ПРИМЕНЕНИЕ ШЛАКОВЫХ СУСПЕНЗИЙ В ЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИТАХ

УДК 666.942.3

Немирова В.А., Козлова И.В.

ПРИМЕНЕНИЕ ШЛАКОВЫХ СУСПЕНЗИЙ В ЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИТАХ

Немирова Виктория Александровна, студентка 3 курса Института Строительства и архитектуры; Козлова Ирина Васильевна, к.т.н., доцент кафедры технологии вяжущих веществ и бетонов, e-mail: iv.kozlova@mail.ru;

Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), Москва, Россия

129337, г. Москва, Ярославское шоссе, 26

Проведение исследований свойств цементных композитов является приоритетным направлением в строительном материаловедении. В настоящей работе исследована устойчивость шлаковых суспензий и их влияние на свойства цементных композитов. В результате работы была определена агрегатная устойчивость частиц ультрадисперсного шлака в водных суспензиях и определены физико-механические характеристики цементного камня. Показано, что водная суспензия ультрадисперсного шлака оказывает положительное влияние на свойства цемента, повышая его прочностные свойства, и обусловливая формирование плотной структуры цементного камня.

Ключевые слова: ультрадисперсный шлак, устойчивость шлаковых суспензий, прочность цементного камня, структура цементного камня.

USE OF SLAG SUSPENSIONS IN CEMENT COMPOSITES

Nemirova V.A., Kozlova I.V.

Moscow State University of Civil Engineering (MGSU) National Research University, Moscow, Russia

Conducting research on the properties of cement composites is a priority in building materials science. In the present work, the stability of slag suspensions and their effect on the properties of cement composites are investigated. As a result of the work, the aggregate stability of the particles of the ultradisperse slag in aqueous suspensions was determined and the physics and mechanical characteristics of the cement stone were determined. It is shown that the aqueous suspension of ultradisperse slag has a positive effect on the properties of cement, increasing its strength properties, and causing the formation of a dense structure of cement stone.

Key words: ultradisperse slag, stability of slag suspensions, strength of cement stone, structure of cement stone.

В настоящее время учеными-цементниками проводятся исследования по улучшению качества цемента, изучаются факторы, влияющие на процессы минералообразования, гидратацию цемента, формирование структуры цементного камня, и применяются различные технологические приемы, позволяющие получать новые виды цементов и вяжущих композиций широкого спектра действия [1-4].

Одним из технологических приемов, повышающих качество цемента, является введения в его состав активных минеральных добавок искусственного и природного происхождения [5-7]. В работах [8,9] показано влияние дисперсности различных компонентов на свойства цементов, а в работах [10,11] изучено влияние микронного шлака на свойства портландцемента и

шлакопортандцемента. Его вводили в цементную систему в количествах 1, 3, 5% путем сухого смешения. В ходе эксперимента авторами было установлено, что в марочном возрасте образцы, содержащие микронный шлак, показали более высокие показатели по сравнению с бездобавочным цементом (пористость образцов снизилась до 8%,

прочность возросла до 33%). Однако в первые сутки твердения отмечается некоторое замедление набора прочности образцов, содержащих микронный шлак, особенно при введении 5% добавки, что связано с разбавлением цемента.

Проведенные исследования в работах [12,13] по стабилизации водных суспензий с помощью ультразвуковой обработки позволяют предположить получение более высоких значений прочностей образцов при введении в их состав ультрадисперсного шлака в виде суспензий, приготовленных с помощью ультразвуковой обработки. Температура дисперсионной среды не превышала = 25 ± 2 оС, ультразвуковую обработку суспензий проводили в течение т = 10 -30 мин при частоте колебаний 44 кГц.

В настоящей работе использовали ультрадисперсный шлак с размером частиц от 1 мкм до 5 мкм. Из данного шлака готовили водные суспензии с содержанием шлака 1% (10 г/л), 3% (30 г/л), 5% (50 г/л). Ультразвуковая обработка водных суспензий шлака проводилось на приборе УЗДН-1 при соблюдении условий режима диспергирования согласно описанной в работе [13].

Для установления агрегативной устойчивости частиц ультрадисперсного шлака подготовленные суспензии переливали в цилиндры V = 100 см3 и наблюдали за процессом их седиментации. Исследования показали, что частицы шлака в 5%-суспензии стали оседать через 4 минуты после диспергирования, через 6 и 8 минут - частицы шлака в 3% - и 1%-суспензиях, соответственно. Зависимость скорости оседания частиц микронного

шлака от их концентрации показана на рис. 1.

? 6

Ь с и 5

X

& 4

п Т

ее

I 3

П5

8 2 л

0 20 40 60

Концентрация шлака, г/л

Рис. 1. Зависимость скорости оседания частиц от концентрации ультрадисперсного шлака

Из графика следует, что наиболее быстро коагуляция протекает в суспензии с концентрацией шлака 50 г/л (5%). Следовательно, менее агрегативно устойчива суспензия, содержащая в своем составе 5% микронного шлака.

Для защиты коллоидных частиц шлака от коагуляции был применен суперпластификатор на поликарбоксилатной основе. Его вводили в водную дисперсионную среду в количестве 0,5% вместе с ультрадисперсным шлаком, после чего суспензию подвергали ультразвуковой обработке.

Полученными стабилизированными суспензиями шлака затворяли портландцемент марки 500 Д0 (ОАО «Подольск-Цемент), и готовили образцы размером 20х20х20 мм, которые твердели в нормальных условиях. Физико-механические испытания образов цементов проводили через 1, 3, 7 и 28 сут. На рис. 2 показана зависимость прочности образцов от времени гидратации.

О 7 14 21 23

Ёремя гидратации, <ут -*-6/д -И% -*-Э% -Ф-5%

Рис. 2 Зависимость прочности образцов, содержащих стабилизированные суспензии шлака от времени гидратации

В ходе исследований установлено, что в 28 суток твердения прочность образцов, содержащих стабилизированные суспензии ультрадисперсного шлака, сопоставима с прочностью образцов, содержащих шлак в составе портландцемента, и составляет 24 - 31%. Однако в первые сутки твердения образцы, содержащие полимерно-водно-шлаковую суспензию, имеют значительный прирост прочности 39 - 50% по сравнению с бездобавочным цементом, что не наблюдается у образцов, содержащих шлаково-цементный состав.

Из всего выше изложенного можно сделать вывод, что ультрадисперсные шлаки оказывают положительное влияние на свойства цемента, повышая его прочностные свойства, и обусловливают формирование плотной структуры цементного камня. Пористость образцов затвердевшего цемента в возрасте 28 суток снижается на 21-23%.

Таким образом, подтверждено, что суспензия ультрадисперсного шлака подверженная

совместному физическому (акустическая кавитация) и химическому (введение пластификатора) воздействию является максимально устойчивой. Устойчивость водной суспензии ультрадисперсного шлака обеспечивается электростатическим и структурно-механическим факторами агрегативной устойчивости.

Подтверждена возможность использования водно-полимерной суспензии ультрадисперсного шлака для повышения прочности, как в раннем, так и в марочном возрасте портландцемента. Прочность цементного камня со стабилизированным ультрадисперсным шлаком в первые сутки возросла на 39 -50% с 17 до 24 МПа, в марочном возрасте (28 суток) - на 34% с 61 до 80,5 МПа. Повышение физико-механических характеристик цементного камня с полимерно-водной суспензии шлака является актуальным с практической точки зрения.

Список литературы

1. Самченко, С.В. Формирование и генезис структуры цементного камня. Монография /С.В. Самченко - М.: Московский государственный строительный университет, Ай Пи Эр Медиа, ЭБС АСВ, 2016. - 284 с. Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/49874.

2. Кузнецова Т.В., Кривобородов Ю.Р., Самченко С.В. Химия, состав и свойства специальных цементов // Материалы научно-практической конференции «Химия, химическая технология на рубеже тысячелетия». Томск, 2000. № 1. С. 96-98.

3. Самченко С.В. Роль низкоосновных гидросиликатов кальция в синтезе прочности цементного камня // Современные проблемы строительного материаловедения: Материалы седьмых академических чтений РААСН. - Ч.1. -Белгород, 2001. С.469- 478.

4. Samchenko S.V., Krivoborodov Y.R., Zorin D.A. Minerals of expansive and non-shrinkage

sulfomineral cements MATEC Web of Conferences 106, 03006 (2017) DOI:

10.1051/matecconf/201710603 006 SPbWOSCE-2016.

5. Potapova E.N., Krivoborodov Y.R., Kouznetsova T.V., Samchenko S.V. The new ecological materials using metakaoline // 17th International multidisciplinary scientific geoconference - SGEM 2017, Bulgaria, 2017. - vol. 17, issue 62. - pp. 327-334.

6. Samchenko, S.V. Krivoborodov Y.R., Burlov I.Y. Usage aluminiferous waste in the production of aluminate cements // 17th International multidisciplinary scientific geoconference - SGEM 2017, Bulgaria, 2017. - vol. 17, issue 62. - pp. 465472.

7. Potapova E.N., Krivoborodov Y.R., Kouznetsova T.V., Samchenko S.V. Usage of zeolite and volcanic tuffs at cement production // International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGFM/ Ecology, Economics, Education and Legislation Conference Proceedings/ Vol. II - Ecology and Environmental protection - 30 June - 6 July, 2016 - Albena, Bulgaria. - P. 887 -894.

8. Самченко С.В., Зорин Д.А. Влияние дисперсности расширяющегося компонента на свойства цементов // Техника и технология силикатов. 2006. Т.13. №2. С. 2 - 7.

9. Кривобородов Ю.Р., Самченко С.В. Влияние дисперсности специального цемента на структуру твердеющего камня // Вестник БГТУ им. В.Г.Шухова. 2003. №5. Ч. II. С. 238 - 240.

10. Самченко С.В., Борисенкова И.В. Влияние одномикронного шлака на свойства цемента // Успехи в химии и химической технологии. 2011. Т.25. №6 (122). С.19-22.

11. Самченко С.В., Козлова И.В. Влияние высокодисперсных шлаков на свойства шлакопортландцемента // Строительство -формирование среды жизнедеятельности. XVI международная межвузовская научно-практ. конф. - М.: МГСУ, 2013. - С. 508 - 510.

12. Самченко С.В., Земскова О.В., Козлова И.В. Стабилизация дисперсий углеродных нанотрубок при ультразвуковой обработке // Техника и технология силикатов. 2014. Т.21. № 3. С. 14 - 18.

13. Самченко С.В., Земскова О.В., Козлова И.В. Стабилизация углеродных нанотрубок суперпластификаторами на основе эфиров поликарбоксилатных смол (Stabilization of Carbon Nanotubes with Superplasticizers Based on Polycarboxylate Resin Ethers) // Журнал прикладной химии. 2014. Т.87. № 12. С. 1795 -1800 (Russian Journal of Applied Chemistry. 2014. Vol. 87. № 12. pp. 1872 - 1876).