Эффективный органоминеральный комплекс для модифицирования цементных композиций

УДК 691.2

Ю.Г. Иващенко, С.М. Зинченко

ЭФФЕКТИВНЫЙ ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

Рассматриваются возможности применения эффективного органоминерального комплекса для производства композиционных вяжущих и добавок многокомпонентного состава для повышения энерго- и ресурсосбережения при производстве изделий из цементных композиций.

Цемент, прочность, минеральные добавки, суперпластификатор, активность, эффективность, алюмосиликатный состав

Y.G. Ivaschenko, S.M. Zinchenko

EFFECTIVE ORGANO-MINERAL COMPLEX FOR COMPOSITE CEMENTS

MODIFICATION

The subject of the article is the applicability of effective organo-mineral complex for composite cements production and admixtures with multicomponent composition to increase energy- and resource saving while manufacturing from composite cements.

Cement, strength, mineral admixtures, superplasticizer, activity, efficiency, aluminosilicate

Энерго- и ресурсосбережение в промышленности строительных материалов включает широкий круг вопросов, которые представлены во многих направлениях. В области энергосбережения все шире применяют рациональные прогрессивные технологии при изготовлении эффективных строительных материалов и изделий. Обширный опыт показывает, что во многих случаях из экономических соображений и для повышения качества продукции целесообразно внедрение новых технических решений и материалов вместо традиционных, применение которых позволяет получить значительный экономический эффект.

Современные тенденции в области бетоноведения направлены на разработку и внедрение технологий, обеспечивающих энерго- и ресурсосбережение, а также получения бетонов с высокими темпами набора прочности. Для этого необходимо рассмотреть новые подходы к разработке составов бетонов с применением эффективных вяжущих веществ, химических модификаторов, активных минеральных добавок, наполнителей различной природы и фракционного состава с содержанием высокодисперсных минеральных частиц [1,2].

Использование композиционных вяжущих является достаточно эффективным способом решения проблемы ресурсосбережения в производстве бетонов, позволяющий сократить расход дорогостоящего клинкерного фонда и повысить качество выпускаемой продукции. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований [1,2,4] установлена возможность получения эффективных композиционных вяжущих на основе минеральной добавки алюмосиликатного состава и пластификатора на основе отхода промышленности - фенолоацетоновой смолы, с применением механохимической обработки 114

при измельчении, пригодных для производства широкого ассортимента бетонных и железобетонных изделий. При этом экономия клинкерной части вяжущего составляет порядка 40 % без ухудшения прочностных показателей цементных композитов.

В качестве активной минеральной добавки для изготовления композиционных вяжущих применялся молотый пумицит Бедыкского месторождения (Кабардино-Балкария), представляющий собой рыхлый продукт смеси пород алюмосиликатного состава вулканического происхождения [4]. При оценке химической активности пумицита учитывалось содержание в нем аморфного кремнезема и алюмосиликатных фаз переменного состава. Аморфная растворимая составляющая пумицита может быть выделена из материала при обработке его щелочами. В работе определялась потенциальная реакционная способность пумицита при обработке его Ш раствором №ОИ и оценивалась по количеству оксидов, перешедших в щелочную вытяжку через 24 часа выдержки. Рентгенограммы исходного пумицита и обработанного раствором №ОИ представлены на рис. 1.

а

Угол дифракции 20

Рис. 1. Рентгенофазовый анализ образцов пумицита: а) исходный; б) после обработки раствором №04

Обработка пумицита щелочью привела к снижению уровня фонового отражения, что характеризует снижение доли аморфного вещества в составе обработанного пумицита по сравнению с исходным и к почти полному исчезновению рефлексов кварца. Характерно, что рефлексы таких алюмосодержащих фаз как адуляр и олигоклаз, именяются незначительно, т.е. они слабо вступают в гидролитический процесс и обладают меньшей активностью. Значительно снизились интенсивности рефлексов доломита и цеолит составляющих фаз, что свидетельствует о достаточно высокой реакционной способности. Изменяется структура слабозакристаллизованных фаз в области малых и средних углов, что подтверждает высокую степень аморфизации основных активных составляющих пумицита.

Таким образом, по результатам рентгенофазового анализа можно судить о том, что пумицит обладает высокой потенциальной реакционной способностью и гидравлической активностью для применения его в качестве компонента при изготовлении цементных композиций.

Другим эффективным способом повышения эффективности производства бетонных изделий является разработка составов многокомпонентных добавок комплексного

модифицирования, направленная на повышение характеристик темпа набора прочности. Расширение областей применения таких бетонов с высокой кинетикой набора прочности находит все более широкое применение в производстве бетонных изделий и конструкций. Производство бетонов с высокими физико-механическими и эксплуатационными характеристиками базируется на использовании высокодисперсных наполнителей различной природы совместно с химическими модификаторами, образующими эффективные органоминеральные комплексы модифицирования цементных композиций.

В связи с проблемой утилизации отходов производства ферросилициума, таких как микрокремнезем, содержащих в большом количестве кремнезем с высокой реакционной способностью, представляет интерес определение возможности их использования в качестве исходных компонентов для получения цементных композиций. Возможности использования микрокремнезема связаны с применением эффективных суперпластификаторов для получениябетонов, обладающих высокой прочностью, повышенной кинетикой набора прочности и долговечностью.

Поскольку в последнее время становится весьма перспективным использование многокомпонентных органоминеральных модифицирующих комплексов, позволяющих получать высокопрочные быстротвердеющие бетоны, вопрос использования высокодисперстных минеральных наполнителей является весьма актуальным. Для его реализации разрабатываются композиционные системы комплексного модифицирования бетонов на основе тонкоизмельченных смесей. По этой причине использование методов механической активации и механохимии на стадии их приготовления органично вписывается в технологию получения таких составов.

Повысить степень пластичности композиционных вяжущих на основе тонкомолотых минеральных добавок можно путем гидрофобизации за счет снижения степени гидрофильности, вызванной развитой поверхностью и дисперсностью добавок. Совместное введение добавок пластифицирующего и гидрофобизирующего действия при изготовлении цементных композиций в комплексе приводит к повышению пластичности смесей и улучшению физико-механических характеристик затвердевших образцов.

В данной работе исследовалась возможность применения органоминеральной добавки для получения бетонов с высокими показателями набора прочности, на основе многокомпонентной композиции кремнезем- и алюмосодержащего сырья различного происхождения в комплексе с химическими модификаторами. В качестве исходного сырья для получения добавки использовались молотый пумицит, микрокремнезем Братского алюминиевого завода, рядовой портландцемент М 500 Д0 ОАО «Вольскцемент», гидрофобизатор «Пента-811». В качестве водоредуцирующей добавки использовался пластификатор, получаемый на основе многотоннажных отходов производства фенола -фенолоацетоновой смолы. Получаемая добавка (ФАС) обладает пластифицирующей способностью цементных растворов при увеличении прочностных характеристик цементной композиции, имеет свойства, сопоставимые с суперпластификатом С-3, но значительно дешевле последнего [5]. Соотношение компонентов добавки назначалось исходя из общих экспериментально-теоретических положений, и представлено в табл. 1.

Таблица 1

Состав многокомпонентной добавки

Компоненты Количество, % по массе

Портландцемент М 500 Д0 45,0

Молотый пумицит 36,9

Микрокремнезем 15,0

Пластифицирующая добавка ФАС 3,0

Г идрофобизатор «Пента-811» 0,1

Добавку получали путем совместного помола всех сырьевых компонентов в лабораторной мельнице до удельной поверхности 5500-5600 см2/г. Эффективность добавки оценивалась посредством сравнения предела прочности при сжатии стандартных образцов тяжелого бетона с введенной добавкой с образцами бетона «контрольного» состава без введения добавки в различные сроки твердения.

Подбор составов бетона производился в соответствии с требованиями ГОСТ 27006-86 на портландцементе ПЦ500 Д0 ОАО «Вольскцемент». При приготовлении бетонных смесей в качестве заполнителей использовались щебень карбонатных пород марки М1000 фракцией 5-20 мм, кварцевый речной песок с Мкр = 1,75. Составы подбирались расчетноэкспериментальным способом при условии равной подвижности бетонных смесей (табл. 2). Хранение образцов осуществлялось в камере нормального твердения при температуре 20 ±2 °С и влажности более 90 %.

Таблица 2

Составы цементных бетонов

Состав бетонов

Марка по удоб-ти Цемент, кг/м3 Песок, кг/м3 Щебень, кг/м3 Вода, л/м3 Добавка, % от массы цемента

П2 320 710 1210 185 —

П2 320 710 1210 170 10,0

Предел прочности при сжатии определяли в соответствии с требованиями ГОСТ 10180-90 на стандартных образцах-кубах размером 100*100x100 мм в возрасте 1, 3, 7 и 28 суток, данные приведены в табл. 3.

Таблица 3

Физико-механические характеристики образцов

Сроки твердения, сут. Средняя прочность образцов, кг/см2 Класс и марка бетона

состав 1 состав 2 состав 1 состав 2

1 78 115 В22,5

3 151 285

7 254 430

28 368 560

Данные об испытании образцов свидетельствуют, что бетоны, изготовленные с использованием добавки многокомпонентного состава, характеризуются достаточно высокими прочностными показателями, а также ускоренной кинетикой набора прочности по сравнению с образцами бетона без введения добавки.

Полученные результаты могут быть объяснены созданием сложной гетерогенной структуры на ранних стадиях твердения цементных композиций с развитой системой межфазовых переходов путем введения многокомпонентной органоминеральной добавки. Кинетика набора прочности таких систем определяется комплексным воздействием органоминерального комплекса на стадии структурообразования системы с повышением степени гидратации минералов цементного клинкера со смещением баланса фазообразования в сторону увеличения низкоосновных гидросиликатов кальция типа С8И(1) и снижением первичных кристаллогидратов портлантита в результате взаимодействия с реакционным кремнеземом минеральной составляющей добавки [2,3].

По данным рентгенофазового анализа разработанного органоминерального комплекса (рис. 2), совместное присутствие молотого пумицита и добавки ФАС приводит к почти двукратному увеличению количества слабозакристаллизованных фаз и дополнительному образованию гидросульфоалюминатов кальция. При этом совместное присутствие добавки ФАС и пумицита оказывает влияние на фазовую структуру камня, усложняя структуру цементного геля, и увеличивает его объем. Значительное расширение диапазона углов присутствия слабозакристаллизованных фаз положительно сказывается на увеличении прочностных показателей. Последнее следует рассматривать как признак изменения структуры цементного геля. Данный эффект объясняется как результат связывания свободного гидроксида кальция, что подтверждается результатами дифференциальнотермического анализа. На термограмме в присутствии пумицита выделяющаяся известь частично связывается, в результате чего количество извести в образце снижается вдвое, при этом температура ее разложения повышается на 20 °С до 440 °С. Количество слабосвязанной воды снижается до 8,2%, при этом количество гидросиликатов переменного состава возрастает, что подтверждается и данными рентгенофазового анализа.

а

Угол дифракции 20

Рис.2. Рентгенофазовый анализ образцов цементного камня: а) ПЦ без добавки (контрольный); б) ПЦ - 55 %; пумицит - 42 %; ФАС - 3 %

Таким образом, можно сделать вывод о целесообразности применения многокомпонентного комплексного органоминерального состава не только для производства эффективных ресурсосберегающих вяжущих, но и для добавок при изготовлении бетонных смесей, обладающих высокими показателями набора прочности, для существенного повышения эффективности производства бетонных и железобетонных изделий. При этом одновременно решается несколько проблем: экологическая, ресурсо- и энергосбережения, снижения себестоимости композиционных вяжущих, затрат при производстве бетонных и железобетонных изделий.

В результате проделанной работы предложен ряд технологических решений для повышения эффективности производства цементных композиций с использованием в качестве сырья материалов природного и техногенного происхождения, доступных, недорогих и имеющих большие объемы накоплений, что можно рассматривать как весьма перспективное направление в технологии производства цементных композитов, позволяющее достигать нужных характеристик продукции и отвечающие требованиям ресурсосбережения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Баженов Ю.М., Демьянова В.С., Калашников В.И. Модифицированные высокопрочные бетоны. М.: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2006. 368 с.

2. Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика. М.: Стройиздат, 1998.

768 с.

3. Рамачадран В.С. Добавки в бетон: справ. пособие. М., 1988. 575 с.

4. Иващенко Ю.Г., Зинченко С.М., Сеньков А.Н. Использование тонкомолотого пумицита для получения композиционных вяжущих // Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии: материалы XV академических чтений РААСН - Междунар. науч.-техн. конф. Т. 1. Казань, 2010.

5. . Модифицирующая добавка для цементных композиций на основе алкилированных фенолов / Ю.Г. Иващенко, Е.А. Шошин, Д.К. Тимохин, С.М. Зинченко, Н.А. Козлов // Композиционные строительные материалы. Теория и практика: материалы Междунар. науч.-практ. конф. Пенза: ПГУАиС, 2008.

Иващенко Юрий Григорьевич -

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Производство строительных изделий и конструкций»

Саратовского государственного технического университета

Зинченко Сергей Михайлович -

аспирант кафедры «Производство строительных изделий и конструкций»

Саратовского государственного технического университета

Статья поступила в редакцию 02.05.2011, принята к опубликованию 10.05.2011

Ivashchenko Yuri Grigorievich -

Doctor of Technical Sciences, Professor,

Head of the Department of «Building Products and Structures » of Saratov State Technical University

Zinchenko Sergey Michailovich -

post-graduate student of «Building Products and Structures» of Saratov State Technical University