УДК 666.972.16
С.И. АББАСОВА, канд. хим. наук, доцент, Азербайджанский архитектурно-строительный университет, г. Баку, Азербайджан
Ключевые слова: термический продукт, каолиновая порода, метакаолин, цементное тесто, мелкозернистый бетон, суперпластификатор, прочность
Keywords: thermal product, kaolin rock, metakaolin, cement paste, fine-grained concrete, superplasticizer, strength
Данная статья посвящена изучению особенностей влияния суперпластификатора в комплексе с минеральными добавками на формирование структуры и свойств цементных композиций.
В настоящее время oсновным направлением совершенствования эксплуатационных характеристик цементных композиций является улучшение физико-механических свойств и долговечности. В современном бетоноведении все большее предпочтение отдается разработке полифункциональных модификаторов, позволяющих решать технологические задачи бетонных смесей и бетонов [1-3].
В связи с появлением высокоэффективных пластификаторов наблюдается тенденция к получению высокопрочных бетонов с минимальным водоцементным отношением. Однако при применении суперпластификаторов возникает нехватка воды, которая приводит к замедлению гидратационных процессов и, вследствие этого, к появлению напряжений в неоднородной структуре модифицированного цементного камня. Поэтому для повышения прочностных характеристик цементных композиций применяют активные минеральные добавки, позволяющие управлять формированием структуры и свойствами цементного камня [4].
Исходя из этого, настоящая работа посвящена изучению особенностей влияния суперпластификатора в комплексе с минеральными добавками на формирование структуры и свойств цементных композиций.
В экспериментах в качестве цемента использовали портландцемент СЕМ I – 42,5 (цементный завод Holcim). В качестве минеральной добавки использовали продукт термической обработки природной каолиновой породы (ПТОК) Чанлибельского месторождения (Азербайджан) (химический состав, масс. %: SiO2 – 61,65; Al2O3 – 27,88; Fe2O3 – 0,85; CaO – 0,8; MgO – 0,11; Na2O – 0,3; TiO2 – 0,18). Продукт термической обработки, состоящий из смеси кварцита и рентгено-аморфного метакаолина в соотношении 1:1,25, является реологически- и реакционно-активной добавкой. За счет аморфного состояния метакаолинa данный продукт обладает высокой пуццолановой активностью, значительно ускоряя набор прочности цементных композиций, а также имеет меньший размер частиц по сравнению с цементом, что способствует уплотнению камня. Метакаолин отличается от других минеральных активных добавок, таких как зола-унос, шлак или микрокремнезем, тем, что его пуццолановая активность носит смешанный алюминатно-кремнеземистый характер [5]. Кварцит в составе термического продукта обладает реологически активными добавками.
Чтобы выявить общие закономерности модифицирования структуры в цементных системах в присутствии комплексных модификаторов и определить оптимальные дозировки индивидуальных добавок в составе комплексных модификаторов, были спланированы двухфакторные эксперименты. Они были проведены на цементном камне как на матричной составляющей тяжелого бетона, определяющей при других равных условиях его прочность и долговечность. Это позволило установить характерные особенности протекания изучаемых физико-химических процессов, что в цементно-песчаных растворах или бетонах представляется затруднительным из-за наличия в материале большого количества инертных заполнителей, осложняющих интерпретацию результатов исследований.
При приготовлении цементного теста тонкодисперсные добавки вводились в виде порошка, а СП-1 – при затворении с водой. Для определения прочности при сжатии цементного камня из теста нормальной густоты готовили образцы-кубы с ребром 2 см. Цементное тесто укладывали в форму и уплотняли в течение 2 мин. на виброплощадке, после чего помещали форму в ванну с гидравлическим затвором над водой на 24 часа. Через сутки образцы распалубливали и часть из них испытывали на прочность при сжатии, остальные помещали в ванну с водой, где хранили при температуре 20°С, согласно ГОСТ 310.4. Экспериментальные данные подвергали математической обработке и получали зависимости свойств цементных композиций от варьируемых факторов.
План-матрица и результаты двухфакторного эксперимента представлены в таблице 1. Подробное описание изменения выбранных откликов в области варьируемых факторов приведено ниже.
Таблица 1. План-матрица и результаты двухфакторного эксперимента
| № | Факторы | Отклики | ||||||
| Х1 | Х2 | Нормальная густота | Прочность при сжатии, МПа, в возрасте, сут. | |||||
| код | знач. | код | знач. | 3 | 7 | 28 | ||
| 1 | 1 | 15 | 1 | 1,5 | 26,00 | 57,1 | 63,9 | 73,2 |
| 2 | -1 | 3 | 1 | 1,5 | 24,00 | 65,6 | 80,9 | 90,5 |
| 3 | 1 | 15 | -1 | 0,5 | 30,00 | 47,1 | 52,1 | 62,3 |
| 4 | -1 | 3 | -1 | 0,5 | 29,00 | 61,8 | 74,3 | 81,9 |
| 5 | 0 | 9 | 0 | 1 | 28,00 | 67,1 | 80,8 | 88,4 |
Количество измерений N и точность измерения (+ Ах) для различных откликов следующие:
– нормальная густота N=2, Ах=0,01%;
– прочность при сжатии N=6, Ах=0,1%.
Зависимость нормальной густоты от дозировки ПТОК (X1) и СП-1 (Х2) приведена на рис. 1 и имеет вид (здесь и далее факторы X1 и Х2 в зависимости следует подставлять в кодовом виде согласно табл. 1):
НГ=27,25+0,75X1-2,25X2+0,25X1X2
Полученные результаты показывают, что введение добавки ПТОК приводит к прямо пропорциональному увеличению нормальной густоты теста вяжущего. Добавка СП-1 помогает нивелировать этот эффект только до содержания 15% ПТОК в вяжущем, дальнейшее увеличение содержания минеральной добавки резко повышает расход СП-1. Отмечено, что в случае использования комплексного модификатора СП-1+ПТОК не наблюдается синергетический эффект снижения водопотребности теста вяжущего. Это, вероятно, вызвано пластинчатой формой частиц метакаолина, входящих в состав ПТОК, их большой пористостью и гидрофильностью. Однако при содержании ПТОК в 15% и СП-1 в 1,5% нормальная густота цементного раствора остается на уровне контрольного. Это связано с содержанием около 40% тонкодисперсного кварца в составе ПТОК.
Таблица 2. Составы цементных бетонов
| Состав бетонов | ||||||
| Марка по удоб-ти | Цемент, кг/м3 | Песок, кг/м3 | Щебень, кг/м3 | Вода, л/м3 | СП-1, % от массы цемента | ПТОК, % от массы цемента |
| П5 | 420 | 708 | 1110 | 186 | — | — |
| П5 | 420 | 708 | 1110 | 160 | 1,5 | 15 |
Математические модели прочности при сжатии в зависимости от возраста и условий твердения в графической форме представлены на рис. 2-3 и имеют вид:
=57,90-5,8X1+3,45X2+1,55X1X2
=76,975-9,225X1+4,875X2+0,575X1X2
При водном твердении возрасте 3 суток оптимальным с позиций набора прочности является комплекс (0,62-1,18) % СП-1+(15-20)% ПТОК, который позволяет получить прирост прочности до 15% по сравнению с цементным камнем без добавок при одинаковой нормальной густоте цементного теста (рис. 2).
Это может объясняться активизацией гидратации клинкерных минералов в присутствии метакаолина, а также уплотнением структуры камня вяжущего за счет образования мелкодисперсных полуаморфных продуктов взаимодействия ПТОК и вторичного гидроксида кальция цементного камня. В более поздние сроки твердения наибольшей прочности позволяет достичь применение комплекса (0,88-1,98)% СП-1+(5-10)% ПТОК, что свидетельствует о нивелировании замедляющего действия СП-1 в присутствии ПТОК с течением времени, а также об увеличении роли величины водоцементного отношения в формировании структуры и прочности камня вяжущего. Отмечено, что при введении максимальных дозировок СП-1 и ПТОК в возрасте 28 суток прочность повышается на 27% по сравнению с прочностью бездобавочного цементного камня, нормальная густота при этом – примерно на уровне бездобавочного состава. Это может объясняться более полным протеканием гидратационных процессов в присутствии ПТОК (рис. 3).
Таким образом, учитывая высокую водопотребность метакаолина вследствие значительной удельной поверхности и пластинчатой формы частиц, рекомендуется его применение в комплексе с эффективными водоредуцирующими добавками. При условии одинакового водоцементного отношения модифицирование цементных композиций метакаолином позволяет получить существенный прирост прочности, особенно в раннем возрасте, что связано с ускорением гидратационных процессов в его присутствии.
В результате проделанной работы предложен ряд технологических решений для повышения эффективности производства цементных композиций с использованием в качестве сырья материалов природного 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.
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 SEM I 42,5 ООО «Газахский цементный завод». При приготовлении бетонных смесей в качестве заполнителей использовались щебень речной из Губы марки М1200 фракций 5-10 и 10-20 мм, Бахрамтепинский речной песок с Мкр=2,25, а также отсевы из камнедробления материалов реки Гудяльчай. Составы подбирались расчетно-экспериментальным 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%.
Предел прочности при сжатии определяли в соответствии с требованиями ГОСТ 10180-90 на стандартных образцах-кубах размерами 150×150×150 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 | 85 | 128 | В25 (М350) | В40 (М500) |
| 3 | 163 | 298 | ||
| 7 | 266 | 454 | ||
| 28 | 378 | 582 | ||
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.
Библиографический список
1. Баженов Ю.М., Демьянова В.С., Калашников В.И. Модифицированные высококачественные бетоны/ Научное издание, – М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2006, – 368 с.
2. Гувалов А.А., Аббасова С. И. Влияние термического продукта вторичных кварцитов на свойства цементных систем // Технологии бетонов, №11-12, 2016, с. 37-39.
3. Гувалов А.А., Аббасова С.И. Влияние модифицированного термического продукта вторичных кварцитов на свойства цементных систем // Сухие строительные смеси, №1, 2018, с. 15-17.
4. Гувалов А.А., Аббасова С.И. Повышение эффективности цементных вяжущих с использованием кремнеземсодержащего модификатора // Строительные материалы, №11, – М.: 2018, с. 56-59.
5. Малолепши Я. Влияние метакаолина на свойства цементных растворов /Я. Малолепши, З. Питель // Химические и минеральные добавки в бетон. – Харьков: Колорит, 2005, с. 61-77.
