Использование минерального микронаполнителя для повышения активности портландцемента

УДК 691.32:666.972

О.М. СМИРНОВА, канд. техн. наук

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I

Использование минерального микронаполнителя для повышения активности портландцемента

Представлены исследования по выбору расхода и дисперсности кварцевого микронаполнителя с целью повышения активности портландцемента после низкотемпературной тепловлажностной обработки. Эффективность полученных результатов заключается в повышении активности портландцемента и, соответственно, прочности бетона после тепловлажностной обработки с температурой изотермической выдержки 40оС вместо применяемой температуры 80оС, и снижении расхода портландцемента по сравнению с номинальными составами.

Ключевые слова: портландцемент, минеральный микронаполнитель, сборный железобетон, тепловлажностная обработка, температура изотермической выдержки.

O.M. SMIRNOVA, Candidate of Sciences

Petersburg State Transport University of Emperor Alexander I

The Use of Mineral Micro-Filler for Increasing the Activity of Portland-Cement

Research in the choice of consumption and dispersion of the quartz micro-filler with the purpose to increase the activity of Portland-cement after the low temperature steam treatment is presented. The efficiency of results obtained is the increase in the activity of Portland-cement and, consequently, in the strength of concrete after steam treatment with the isothermal concrete curing temperature of 40°C instead of the applied temperature of 80°C and the Portland-cement saving comparing with nominal compositions.

Keywords: portland cement, mineral filler, precast reinforced concrete, steaming treatment, temperature of steaming treatment.

Использование низкотемпературной тепловлажностной обработки при производстве сборного железобетона приводит к улучшению физико-механических свойств бетона по сравнению с бетоном, подвергнутым часто применяемой предприятиями ЖБИ тепловлажностной обработке при 80оС [1]. Однако снижение температуры изотермической выдержки может уменьшать прочность бетона после тепловлажностной обработки, что ведет к увеличению продолжительности тепловой обработки и сокращению производительности технологических линий или повышению расхода портландцемента. В связи с этим целесообразно использовать портландцементы, имеющие высокую активность после низкотемпературной тепловлажностной обработки (ТВО).

Проблемы снижения температуры изотермической выдержки бетона при ТВО с целью улучшения технических характеристик бетона сборных конструкций и экономии энергоресурсов стали обсуждаться сравнительно недавно. В связи с этим отечественной промышленностью в настоящее время не производятся портландцементы с учетом такой характеристики, как активность после низкотемпературной ТВО [2]. Однако при увеличении спроса на сборные железобетонные конструкции на основе высококачественного бетона такие портландцементы становятся востребованными, и вопрос их получения требует развития (Смирнова О.М. Высококачественные бетоны для предварительно напряженных железобетонных под-рельсовых конструкций // Дисс... канд. техн. наук. 05.23.05. Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет. Санкт-Петербург. 2013. 170 с.).

В «Рекомендациях по тепловой обработке тяжелого бетона с учетом активности цемента при пропарива-нии» под редакцией Л.А. Малининой (М.: НИИЖБ ГОССТРОИ СССР, 1984. 19 с.) показано, что портланд-цементы одной марки, но разных производителей по-разному реагируют на тепловое воздействие при температуре изотермии 80оС и их расход для получения отпускной или передаточной прочности бетонов с одина-

ковыми характеристиками по прочности и удобоукла-дываемости может отличаться в пределах 50 кг/м3 бетона. Это приводит к перерасходу портландцемента при производстве сборного бетона и железобетона, так как зачастую проектирование составов бетона нацелено на обеспечение отпускной или передаточной прочности, а не нормативной прочности в возрасте 28 сут.

Исходя из необходимости обеспечения отпускной или передаточной прочности бетона после ТВО вопрос достижения высокой ранней прочности бетона сборных конструкций является ключевым. Повышению прочности цементного камня на основе цементов общестроительного назначения на ранней стадии твердения способствуют: снижение водоцементного отношения за счет введения водоредуцирующих добавок [3]; ускорение выделения и роста продуктов гидратации цемента за счет ТВО; введение ускорителей твердения, углеродных нанотрубок [4, 5], тонкодисперсных минеральных наполнителей. В связи с тем, что применение ускорителей твердения нежелательно в производстве сборного предварительно напряженного железобетона, целесообразно исследовать возможность применения с целью повышения ранней прочности тонкодисперсных минеральных добавок.

Выделяют несколько факторов положительного влияния тонкодисперсных минеральных наполнителей на структуру и физико-механические характеристики цементного камня: повышение плотности упаковки частиц вяжущего при размещении микронаполнителя между частицами цемента; пуццолановая активность микронаполнителя; ускорение начальной стадии твердения цементных систем, в которых микронаполнитель может служить центрами кристаллизации; повышение пластифицирующего действия суперпластификаторов в некоторых композициях портландцемент — микронаполнитель; повышение ударной прочности [6].

Таким образом, одним из способов повышения активности портландцемента после низкотемпературной ТВО может быть использование минерального микронаполнителя в оптимальном количестве. В связи с этим

30

март 2015

iA

Таблица 1

Минералогический состав

Обозначение Цемент C3S C2S C3A C4AF

ПЦ-1 ПЦ 500Д0-Н ЗАО «Мальцовский портландцемент» 63,1 14,6 6,3 13,5

ПЦ-2 ПЦ 500Д0-Н ЗАО «Осколцемент» 64,1 15,4 7,9 11,2

ПЦ-3 ПЦ 500Д0-Н ЗАО «Осколцемент» 62,1 17,2 6,2 15,5

ПЦ-4 ПЦ 500Д0-Н ЗАО «Пикалевский портландцемент» 66,4 14,6 4,2 10,7

ПЦ-5 ПЦ 500Д0-Н ОАО «Сланцевский цементный завод» 62,1 10,4 6,9 11,3

Таблица 2

Физические характеристики портландцементов

Шифр цемента Тонкость помола, остаток на сите 008, % Нормальная густота,% Сроки схватывания цементного теста, ч-мин

начало конец

ПЦ-1 3,3 27 2-30 4-20

ПЦ-2 6,2 26,2 2-50 4-50

ПЦ-3 6,8 25,8 2-10 4-10

ПЦ-4 5,1 26,7 2-20 4-00

ПЦ-5 4,3 26,9 2-10 4-10

В работе использован микронаполнитель из молотого природного кварцевого песка с содержанием диоксида кремния SiO2 более 94% (Лужское месторождение). Для помола песка использовалась планетарная мельница АС 100 фирмы Oy CYCLOTEC Ltd (Финляндия), а для отделения тонкой фракции измельченного песка — классификатор центробежно-динамический фирмы «Ламел-777» (Республика Беларусь).

Для определения гранулометрического состава минеральных наполнителей был использован лазерный дифракционный анализатор размера частиц MicroSizer 201. Активность портландцемента определялась по ГОСТ 310.4-81 «Цементы. Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии». Электронно-микроскопические снимки были получены с помощью сканирующего электронного микроскопа модели Supra 55VP-3249 фирмы Zeiss.

Активность в возрасте 28 сут у выбранных портландцементов изменялась в пределах 50,8-52,6 МПа. Активность при пропаривании с температурой изотермической выдержки, равной 80оС, находилась в диапазоне 32-40 МПа, т. е. изменялась в пределах 25% (табл. 3).

Коэффициент эффективности портландцемента после пропарива-ния при 40оС определялся по формуле:

Кп = W

28 сут

12 ч 1 сут

Продолжительность твердения

Рис. 1. Влияние расхода микронаполнителя на прочность цементного камня: 1 - без добавок; 2 - кварцевый песок 1%; 3 - кварцевый песок 3%; 4 - кварцевый песок 5%; 5 - кварцевый песок 10%; 6 - кварцевый песок 15%

целью работы являлось исследование влияния расхода и дисперсности кварцевого микронаполнителя на активность портландцемента после ТВО при 40оС.

В работе использованы портландцементы ПЦ500-Д0-Н разных отечественных заводов-производителей. Характеристики портландцементов представлены в табл. 1 и 2.

где Rп — активность цемента после пропаривания при 40оС; Rц — активность цемента при нормальном твердении в возрасте 28 сут.

Для повышения активности портландцемента после ТВО с пониженной температурой изотермической выдержки был выбран кварцевый микронаполнитель. Зачастую молотый кварцевый песок, соответствующий дисперсности портландцемента, вводился взамен его части. Это позволяло экономить портландцемент без существенного снижения прочности бетона. С развитием техники помола появилась возможность получать микронапол-

Таблица 3

Коэффициенты эффективности портландцементов после ТВО с различной температурой изотермической выдержки

Цемент Активность цемента в 28 сут, МПа Активность при 80оС*, МПа Коэффициент эффективности после пропаривания при 80оС* Группа активности при пропаривании при 80оС* Активность при 40оС, МПа Коэффициент эффективности после пропаривания при 40оС

ПЦ-1 50,8 33,2 0,65 2 28,8 0,57

ПЦ-2 50,9 32 0,63 2 30,1 0,59

ПЦ-3 52,2 38,8 0,74 1 39,5 0,76

ПЦ-4 52,5 40 0,76 1 37,7 0,72

ПЦ-5 52,6 36,1 0,69 1 33,7 0,64

* Определено по методике, представленной в «Рекомендациях по тепловой обработке тяжелого бетона с учетом активности цемента при пропаривании».

fj научно-технический и производственный журнал

март 2015 31

Рис. 2. Структура цементного камня после ТВО

Рис. 4. Структура цементного камня в возрасте 360 сут

Таблица 4

Гранулометрический состав микронаполнителя

нители из горных пород или побочных продуктов промышленности с тонкостью помола значительно большей, чем у портландцемента. Гранулометрический состав микронаполнителя представлен в табл. 4.

При определении водопотребности цементного теста нормальной густоты с микронаполнителем (он вводился взамен части портландцемента ПЦ-1) и без микронаполнителя оказалось, что при введении 5% микронаполнителя от массы портландцемента водопотреб-ность не изменилась, при введении 10 и 15% — увеличилась на 4 и 7% соответственно. Начало схватывания цементного теста сократилось при введении кварцевого микронаполнителя в количестве 5—15% в пределах 30 мин. Конец схватывания цементного теста уменьшился при введении кварцевого наполнителя в количестве 5% на 45 мин, 10—15% — на 60 мин.

Влияние расхода микронаполнителя на прочность цементного камня, изготовленного на ПЦ-1, при

Рис. 3. Структура цементного камня с кварцевым микронаполнителем после ТВО

Рис. 5. Структура цементного камня с кварцевым микронаполнителем в возрасте 360 сут

нормально-влажных условиях твердения представлено на рис. 1. Для этого были изготовлены образцы-кубики цементного камня размером 2х2х2 см из теста нормальной густоты.

При введении кварцевого микронаполнителя в количестве 5—15% прочность цементного камня в возрасте 12 ч увеличилась в более чем два раза, в суточном возрасте — на 25%. При замене портландцемента микронаполнителем в количестве 5% наблюдалось некоторое повышение прочности в возрасте 28 сут. В связи с этим для дальнейших исследований выбрали расход микронаполнителя 5%.

Результаты исследования влияния кварцевого микронаполнителя (в количестве 5%) на активность и коэффициенты эффективности портландцементов после ТВО при 40оС представлены в табл. 5, где показано, что замена части портландцемента кварцевым микронаполнителем является эффективным способом повышения активности цементов после ТВО при 40оС. При этом активность портландцемента в возрасте 28 сут не уменьшилась.

Для подтверждения положительного влияния кварцевого микронаполнителя на свойства цементного камня исследовано структуро- и фазообразование цементного камня с микронаполнителем в разном возрасте.

Для оценки фазообразования цементного камня с добавкой кварцевого микронаполнителя в количестве 5% был проведен рентгенофазовый анализ четырех об-

Микронаполнитель Содержание частиц размером менее, %

1 мкм 5 мкм 10 мкм 50 мкм

Молотый кварцевый песок 13 62,2 92,5 100

32

март 2015

Таблица 5

Активность и коэффициенты эффективности портландцементов с кварцевым микронаполнителем

после ТВО при 40оС

Цемент Активность цемента в 28 сут, МПа Активность цемента с микронаполнителем в 28 сут, МПа Активность после пропаривания при 40оС, МПа Коэффициент эффективности после пропаривания при 40оС

ПЦ-1 50,8 51,6 35,1 0,68

ПЦ-2 50,9 52,1 34,6 0,66

ПЦ-3 52,2 53,6 39,8 0,74

ПЦ-4 52,5 54 39,2 0,71

ПЦ-5 52,6 52,7 36,6 0,69

разцов: без добавки и с добавкой в возрасте 12 ч после ТВО при 40оС и образцов, подвергнутых ТВО в возрасте 360 сут. Для образца с кварцевым микронаполнителем увеличивается содержание портландита после ТВО с температурой изотермической выдержки 40оС, при этом снижается содержание алита, что косвенно указывает на повышение степени гидратации портландцемента с кварцевым микронаполнителем после ТВО. Это способствует повышению прочности цементного камня после ТВО. В возрасте 360 сут содержание порт-ландита уменьшается по сравнению с бездобавочным образцом.

Повышение прочности цементного камня при введении кварцевого микронаполнителя может происходить и за счет изменения структуры цементного камня. Введение микронаполнителя изменяет условия кристаллизации и, следовательно, морфологию продуктов гидратации. При сравнении структуры новообразований при электронно-микроскопических исследованиях в образцах цементного камня после ТВО при 40оС и в

Список литературы

1. Серенко А.Ф., Петрова Т.М. Беспропарочная технология производства подрельсовых конструкций. М.: Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте, 2012. 136 с.

2. Смирнова О.М. Требования к гранулометрическому составу портландцементов для производства сборного железобетона по малопрогревной технологии // Цемент и его применение. 2012. № 2. С. 205—207.

3. Jiong Hu, Zhi Ge, Kejin Wang. Influence of cement fineness and water-to-cement ratio on mortar early-age heat of hydration and set times // Construction and Building Materials. 2014. V. 50. P. 657-663.

4. Хузин А.Ф., Габидуллин М.Г., Рахимов Р.З., Габидуллина А.Н., Стоянов О.В. Ускорение твердения цементных композитов, модифицированных добавками с углеродными нанотрубками // Все материалы: Энциклопедический справочник. 2013. № 11. С. 32-36.

5. Хузин А.Ф., Габидуллин М.Г., Бадертдинов И.Р., Рахимов Р.З., Абрамов Ф.П., Юмакулов Р.Э., Низембаев А.Ш., Перепелица Е.М. Комплексные добавки на основе углеродных нанотрубок для высокопрочных бетонов ускоренного твердения // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2013. № 1. С. 221-226.

6. Коробкова М.В., Рябова А.А., Харитонов А.М. Влияние маложестких дисперсных включений на ударную прочность цементных бетонов // Естественные и технические науки. 2014. № 8 (76). С. 154-156.

возрасте 360 сут установлено, что в образцах с кварцевым микронаполнителем в количестве 5% образуются более плотные по структуре новообразования (рис. 2—5), что повышает количество контактов между новообразованиями и способствует повышению прочности цементного камня.

Таким образом, предложен способ повышения активности портландцемента после низкотемпературной тепловлажностной обработки за счет использования тонкодисперсных минеральных микронаполнителей. Установлено, что эффективным минеральным микронаполнителем, обеспечивающим повышение активности портландцемента после низкотемпературной ТВО в пределах 15%, является кварцевый микронаполнитель с содержанием частиц размером менее 5 мкм более 60%.

Автор выражает благодарность правительству Санкт-Петербурга за финансовую поддержку исследования в виде субсидии молодым ученым — кандидатам наук в 2013 г. (распоряжение № 81 от 21.10.2013 г.).

References

1. Serenko A.F., Petrova T.M. Besproparochnaya tekh-nologiya proizvodstva podrel'sovykh konstruktsii [Non-steaming technology of sleepers production] M.: Uchebno-metodicheskii tsentr po obrazovaniyu na zheleznodorozhnom transporte. 2012. 136 p. (In Russian).

2. Smirnova O.M. Requirements to granulometric composition of Portland cement for precast reinforced concrete production under low-heat steaming treatment. Tsement i ego primenenie. 2012. No. 2, pp. 205—207. (In Russian).

3. Jiong Hu, Zhi Ge, Kejin Wang. Influence of cement fineness and water-to-cement ratio on mortar early-age heat of hydration and set times. Construction and Building Materials. 2014. V. 50, pp. 657-663.

4. Khuzin A.F., Gabidullin M.G., Rakhimov R.Z., Gabidullina A.N., Stoyanov O.V. Acceleration of cement composites hardening modified with additives and carbon nanotubes. Vse materialy. Entsiklopedicheskii spravochnik.

2013. No. 11, pp. 32-36. (In Russian).

5. Khuzin A.F., Gabidullin M.G., Badertdinov I.R., Rakhimov R.Z., Abramov F.P., Yumakulov R.E., Nizembaev A.Sh., Perepelitsa E.M. Integrated supplements based on carbon nanotubes for high-strength concretes. Izvestiya Kazanskogo gosudarstvennogo arkhitek-turno-stroitel'nogo universiteta. 2013. No. 1, pp. 221-226. (In Russian).

6. Korobkova M.V., Ryabova A.A., Kharitonov A.M. Influence low-hard dispersed additives on impact strength of cement concrete. Estestvennye i tekhnicheskie nauki.

2014. No. 8 (76), pp. 154-156. (In Russian).

март 2015

33