Строительно-технические свойства наноцементов – наноцемента 45 (55% кварцевого песка) и наноцемента 75 (25% кварцевого песка), произведенных ЗАО «ИМЭТстрой», определены в результате испытаний, проведенных в лаборатории бетона Университета Райерсона (Торонто, Канада) в 2018 году. Описание испытаний лабораторией приводится ниже без изменений.

УДК 691

М.Я. БИКБАУ, доктор хим. наук, академик РАЕН, генеральный директор ОАО «Московский ИМЭТ»

Методы испытания и испытание

Были исследованы такие параметры состояния свежеприготовленного наноцемента 45 и наноцемента 75, как: нормальность густоты цементного теста; консистенция интенсивности подвижности; период схватывания (начальный и конечный), наряду с такими механическими свойствами, как прочность при сжатии на 2-й, 7-й, 14-й, 28-й и 42-й день.

Интенсивность подвижности наноцементных растворов была испытана в соответствии с ASTM C1437-15 (2015). Используемый раствор состоял из одной части наноцемента и 2,75 части стандартного песка по массе и был приготовлен при различных соотношениях воды к цементу (водоцементный фактор).

Слой свежеприготовленного раствора был помещен в форму (70 мм верхний внутренний диаметр, 100 мм нижний наружный диаметр и высота 50 мм, согласно ASTM C230 / C230M-14, 2014), расположенную в центре вибрационного столика. Слой имел 255 мм в диаметре и был утрамбован 20 раз при помощи трамбующего бруса (рис. 1).

Трамбовочное давление должно быть достаточным для обеспечения равномерного заполнения формы. Затем она была наполнена раствором и утрамбована, как указано, для первого слоя, до заполнения. Раствор был срезан до плоской поверхности, заделан заподлицо с верхом формы путем проведения прямой кромкой мастерка (удерживаемого почти перпендикулярно форме) распилочными движениями по поверхности формы. Столешница была вытерта начисто и высушена, при особом внимании к удалению воды по окружности края формы. Через 1 мин. после завершения смешивания форма была снята с раствора. Сразу же стол был сброшен с высоты 13 мм 25 раз в течение 15 с. Используя штангенциркуль, расплыв был определен путем замера диаметров раствора, расплывшегося вдоль линий, начерченных на столешнице (рис. 1).

Прочность на сжатие наноцементных растворов, состоящих из одной части цемента и 2,75 части стандартного песка по массе (как при испытаниях на расплыв), определялась с использованием кубических образцов (кубические формы и образцы показаны на рис. 2). Содержание воды, используемое для растворов, было достаточным для получения желаемого расплыва наноцементов на испытаниях на вибрационном столике. Пятидесятимиллиметровые кубики были спрессованы путем трамбовки в два слоя. Кубики выдерживались в течение дня в формах, извлекались и погружались в воду, содержащую известь, перед испытанием в машине для тестов на сжатие, согласно ASTM C109 / C109M-16 (2016) (рис. 2).

Испытание на нормальность консистенции цементного теста было проведено при помощи аппарата Vicat (рис. 3), согласно ASTM C187-16 (2016). 650 г наноцемента с отмеренным количеством дистиллированной воды смешано по Процедуре смешивания паст практических образцов в соответствии с ASTM C305-14 (2014). Руками в перчатках подготовленное цементное тесто было быстро сформировано приблизительно в форму шара, затем 6 раз брошено по траектории свободного движения примерно на 150 мм из одной руки в другую, чтобы получить почти сферическую массу, которую можно легко вставить в кольцо Vicat с минимальным количеством дополнительных манипуляций. Шар впрессовывался, оставаясь в ладони одной руки, в более крупную часть конического кольца Vicat (70 мм нижний внутренний диаметр, 60 мм верхний внутренний диаметр и 40 мм высота), удерживаемого другой рукой, полностью заполняя кольцо тестом. Избыток теста на более крупном конце удалялся одиночным движением ладони. Кольцо было помещено на его больший конец, на опорную плиту, и избыток теста на меньшем конце у верхней кромки кольца был срезан одиночным косым движением острого мастерка, удерживаемого под небольшим углом к верхней части кольца, верхняя часть выровнена. Затем кольцо Vicat с тестом внутри было размещено по центру аппарата Vicat. Конец плунжерного стержня диаметром 10 мм был подведен к поверхности штока и немедленно отпущен. Тесто должно быть нормальной консистенции, когда плунжерный стержень диаметром 10 мм опускается до точки 10±1 мм ниже исходной поверхности через 30 с после отпускания. Пробное тесто с различным процентным содержанием воды приготавливалось до получения теста с нормальной консистенцией.

Определение сроков схватывания цемента было проведено (согласно ASTM C191-13, 2013) при помощи аппарата Vicat. Образец для испытаний, приготовленный с объемом воды для замеса, соответствующим нормальной консистенции, был использован для определения периода схватывания с использованием иглы Vicat диаметром 1 мм (рис. 3). Проникновение данной иглы определялось каждые 15 мин. до тех пор, пока через 30 с не было достигнуто проникновение в 25 мм или менее. Результаты всех испытаний на проникновение регистрировались, а затем путем интерполяции определялось время, когда было достигнуто проникновение в 25 мм. Это было начальное время схватывания. Окончательное время схватывания было тогда, когда игла визуально не погружалась в тесто.

Результаты и обсуждение

В табл. 1 приведены данные свежеприготовленного состояния и механические свойства наноцементов. Нормальная консистенция обоих наноцементов составляла 20% по сравнению с 26-33% обычного портландцемента. Среднее начальное и конечное время схватывания для наноцемента 45 составляло 125 и 350 мин. соответственно, по сравнению с 74,3 и 186 мин. для наноцемента 75.

Таблица 1. Свежеприготовленное состояние и механические свойства наноцементов

Свойства		Наноцемент 45**		Наноцемент 75**
	водоцементное отношение	Кгс/см2	МПа	Кгс/см2	МПа
Расплыв, мм	0,18	116-125		135-138
	0,21	129-132		144-148
	0,24	135-138		154-155
	0,27	140-145		160-162
		120		72
Период схватывания, мин.	начало	125	125*	75	74,3*
	конец схватывания	130		76
		345		214
		350	350*	126	186,0*
		355		218
		32,1		48,1
	2 дня	34,2	34,1*	49,6
		36,1		51,3
		42,1		61,2
	7 дней	43,1	42,5	62,3	62,0*
		42,4		62,4
Прочность при сжатии, МПа		47,1		68,1
	14 дней	48,1	48,1*	68,5	71,1*
		49,2		69,3
		58,1		77,4
	28 дней	59,3	59,6*	77,7
		61,4		77,1
		64,1		80,1
	42 дня	64,2	64,3*	80,3	80,3*
		64,5		80,5

*средняя величина, **производитель – ЗАО «ИмЭтстрой», Москва

Показатели подвижности наноцементных растворов с различным водоцементным отношением приведены в табл. 1. Для достижения рекомендуемой производителем подвижности в 125-130 мм для наноцемента 45 и в 145-150 мм для наноцемента 75 потребовалось водоцементное отношение 0,21. Соотношение «вода : цемент» 0,21 использовали для приготовления кубических образцов раствора для испытаний на прочность при сжатии в соответствии с ASTM C109, 2016. Таким образом, водоцементное отношение наноцементных растворов было значительно ниже, чем водоцементное отношение 0,485, указанное в стандарте ASTM C 109 (2016) для приготовления нормальных смесей портландцементных растворов для испытаний на прочность при сжатии. Это говорит о значительно более низкой потребности в воде и высокой подвижности наноцементов по сравнению с портландцементом, несмотря на их высокую удельную площадь поверхности. Тем не менее необходимы дополнительные исследования для уточнения характеристик подвижности наноцементов с различными параметрами смешивания и содержанием воды.

В табл. 1 и на рис. 4 показано изменение прочности на сжатие наноцементов на основе кубиков раствора в период до 42 дней. Наноцемент 45 и наноцемент 75 достигли соответственно 57% и 64% от их 28-дневной прочности в 59,6 МПа и 77,5 МПа за 2 дня.

Выводы:

Разработанные наноцементы с низким потреблением воды и высоким нарастанием прочности могут обеспечить экологичную и лучшую альтернативу коммерчески доступным портландцементам. Дополнительные исследования могут улучшить технологию наноцемента, и следует предпринять усилия для коммерческого производства таких наноцементов в сотрудничестве с канадской промышленностью.

Выражаю глубокую благодарность за организацию испытаний Даниэлю Мазуру и сотрудникам лаборатории бетона Университета Райерсона, профессору К.М.А. Хоссейну и ассистенту М.С. Анвару.

Библиографический список

1. ASTM C109 / C109M-16a (2016). Стандартные методы испытания на прочность при сжатии гидравлических цементных растворов (использование 2-дюймовых [или 50 мм] кубических образцов), ежегодный сборник стандартов ASTM, ASTM International, Западный Коншохокен, Пенсильвания, США.

2. ASTM C187-16 (2016). Стандартный метод испытаний на количество воды, требуемое для нормальной консистенции гидравлического цементного теста, ежегодный сборник стандартов ASTM, ASTM International, Западный Коншохокен, Пенсильвания, США.

3. ASTM C191-13 (2013). Стандартные методы испытаний на период схватывания гидравлического цемента иглой Vicat, ежегодный сборник стандартов ASTM, ASTM International, Западный Коншохокен, Пенсильвания, США.

4. ASTM C230 / C230M-14 (2014). Стандартные спецификации для вибрационного столика, используемого для испытания гидравлического цемента, ежегодный сборник стандартов ASTM, ASTM International, Западный Коншохокен, Пенсильвания, США.

5. ASTM C1437-15 (2015). Стандартные методы испытания на подвижность гидравлических цементных растворов, ежегодный сборник стандартов ASTM, ASTM International, Западный Коншохокен, Пенсильвания, США.

6. ASTM C305-14 (2014). Стандартная практика механического смешивания гидравлических цементных паст и растворов пластичной консистенции, ежегодный сборник стандартов ASTM, ASTM International, Западный Коншохокен, Пенсильвания, США.