Создание цементосберегающих композитов

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ

СОЗДАНИЕ ЦЕМЕНТОСБЕРЕГАЮЩИХ КОМПОЗИТОВ

Л. И. Куприяшкина

В статье рассмотрены основные принципы создания цементосберегающих технологических приемов, которые позволяют получать бетоны с заранее заданными свойствами. Приведены экспериментальные данные с использованием наполнителей на основе местных сырьевых ресурсов, которые позволяют получать долговечные цементосберегающие композиционные материалы.

Бетоны являются сложными композиционными материалами с конгломератной структурой, заметно влияющей на их свойства. При одинаковом вещественном (фазовом) составе вследствие изменения структуры основные свойства бетона — прочность и долговечность — изменяются в десятки раз. Структура бетонов, как и всех материалов, формируется в результате структурообразования, подчиняющегося определенным закономерностям. Данные процессы можно регулировать.

Многочисленные технологические приемы, с помощью которых управляют сложными процессами структурообразования и получают экономичный материал с оптимальными свойствами, можно условно разделить на три группы: механические, физические, химические.

Для создания экономичных и долговечных материалов, изделий и конструкций на цементном вяжущем предполагается выполнение следующих принципов:

— наполнение цементного вяжущего тонкодисперсными наполнителями;

— модификация вяжущего и наполнителей, применение полифункциональных добавок;

— оптимизация технологических режимов перемешивания бетонной смеси;

— механическая, гидромеханическая, физико-химическая, магнито-стрикционная активация вяжущего;

— оптимизация составов по основным конструкционным показателям качества, в том числе и долговечности.

Изучению влияния наполнителей на структуру и свойства цементного камня и бетона посвящено большое количество работ в нашей стране и за рубежом [1]. Общепризнано, что введение минеральных наполнителей в бетон и растворную смесь является одним из существенных резервов повышения экономичности цементных композиций по стоимости и расходу цемента, а также улучшения их свойств и увеличения срока эксплуатации конструкций.

В качестве активных минеральных наполнителей могут применяться тонкомолотые, доменные гранулированные и отвальные шлаки, золошлаковые отходы тепловых электростанций, диатомиты, трепелы, опоки, в том числе и цеолитосодержащие породы. Наполнение цементного камня до 10—15 % диатомитом Атемарского месторождения приводит к уменьшению средней плотности материала без заметного снижения прочности. При наполнении цементной пылью Алексеевского цементного завода и тонкомолотым известняком наблюдается сокращение сроков схватывания композиций в 1,5—2 раза. Введение до 20 % тонкоизмель-ченной отработанной формовочной смеси завода «Центролит» приводит к увеличению химической стойкости цементных композитов в 1,8 раза. При наполнении цементного вяжущего цеолитосодержащими породами Атяшев-ского месторождения прочность материала увеличивается в 1,5 раза. Кроме улучшения

Таблица 1

Выбор оптимальной степени наполнения цементных композиций

Наполнитель Прочность при сжатии, МПа

0 10 % 20 % 30 % 40 % 50 %

Диатомит 24,8 17,8 24,8 16,7 10,1 7,1

Опока 24,8 16,2 20,1 13,8 12,9 12,5

Термолит 24,8 24,4 24,9 23,1 19,8 16,7

ОФС 24,8 26,2 30,1 24,5 17,2 16,0

Цементная пыль 24,8 24,3 26,8 22,7 18,8 16,4

Цеолитосодержащие породы 24,8 24,9 31,8 24,6 20,4 16,8

Белая сажа 24,8 29,9 18,5 16,8 14,6 8,4

свойств исходных материалов, до 15—25 % экономится цемент без понижения прочности (табл. 1).

В тяжелые бетонные смеси для сборных железобетонных конструкций вводят 20—60 кг тонкомолотого доменного гранулированного шлака на 1 м3 смеси при снижении расхода цемента на 10—40 кг / м3, для монолитных конструкций — соответственно 30—70 при 10—40 кг / м3, для монолитных конструкций, укладываемых бетононасосами, — 60—80 при 60—80 кг / м3. Для изготовления растворных смесей количество этого наполнителя составляет 40—90 кг / м3, при этом снижение расхода цемента — 25—60 кг / м3.

Существует возможность химической активации наполнителей с помощью различных методов обработки (термической, кислотной, щелочной), что приводит к изменению кристаллизационных особенностей, повышению ионоспособных свойств и созданию новых активных центров (табл. 2).

При обработке наполнителя — цеолитосодержащих пород — кислотой происходит изменение каркаса цеолитов, которое проявляется в переходе ионов алюминия из структуры каркаса в раствор без разрушения каркаса. При модификации наполнителей на их поверхность наносятся новые молекулярные

группы, что приводит к изменению свойств исходных материалов. Так, при модификации цеолитосодержащих пород серной кислотой прочность повышается в 1,5 раза, при модификации их солью алюминия — в 2,5 раза. Обработка цеолитосодержащих пород различными видами модификаторов приводит к декатионированию (ионному обмену) или деалюминированию (частичному переходу в водородную форму). В клиноптилолите замещаются обменные катионы натрия, кальция, магния на катионы алюминия из раствора модификатора. Химическая модификация наполнителей позволяет улучшать свойства цементных композитов, т. е. повысить прочность и при этом экономить до 30 % цемента. Анализ механизмов контактных взаимодействий в наполненных цементных системах позволяет наметить пути активации наполнителей с целью повышения их структурообразующей роли и экономии цемента.

Процессы перемешивания бетонных смесей в значительной степени определяют структуру и свойства бетона. Для обычного бетона из относительно пластичных бетонных смесей часто используют бетоносмесители свободного гравитационного перемешивания (ТРТ), не пригодные для жестких смесей. Получение бетона повышенной прочности возможно лишь при формировании

Таблица 2 Модификация наполнителей

Химическая добавка Предел прочности при сжатии (МПа) при замене цемента диатомитом

10 % 20 % 30 % 40 %

Диатомит-сырец Отсутствует 16,97 21,77 17,35 12,18

Петахлорфенолят натрия 18,10 22,43 16,57 12,50

Салициловая кислота 19,45 20,32 19,15 10,20

Метааминобензойная кислота 26,73 28,91 30,32 28,45

Тетраэтиламмоний (хлористый) 18,85 20,53 15,81 11,23

ГКЖ-94 14,35 15,51 13,42 9,68

Оксиэтилированный элкифенол 24,32 27,19 25,20 21,90

Цеолитосодержащие породы Отсутствует 20,41 29,45 28,74 21,43

А12^0)3 (2 %) 21,34 46,21 31,56 24,83

Н^04 (1 %) 34,43 30,23 40,68 28,75

контактных зон высокого качества, а это достигается лишь в бетоносмесителях принудительного действия (ИРТ). Последние обеспечивают высокую однородность смесей, хорошее их перемешивание — втирание цементного теста в поверхность заполнителя и формирование однородной контактной зоны. Поэтому, кроме химической активации наполнителей, возможна гидромеханическая активация, которая подразумевает использование скоростных смесителей турбулентного типа со скоростью вращения 600 об/мин (ИРТ) [3].

Экспериментально установлено, что увеличение скорости перемешивания в 10 раз (с 60 до 600 об/мин) повышает предел прочности материала на 30—40 % и приводит к экономии цемента. Положительный эффект сохраняется и после выдерживания в агрессивных средах. Несмотря на значительное повышение прочности материала, изготовленного при интенсивном перемешивании (ИРТ), общие закономерности деструкции под воздействием агрессивных сред сохраняются. Однако коэффициент химической стойкости у материалов, наполненных диатомитом, в 1,5 раза выше при активации; при наполнении отходами формовочной смеси — в 1,8 раза. Также улучшаются и другие свойства: увеличиваются плотность и однородность, возрастает микротвердость структуры (рис.).

Анализ экспериментальных данных позволил установить, что длительность перемешивания влияет на эффект активации. Для каждого вида наполнителя существует определенный режим перемешивания. Согласно полученным данным для отходов формовочной смеси продолжительность составляет 180 с, а для диатомита достаточно 120 с (табл. 3).

Как известно, частицы в суспензии могут образовывать агрегаты, которые в свою очередь могут разрушаться при гидродинамическом взаимодействии частиц в растворе. Распределение сил зависит от: 1) расположения частиц; 2) градиента скорости несущей жидкости; 3) размеров частиц; 4) вязкости смеси. Поэтому при перемешивании возникают различные режимы приготовления (скорость, длительность, степень наполнения и дисперсность). Если цель перемешивания — гидроактивация наполненного вяжущего, повышение однородности структуры, то необходим оптимальный режим приготовления смеси.

Изменение концентрации агрегатов описывается кинетическим уравнением, предложенным Смолуховским, где первые два слагаемых описывают изменение количества агрегатов, состоящих из частиц, только за счет увеличения количества частиц в агрегате; вторые два описывают изменение количества агрегатов за счет разрушения более крупных агрегатов. Рассмотрим мо-

3140 2980 І I 421

2 3

ТРТ ПИРТ

1

4

Рисунок

Характеристики цементных композиций, наполненных цеолитсодержащими породами, приготовленных различными технологическими приемами:

1 — микротвердость, Н/см2; 2 — плотность, кг/м3; 3 — водопоглощение, %;

дель суспензии, частицы которой могут образовывать агрегаты. Некоторые агрегаты под действием вязких сил, возникающих при гидродинамическом взаимодействии агрегатов с жидкостью, будут разрушаться. Установлено, что сила, разрушающая агрегаты, пропорциональна градиенту скорости движения жидкости. Это дает возможность по величине градиента скорости рассчитать оптимальные режимы приготовления смеси (скорость и длительность перемешивания) и технологические параметры турбулентного активатора [2].

Механическая активация с использованием смесителей турбулентного типа позволяет управлять процессами формирования микро-макроструктуры бетона. При этом появляется возможность производить перемешивание в заданном скоростном режиме и активировать поверхность наполнителей. Однако

при эксплуатации смесителя — активатора турбулентного типа на производстве было выявлено, что он нуждается в модернизации, так как первоначальная конструкция имеет ряд недостатков: 1) высокая интенсивность перемешивания приводит к забрызгиванию течек, особенно цементной, и к необходимости их частой чистки; 2) в процессе работы смесителя происходит налипание цементного теста на внутреннюю поверхность корпуса смесителя и части рабочего органа; 3) при очень длительном перемешивании происходит водоотделение смеси.

Для устранения этих существенных недостатков и дополнительной активации наполнителя предложены новейшие технологические приемы, например, использование магнито-стрикционных преобразователей [4]. Магнито-стрикционное явление открыто сравнительно недавно и состоит в изменении формы и тел

Таблица 3

Влияние времени перемешивания наполненных цементных композитов на их прочность

Наполнитель Прочность при сжатии, МПа

60 с 120 с 180 с 240 с

ОФС 28,3 36,8 39,9 38,4

Диатомит 26,2 31,0 29,5 28,2

частиц под действием электромагнитных полей. При этом возникают звуковые и ультразвуковые колебания, мощность которых может достичь десятков и сотен ватт или даже нескольких киловатт, а интенсивность — десятков и сотен ватт на квадратный сантиметр.

Ультразвуковые колебания высокой интенсивности, в отличие от колебаний малой интенсивности, характеризуются эффектами второго порядка: акустическим веером и радиационным давлением. При этом частицы жидкости совершают колебательные движения, с увеличением частоты колебаний максимальная скорость движения частиц будет увеличиваться. При распространении акустических колебаний в жидкости создается добавочное давление к среднему давлению жидкости, изменяющееся также по синусоидальному закону.

Излучатель колебаний не только приводит прилегающие к нему частицы среды в колебательное движение относительно их положения равновесия, но и вызывает постоянное их смещение, так называемый звуковой веер. Это проявляется в виде сильных гидродинамических течений, приводящих к интенсивному перемешиванию жидкой среды. Одновременно изменяя мощность излучателей, т. е. уровень интенсивности, можно добиться механодеструкции используемых наполнителей — дополнительного измельчения и возникновение химических реакций, активирующих процессы гидратации наполненного цементного теста.

Микротвердость образцов, наполненных диатомитом, подвергавшихся дополнительной

магнитострикционной активации, в среднем достигает от 250 до 300 кг / мм, при использовании в качестве наполнителя цеолитосодержащих пород — 350—400 кг / мм, полученных в обычном режиме — всего 100—150 кг / мм (для диатомита) и 150—200 кг / мм (для цеолитосодержащих пород). Анализ микротвердости по поверхности сечения четко показывает, что количество кристаллизационных центров, имеющих высокое значение микротвердости, намного больше в цементных композициях, подвергавшихся магнитострикционной обработке. Необходимо отметить, что для каждого цементного композита существует оптимальный режим обработки, который зависит от вида используемого наполнителя.

Таким образом, положительный результат заключается в увеличении прочности наполненного цементного вяжущего за счет дополнительного измельчения наполнителя, его активации, более равномерного распределения по объему и улучшению структуры. При этом можно экономить до 30 % цемента. Одновременно уменьшается толщина слоя налипания смеси на стенках смесителя-активатора, снижаются потери цементного вяжущего на производстве.

Из вышеизложенного можно сделать вывод: добиться экономии цемента можно путем введения минеральных наполнителей, а также путем их модификации (химической, механической и физико-механической). При этом свойства цементного связующего не ухудшаются.

библиографическии список

1. Баженов Ю. М. Совершенствование технологии и свойств бетона — важнейший резерв экономики ресурсов // Цемент. — 1983. — № 5. — С. 7—8.

2. Куприяшкина Л. И. Оптимизация режимов перемешивания и степени наполнения с целью экономии цементов и энергоресурсов /Л. И. Куприяшкина, С. И. Мартынов, В. П. Селяев // Ресурсо- и энергосбережение как мотивация творчества в архитектурно-строительном процессе. Труды годичного собрания РААСН 2003 г. — Казань : КГАСА, 2003. — С. 372—376.

3. Селяев В. П. Турбулентная активация цементного вяжущего / В. П. Селяев, Л. И. Куприяшкина, И. Н. Нагорняк // Проблемы в проектировании объектов АПК России : сб. науч. тр./ ФГУП «НИПИгип-ропромсельстрой». — Саратов, 2005. — С. 151—160.

4. Селяев В. П. Устройство для приготовления растворов. Патент на полезную модель 56850 В28С 5/16 / В. П. Селяев, Л. И. Куприяшкина, М. А. Ваганов ; Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Российской Федерации, 2006.

Поступила 16.09.08.