Исследование физико-механических свойств и химического сопротивления композитов на основе цементных вяжущих с сульфатно-силикатной добавкой

ТЕРЕШКИН И. П., РУМЯНЦЕВ А. В.

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ХИМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ЦЕМЕНТНЫХ ВЯЖУЩИХ С СУЛЬФАТНО-СИЛИКАТНОЙ ДОБАВКОЙ Аннотация. Представлены результаты исследований по влиянию сульфатно-силикатной добавки на физико-механические свойства и химическое сопротивление композитов на основе цементных вяжущих. Показана возможность получения на основе цеолитосодержащей породы добавки, позволяющей повышать прочность композитов в процессе твердения.

Ключевые слова: сульфатно-силикатный продукт, сульфатно-силикатная добавка, цеолитосодержащая порода, цемент, бетоны, модификация, прочность.

TERESHKIN I. P., RUMYANTSEV A. V. PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES AND CHEMICAL RESISTANCE OF COMPOSITES BASED ON CEMENT BINDERS AND SULFATE-SILICATE ADDITIVE: AN EXPERIMENTAL STUDY Abstract. The article provides the test results the effect of sulfate-silicate additive on the physical and mechanical properties and chemical resistance of composites based on cement binders. The tests show a possibility of obtaining an additive based on zeolite-containing rock, which increases the strength of composites at hardening.

Keywords: sulfate-silicate product, sulfate-silicate additive, zeolite-containing rock, cement, concrete, modification, strength.

Современные технологии получения строительных изделий и конструкций на основе цементных бетонов предъявляют постоянно увеличивающиеся требования к сырьевым составляющим бетонов, обеспечивающим: получение самоуплотняющихся, готовых к применению бетонных смесей, позволяющих получать бетонные композиты требуемой прочности в заданные сроки твердения; снижение энергоемкости технологии бетона при одновременном повышении его качества и долговечности; повышение несущей способности и эксплуатационной надежности строительных конструкций на их основе и т. д. [1; 2].

Бетоны, как известно, представляют собой строительные конгломераты, которые получают при совмещении минеральных, органических и комплексных вяжущих с гранулированными заполнителями, изначально образующие готовую к применению бетонную смесь, затем - каменный материал. Заданные состав и свойства бетонной смеси (в последующем бетонного композита) могут быть обеспечены только при стабильном

1

зерновом составе исходных заполнителей, гарантированного качества вяжущего вещества и комплексной модификацией сырьевых смесей.

В данной работе были проведены исследования влияния сульфатно-силикатной добавки (ССД) на основе цеолитосодержащей породы, полученной по запатентованной технологии [1], на основные физико-механические свойства цементных композитов. Добавку получали путем обжига сырьевой смеси, состоящей из цеолитсодержащей породы Атяшевского месторождения, серной кислоты и воды [1; 2]. При этом цеолитсодержащая порода Атяшевского месторождения имела следующий состав, мас. %: SiO2 - 70.87^58.66, АЬО3 - 8.98^12.34, Fe2Оз - 4.37^6.24, СаО - 10.64 14.51, МgO - 1.84^2.14, К2О - 2.48^3.05, ТЮ2 - 0.48^1.65, №20 - 0.2^0.85, F2Оз - 0.14^0.56.

Соотношения компонентов сырьевой смеси для сульфатно-силикатного продукта, мас. %: цеолитосодержащая порода - 40-50; концентрированная серная кислота - 35-40; вода - остальное.

Обжиг сырьевой смеси осуществляли при температуре близкой к 500 оС в течение 40

минут.

Получение добавки (продукта) для цементных вяжущих осуществляли следующим образом: вначале готовили сырьевую смесь - цеолитсодержащую породу размельчали и увлажняли водой. Затем в полученную смесь вводили концентрированную серную кислоту. По истечении одних суток, необходимых для окончания протекания химических реакций, сырьевую смесь подвергали термической обработке при температуре 480^500 оС в течение 40^50 минут. После обжига полученный сульфатно-силикатный продукт (сульфатно-силикатная добавка) охлаждали, размалывали и вводили в цементное вяжущее.

В состав получаемого сульфатно-силикатного продукта (ССП) входят реакционноспособные к минералам цемента вещества, позволяющие значительно ускорять гидратацию составляющих цемента и повышать прочность цементных композитов с такой добавкой [1; 2].

Для изучения влияния сульфатно-силикатного продукта на механические и физические свойства цементных композиций были исследованы механические характеристики наполненных композитов и характеристики структуры их порового пространства. Наполняли цементные композиции сульфатно-силикатной добавкой (ССД) в количестве 5 и 9% от массы вяжущего. Водоцементное отношение составляло 0,28. Испытания образцов композиций проводились в возрасте 28 суток после нормального твердения. Результаты определения механических свойств композиций с добавкой приведены в таблице 1. Данные, характеризующие структуру пор цементного камня, представлены в таблице 2.

Физико-механические характеристики композиций

№ Свойство, единица измерения Композиции без наполнения Композиции, наполненные ССП в количестве 5% Композиции, наполненные ССП в количестве 9%

1 Твердость, Т, МПа 154,44 176,94 180,58

2 Модуль деформации, Еgl5,МПа 2357,84 2863,46 2952,28

3 Равновесный модуль упругости, Еуь, МПа 22080,35 27634,48 326332,02

4 Условно-мгновенный модуль упругости, Е0, МПа 24106,71 30282,17 33405,83

5 Доля упругой составляющей в общей деформации, 8у 0,1166863 0,1038918 0,0943891

6 Доля высокоэластичной составляющей деформации, 8вэ 0,0056819 0,0048193 0,0043989

7 Доля пластической составляющей деформации, 8пл 0,8776318 0,8912889 0,901212

8 Предельная деформация разрушения, 8пр 0,01753 0,01653 0,016362

9 Предельная пластическая деформация материала, 8пл.пр,МПас 0,01562 0,01403 0,01391

10 Коэффициент структуры, Кстр. 15,61 27,94 24,51

11 Коэффициент энергоемкости материала, Кэн, Дж/м3 0,7242 0,892 0,791

12 Коэффициент пластичности, Кпл 0,0769 0,0753 0,0753

13 Прочность при сжатии, Rсж, МПа 41,31 47,33 48,31

По величине значений твердости и равновесного модуля упругости цементные композиции с сульфатно-силикатной добавкой можно отнести к группе твердых и жестких материалов. Диаграммы сжатия исследуемых композиций, представленные на рисунке 1, и данные, приведенные в таблице 1, показывают, что модуль упругости композиций с добавкой повышается на 30%. По значениям деформационных характеристик, состоящих из упругой, высокоэластичной и пластической составляющих, видно, что у наполненных композиций основными являются пластические, то есть необратимые деформации. Упругое последствие при этом практически отсутствует. Значения предельной деформации разрушения при напряжениях сжатия и предельной пластической деформации позволяют отнести исследуемые композиции к хрупким и непластичным материалам. Подобный вывод подтверждают величины коэффициента пластичности таких композитов.

Характеристики поровой структуры цементных композиций

№ Свойство, единица измерения Композиции без наполнения Композиции, наполненные ССД в количестве 5% Композиции, наполненные ССД в количестве 9%

1 Водопоглощение по массе, Wb,% 13,91 15,6 19,13

2 Объемное водопоглощение^о % 28,81 28,35 31,86

3 Равновесное поглощение, Wp% 8,37 12,92 16,76

4 Истинная пористость, Пи % 29,02 35,34 39,28

5 Коэффициент микропористости, Км 0,607 0,956 0,981

6 Показатель среднего размера пор, ^2 2,445 2,204 3,352

7 Однородность пор по размерам, а 0,551 0,654 0,691

По энергоемкости цементные композиции с сульфатно-силикатной добавкой относятся к среднеэнергоемким и обладают достаточно развитой пространственной структурой. Наполнение композиций ускорителем твердения способствует повышению коэффициента энергоёмкости до 25%, что обуславливает их более высокую прочность (см. табл. 1 и рис. 1).

0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 Относительная деформация

Рис. 1. Зависимость относительных деформаций цементных композитов от напряжений сжатия.

Коэффициент структуры цементных композиций с ССП выше, чем у ненаполненных цементных композиций, почти в два раза. Это может свидетельствовать о более оптимальной организации их поровой структуры. Вместе с тем, наполнение композиций сульфатно-силикатной добавкой приводит к увеличению их водопоглощения и истинной пористости. Увеличение показателей этих характеристик происходит тем значительней, чем выше содержание в цементном вяжущем сульфатно-силикатного наполнителя. Значения коэффициента микропористости и показатель дифференциации пор по размерам таких композитов свидетельствуют о преобладании в поровой структуре цементного камня на

основе композиции с ССП, преимущественно, большего количества микропор и повышении степени их однородности. Однако величина замкнутых пор в них при этом снижается, что может способствовать повышению проницаемости композитов, приводя к снижению химической стойкости, что подтверждается результатами экспонирования в растворе 2%-ной серной кислоты (см. рис. 2, 3). Поэтому в комплексе с разработанной добавкой при изготовлении высокопрочного цементного композита необходимо применять поверхностно-активные вещества - пластификаторы, способствующие снижению водопотребности сырьевых смесей и повышению плотности цементных композитов. Такой подход будет способствовать большему раскрытию потенциала использования разработанного сульфатно-силикатного продукта в цементных системах.

Рис. 2. Влияние сульфатно-силикатной добавки на прочность цементных композиций при экспонировании в 2%-ном растворе серной кислоты.

-

г

г

>1

I -

с н г

я

й &

I—

о

И

и 1

0.9 0.8 0=7 0.6 0.5

-•-при 5% наполнении --то же при 9% -А- контр ольный

1

14 21 28 35 42 49 56 63 Время экспонирования, сут

70 77 84

Рис. 3. Химическое сопротивление цементных композиций с сульфатно-силикатной добавкой (среда выдерживания - 2%-ный раствор серной кислоты).

На заключительном этапе исследований по оптимизации цементных композиций с ССД были получены математические модели прочности и пористости цементного камня, которые позволили определить оптимальный состав модифицированного полиминерального вяжущего (МПВ): портландцементный клинкер (90%), добавка-ССД (7,5%), пластификатор (1,1%), остальное - гипсовый камень. Оптимальная тонкость помола комплексного цементного вяжущего составляла 10-12%, что соответствовало рядовой промышленной тонкости помола. Было проведено сравнение свойств композиций на основе МПВ оптимального состава и цементной композиции на основе портландцемента ЦЕМ I 42,5Н. В результате было установлено снижение водотвердого отношения до 20%. Прочность при сжатии исследуемых композиций на основе комплексного вяжущего составила на 30% больше прочности контрольных образцов. Доказано, что введение сульфатно-силикатной добавки в минеральные цементные вяжущие открывает новые возможности в получении высокопрочных композитов с нормируемой суточной прочностью.

ЛИТЕРАТУРА

1. Терешкин И. П. Разработка вяжущих низкой водопотребности для стендовых технологий: дисс. .. .канд. тех. наук. - Саранск, 2001. - 244 с.

2. Кильдеев И. Р., Панчина А. А., Терешкин И. П. Эффективная добавка для цементных сырьевых смесей на основе природных цеолитосодержащих пород Республики Мордовия [Электронный ресурс] // Огарев-online. - 2016. - №5. -Режим доступа: http://joumaLmrsu.ru/arts/effektivnaya-dobavka-dlya-cementnyx-syrevyx-smesej-na-osnove-prirodnyx-ceoHtosoderzhashЫx-poшd-respuЫiki-mordoviya.