Исследование свойств цементных систем с комплексными наполнителями

УДК 691.327

Н. М. Морозов, И. В. Боровских, В. Г. Хозин, А. Ф. Галеев

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ЦЕМЕНТНЫХ СИСТЕМ С КОМПЛЕКСНЫМИ НАПОЛНИТЕЛЯМИ

Ключевые слова: Наполнители, суперпластификатор, плотность прочность, пористость.

В данной работе рассмотрено влияние наполнителей на пластическую прочность цементного теста и кинетику набора прочности цементного камня. Показано, что совместное использование нескольких наполнителей, в частности, молотого перлита и молотого известняка, более эффективно, чем их отдельное введение. Установлено что, наполнители уменьшают пористость цементного камня и тем самым уплотняют его структуру.

Keywords: Fillers, superplasticizer, density, strength, porosity.

In this work the influence of fillers on the plastic strength of the cement paste and the kinetics of curing of the cement stone. It is shown that the combined use of several fillers, in particular, ground perlite and ground limestone, is more effective than their separate introduction. Established that the fillers reduce the porosity of cement paste and thereby condense its structure.

Введение

Современные представления о структурообразующей роли минеральных добавок при выборе их для повышения прочности цементных вяжущих и экономии клинкерного фонда сводятся в основном к исключению собственных напряжений в структуре вяжущих при твердении; ослаблению процесса накопления микротрещин; снижению ранговости пор цементного камня с введением наполнителей с высокой дисперсностью [1].

Известно, что критерием оценки при использовании минеральных добавок в вяжущих веществах для бетона, являются их дисперсность и количество, которое допускается вводить в цементы без снижения их прочности. При этом применение наполнителей оптимальной крупности позволяет целенаправленно организовывать структуру материала и повышать его физико-механические характеристики [2, 3].

Высокая прочность цементной матрицы обеспечивается не только активностью вяжущего, но и плотной упаковкой его зерен и зерен наполнителей. Поэтому важно определить оптимальный размер частиц и количество наполнителя. Размер частиц наполнителей может варьироваться в интервале от 0,1 до 140 мкм (нижняя фракция песка). В зависимости от размера частиц наполнители в системе цемент-наполнитель могут располагаться следующим образом (рис.1).

Плотность упаковки меняется только в 1 и 3 случае, тогда как во втором случае происходит лишь замена частиц цемента на частицы наполнителя. В первом случае размер частиц наполнителя, по мнению Соломатова [4], должен превышать в 3-10 раз размер частиц цемента, в этом случае увеличивается структурная прочность. В третьем случае, если ^ < 0,156 ^ то частицы наполнителей способны занимать пространство между зернами цемента.

Другим вариантом повышения плотности матрицы цемента служит использование смеси наполнителей, состоящей из частиц размером больше и меньше частиц цемента. Крупный наполнитель в

этом случае заполняет пространство между зернами песка, вокруг него располагаются зерна цемента, а пространство между зернами цемента заполняет мелкий наполнитель. При таком использовании минеральных наполнителей реализуется плотная упаковка исходной матрицы цемента. Поэтому цель данной работы является исследование совместного влияния наполнителей разной дисперсности и природы на свойства цементных систем.

Рис. 1 - Возможные схемы расположения частиц минеральных добавок и цемента: 1 - частицы цемента, 2 - частицы минеральной добавки; а -дисперсность минеральной добавки меньше дисперсности цемента, б - добавка и цемент имеют равную дисперсность, в - дисперсность минеральной добавки больше дисперсности цемента

Методы и материалы

Для проведения экспериментальных исследований использовали портландцемент марки ЦЕМ I 42,5 Б Мордовского цементного завода, соответствующий ГОСТ 31108-2003.

В качестве наполнителей использовали:

- микрокремнезем (МК) Челябинского электрометаллургического комбината марки МК-85 с удельной поверхностью 20000 м2/кг;

- измельченный вспученный перлит, являющийся отработанной тепловой засыпкой для криогенных установок, с удельной поверхностью 1200 м2/кг;

- шлак феррохромовый самораспадающийся (СФШ) по ТУ 14-11-325-97 - попутный продукт

производства ферросплавов, размолотый до удельной поверхности 600 м2/кг;

- отход от дробления известнякового щебня Куркачинского месторождения с содержанием Са-СО3 - 73,4%, размолотый до удельной поверхности 150 м2/кг;

- размолотый песок Камского месторождения, с удельной поверхностью 650 м2/кг.

Помол наполнителей осуществляли в виб-рационно-шаровой мельнице СВМ-3.

В работе использовали суперпластификатор Полипласт СП-1 (С-3), который представляет собой неслеживающийся порошок коричневого цвета, легкорастворимый в воде. С-3 относится к категории анионактивных ПАВ и является смесью олигомер-ных и полимерных соединений, образующихся при конденсации сульфокислот нафталина с формальдегидом и нейтрализации щелочью (№ОН) и технических лигносульфонатов, непрореагировавшей соли Р-нафталинсульфокислоты и сульфата натрия.

Исследование пластической прочности пластифицированного цементного теста с минеральными наполнителями проводилось с помощью конического пластометра [5]. Влияние минеральных наполнителей на прочность при сжатии цементного камня оценивалось на образцах кубах размером 20х20х20 мм, приготовленных из цементного теста нормальной густоты. Оценку поровой структуры цементного камня производили по ГОСТ 12730.4-78.

Результаты

Использование наполнителей оказывает влияние на процессы структурообразования цементного теста. Для оценки этих процессов и выявления эффективных минеральных добавок было изучено их влияние на пластическую прочность цементного теста. Во всех составах использовали суперпластификатор С-3 в количестве 0,8% от массы цемента. Использование суперпластификаторов обусловлено необходимостью снижения водопо-требности цементного теста, так как введение наполнителей увеличивает расход воды [6, 7, 8, 9]. Результаты измерения пластической прочности теста нормальной густоты с минеральными добавками приведены на рис. 2.

Как видно из пластограммы введение минеральных добавок в количестве 5% от массы цемента сокращает индукционный период нарастания пластической прочности. Первый период - период коа-гуляционного структурообразования - заканчивается через 7-8 ч. Наиболее интенсивное сокращение коагуляционного периода структурообразования наблюдается при использовании молотого известняка. Второй период - период кристаллизационного структурообразования характеризуется интенсивным ростом прочности теста в сравнительно короткий промежуток времени (3-3,5 ч). Введение в цементное тесто минеральных наполнителей приводит к ускорению формирования кристаллизационной структуры. Если сравнивать молотый известняк и песок, то можно предположить, что новообразования гидросиликатов образуются на подложке известняка с большей интенсивностью, чем на песке. Кроме того, карбонат кальция, вероятно, вступает в реакцию с алюминатной фазой клинкера с образованием гидрокарбоалюмината кальция 3СаО-Л12О3-СаСО3- 11Н2О.

При использовании тонкодисперсных добавок (микрокремнезем, молотый перлит, СФШ) пластическая прочность нарастает тем быстрее, чем больше активность добавки, что, скорее всего, связано с взаимодействием добавок с гидроксидом кальция образующегося при гидратации минералов цемента.

Введение минеральных наполнителей оказывает влияние на прочность при сжатии цементного камня (рис. 3). Во всех составах использовали суперпластификатор С-3 (0,8 % от массы цемента). Анализ результатов показал, что применение указанных наполнителей повышает прочность на сжатие цементного камня во все сроки твердения. Оптимальной дозировкой для перлита является 5% от массы цемента. В этом случае прочность цементного камня в возрасте 28 суток возросла на 13,3%

Рис. 2 - Пластическая прочность пластифицированного цементного теста с минеральными добавками

Рис. 3 - Влияние дозировки и вида наполнителей на прочность цементного камня на сжатие в возрасте 28 суток

При применении СФШ оптимальной дозировкой также является 5%, при этом прочность в возрасте 28 суток возросла только на 6 %.

Для известняка оптимальной дозировкой также является 5% от массы цемента и прочность в данном случае возрастает на 11,6 % - в возрасте 1 суток и 6,3 % - в возрасте 28 суток. В отличие от перлита, здесь рост прочности преобладает в первые сутки твердения, так как известняк в интенсивнее оказывает влияние на структурообразование цементного камня в раннее время. Далее, в возрасте 7 и 28 суток, более эффективен перлит, который, вероятно, вступает в реакцию с Са(ОН)2 образуя низкоосновные гидросиликаты кальция.

В соответствии с топологической схемой рассмотренной ранее (рис. 1), в качестве крупного наполнителя наиболее целесообразно использование молотого известняка с удельной поверхность 100 м2/кг в количестве 5% от массы цемента. В качестве мелкого наполнителя наиболее эффективен молотый перлит (дозировка 5 %), отличающийся высокой активностью и дисперсностью.

Влияние совместного использования данных наполнителей на прочность пластифицированного цементного камня представлено на рис.4. Совместное применение наполнителей позволяет в большей степени повысить прочность цементного камня, чем введение их по отдельности. Прочность цементного камня с бинарным наполнителем «перлит-известняк» в возрасте 1 суток больше на 13,2% прочности состава цементного камня без наполнителей, в возрасте 28 суток - больше на 16,6%.

Повышение прочности при использовании бинарного наполнителя происходит и за счет повышения плотности цементного камня. Введение в пластифицированный цементный камень молотого перлита, в количестве 5% от массы цемента, приводит к повышению плотности на 2,5 % а бинарной минеральной добавки (10% от массы цемента) - на 3,1%. Как видно, большее влияние оказывает молотый перлит, так как он, являясь мелкодисперсным наполнителем, заполняет поры, образующиеся при гидратации цемента.

___— ---

// /

// [/_

24 го

| — бе* няпопнитилрй

-сбинпрныи нлпппннтепем

Рис. 4 - Влияние бинарного наполнителя на прочность пластифицированного цементного камня

Введение в состав цементного камня минеральных добавок способствует увеличению плотности и, соответственно, снижению пористости. Влия-

ние минеральных наполнителей на изменение структуры порового пространства цементного камня в возрасте 28 суток, изготовленного из теста нормальной густоты, показано в табл. 1. Как видно из табл.1 при введении перлита и бинарного наполнителя «перлит-известняк» наблюдается уменьшение объема общей пористости цементного камня на 7,3 и 8,3 %, соответственно. При этом, объем открытой (капиллярной и некапиллярной) пористости сократился на 9,6 и 11,1 %. Количество условно-замкнутых пор возросло в 1,07 и 1,12 раза. Показатель микропористости увеличился в 1,15 и 1,17 раза.

Таблица 1 - Структура порового пространства цементного камня

Показатели пористости Цементный камень

ПЦ с С-3 ПЦ с С-3 и перлитом ПЦ с С-3 и бинарным наполнителем

Полный объем пор, % 26,20 24,30 24,02

Открытые капиллярные поры, % 13,57 12,43 12,17

Открытые некапиллярные поры, % 9,05 8,03 7,94

Условно-замкнутые поры, % 3,58 3,84 4,01

Микропористость 0,191 0,220 0,223

Заключение

В результате проведенных исследований установлено, что введение минеральных добавок в количестве 5% от массы цемента сокращает индукционный период нарастания пластической прочности. Наиболее интенсивное сокращение коагуляци-онного периода структурообразования (на 1,5 ч) наблюдается при использовании молотого известняка. Это говорит о том, что новообразования гидросиликатов возникают на подложке известняка с большей интенсивностью, чем на песке. Оптимальной дозировкой для перлита и известняка является 5% от массы цемента. Прочность цементного камня в возрасте 28 суток при использовании перлита возросла на 13,3 % , а при использовании известняка на 6,3 %. Показано, что совместное применение наполнителей позволяет в большей степени повысить прочность цементного камня, чем введение их по отдельности. Прочность цементного камня с бинарным наполнителем «перлит-известняк» в возрасте 1 сут больше на 13,2% прочности цементного камня без наполнителей, в возрасте 28 сут - больше на 16,6%. Кроме того, совместное введение наполнителей способствует уменьшению количества сообщающихся капилляров, увеличению доли закрытой пористости и уплотнению цементного камня.

Литература

1. Борисов А.А. Высокопрочные бетоны на рядовых цементах с суперпластификатором на дисперсных носителях // Автореф...к.т.н. - ПГАСА, Пенза. - 1997. 23 с.

2. Величко Е.Г., Белякова Ж.С. Физико-химические и методологические основы получения многокомпонентных систем оптимизированного состава // Строительные материалы. 1996. №3. С. 27-30.

3.. Клаус Хольшемахер, Франк Ден. Технология и исследования производства ультравысокопрочного бетона иНРБ // Международное бетонное производство. 2004. №3. С. 28-34.

4. Соломатов В.И., Тахиров М.К., Мд. Тахер Шах. Интенсивная технология бетонов. - М.: Стройиздат, 1989. 264 с.

5. Бут Ю.М., Тимашев В.В. Практикум по химической технологии вяжущих материалов. - М.: Стройиздат, 1973. 273 с.

6. Изотов В. С., Ибрагимов Р. А. Влияние некоторых гиперпластификаторов на основные свойства цементных композиций // Строительные материалы. 2010. № 11. С. 14-17.

7. Морозов Н.М., Хозин В.Г. Песчаный бетон высокой прочности. // Строительные материалы. 2005. №11. С. 25-26.

8. Морозов Н.М., Хохряков О.В., Хозин В.Г. Сравнительная оценка мельниц по размолоспособности кварцевого песка и его эффективности в цементных бетонах // Известия КазГАСУ. 2011. №1. С.177-181.

9. Якупов М.И., Морозов Н.М., Боровских И.В., Хозин

B.Г. Модифицированный мелкозернистый бетон для возведения монолитных покрытий взлетно-посадочных полос аэродромов // Известия КазГАСУ. 2013. № 4 (26).

C. 257-261.

© Н. М. Морозов - канд. техн. наук, доцент кафедры «Технологии строительных материалов, изделий и конструкций», КГАСУ, nikola_535@mail.ru; И. В. Боровских - канд. техн. наук, доцент кафедры «Технологии строительных материалов, изделий и конструкций», КГАСУ, borigor83@gmail.com; В. Г. Хозин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. «Технологии строительных материалов, изделий и конструкций», КГАСУ, khozin@ksaba.ru; А. Ф. Галеев - студент Института строительных технологий и инженерно-экологических систем, КГАСУ, ayzat-galeev@rambler.ru.

© N. М. Morozov - candidate of technical sciences, associate professor of the Departmen of Technology of building materials, products and structures, KSUAE, nikola_535@mail.ru; I. V. Borovskikh - candidate of technical sciences, associate professor of the Departmen of Technology of building materials, products and structures, KSUAE, borigor83@gmail.com; V. G. Khozin - doctor of technical sciences, professor, head of the Department of Technology of building materials, products and structures, KSUAE, khozin@ksaba.ru; A. F. Galeev - student of Institute for construction technology and environmental engineering systems, KSUAE, ayzat-galeev@rambler.ru.