В работе предложено использование термических продуктов вторичных кварцитов (МТПВК) в качестве активной минеральной добавки для повышения прочности цементных систем. Установлено влияние добавок на водопотребность и сроки схватывания цементного теста. В цементном камне с данной минеральной добавкой увеличивается количество химически связанной воды, что говорит о росте новообразований. Совместное использование МТПВК и суперпластификатора позволяет увеличить прочность на сжатие мелкозернистого бетона в 1,5 раза.

УДК 691.33

А.А. ГУВАЛОВ, доктор техн. наук, профессор, С.И. АББАСОВА, канд. техн. наук, доцент, Азербайджанский университет архитектуры и строительства, г. Баку, Азербайджан

Ключевые слова: термический продукт, вторичный кварцит, метакаолин, цементное тесто, мелкозернистый бетон, суперпластификатор, прочность
Keywords: thermal product, secondary quartzite, metakaolin, cement paste, fine-grained concrete, superplasticizer, strength

Бетон является одним из основных строительных материалов на сегодняшнем этапе высотного строительства. Современные бетоны используют широкий спектр химических и минеральных добавок (наполнителей) с целью экономии основных ресурсов или создания высокой прочности и долговечности. К наполнителям для бетонов относятся природные и техногенные вещества в тонкодисперсном состоянии, характеризуемые крупностью зерен менее 0,16 мм [1, 2].

В настоящее время одним из эффективных наполнителей для цементных систем является высокодисперсный алюмосиликат (метакаолин), обладающий высокой пуццолановой активностью, образующийся в результате обжига каолинитовых глин при температуре 650-700°С [3, 4]. Добавление метакаолина способствует увеличению прочностных характеристик цементного камня, долговечности цементных композиций. Положительное влияние метакаолина обусловлено высокой дисперсностью частиц метакаолина и его пуццолановыми свойствами [4]. Однако высокая дисперсность приводит к возрастанию водопотребности цементных систем. Для снижения этого негативного фактора необходимо использовать суперпластификаторы, отличающиеся высоким водоредуцирующим эффектом [5]. Поэтому целью данных исследований является оценка влияния метакаолина на свойства пластифицированных цементных систем.

В качестве вяжущего использовали казахский цемент ЦЕМ I 42,5. Для снижения водопотребности цементных систем использовали суперпластификатор Меlflux 2651 Б – порошковый продукт, полученный методом распылительной сушки модифицированного полиэфиркарбоксилата. Для изготовления мелкозернистого бетона использовали речные пески Бахрамтапинского месторождения с модулем крупности 2,5.

В качестве наполнителя был взят МТПВК, полученный при термической обработке вторичных кварцитов месторождения Чанлибель. Минералогический состав МТПВК представлен в основном аморфизированным каолинитом и кристаллическим кварцем. Химический состав МТПВК представлен в табл. 1

Таблица 1. Химический состав МТПВК

Состав	Al₂O₃	SiO₂	Fe₂O₃	TiO₂	K₂O	Na₂O	CaO	ппп
Содержание, %	28	62	0,85	0,18		0,3	следы	8

Реологические характеристики оценивали по методике проф. В.И. Калашникова, Пензенский ГУАС [6]. Согласно данной методике, использовали видоизмененный вискозиметр Суттарда. Вискозиметр представляет собой цилиндр из нержавеющей стали с внутренним диаметром 25 мм и высотой 50 мм. Изменение водопотребности и подвижности оценивали по величине расплыва на границе гравитационной растекаемости водно-минеральных паст.

Методика заключается в следующем. Под стекло размерами 180х180 мм укладывается бумага с нанесенной на нее круговой шкалой, далее цилиндр, и стекло увлажняют. Навеска материала берется в количестве, позволяющем полностью заполнить цилиндр. После заполнения цилиндр поднимают и замеряют диаметр расплыва пасты.

Минеральные добавки при введении в цементное тесто меняют многие его свойства. В связи с этим нами было оценено сравнительное влияние МТК и МТПВК на водопотребность цементного теста, сроки его схватывания и количество химически связанной воды в затвердевшем цементном камне. Составы цементного теста представлены в табл. 2.

Таблица 2. Составы цементного теста

№	Цемент, %	МТПВК, %	Меlflux 2651 Б, %	В/Т
1	100	—	—	0,5
2	95	5	—	0,5
3	90	10	—	0,50
4	85	15	—	0,51
5	100	—	1	0,227
6	95	5	1	0,242
7	90	10	1	0,248
8	85	15	1	0,25

Влияние МТК и МТПВК на водотвердое отношение показано на рис. 1. Видно, что с увеличением дозировки минеральной добавки оно растет: на 35% при 12 масс. % метакаолина в составах без суперпластификатора и на 25% в его присутствии.

Рис. 1. Зависимость водотвердого отношения цементного теста от количества минеральной добавки

Однако при использовании МТПВК водотвердое отношение мало увеличивается по сравнению с МТК. Это связано с микроструктурой и вещественным составом МТПВК.

На рис. 2 и 3 показана зависимость начала и конца сроков схватывания цементного камня от содержания минеральной добавки. Видно, что в составах без пластификатора и в присутствии суперпластификатора с увеличением количества метакаолина начало схватывания замедляется, что вызвано увеличением водосодержания цементного теста.

Рис. 2. Зависимость начала схватывания цементного теста от количества минеральной добавки

Рис. 3. Зависимость конца схватывания цементного теста от количества минеральной добавки

МТПВК оказывает незначительное влияние на начало схватывания цемента. При введении минеральных добавок замедляется окончание схватывания, причем в пластифицированных системах это происходит в большей степени.

Были проведены исследования по влиянию МТПВК на степень гидратации цемента. Для ее оценки было определено количество химически связанной воды в цементном камне. Суть этой методики заключается в предварительной сушке и последующем обжиге цементного камня при температуре 950°С: по разности масс находят количество связанной воды.

На рис. 4 приведена зависимость количества химически связанной воды в цементном камне от количества МТПВК. Как видно из кривых, использование МТПВК приводит к увеличению степени гидратации цемента, причем в пластифицированных образцах оно существенно выше.

Рис. 4. Зависимость количества химически связанной воды в цементном камне от количества минеральной добавки

Увеличение степени гидратации цемента с минеральной добавкой МТПВК предполагает большую прочность цементных систем. В связи с этим было исследовано влияние МТПВК на прочность мелкозернистого бетона (МЗБ). Состав бетона выбран 1:3 (цемент: песок), были использованы пески с модулем крупности, равным 2,5. Подвижность смеси принималась равной (расплыв конуса – 120 мм). Результаты представлены на рис. 5.

Рис. 5. Кинетика прочности МЗБ с добавкой МТПВК с суперпластификатором Melflux и песком с модулем крупности 2,5

Как видно на рис. 5, совместное использование МТПВК с суперпластификатором позволило значительно увеличить прочность во все сроки твердения, однако максимальное увеличение достигается в возрасте 28 суток. Невысокий рост прочности в первые сутки твердения связан со значительным увеличением расхода воды для достижения одинаковой подвижности бетонной смеси. Прирост прочности относительно бездобавочного состава на 28-е сутки составил 50%.

Таким образом, по результатам исследования установлены зависимости свойств цементного теста и бетона от количества минеральных добавок. Показано, что метакаолин увеличивает водопотребность цементного теста, а МТПВК незначительно изменяет. Введение МТПВК увеличивает количество химически связанной воды, что подтверждает рост новообразований в цементном камне. Установлено, что оптимальной дозировкой МТПВК в мелкозернистом бетоне является 12% от массы цемента. При совместном использовании МТПВК и суперпластификатора прирост прочности составил более 50%.

Библиографический список

1. Высоцкий С.А. Минеральные добавки для бетонов // Бетон и железобетон, №2, 1994, с. 7-10.

2. Кузнецова Т.В., Гувалов А.А., Аббасова С.И. Модификатор на основе цеолитсодержащей породы для получения цементных композиций // Международный журнал по вяжущим, керамике, стеклу и эмалям «Техника и технология силикатов», – М. Том 23, №1, с. 22-24.

3. Гувалов А.А., Аббасова С.И. Улучшение деформативных свойств бетона с применением модификаторов на основе термических продуктов вторичных кварцитов / Актуальные проблемы прочности: сборник тезисов LVII международной конференции, 24-27 мая, 2016 г. – Севастополь: СевГУ, 2016, с. 67.

4. Кузнецова Т.В., Нефедьев А.П., Коссов Д.Ю. Кинетика гидратации и свойства цемента с добавкой метакаолина // Строительные материалы, №7, 2015, с. 3-9.

5. Кузнецова Т.В., Гувалов А.А., Аббасова С.И. Улучшение структуры высокопрочного бетона с применением модификаторов // Научно-технический и производственный журнал. «Строительные материалы», №12, 2015, с. 78-80.

6. Калашников В.И. Методика определения реологических свойств структурированных суспензий / В.И. Калашников, М.О. Коровкин, Р.А. Хвастунов, В.М. Тростянский / Материалы XXX научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава научных работников, аспирантов российских вузов. – Пенза: ПГАСА, 1999, с. 54.