протекание процесса структурообразования, что, в конечном счете, приводит к меньшему значению прочности цементного камня после тепловлажностной обработки, чем при твердении в нормальных условиях [7, 8].
На образцах, изготовленных из измельченного клинкера, также изменения невелики. R28 / Rтво несколько увеличивается при введении добавки волласто-нита.
4. Изменение прочности образцов при длительном хранении клинкера. В табл. 5 приведены значения прочности образцов, изготовленных из клинкера в исходном (свежеприготовленном) состоянии, а также после их хранения в течение 4 мес. во влажных условиях. Эти значения сопоставимы со значениями прочности, полученными при введении оптимальной добавки (7 % масс.) волластонита.
Табл. 5. Прочность при сжатии цементного камня после твердения при нормальных условиях и тепловлажностной обработки
Вяжущее Прочность при сжатии образцов после твердения
28 сут в нормальных условиях в условиях тепловлажностной обработки
свеже-приготовлен-ного 4 мес. хранения во влажных условиях 4 мес. хранения во влажных условиях с добавлением 7 % волла-стонита свеже-приготовлен-ного 4 мес. хранения во влажных условиях 4 мес. хранения во влажных условиях с добавлением 7 % вол-ластонита
Клинкер 64,8 61,9 73,0 55,1 55,7 64,0
При хранении клинкера во влажных условиях снижение прочности образцов после тепловлажностной обработки не отмечено. После твердения в течение 28 сут при нормальных условиях прочность снижается на 4 %. В этом случае введение волластонита (7 % масс.) также обеспечивает повышение прочности образцов после 28 сут нормального твердения на 28 %, после те-пловлажностной обработки — на 17 %.
Влияние волластонита может быть обусловлено следующими причинами. При введении свежемолотых порошков (клинкера) волластонит оказывает влияние на процесс гидратации, так как образование новых соединений (гидратов) происходит при влиянии достаточно сильного адсорбционного поля частиц волластонита.
При хранении клинкера в условиях с высокой влажностью значительная доля материала подвергнута гидротации и карбонизации [9].
Библиографический список
1. Добавки в бетон : пер. с англ / под ред. В.С. Рамачандрана. М. : Стройиздат, 1988. 575 с.
2. Кузнецова Т.В., Куряшов И.В., Тимашев В.В. Физическая химия вяжущих материалов. М. : Высш. шк., 1989. 384 с.
3. Цимерманис. Л.-Х.Б. Термодинамика влажностного состояния твердения строительных материалов. Рига : ЗИНАТНЕ, 1989. 247 с.
4. Вест А. Химия твердого тела. Теория и приложения. Ч. 1. / пер. с англ. А. Вест. М. : Мир, 1988. 558 с.
5. Волженский А.В., Буров Ю.С., Колокольников В.С. Минеральные вяжущие вещества. М. : Стройиздат, 1979. 476 с.
6. Колбасов В.М., Леонов И.И., Сулименко Л.М. Технология вяжущих материалов. М. : Стройиздат, 1987. 432 с.
7. Ильина Л.В. Повышение эксплуатационных характеристик строительных материалов на основе цемента длительного хранения : дисс. ... д-ра техн. наук. Новосибирск, 2011. 351 с.
8. Горчаков Г.И., Баженов Ю.М. Строительные материалы. М. : Стройиздат, 1986. 688 с.
9. Бердов Г.И., Ильина Л.В. Активация цементов действием минеральных добавок // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2010. № 9. С. 55—58.
Поступила в редакцию в январе 2013 г.
Об авторах: Бердов Геннадий Ильич — доктор технических наук, профессор кафедры строительных материалов и специальных технологий, ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «НГАСУ» Сибстрин), 630008, г. Новосибирск, ул. Ленинградская, д. 113, (8913)-769-18-59;
Ильина Лилия Владимировна — доктор технических наук, профессор кафедры строительных материалов и специальных технологий, ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «НГАСУ» Сибстрин), 630008, г. Новосибирск, ул. Ленинградская, д. 113, nsklika@ mail.ru;
Раков Михаил Андреевич — аспирант кафедры строительных материалов и специальных технологий, ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «НГАСУ» Сибстрин), 630008, г. Новосибирск, ул. Ленинградская, д. 113, [email protected];
Орешкин Дмитрий Владимирович — доктор технических наук, заведующий кафедрой строительных материалов, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8(499)183-32-29, [email protected].
Для цитирования: Влияние волластанита на механическую прочность цементного камня, изготовленного из портландцементного клинкера / Г.И. Бердов, Л.В. Ильина, М.А. Раков, Д.В. Орешкин // Вестник МГСУ 2013. № 3. С. 120—126.
G.I. Berdov, L.V. Il'ina, M.A. Rakov, D.V. Oreshkin
INFLUENCE OF WOLLASTONITE ON THE MECHANICAL STRENGTH OF THE CEMENT STONE MADE OF PORTLAND CEMENT CLINKER
The authors have completed a research into the influence of wollastonite onto the strength of the cement stone, if the latter is freshly made or stored in the humid environment for four months. The authors believe that the optimal share of the wollastonite admixture is equal to 5...9 %.
The strength of wollastonite-free clinker samples is not reduced, if the clinker is stored in the humid environment and exposed to heat and moisture treatment. Upon the expiry of the 28-days' curing period, the strength of samples is down by 4 % in the regular environment. In this case, the wollastonite admixture (7 %) improves the strength of samples upon the expiry of the 28 days' curing period and their strength goes up by 28 %, while the strength of samples goes up by 17 % upon their exposure to heat and moisture treatment.
The authors believe that the influence produced by wollastonite may be explained by the following reasons. In the event that freshly milled powder (clinker) is added, wollastonite produces its influence on the hydration process, as formation of new compounds (hydrates) is influenced by a strong adsorption field of wollastonite particles.
If clinker is stored in the humid environment, its substantial share is subject to hydration and carbonization.
Key words: Portland cement clinker, cement stone, storage period, mechanical strength, wollastonite.
References
1. Ramachandran V.S., editor. Dobavki v beton [Concrete Admixtures]. Moscow, Stroy-izdat Publ., 1988, 575 p.
2. Kuznetsova T.V., Kuryashov I.V., Timashev V.V. Fizicheskaya khimiya vyazhushchikh materialov [Physical Chemistry of Binders]. Moscow, Vyssh. shk. publ., 1989, 384 p.
3. Tsimermanis. L.-Kh.B. Termodinamika vlazhnostnogo sostoyaniya tverdeniya stroitel'nykh materialov [Thermodynamics of the Humid Condition in the Course of Curing of Construction Materials]. Riga, ZINATNE Publ., 1989, 247 p.
4. Vest A. Khimiya tverdogo tela. Teoriya i prilozheniya. Ch. 1 [Solid Body Chemistry. Theory and Applications. Part 1.] Moscow, Mir Publ., 1988, 558 p.
5. Volzhenskiy A.V., Burov Yu.S., Kolokol'nikov V.S. Mineral'nye vyazhushchie veshchest-va [Mineral Binders]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1979, 476 p.
6. Kolbasov V.M., Leonov I.I., Sulimenko L.M. Tekhnologiya vyazhushchikh materialov [Technology of Binders]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1987, 432 p.
7. Il'ina L.V. Povyshenie ekspluatatsionnykh kharakteristik stroitel'nykh materialov na os-nove tsementa dlitel'nogo khraneniya [Improvement of Performance Characteristics of Construction Materials Made of Long-storage Cement]. Novosibirsk, 2011, 351 p.
8. Gorchakov G.I., Bazhenov Yu.M. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1986, 688 p.
9. Berdov G.I., Il'ina L.V. Aktivatsiya tsementov deystviem mineral'nykh dobavok [Activation of Cements by Mineral Admixtures]. Mezhdunarodnyy zhurnal prikladnykh i fundamental'nykh issledovaniy [International Journal of Applied and Fundamental Research]. 2010, no. 9, pp. 55—58.
About the authors: Berdov Gennadiy Il'ich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Construction Materials and Specialized Technologies, Sibstrin Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering (NGASU Sibstrin), 113 Leningradskaya St., Novosibirsk, 630008, Russian Federation; +7 (913) 769-18-59;
Il'ina Liliya Vladimirovna — Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Construction Materials and Specialized Technologies, Sibstrin Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering (NGASU Sibstrin), 113 Leningradskaya St., Novosibirsk, 630008, Russian Federation; [email protected];
Rakov Mikhail Andreevich — postgraduate student, Department of Construction Materials and Specialized Technologies, Sibstrin Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering (NGASU Sibstrin), 113 Leningradskaya St., Novosibirsk, 630008, Russian Federation; [email protected];
Oreshkin Dmitriy Vladimirovich — Doctor of Technical Sciences, Chair, Department of Construction Materials, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaro-slavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected]; +7 (499) 183-32-29.
For citation: Berdov G.I., Il'ina L.V., Rakov M.A., Oreshkin D.V. Vliyanie vollastanita na mekhanicheskuyu prochnost' tsementnogo kamnya, izgotovlennogo iz portlandtsementnogo klinkera [Influence of Wollastonite on the Mechanical Strength of the Cement Stone Made of Portland Cement Clinker]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 3, pp. 120—126.
