Свойства модифицированных цементных растворов с дисперсным гранитным наполнителем

В статье приведены результаты исследований модифицированных цементных растворов с дисперсным гранитным наполнителем. Показано, что гранитный наполнитель при оптимальном дозировании положительно влияет на основные свойства растворов.

УДК 691.53; 666.96

Л.И. ДВОРКИН, доктор техн. наук, профессор, О.М. БОРДЮЖЕНКО, канд. техн. наук, доцент, Национальный университет водного хозяйства и природопользования, г. Ровно, Украина

Ключевые слова: раствор, модификатор, наполнитель, отходы, цемент, бетон
Keywords: mortar, modifier, filler, waste, cement, concrete

Значительная масса отходов производства нерудных материалов представляет собой аспирационную пыль, образующуюся при измельчении горных пород на щебень. Она может использоваться в качестве дисперсного наполнителя в производстве сухих строительных смесей и растворов на их основе.

Наиболее широкое применение при получении сухих кладочных, клеевых, шпаклевочных и других смесей нашли карбонатные порошки. Они содействуют снижению расхода цемента, обеспечивая улучшение свойств растворных смесей и затвердевших растворов. В меньшей мере применяют пылевидные фракции, полученные при измельчении изверженных горных пород, в частности гранита – т.н. гранитную муку (ГМ). Согласно классификации минеральных материалов по их реакционной способности в щелочной среде, то есть в условиях контакта с твердеющим цементом, граниты и близкие к ним породы в условиях нормального твердения являются химически неактивными [1]. Но благодаря высокой дисперсности и повышенной поверх­ностной энергии гранитная мука, так же как и другие дисперсные минеральные наполнители, активно влияет на физико-химические процессы гидратации и структурообразования цементного камня и, соответственно, на свойства растворов.

В современные рецептуры строительных растворов наряду с наполнителями вводят добавки поверхностно-активных веществ (ПАВ) с целью улучшения удобоукладываемости растворных смесей, уменьшения их водопотребности, вовлечения воздуха и т.п. Введение ПАВ может рассматриваться как один из способов активации наполнителя в растворах и бетонах. При выборе ПАВ нужно учитывать химическую природу как наполнителя, так и вяжущего. Необходимым условием эффективности ПАВ является их способность к хемосорбционному взаимодействию с поверх­ностью частиц наполнителя. В общем случае для минеральных наполнителей кислотного характера наиболее эффективными являются ПАВ катионоактивного типа, а основного – анионоактивного.

Модифицирование наполненных цементных растворов может осуществляться не только органическими добавками ПАВ и полимеров, но и минеральными добавками [2], в частности такими высокоактивными, как микрокремнезем и метакаолин. Добавки ПАВ и полимеров, а также высокоактивные кремнеземистые и алюмокремнеземистые добавки можно рассматривать как полифункциональные модификаторы (ПФМ), активизирующие влияние минеральных наполнителей на свойства растворов.

В данной статье приведены результаты исследований влияния ГМ – продукта, уловленного аспирационной системой при измельчении гранита Выровского карьера (Ровенская обл., Украина), активированного полифункциональными органическими и органоминеральными модификаторами, на основные свойства сухих строительных смесей (ССС) и растворов на их основе.

Химический состав гранита, %: SiО₂ – 72,97; TiО₂ – 0,31; Al₂O₃ – 13,6; Fe₂O – 0,97; FeО – 0,58; MgО – 0,46; CaО – 1,29; Na₂O – 3,91; K₂O – 5,18; п.п.п. – 0,60.

Удельная поверхность ГМ – 250 м²/кг.

В сухие смеси вводили порошкообразный суперпластификатор СП-3. В качестве водоудерживающей добавки использовали эфиры целлюлозы (ЭЦ) – метилгидроксиэтилцеллюлозу Tylose.

Как активную кремнеземистую добавку применяли метакаолин (МК) – продукт умеренного обжига обогащенного каолина Дерманковского месторождения Ровенской области с удельной поверхностью 650 м²/кг. В качестве заполнителя применяли кварцевый песок с модулем крупности Мкр=1,69. Во всех составах смесей обеспечивали постоянное соотношение цемента и песка по массе (1:3).

Для исследования влияния совокупности факторов состава модифицированных растворных смесей, наполненных ГМ и добавками ПФМ, на показатель их удобоукладываемости – подвижность по погружению стандартного конуса – выполнены алгоритмизированные эксперименты согласно типовому трехуровневому плану На5. Условия планирования экспериментов приведены в табл. 1, а полученные статистической обработкой модели подвижности и прочности растворов – в табл. 2.

Таблица 1. Условия планирования эксперимента при исследовании подвижности и прочности растворов с добавками ПФМ

Технологические факторы		Уровни варьирования			Интервал варьирования
Натуральный вид	Кодированный вид	-1	0	+1
Содержание водоудерживающей добавки (ЭЦ), % от массы ­цемента	Х1	0	0,15	0,3	0,15
Содержание суперпластификатора СП-3, % от массы цемента	Х2	0	0,35	0,7	0,35
ГМ/Ц	Х3	0	0,35	0,7	0,35
Расход воды В, кг/м3	Х4	240	270	300	30
В/Ц	Х5	0,6	0,8	1,0	0,2

Таблица 2. Экспериментально-статистические модели подвижности и прочности модифицированных цементных растворов (наполнитель – ГМ)

Полифункциональный модификатор (ПФМ)

Уравнение регрессии

Суперпластификатор СП-3 + водоудерживающая добавка ЭЦ (Tylose)

Подвижность по погружению конуса, см Y1=8,44–0,56Х1+2,47Х2+0,97Х4+0,07Х12+0,82Х22–0,18Х32– 0,18Х42+0,07Х52–0,25Х1Х2+0,38Х2Х5–0,50Х3Х4–0,69Х4Х5 (1) Прочность при сжатии в возрасте 28 сут., МПа Y2=25,5+2,61Х2+1,11Х3–1,62Х4–8,4Х5–1,87Х12+1,03Х22– 1,62Х32+1,83Х52–0,18Х1Х2+1,21Х2Х3+1,77Х2Х5+0,32Х3Х5 (2) Прочность при изгибе в возрасте 28 сут., МПа Y3=3,93–0,289Х1+0,291Х2–0,017Х3–0,935Х5–0,491Х12+0,009Х22– 0,267Х32+0,459Х52–0,031Х2Х1–0,044Х5Х1–0,069Х5Х3 (3)

Анализ полученных моделей показывает, что более всего на изменение подвижности модифицированных растворов влияют содержание суперпластификатора (фактор Х2) и расход воды (фактор Х4). Обращает на себя внимание довольно значительный эффект взаимодей­ствия факторов Х1 и Х2, показывающий, что одновременное изменение этих факторов усиливает их интегральное действие.

В полученной полиномиальной модели показателя подвижности растворных смесей (Y1) оказалось статистически незначимым влияние фактора Х5 – водоцементного отношения в диапазоне 0,6…1,0.

Из технологии бетона известно [3], что до определенного критического В/Ц сохраняется правило постоянства водопотребности, то есть с изменением В/Ц водопотребность остается практически неизменной. Очевидно, что для исследованных растворных смесей также применимо правило постоянства водопотребности при разных дозировках компонентов ПФМ. При этом наряду с объемом наполненного теста на подвижности заметно сказывается отношение массы наполнителя к массе цемента.

Отдельные опыты были проведены для изучения изменения подвижности во времени растворных смесей с добавками ПФМ. Они проводились при температуре 20±2°С. Смеси характеризовались В/Ц=0,6, при этом изменяли расход отдельных компонентов ПФМ. Начальная подвижность при погружении стандартного конуса составляла 11…13 см.

Водопотребность растворных смесей, необходимая для достижения заданного показателя подвижности, существенно (до 14%) повышается при увеличении отношения ГМ/Ц, особенно при ГМ/Ц>0,3…0,4.

Результаты опытов показали, что консистенция смеси (глубина погружения конуса больше 10 см) в смесях с добавкой СП-3 (0,3%) без ГМ сохраняется 20 мин., с добавкой СП-3 (0,3%) + ЭЦ (0,3%) – 100 мин. Введение ГМ при
ГМ/Ц<0,3 положительно сказывается на сохранении подвижности. При дальнейшем увеличении ГМ/Ц темп падения подвижности растворных смесей несколько увеличивается. Положительное влияние ГМ на стабилизацию подвижности растворных смесей в присутствии СП-3 можно связать с их повышенной водоудерживающей способностью.

О влиянии суперпластификаторов на водоотделение растворных смесей существуют противоречивые данные [4]. Согласно нашим экспериментальным данным, при добавлении суперпластификатора водоотделение растворных смесей имеет тенденцию к росту. В то же время наличие полимерной добавки Tylose (ЭЦ) обеспечивает снижение водоотделения во всем интервале дозировок от 0 до 0,3% (рис. 1).

Анализ полученных экспериментально-статистических моделей прочности модифицированных цементных растворов, наполненных ГМ, подтверждает определяющее влияние водоцементного отношения (В/Ц) на их прочность как при сжатии, так и при изгибе (рис. 2).

Следующим по значимости фактором является содержание суперпластификатора. Заметную роль также играет отношение ГМ/цемент, влияние которого как на прочность при сжатии, так и на прочность при изгибе является экстремальным. Для всех исследованных составов близким к оптимальному является ГМ/Ц=0,35…0,5.

Дополнительное включение в композицию «суперпластификатор – эфир целлюлозы (Tylose)» высокодисперсного алюмокремнеземистого компонента – метакаолина (МК) дает возможность дополнительно увеличивать прочность растворов, наполненных ГМ (рис. 3). Некоторое повышение при этом водопотребности растворных смесей можно компенсировать регулированием содержания суперпластификатора.

Для оценки влияния состава и содержания ПФМ на изменение прочности растворов во времени выполнены специальные опыты. Образцы-кубы с ребром 7,07 см твердели в нормальных условиях. По результатам испытаний рассчитывали коэффициенты роста прочности во времени, приведенные в табл. 3.

Таблица 3. Коэффициенты роста прочности растворов во времени

№ п/п	В/Ц	ГМ/Ц	В, кг/м3	МК/ ГМ	ЭЦ, %	Коэффициенты роста прочности Кτ=Rn/R28, в возрасте (n)
						7 суток	28 суток	60 суток	90 суток
1	0,8	—	250	—	—	0,60	1	1,13	1,24
2	0,75	0,4	270	—	—	0,62	1	1,14	1,24
3	0,82	0,4	277	0,15	—	0,64	1	1,18	1,23
4	0,85	0,4	281	0,3	—	0,69	1	1,16	1,27
5	0,81	0,4	275	—	—	0,63	1	1,15	1,25
6	0,83	0,4	278	—	—	0,67	1	1,18	1,26
7	0,83	0,4	279	0,3	0,15	0,71	1	1,17	1,26
8	0,82	0,4	277	0,3	0,3	0,72	1	1,18	1,25
9	0,80	0,4	273	—	0,15	0,66	1	1,15	1,24
10	0,79	0,4	271	—	0,3	0,69	1	1,17	1,27

Примечания: 1. Во все составы вводили СП в количестве 0,7% от массы цемента. 2. Соотношение «песок : цемент» принято равным 3:1 по массе

Как вытекает из полученных экспериментальных данных, коэффициенты роста прочности растворов с добавками метакаолина и эфиров целлюлозы имеют более высокие значения в 7-суточном возрасте. В дальнейшие сроки твердения они практически выравниваются.

Для оценки сравнительной трещиностойкости растворов использован критерий Ктр, который характеризует отношение прочностных показателей на изгиб и сжатие (Rизг/Rсж).

На величину Ктр существенно влияют содержание высокоактивного компонента наполнителя (МК), добавок суперпластификатора и ЭЦ (рис. 4). Она также возрастает при увеличении отношения ГМ/Ц до 0,4…0,5.

Для всех исследованных составов растворов характерно уменьшение Ктр с увеличением возраста. Однако темп снижения данного критерия с ростом продолжительности твердения для растворов, модифицированных метакаолином, а также добавками СП-3 и ЭЦ, существенно меньший (табл. 4).

Таблица 4. Изменение критерия трещиностойкости клеевых растворов во времени

№ п/п	Состав раствора				Критерий трещиностойкости Ктр=Rизг/Rсж в возрасте
	В/Ц	ГМ/Ц	В, кг/м3	МК/ ГМ	28 суток	60 суток	90 суток
1	0,8	—	250	—	0,140	0,136	0,132
2	0,75	0,4	270	—	0,143	0,139	0,135
3	0,82	0,4	277	0,15	0,145	0,142	0,139
4	0,85	0,4	281	0,3	0,149	0,147	0,145
5	0,81	0,4	275	—	0,147	0,145	0,142
6	0,83	0,4	278	—	0,150	0,147	0,144
7	0,83	0,4	279	0,3	0,155	0,152	0,150
8	0,82	0,4	277	0,3	0,175	0,173	0,173
9	0,80	0,4	273	—	0,160	0,157	0,156
10	0,79	0,4	271	—	0,164	0,162	0,161

Выводы:

1. Гранитная мука (ГМ) при оптимальной дозировке положительно влияет на удобоукладываемость, водоудерживающую способность и прочность строительных растворов.

2. Свойства строительных растворов, наполненных ГМ, существенно улучшаются при дополнительном введении в растворную смесь добавок суперпластификатора, эфиров целлюлозы (Tylose) и высокоактивного метакаолина.

Библиографический список

1. Виноградов Б.Н. Влияние заполнителей на свойства бетона. – М.: Стройиздат, 1979, – 224 с.

2. Дворкин Л.И., Соломатов В.И., Выровой В.Н., Чудновский С.М. Цементные бетоны с минеральными наполнителями. – Киев: ­Будивельник, 1991, – 137 с.

3. Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Основы бетоноведения. – С.-Петербург: Стройбетон, 2006, – 692 с.

4. Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика. – М.: Стройиздат, 1998, – 768 с.