CC BY
30УДК 691.51:666.9(075.8)
Г.И. БЕРДОВ, д-р техн. наук, Л.В. ИЛЬИНА, канд. техн. наук (nsklika@mail.ru), Н.А. МАШКИН, д-р техн. наук, Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)
Влияние волластонита
на прочность цементного камня
из длительно хранившегося портландцемента
В отдаленных районах России (Север, Сибирь, Дальний Восток) ближайшие цементные заводы отсутствуют, и доставка цемента или клинкера производится главным образом водным путем в период краткосрочной навигации. При этом цемент или клинкер вынужденно подвергается длительному хранению в течение нескольких месяцев. Аналогичная ситуация может возникнуть в случае длительной остановки по каким-либо причинам производства строительных материалов с использованием цемента. В этом случае на поверхности частиц цемента или клинкера неизбежно образуются гидратные фазы и карбонат кальция, что приводит к существенному снижению активности цемента и качества получаемых с их использованием строительных материалов [1, 2].
В данной работе исследовано изменение механической прочности образцов, полученных из длительно хранившегося цемента или клинкера (размолотого) и способы восстановления активности таких вяжущих материалов введением добавок волластонита.
Испытания проводились с использованием портландцемента производства ООО «Искитимцемент» (Новосибирская область) марки ПЦ 400 Д—20 и клинкера, используемого при изготовлении этого цемента. Минеральный состав портландцемента, мас. %: СзS — 50-55; С^ - 18-22; С3А - 7-11; C4AF - 12-15. Удельная поверхность 320 м2/кг. Химический состав цемента, мас. %: SiO2 - 20,7; А1203 - 6,9; Fe2O3 - 4,6; СаО - 65,4; MgO - 1,3; SO3 - 0,4; ППП - 0,5. Клинкер хранился в виде гранул размером 10-20 мм.
Исследованы пробы цемента и клинкера после хранения в течение 7 сут при нормальных условиях (температура 20±2оС, влажность не более 60%) - свежеприготовленный цемент и свежеприготовленный клинкер (контрольный состав); после хранения в течение 4 мес в среде с влажностью около 80% при температуре 20±2оС.
Испытания проводились на образцах цементного камня размерами 20x20x20 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 85оС в течение 6 ч и снижение температуры в течение 2 ч.
В качестве добавки использован измельченный вол-ластонит Синюхинского месторождения (рудник Веселый, Республика Алтай). Его химический состав, мас. %: SiO2 - 53,4; СаО - 34,7; MgO - 0,3; А1203 - 3,1; Fe2O3 - 2,4. Среднеобъемный размер зерен волластонита, определенный методом лазерной гранулометрии, равен 33,9 мкм. Удельная поверхность порошка составляет 287 м2/кг (близка к удельной поверхности цемента). Волластонит представляет собой однокальциевый силикат СаSiO3 (СаО^Ю2), родственный по составу клинкерным минералам портландцемента (алиту, белиту), что обусловливает его эффективную совместимость с продуктами гидратационного твердения цемента. Плотность волластонита составляет 2,915 г/см3.
Волластонит вводился в количестве 2, 5, 7, 9 и 11% от массы цемента или клинкера. Клинкер, как свежепри-
Таблица 1
Условия и продолжительность твердения Прочность образцов цементного камня из свежеприготовленного клинкера, МПа
Количество волластонита, % от массы вяжущего
0 2 5 7 9 11
ТВО 55,1 55,9 62,2 63,1 64 53,9
Нормальные условия 3 сут 7,5 9,1 9,8 10,4 11,7 8,2
7 сут 15,2 16,4 20,0 19,7 20,4 16,6
14 сут 34,5 33,8 38,1 38,6 39,1 33,3
28 сут 64,8 65,7 76 76,2 77,3 69,6
Условия и продолжительность твердения Прочность образцов цементного камня, полученного из клинкера, хранившегося 4 мес во влажных условиях, МПа
Количество волластонита, % от массы вяжущего
0 2 5 7 9 11
ТВО 55,7 59,1 61,4 64 67 60,6
Нормальные условия 3 сут 9,9 11,9 12,2 14,4 15,1 12,1
7 сут 16,5 19,3 20 22,8 26,2 18,3
14 сут 33 33,5 38,1 40,5 42,2 37,1
28 сут 61,9 65 70,2 73,1 74,5 68,2
Таблица 2
48
научно-технический и производственный журнал
январь 2011
iA ®
Таблица 4
Таблица 3
Условия и продолжительность твердения Прочность образцов цементного камня из свежеприготовленного портландцемента, МПа
Количество волластонита, % от массы вяжущего
0 2 5 7 9 11
ТВО 54,8 57,9 63,9 65,1 66,7 61,4
Нормальные условия 3 сут 10,5 11,1 12,5 14,9 15,7 10,7
7 сут 17,9 18 19,5 21,5 22,8 18,9
14 сут 33 34 37,9 38 39,5 35,7
28 сут 62,4 66,5 69,9 71,6 75 69
Условия и продолжительность твердения Прочность образцов цементного камня, полученного из портландцемента, хранившегося 4 мес во влажных условиях, МПа
Количество волластонита, % от массы вяжущего
0 2 5 7 9 11
ТВО 37,9 56,3 61,8 60,9 62,4 55,9
Нормальные условия 3 сут 8,7 10,4 11,7 12,5 13,1 11
7 сут 13,4 18 18,7 19,1 20,8 16,7
14 сут 22,7 33,1 35,3 36,9 37,4 32,9
28 сут 42,9 60,9 64,7 65,1 67,3 60,4
готовленный, так и хранившийся в течение 4 мес во влажных условиях, измельчали в шаровой мельнице, при этом к нему добавляли 5% двуводного гипса и указанные выше добавки волластонита. Цемент, как свежеприготовленный, так и хранившийся в течение 4 мес во влажных условиях, смешивали с добавками волластонита в шаровой мельнице в течение 2 ч.
Полученные результаты приведены в табл. 1—4.
После хранения портландцемента в течение 4 мес во влажных условиях прочность изготовленных из него образцов снижается после 28 сут твердения при нормальных условиях на 31%, после тепловлажностной обработки также на 31%.
В случае хранения клинкера во влажных условиях снижение прочности образцов после тепловлажностной обработки не отмечено. После твердения в течение 28 сут при нормальных условиях прочность снижается на 5%.
Во всех случаях введение волластонита в количестве 7—9 мас. % приводит к увеличению прочности образцов во все сроки твердения. Введение уже 2 мас. % волластонита приводит к существенному повышению прочности цементного камня.
Степень влияния волластонита на прочность цементного камня не зависит от того, какое вяжущее использовали (измельченный клинкер или портландцемент).
В случае портландцемента, хранившегося в течение 4 мес во влажных условиях и значительно утратившего вследствие этого активность, влияние волластонита проявляется наиболее значительно. При введении оптимального количества добавки волластонита (7—9 мас. %) во всех случаях скорость набора прочности увеличивается.
Влияние волластонита может быть обусловлено следующими факторами. Волластонит оказывает влияние на процесс гидратации, так как образование новых соединений (гидратов) происходит при действии достаточно сильного адсорбционного поля частиц волластонита. Кроме того, волластонит обеспечивает микроармирование образующегося цементного камня, так как его кристаллы имеют игольчатое строение.
В случае хранения клинкера и особенно цемента в условиях с высокой влажностью значительная доля материала подвергается гидратации и карбонизации. Совместное измельчение при перемешивании цемен-
та и волластонита будет приводить к обновлению поверхности зерен цемента. Образующиеся гидросиликаты обладают сродством к волластониту — одно-кальциевому силикату. Все это приводит при добавлении оптимального количества волластонита к повышению прочности образцов, изготовленных из цемента, хранившегося 4 мес во влажных условиях, и получению значений прочности, равных или даже превосходящих величины, соответствующие исходному цементу без добавок.
Таким образом, добавка 5—9 мас. % волластонита, представляющего собой однокальциевый силикат, приводит к существенному увеличению прочности цементных образцов: при твердении в нормальных условиях на 20%, после тепловлажностной обработки также на 20%. Особенно эффективно введение воллас-тонита для восстановления активности цемента после его длительного хранения (4 мес) во влажных условиях, когда его активность значительно утрачивается. При этом прочность образцов, содержащих 7—9 мас. % волластонита, после 28 сут нормального твердения возрастает по сравнению с образцами без добавки на 50—60%, после тепловлажностной обработки — на 65%. Получаемые значения прочности превосходят контрольные, т. е. полученные на образцах из свежеприготовленного цемента без добавок волластонита. Введение 7—9% волластонита обеспечивает полное восстановление активности цемента, утратившего ее вследствие длительного хранения (4 мес) во влажных условиях. Существенное восстановление активности при введении оптимального количества волластонита отмечено также и при более длительном (12 мес) хранении портландцемента во влажных условиях.
Ключевые слова: портландцемент, волластонит, длительное хранение, прочность.
Список литературы
1. Кузнецова Т.В., Куряшов И.В., Тимашев В.В. Физическая химия вяжущих материалов. М.: Высшая школа, 1989. 384 с.
2. Волженский А.В., Буров Ю. С., Колокольников В. С. Минеральные вяжущие вещества. М.: Стройиздат, 1979. 476 с.
Ы ®
научно-технический и производственный журнал
январь 2011
49
