Особенности свойств быстротвердеющего смешанного вяжущего

УДК 691.51/55

В. С. Изотов

ОСОБЕННОСТИ СВОЙСТВ БЫСТРОТВЕРДЕЮЩЕГО СМЕШАННОГО ВЯЖУЩЕГО

Ключевые слова: гипсоцементнопуццолановое вяжущее, гипсовое вяжущее, структура, долговечность.

В работе изложены результаты экспериментальных исследований влияния цеолитсодержащей породы на прочность и водостойкость быстротвердеющего смешанного вяжущего на основе строительного гипса и портландцемента.

Keywords: gipsotsementno astringent, gypsum binder, structure, durability.

In this paper the results of experimental studies of the effect of zeolite-containing rocks for strength and water resistance quick-mixed binder on the basis of gypsum and Portland cement.

Введение

Одним из направлений эффективного использования цемента является замена части индустриальнных изделий, изготовляемых в основном из бетонов на портландцементе, аналогичными по назначению изделиями с применением бетонов на других, более эффективных, вяжущих. Такой замене, по мнению [1,2], подлежат, изделия из бетона низких классов (<В15) и, в первую очередь, которые требуются в строительстве в больших объемах (изделия для внутренних и наружных стеновых конструкций, сантехкабины, вентблоки и т. п.).

Использование для этих целей бетонов на портландцементе приводит к неоправданному разрыву между активностью цемента .(40 МПа) и средним классом получаемого из него бетона .(В 15) [1].

В связи с этим расширение производства эффективных вяжущих, в том числе низкомарочных, позволяющих снизить

материальные и топливно-энергетические ресурсы, является одним из направлений повышения энергоэффективности в строительной отрасли.

К числу эффективных вяжущих можно отнести и быстротвердеющие композиционные гипсовые вяжущие, получаемые на основе строительного гипса, портландцемента

тонкодисперсных и модифицирующих компонентов [4,5].

В данной статье приводятся результаты исследования свойств быстротвердеющих композиционных гипсовых вяжущих с

содержанием портландцемента от 15 до 25%, обеспечивающих прочность от 10 до 20 МПа и достаточную для материалов ограждающих конструкций водо- и морозостойкость.

Данный вид смешанного вяжущего состоит из полуводного гипса, портландцемента и активной минеральной добавки (АМД), в качестве которой использована цеолитсодержащая кремнеземистая порода Татарско-Шатрашанского месторождения Республики Татарстан (ЦСП).

При изучении свойств этого вида вяжущего использована научная концепция получения композиционных гипсовых вяжущих, разработаная А.В.Волженским [1] и А.В. Ферронской [2,3], которая базируется на следующих положениях:

соотношение между компонентами должно обеспечивать заданные свойства и долговечность; компоненты должны иметь определенную тонкость помола (удельную поверхность), при которой обеспечивается оптимальная водопотребность, плотность и требуемые физико-механические свойства; улучшение и регулирование свойств вяжущего достигаются введением химических добавок.

Согласно этой концепции композиционное смешанное вяжущее должно представлять собой тонкодисперсную гомогенную смесь нескольких компонентов, один из которых должен обеспечивать раннее схватывание и быстрый набор прочности (одна из модификаций гипсовых вяжущих), а другие

- дальнейший рост прочности, долговечность сложившейся структуры и другие необходимые свойства.

Экспериментальная часть

В процессе исследований были использованы следующие материалы:

а) вяжущие:

- гипсовое вяжущее соответствовало требованиям ГОСТ 125-79 и имело марку по прочности Г-4;

- портландцемент Ульяновского завода марки ПЦ400-Д20 по ГОСТ 10178-85, содержал 11% трехкальциевого алюмината и 20% АМД, имел марку по прочности 400, нормальную густоту 27%, активность при пропаривании составила 27,8 МПа;

б) заполнитель:

- кварцевый песок камского месторождения с модулем крупности 2,5;

в) активная минеральная добавка (АМД)-цеолитсодержащая порода Татарско-шатрашанского месторождения Республики Татарстан (ЦСП) представляет собой полиминеральный материал с малой твердостью - 3-4 по шкале Мооса, значительной пористостью 50,14- 52,39% по воде. Минеральный состав породы по данным РКФА, представлен опал-кристобалитом (от 24 до 30%), клиноптилолитом (от 14 до 28%), кальцитом (от 18 до 23%), монтмориллонитовым компонентом (от 24 до 26%) [6]. Тонкость помола АМД составляла 15% по остатку на сите 008;

д) водопроводная питьевая вода, удовлетворяющая требованиям ГОСТ 23732.

Испытания вяжущего производились на образцах-балочках размером 4х4х16см и кубах с ребром 7,07см по ГОСТ 23789-79. Быстротвердеющее вяжущее готовилось путем механического смешения размолотой до различной удельной поверхности ЦСП, строительного гипса и портландцемента.

Соотношение компонентов вяжущего принималось таким, при котором обеспечивается концентрация оксида кальция в специально подготовленных пробах не выше 1,1 г/л на пятые сутки и 0,85г/л на седьмые сутки гидратации. Определения пригодности активной минеральной добавки для смешанного вяжущего производилось по ГОСТ 25094-82.

Для определения водостойкости вяжущего контрольные образцы после 28 суток воздушного твердения насыщались водой в течении 2 суток и затем испытывали на сжатие. Водостойкость вяжущего определялась по коэффициенту размягчения, представляющему собой отношение прочности образцов в водонасыщенном состоянии к прочности образцов воздушного твердения в возрасте 28 суток.

Результаты исследований

На первом этапе исследований изучено влияние добавки ЦСП на прочность и водостойкость гипсового вяжущего. С этой целью ЦСП, предварительно размолотая до удельной поверхности 90, 300, 500 м2/кг, в количестве от 1 и до 10% от массы полуводного гипса вводилась в композицию при помоле. При помоле ЦСП дополнительно вводились добавки извести (СаО) в количестве 5% от массы вяжущего. Согласно результатам выполненных экспериментальных исследований наиболее эффективным с точки зрения повышения водостойкости гипсового камня является введение добавки ЦСП, размолотой до удельной поверхности 500 м 2/кг в количестве 5% от массы вяжущего. При этом коэффициент размягчения гипсового камня повышается с 0,3 до 0,57 при сохранении прочности на уровне контрольных образцов.

Повышение коэффициента размягчения образцов гипсового камня с увеличением удельной поверхности добавки ЦСП от 90 до 500 м 2/кг связано с явлением усиления гидравлической активности минеральной добавки при тонком измельчении [4]. Увеличение тонкости помола ЦСП свыше 500 2/кг при существующем несовершенстве помольного оборудования является трудно выполнимой задачей, с другой стороны происходит усиленная агломерация измельчаемых частиц ЦСП, что делает проведение дальнейших исследований в этом направлении нецелесообразным.

Следует отметить, что добавка ЦСП не оказывает существенного влияния на изменение сроков схватывания модифицированного гипсового вяжущего, вместе с тем увеличение ее дозировки от 5 до 7-10% от массы вяжущего приводит к снижению прочности и коэффициента размягчения

гипсового камня, что обусловлено повышением водопотребности вяжущего с 27 до 28-30% соответственно.

Для подтверждения механизма влияния добавки ЦСП на повышение водостойкости гипсового камня были изучены продукты взаимодействия извести и активных компонентов ЦСП при помощи рентгенофазового анализа гипсового камня. Анализ дифрактограмм проб гипсового камня показывает, что в их составе присутствует рентгеноаморфная фаза,

проявляющаяся в виде широких дифракционных максимумов в области межплоскостных расстояний d=2,8-3,3Ао, характеризующих наличие

низкоосновных гидросиликатов кальция.

На втором этапе исследований изучено влияние ЦСП на прочность и водостойкость быстротвердеющего смешанного вяжущего, содержащего от 15 и до 25% портландцемента. Добавка ЦСП вводилась в состав вяжущего в сухом виде в количестве 10,15,20,25 и 30% от смеси гипса и портландцемента. Вода вводилась в количестве, обеспечивающем равную во все составах подвижность (16-18 см по Суттарду).

Из каждого состава готовилось 4 партии контрольных образцов, которые подвергались испытаниям в установленные сроки. Первая партия образцов испытывалась через 30 мин после затворения вяжущего, вторая партия испытывалась через сутки в сухом состоянии. При этом сушку образцов производили при 60оС до постоянной массы. Третья партия образцов испытывалась через 28 суток твердения в воде, четвертая партия образцов после 28 суток твердения в воде подвергалась сушке до постоянной массы при 60о С. Результаты испытаний приведены в табл. 1.

Как следует из данных, приведенных в табл.1, прочность при сжатии образцов через 30 мин с момента их изготовления (распалубочная прочность) зависит от содержания портландцемента и ЦСП в составе вяжущего. С увеличением их содержания распалубочная прочность снижается на 20-25%, что связано с уменьшение доли быстротвердеющего компонента в составе вяжущего.

Если образцы подвергнуть сушке до постоянной массы при 60оС, то их прочность при сжатии существенно повышается. Прирост прочности зависит от содержания портландцемента и ЦСП в составе вяжущего и может достигать 89300% от величины распалубочной прочности соответствующего состава. Столь существенный прирост прочности связан с положительным влиянием температуры на процессы гидратации портландцемента и взаимодействия продуктов его гидратации с активными компонентами цеолитсодержащей породы, в частности гидроксида кальция с опал-кристобалитом с образованием дополнительного количества низкоосновных гидросиликатов кальция.

Водостойкость смешанного вяжущего, как это следует из данных табл.1, зависит от содержания в нем портландцемента и ЦСП. С увеличением

содержания портландцемента в вяжущем от 15 и до 25% коэффициент водостойкости вяжущего без ЦСП повышается с 0,4 и до 0,58. Цеолитсодержащая порода оказывает более существенное влияние на водостойкость смешанного вяжущего, чем добавка портландцемента. Коэффициент размягчения повышается с 0,4 до 0,89. При этом максимальное значение коэффициента размягчения достигается при содержании ЦСП в количестве 15-20% от массы смеси гипса и портландцемента.

Таблица 1 - Влияние состава вяжущего и условий твердения на его прочность и водостойкость

N. П. Содержание Прочность при сжатии, МПа, через: Коэффициент

ЦСП размягчения

30 сутки 28 28 Кр

% мин. после сушки сут. в воде сут. норм. хран.

1 - 6,7 12,7 8,4 20,8 0,403

2 10 4,8 11,1 10,0 19,1 0,523

3 15 4,3 12,3 11,4 16,2 0,703

4 20 3,3 10,6 9,0 14,5 0,620

5 25 2,5 7,6 8,2 13,5 0,600

6 30 2,1 7,0 7,0 10,5 0,660

7 - 4,9 7,8 8,0 16,7 0,48

8 10 4,0 12,1 12,0 16,4 0,73

9 15 3,2 9,2 11,2 17,1 0,65

10 20 3,14 10,8 10,0 12,3 0,81

11 25 2,52 8,72 8,8 10,5 0,84

12 30 1,8 7,1 7,1 10,6 0,70

13 - 4,9 14,3 10,1 17,8 0,58

14 10 4,0 12,1 10,8 15,7 0,70

15 15 3,04 9,4 11,6 14,2 0,81

16 20 2,6 8,6 10,9 12,3 0.89

17 25 2,1 8,1 11,5 13,6 0,84

18 30 1,8 7,1 7,4 10,6 0.65

Примечание: Составы 1-6 содержат 15% портландцемента, 7-12 - 20%, 13-18 -25%

портландцемента.

Заключение

Исследования показали, что прочность и водостойкость смешанного вяжущего на основе

гипса ß-модификации марки Г-4 зависит от оптимального соотношения компонентов в его составе.

Установлено, что введение в состав гипсового вяжущего добавки ЦСП совместно с известью в количестве 5% по массе при удельной поверхности ЦСП 500 м2 /кг позволяет при сохранении прочности гипсового камня по сравнению с контрольными образцами повысить его коэффициент размягчения с 0,57 до 0,71. Это соответствует требованиям, предъявляемым к гипсовым вяжущим повышенной водостойкости. Повышение водостойкости гипсового камня обусловлено образованием низкоосновных гидросиликатов кальция при взаимодействии цеолитсодержащей добавки и извести, которые наряду с карбонатом кальция, образующимся при карбонизации извести, уплотняют поровую структуру гипсового камня.

Водопоглощение и коэффициент размягчения цементного камня на смешанном быстротвердеющем вяжущем зависят от содержания цемента в составе смешанного вяжущего и в еще большей степени от условий тепловой обработки, что в конечном итоге обусловлено условиями формирования соответствующей макро и микроструктуры цементного камня.

Литература

1. Волженский А.В., Стамбулко В.И., Ферронская А.В. Гипсоцементнопуццолановые вяжущие, бетоны и изделия.-М.: Строиздат. 1971г. - с. 318.

2. Ферронская А.В. Долговечность гипсовых вяжущих и изделий.-М.: Стройиздат. 1984г. - с. 256.

3. В.Ф. Коровяков, А.В. Ферронская, Л.Д. Чумаков, С.В.Иванов. Быстротвердеющие композиционные гипсовые вяжущие, бетоны и изделия.// Строительные материалы, №, 1991.

4. Кузьмина В.П. Механоактивация материалов для строительства. Гипс. // Строительные материалы. — 2007. — № 9. С. 52-54.

5. Бурьянов А.Ф. Эффективные гипсовые материалы для устройства межкомнатных перегородок // Строительные материалы. 2008. - № 8. — С.30.

6. Якимов A.B., Буров А.И. Цеолитсодержащие породы Татарстана и их применение. Казань: Изд-во «ФЭН» АН РТ, 2001. - 176 с.

© В. С. Изотов - д-р техн. наук, профессор, Казанский государственный архитектурно-строительный университет, зав. каф. «Технология, организация и механизация строительства»; v_s_izotov@mail.ru.

© V. S. Izotov - doctor of technical Sciences, Professor, Kazan state University of architecture and construction, head of the Department of Technology, organization and mechanization of construction"; v_s_izotov@mail.ru.