CC BY
11Алфимова Н.И., канд. техн. наук, доц., ЛесовикВ.С., член-корр. РААСН, д-р техн. наук, проф., Агеева М.С., канд. техн. наук, доц., Трунов П.В., канд. техн. наук, Шадский Е.Е., магистрант Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
ВЛИЯНИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПРОЧНОСТЬ МОДИФИЦИРОВАННОГО ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ*
alfimovan@mail.ru
Как известно в реальных условиях часто возникают ситуации, вызывающие недостаток жидкой фазы в цементном камне. Это приводит к замедлению процессов гидратации, а в некоторых случаях снижению прочности композита. С целью выявления поведения тонкомолотых вулканоген-но-осадочных пород Камчатки в цементном камне, в условиях дефицита воды, был проведен анализ изменения прочности образцов, выдержанных при температуре 200 °С и 550 °С. Установлено - образцы модифицированного цементного камня отличаются меньшим сбросом прочности, что обусловлено комплексным влиянием вулканогенно-осадочных пород на процессы структурообразования, способствующем снижению негативных воздействий деструктивных процессов, вызванных температурным фактором.
Ключевые слова: вулканогенно-осадочные породы, минеральная добавка, цементный камень, прочность.
Введение. Одной из основных тенденций в основе создания высокоэффективных бетонов на настоящий момент является применение различного рода добавок минерального и органического происхождения или их комплекса, а также использования композиционных вяжущих [1___17], в основе создание которых лежит использование сырьевых ресурсов различного генезиса, в том числе и вулканического происхождения [18...22].
Доказано, что использование минеральных добавок дает возможность экономии клинкерной составляющей, но и способствует приданию композитам дополнительных уникальных свойств, природа которых предопределяется генезисом и, как следствие, свойства исходного сырья.
Целью данного исследования явился анализ влияния высокотемпературного воздействия на прочность цементного камня, содержащего в своем составе 12,5 % тонкомолотых вулканоген-но-осадочных пород (ВОП) Камчатки.
Как известно под воздействием умеренных и высоких температур в цементном камне не только возникает нехватка жидкой фазы, но и протекают сложные процессы, которые приводят к снижению его прочности. Так, при нагрев до 300 °С способствует испарению сорбированной влаги за счет удаления из гелеобразных продуктов гидратации портландцементного клинкера адсорбционной воды, и кристаллогидратной воды из гидросульфоалюмината кальция. Помимо этого вместе с удалением влаги в цементном камне развиваются объемные и линейные деформации, вызывающие сильное напряжение в материале, которые в некоторых случаях спо-
собствуют образованию микро- и макротрещин. Дальнейший подъем температуры способствует нарушению структуры цементного камня за счет различия деформаций продуктов гидратации и непрогидратированных зерен. При температуре примерно 510 °С происходит дегидратация Са(ОН)2 и разложение гидратных новообразований. При температуре порядка 800 °С наблюдается диссоциация, а при дальнейшем нагревании - интенсивное разложение карбоната кальция 1240 °С.
Методика исследований. Исследования проводились на образцах (2*2*2 см) чистого цементного камня, а также содержащего в своем составе 12,5 % молотых до удельной повнерхно-сти 400 м2/кг вулканогенно-осадочных пород. Образцы выдерживались в муфельной печи при температуре 200 °С и 550 °С, после чего определялся их предел прочности при сжатии. В качестве контрольных выступали образцы, не подвергавшиеся нагреванию (их предел прочности при сжатии принят за 100 %).
Удельная поверхность и количество вводимых в состав вулканогенно-осадочных пород, было обусловлено результатами ранее проведенных исследований, которые показали, что приданной тонине помола и концентрации ВОП наблюдается максимальный прирост прочности цементного камня составляющий порядка 24 %.
Основная часть. Анализ полученных результатов показал, что прочность цементного камня выдержанного при температуре 200 °С, составила 78,72 % от контрольных образцов, а для образцов, содержащих ВОП - 69,75 % (рис. 1).
100
I цемент
200
Температура, "С г цемент+12,5 % ВОП —•—цемент
550
-цемент+12,5% ВОП
Рис. 1. Показатели изменения прочности после высокотемпературного воздействия образцов чистого цементного камня и с содержанием вулканогенно-осадочных пород в своем составе
У цементного камня, содержащего в совсем составе тонкомолотые ВОП, выдержанных при температуре 550 °С, наблюдается прирост прочности на 9,5 % по сравнению с предыдущим температурным интервалом, в то время как прочность чистого цементного камня снижается еще на 8,5 %.
Также было выявлено, что для вяжущих, выдержанных при температуре 200 °С, интенсивность пиков соответствующих С2S, СзS и Са(ОН)2 на рентгеннограмме цементного камня, содержащего в своем составе тонкомолотые ВОП, ниже, чем у чистого цементного камня (рис. 2, а). Снижение интенсивности пиков али-та и белита можно объяснить тем, что глинистые минералы, входящие в состав вулканоген-но-осадочных пород, благодаря своей слоистой структуре способны поглощая удерживать воду и от давать ее при нагревании до 200 °С, когда в цементном камне наблюдается дефицит жидкой фазы, тем самым активизируя процессы гидратации и снижая негативное воздействие деструктивных факторов, в том числе усадочных деформаций. По мимо этого при нагреве до указанной температуры создаются условия, способствующие взаимодействию Са(ОН)2 с активным минеральным компонентом ВОП (кристобалит, наноразмерные глинистые частицы), что и обуславливает снижение интенсивности пиков портландита.
Совокупность этих процессов и объясняет меньший сброс прочности у образцов цементного камня выдержанного при температуре 200 °С,
содержащего в своем составе 2,5 % тонкомолотых вулканогенно-осадочных пород.
Отличительной особенностью дифрагто-граммы образцов, выдержанных при 550 °С, является отсутствие основных пиков портландита с d/n = 2,63; 4,93 А и снижение интенсивности пика с d/n = 1,93 (рис. 2, б), что свидетельствует о разложении Са(ОН)2 при данной температуре. При этом оба образца отличаются практически равной интенсивной отражения указанного пика. Также на рентгенограммах модифицированного цементного камня (рис. 2, б, 2) наблюдается еще большее снижение интенсивности пик клинкерных минералов как по отношению к чистому цементному камню, так и по отношению к образцу аналогичного состава, выдержанного при температуре 200 °С.
При практически равной интенсивности пиков Са(ОН)2 снижение пиков алита и белита подтверждает ранее сделанный вывод о положительном влиянии тонкомолотых вулканогенно-осадочных пород на процессы структурообразо-вания в части ускорения процессов гидратации и связывания портландита, что и объясняет прирост прочности у образцов модифицированного цементного камня, выдержанного при 550 °С.
Анализ микроструктуры вяжущих, выдержанных при температуре 200 °С, позволил выявить наличие системы пластинчатых новообразований в образцах, содержащих вулканогенно-осадочные породы (рис. 3, 2а), что может служить подтверждением положительного влияния ВОП на процессы структурообразования в цементном камне при указанной температуре.
Д - Са(0Н)2;
□ - CзS; О - С2S
Рис. 2. Рентгенограммы образцов, выдержанных при температуре 200°С (а) 550°С (б): 1 - чистый цементный камень; 2 - цементный камень содержащий 12,5 % тонкомолотых ВОП
В тоже время микроструктура цементного камня состоит в основном из отдельных агрегатов, по виду напоминающих хлопья (рис. 3, 1б). Отличительной особенностью таких образований является слабая контактная зона, предопределяющая низкую прочность композита.
Необходимо отметить, что вне зависимости от температуры воздействия, микроструктура чистого цементного камня, содержащего в своем составе ВОП, отличается большей плотностью и
меньшим количеством трещин и пор (рис. 3, 2 а, б).
Выводы. Основываясь на полученных результатах можно сделать вывод, что введение тонкомолотых вулканогенно-осадочных пород, благодаря комплексному влиянию на процессы структурообразования, способствует снижению негативных воздействий деструктивных процессов, вызванных температурным фактором.
Также, на основе ранее проведенных исследований, можно сделать предположение о том, что механизм действия глинистых частиц
а
б
ВОП в условиях повышенных температур будет проявляться и при твердении цементного камня
1
в нормальных условиях.
2
щкШШ
ЩШ
Рис. 3. Микроструктура образцов, выдержанных при температуре 200 °С (а) 550 °С (б): 1 - чистый цементный камень; 2 - цементный камень содержащий 12,5 % тонкомолотых ВОП
*Работа выполнена в рамках РФФИ: договор № 14-41-08002. «Теоретические основы проектирования и создания интеллектуальных композитов с заданными свойствами.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Лесовик В.С., Сулейманова Л.А., Кара К.А. Энергоэффективные газобетоны бетоны на композиционных вяжущих для монолитного строительства // Известия вузов. Строительство. 2012. №3. С. 10-20.
2. Сулейманова Л.А., Кара К.А. Газобетоны на композиционных вяжущих для монолитного строительства. Белгород, 2011. 150 с.
3. Володченко А.Н., Лесовик В.С., Алфимов С.И., Жуков Р.В., Гаранин В.К. Ячеистые
бетоны с использованием попутнодобываемых пород Архангельской алмазоносной провинции // Известия вузов. Строительство. 2007. №2. С.13-18.
4. Володченко А.Н., Лесовик В.С., Алфимов С.И., Жуков Р.В. Попутные продукты горнодобывающей промышленности в производстве строительных материалов // Современные наукоемкие технологии. 2005. № 10. С. 79-79.
5. Володченко А.Н. Автоклавные силикатные материалы на основе отходов горнодобывающей промышленности // Сборник научных трудов Sword. 2012. Т 47. №4. С. 29-32
6. Клюев С.В. Высококачественный фиб-робетон для монолитного строительства // Меж-
а
б
дународный научно-исследовательский журнал. 2014. Т. 11. Ч.2. С. 29-32.
7 Клюев С.В., Клюев А.В. Исследование физико-механических свойств композиционных вяжущих // Успехи современной науки. 2015. №1. С. 21-24.
8. Клюев С.В. Высокопрочный мелкозернистый фибробетон на техногенном сырье и композиционных вяжущих с использованием нано-дисперсного порошка // Бетон и железобетон. 2014. №4. С. 14-16.
9. Клюев С.В. Высокопрочный стале-фибробетон на техногенных песках КМА // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2013. № 11. С. 38-39.
10. Кара К.А. Газобетоны на композиционных вяжущих для монолитного строительства: автореф. ... канд. техн. наук. Белгород, 2011. 25 с.
11. . Клюев С.В., Клюев А.В. Техногенное сырье - эффективный заполнитель для фибробе-тонов // Успехи современной науки. 2015. № 1.
12. Кара К.А., Шорстов Р.А, Сулейманов К.А. Реология газобетонных смесей на композиционных вяжущих с использованием техногенных песков // Сб. докл. «Наукоемкие технологии инновации» XXI научные чтения. Белгород: Изд-во БГТУ, 2014.
13. Клюев С.В. Разработка дисперсно-армированного мелкозернистого бетона на основе техногенного песка и композиционного вяжущего // Международный научно-исследовательский журнал. 2014. Т. 11. Ч.2. С. 27-29.
14. Лесовик Р.В., Клюев С.В., Клюев А.В., Нетребенко А.В. К проблеме использования техногенных песков Курской магнитной аномалии для производства мелкозернистого фиб-робетона и изделий на его основе // Промышленное и гражданское строительство. 2014. №12. С.45-48.
15. Алфимова Н.И., Вишневская Я.Ю., Трунов П.В. Композиционные вяжущие и изделия с использованием техногенного сырья: монография. Saarbruken. Изд-во LAP LAMBERT. 2013. 129 с.
16. Елистраткин М.Ю., Минаков С.В. К вопросу выбора компонентов композиционных вяжущих. // В сборнике: Современные строительные материалы, технологии и конструкции. Материалы Междунар. науч.-
практ. конф., посвященной 95-летию ФГБОУ ВПО "ГГНТУ им. акад. М.Д. Миллионщикова". Изд-во Грозненский ГНТУ им. академика М.Д. Миллионщикова», г. Грозный. 2015. С. 365-370.
17. Вешнякова Л.А., Айзенштадт А.М., Елистраткин М.Ю. Поверхностная активность высокодисперсных кремнеземсодержащих компонентов композиционного вяжущего // В сборнике: Наукоемкие технологии и инновации Юбилейная Междунар. науч.-практ. конф., посвященная 60-летию БГТУ им. В.Г. Шухова (XXI научные чтения). 2014. С. 69-72.
18. Лесовик В.С., Куприна А.А., Елистраткин М.Ю., Гинзбург А.В. Композиционные вяжущие для эффективных строительных растворов: [Электронный ресурс] // Научно-практическая конференция к 85-летию заслуженного деятеля науки РФ, академика РААСН, доктора технических наук, Баженова Юрия Михайловича. Белгород. 2015.
19. Минаков С.В., Елистраткин М.Ю. К вопросу выбора компонентов композиционных вяжущих // В сборнике: Современные строительные материалы, технологии и конструкции. Материалы Междунар. науч.-практ. конф., посвященной 95-летию ФГБОУ ВПО «ГГНТУ им. акад. М.Д. Миллионщикова». Изд-во Грозненский ГНТУ им. академика М.Д. Миллионщикова», г. Грозный. 2015. С. 365-370.
19. Алфимова Н.И., Шаповалов Н.Н., Шад-ский Е.Е., Юракова Т.Г. Повышение эффективности использование продуктов вулканической деятельности // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2015. №5. С.11-15
20. Lesovik V.S., Ageeva M.S., Mahmoud Ibrahim Husni Shakarna, Allaham Yasser Seyfiddino-vich, Belikov D. A. Efficient binding using composite tuffs of the Middle East // World Applied Sciences Journal. 2013. Т24. №10. С. 1286-1290.
21. Алфимова Н.И., Строкова В.В., Нава-ретте Велос Ф.А. Мелкозернистые бетоны на основе вулканического сырья: монография. Германия: Изд-во LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG. 2014. 94 с.
22. Алфимова Н.И., Трунов П.В. Продукты вулканической деятельности как сырье для производства композиционных вяжущих // Сухие строительные смеси. 2012. №1. С 37-38.
Alfimova N.I., Lesovik V.S. Ageev M.S., Trunov P.V., Shadsky E.E. EFFECT OF HIGH IMPACT STRENGTH MODIFIED CEMENT STONE
As is known in actual situations often occur, causing shortage of the liquid phase in the cement stone. This leads to slow the hydration process, and, in some cases, reduce the strength of the composite. In order to identify behavior from fine volcanic-sedimentary rocks of Kamchatka in the cement stone, the shortage of water was analyzed changes in strength of the samples aged at 200 ° C and 550°S. Installed - modified cement paste samples have a smaller discharge strength, due to the complex influence of volcanic-sedimentary rocks on the structure formation processes, helping to reduce the negative impacts of destructive processes caused by the temperature factor.
Key words: volcano-sedimentary rocks and minerals, cement stone, strengt.
