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.
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.
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.
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.
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.
