Роль технологии и вида песка в процессах структурообразования бетонной смеси

ВЕСТНИК ЮГОРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

_2012 г. Выпуск 3 (26). С. 35-40_

УДК 631.4. 691

РОЛЬ ТЕХНОЛОГИИ И ВИДА ПЕСКА В ПРОЦЕССАХ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ БЕТОННОЙ СМЕСИ

В. З. Ковалев, Н. А. Гутарева, А. Ф. Косач, Т. А. Урусова, П. Ю. Шарыпов

Одним из основных вопросов в технологии приготовления бетонной смеси является поиск путей эффективного использования свойств цемента и заполнителей в твердеющих поликомпонентных системах [1-11].

Результат различных физико-механических и физико-химических воздействий на бетонную смесь зависит от интенсивности, длительности и момента их приложения, а также от качественно-количественных характеристик компонентов бетона. Определение зависимости физико-механических характеристик бетонной смеси от вида песка и способа перемешивания позволит установить особенности протекающих процессов в бетонной смеси, что позволит управлять процессами структурообразования, что актуально при изготовлении качественного продукта бетонной индустрии.

В данной работе рассмотрены зависимости, влияющие на процессы структурообразова-ния мелкозернистых бетонных смесей от:

- вида песка: кварцевый (речной), керамзитовый и смешанный (кварцевый и керамзитовый в соотношении по объему 1:1);

- способа перемешивания смеси: традиционного (с частотой вращения ротора смесителя

40 мин -1 и турбулентное - 900 мин -1).

Структурная схема исследования приведена на рис. 1.

При оценке влияния вида песка и технологических факторов на процессы структурооб-разования смеси и свойства пескобетона м-250 были приняты постоянными следующие параметры: подвижность смеси И = 6-8 см, определенна погружением конуса СтройЦНИЛ (ГОСТ 5802-86); водоцементное отношение, В/Ц= 0,54; объемное отношение цементного теста (С = 0,4) и песка (£ = 0,6) в смеси.

Технология пескобетонной смеси

Традиционная п=40мин'1

Турбулентная и—90 Омин1

Вид песка

Кварцевый

Смешанный

Керамзитовый

Физико-механические показатели

Для пескобетонной смеси: пластическая прочность; скорость ультразвуковых импульсов; температура.

Рисунок 1. Структурная схема исследования

Характеристики используемых песков и чернореченского алитового среднеалюминатно-го портландцемента м-400 приведены соответственно в таблицах 1 и 2.

Использовалась раздельная технология приготовления пескобетонной смеси. Вначале готовилось цементное тесто в течение 1 мин, затем загружали песок и перемешивали ещё 3 мин. Готовую пескобетонную смесь раскладывали в формы и уплотняли в течение 30 секунд, с частотой 2800 мин -1 и амплитудой колебания 0,35 мм при магнитном креплении форм к вибростолу.

Физико-механические показатели пескобетона, приготовленного на кварцевом песке в смесителе с частотой вращения ротора 40 мин -1, принимались за 100 %.

Физико-химические и физико-механические показатели определялись по общепринятым методикам согласно ГОСТ 5802-86 «Растворы строительные. Методы испытаний», ГОСТ 10181-2000 «Смеси бетонные. Методы испытаний».

Таблица 1. Характеристика применяемых песков

Вид песка Насыпная плотность рн, кг/м3 Мкр Водопотреб-ность, % Полные остатки на ситах, % с размером отверстий, мм

2,5 1,25 0,63 0,315 0,14 0,14

Кварцевый 1460 2,55 8,3 12,6 26,1 38,6 81,4 96,3 100

Смешанный 1080 2,66 17,9 16,1 30,2 41,4 81,7 96,2 100

Керамзитовый 740 2,82 28,1 19,1 35,2 48,7 82,4 96,4 100

Таблица 2. Характеристика портландцемента

нг, % Сроки схватывания, мин Тонкость помола, % ^изг, МПа Ксж, МПа Минеральный состав, % 80з, % мео, % Шлак, %

Начало Конец Сз8 С28 СзА С4АЕ

26,5 125 195 86 6,7 41,6 51-58 20-22 10 15 3,5 5 6

Установлено, что свойства цементного камня определяются особенностями коагуляци-онной структуры цементного геля, процессов формирования и упрочнения, которые протекают по следующей коагуляционно-кристаллизационной схеме[1, 9, 10]:

- возникновение дисперсной системы;

- адсорбция твердой фазы компонентов из жидкой среды;

- диссоциация и образование ионного раствора;

- дальняя и ближняя коагуляция (формирование коагуляционной структуры цементного геля), сопровождающаяся связыванием жидкой фазы и контракцией объема цементного геля;

- зарождение кристаллогидратов по мере активации ионообмена;

- трансформация цементного геля в камневидное состояние;

- упрочнение сил внутри кристаллогидратных комплексов, способствующее росту прочности цементного камня.

В начальной стадии индукционного периода эти явления частично обратимы, а при зарождении кристаллогидратной структуры вязкопластические свойства цементного геля полностью утрачиваются.

Наиболее важными являются первые четыре стадии формирования коагуляционной структуры цементного геля, который образуется сразу же после затворения цемента водой в результате растворения отдельных клинкерных минералов и массопереноса. При растворении клинкерных минералов в воде образуется раствор, постепенно переходящий в насыщенное состояние.

Результаты исследования процессов структурообразования пескобетонной смеси, полученные ультразвуковым способом (рис. 2) показали, что преимущество данного способа заключается в том, что он более чувствителен к протекающим процессам, и можно исследовать кинетику формирования структуры любой цементной системы: цементного теста, пес-кобетонной и бетонной смеси на крупном заполнителе.

Рисунок 2. Кинетика изменения скорости ультразвука «Уу\з» а) при обычном перемешивании п = 40 мин -1; б) при турбулентном перемешивании п = 900 мин 1;

___- на кварцевом песке; _ . _ . - на смешанном песке;

- на керамзитовом песке.

Скорости процессов периодов формирования и упрочнения структуры пескобетонной смеси определяли по скорости прохождения ультразвука к оси абсцисс, tga (табл. 3).

Кривая скорости прохождения ультразвука характеризует изменения физических свойств смеси, то есть структуру материала, и имеет две характерные точки, разделяющие её на три участка (рис. 2).

Таблица 3. Параметры структурообразования пескобетона

Частота рабочего органа в смесителе, мин -1 Периоды структурообразования Вид песка Тангенс угла наклона кривых, а С Длительность индукционного периода, мин

град %

40 Формирование Кварцевый Смешанный Керамзитовый 6,59 7,72 8,90 100 117,1 135,1 300 240 180

Упрочнение Кварцевый Смешанный Керамзитовый 37,7 41,77 46,22 100 110,8 122,6 -

900 Формирование Кварцевый Смешанный Керамзитовый 7,89 9,50 11,22 119,7 144,1 170,3 240 180 120

Упрочнение Кварцевый Смешанный Керамзитовый 42,41 47,05 52,44 112,5 124,8 139,1 -

На участке 0-1 (рис. 3) происходит поглощение воды за счет адсорбирования и капиллярного потенциала компонентов смеси, а также клинкерных частиц и химического связывания извести и гипса в гидросульфоалюминат кальция, что вызывает интенсивный рост скорости ультразвука. Этот период длится 20-30 мин. На участке 1-2 увеличение скорости ультразвука протекает менее интенсивно, она почти стабилизируется. В этот период происходит лишь растворение клинкерных частиц цемента, вследствие чего увеличивается концентрация водного раствора и повышается плотность жидкой фазы.

Насыщение водного раствора продуктами гидратации цемента связанно с температурным эффектом, который ведет к снижению вязкости (плотности) и увеличению концентрации водного раствора. Одновременно обновляется и увеличивается объем водного раствора за счет капиллярной воды и высвобождения её воды при перекристаллизации неустойчивых метастабильных гидросульфоалюминатов типа 3Са0Л1203'3Са80431Н2О в более стабиль-

ную низкосульфатную форму ЗСаО А120з Са$>0412Н2О. Через определенное время наступает энергетическое равновесие (участок 2-3), при котором клинкерные минералы практически не растворяются, происходит снижение температуры смеси. Равновесное состояние водного раствора нарушается и переходит в неравновесное.

Переход из неравновесного состояния в равновесное сопровождается кристаллизацией, непременное условие для которого - наличие пересыщенного раствора. Возрастают также силы капиллярного водопоглощения за счет снижения температуры защемленного воздуха в порах заполнителя, вследствие чего происходят движение влаги из цементного геля в заполнитель, что обусловливает самовакуумирование цементного камня.

Vy/3 2000 1600 1200 800

2 3 / / / /

/ V / N / /у / / / ' / /

V/ //у-- /У Л ) NO N f / ч ч

1' ✓ /«f  ----- / -г / / Лз-

/ S Ь— У V

t,°C 30 25 20 15

2 4 6 8 Время в часах

Рисунок 3. Изменение температуры «t» и скорости ультразвука «Су/з» в пескобетонной смеси при структурообразовании;

___- на кварцевом песке; _ . _ . - на смешанном песке;

_- на керамзитовом песке.

Наложение происходящих физико-химических процессов вызывает резкое возрастание скорости ультразвука, что обусловливает переход пескобетонной смеси из коагуляционного состояния в кристаллизационное (участок 3-4).

По результатам исследования видно, что при турбулентной технологии формирование и упрочнение структуры пескобетона протекает интенсивнее, о чем свидетельствуют тангенсы угла наклона прямолинейных участков кривых структурообразования, а также продолжительность периодов (рис. 2, табл. 3). Сокращение периодов формирования и упрочнения структуры пескобетонной смеси при турбулентной технологии происходит за счет механической активации поверхности как цемента, так и заполнителя. Удельная поверхность цемента при этом возрастает на 15-20 % вследствие дробления клинкерных частиц. За счет дробления слабых зерен заполнителя образуется тонкомолотая пыль, которая является активной добавкой к цементу. Появление новых более активных поверхностей увеличивает степень гидратации цемента, а дополнительные поры и капилляры повышают эффект само-вакуумирования смеси, вследствие чего увеличивается скорость формирования и упрочнения структуры.

Кинетику изменения температуры смеси в период структурообразования можно разделить на четыре участка (рис. 3).

На участке 0-1-2 - период стабильных водных растворов - наблюдается интенсивный рост температуры, что обусловливает насыщение водного раствора продуктами гидратации цемента. По мере насыщения раствора определенное количество молекул воды расходуется на образование гидратных оболочек вокруг частиц, вследствие чего растворение минерала замедляется. При этом одновременно заполнитель поглощает выделяемое тепло от проте-

кающих химических реакций и отдает капиллярную воду водному раствору, этим самым, обновляя его. Эффективность этих явлений зависит от активности клинкерных частиц, теплоемкости и структуры пор заполнителя.

Второй участок кривой 2-3, когда температура смеси достигает максимального значения, является переходным или периодом метастабильных растворов. В этот период концентрация водного раствора увеличивается и достигает максимальных значений при данной температуре смеси. Вместе с ростом концентрации раствора ускоряется обратный процесс, связанный с развитием центров кристаллизации новой фазы. Наступает равновесное состояние, при котором минералы практически перестают растворяться, а температура смеси в течение определенного времени не меняется.

Третий участок кривой 3-4 - период лабильных водных растворов - характеризуется снижением температуры, которое способствует переходу водного раствора в пересыщенное состояние, что ведет к интенсивному образованию кристаллической структуры. При этом подогретый заполнитель, отдавая тепло водному раствору, способствует протеканию кристаллизации и в то же время за счет своего капиллярного потенциала поглощает жидкость из цементного геля, что приводит к его уплотнению.

Обращает на себя внимание тот факт, что характер протекающих процессов в период структурообразования смеси по кривым изменения скорости ультразвука совпадает с характером протекающих процессов по кривым изменения температуры, то есть они подчиняются правилу «створа» (рис. 3).

Полученные результаты показывают, что пористый заполнитель в сравнении с кварцевым за счет своего капиллярного потенциала сокращает и интенсифицирует периоды формирования и упрочнения структуры (табл. 2), а его большая тепло- и влагоемкость способствует более плавному изменению температуры смеси, что уменьшает деструктивные явления в цементном камне и увеличивает степень использования свойств цемента (рис. 2, 3, 4).

172,5%

25

35

30

1

н

п=40 мин

-1

п=900 мин

-1

Рисунок 4. Гистограмма изменения температуры в период структурообразования пескобетонной смеси на:

— кварцевый песок

Х^Х^Х — смешанный песок

—керамзитовый песок

Примечание: за начальную температуру смеси (100 %) принята нормальная температура среды для твердения бетона 20°С.

На основании полученных экспериментальных данных можно сделать следующие выводы:

1. Проведенные исследования показали идентичность изменения акустических характеристик и пластической прочности в периоды структурообразования пескобетонной смеси, а также более высокую чувствительность и информативность акустических сигналов, возможность их использования для регистрации протекающих процессов в бетонных смесях различного состава.

2. Анализ данных по пластической прочности, скорости ультразвука, температуре, теплоте смачивания и степени гидратации показывает, что процессы структурообразования смеси интенсифицируются при переходе от кварцевого к керамзитовому песку на 30-35 %, от обычного к турбулентному перемешиванию смеси на 20-35 %.

3. Увеличение капиллярного потенциала и теплоемкости заполнителя способствует более глубокому протеканию физико-химических процессов и уменьшению деструктивных явлений в бетонной смеси, что увеличивает прочностные характеристики пескобетона на 15-30 %.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ахвердов, И. Н. Основы физики бетона [Текст] / И. Н. Ахвердов - М. : Стройиздат, 1981.- 464 с.

2. Горчаков, Г. И. О комплексной характеристике структуры бетона [Текст] / Г. И. Горчаков, И. А. Иванов // Бетон и железобетон. - 1980. - № 1. - С. 22-23.

3. Коляда, С. В. Промышленность строительных материалов в 2002 г. [Текст] С. В. Коляда // Строительные материалы. - 2003. - № 2. - С. 2-4.

4. Косач, А. Ф. Влияние технологических факторов на свойства растворной части бетона [Текст] / А. Ф. Косач // Изв. вузов. Строительство. - Омск, 2003. - № 3. - С. 27 - 33.

5. Крылов, Б. А Перспективы развития методов интенсификации твердения бетона в XXI веке [Текст] / Б. А. Крылов // Строительные материалы. - М., 2001. № 3 - С.14 - 16.

6. Кучеренко, А. А. Роль пористого заполнителя в структурообразовании бетона [Текст] / А. А. Кучеренко // Применение цементных и асфальтовых бетонов в Сибири: Межведомственный сб. - Омск, 1983. - С. 29-34.

7. Мчедлов-Петросян, О. П. Химия неорганических строительных материалов [Текст] / О. П. Мчедлов-Петросян. - М. : Стройиздат, 1971. - 223 с.

8. Мчедлов-Петросян, О. П. Физико-химические основы направленного структурообразования при ускоренном изготовлении железобетонных изделий [Текст] / О. П. Мчедлов-Петросян // Тр. Междунар. конф. по пробл. Ускорения твердения бетона. - М. : Стройиздат, 1968. - С. 103-106.

9. Ребиндер, П. А. О развитии физико-химической механике [Текст] / П. А. Ребиндер // В кн.: Теоретическая и инструментальная реология : Труды конференции по физико-химической механике дисперсных материалов. - Т. 1. - Минск, 1970. - С. 3-7.

10. Савинов, О. А. Теория и методы вибрационного формования железобетонных изделий [Текст] / О. А. Савинов, Е. А. Лавринович - М. : Стройиздат, 1972. - 153 с.

11. Taylor H. F. The chemistry of cement hydration / H. F. Taylor, Proc. of the Seventh Conference on Ше Silicate Industry. - Budapest, 2000.