IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Введение. В известных случаях [1-2] минеральные добавки благоприятно влияют на увеличение плотности и прочности, однако, количество одной и той же добавки колеблется в очень широких пределах. Применение комплексных добавок, состоящих из активной и инертной составляющих, изучение механизма их действия в настоящее время представляет научный интерес и является весьма актуальной темой. В связи с этим, целью данной работы является модифицирование состава мелкозернистого бетона для увеличения плотности и прочности.

Экспериментальная часть. В данной работе использовался портландцемент класса ЦЕМ I 42,5Н, песок с модулем крупности 2,5. В качестве модифицирующих добавок использовались: активная минеральная добавка (микрокремнезем МК-85), инертная минеральная добавка (диопсид), а так же их комплексное введение.

Модифицирование микрокремнеземом. Одним из продуктов реакции алита с водой является гидроксид кальция (Ca(OH)₂). При введении в цементную пасту микрокремнезем вступает в реакцию с гидроксидом кальция, образуя новые соединения гидросиликатов кальция, обладающих большей прочностью, чем Ca(OH)₂ [2], что положительно сказывается на плотности и прочности модифицированного образца. Анализ снимков микроструктуры показал высокую пористость не модифицированного бетона (рис. 1 а). Добавление микрокремнезема существенно изменяет материал, формируя более плотную структуру с новообразованиями гидросиликата кальция игольчатой структуры (рис. 1 б).

а) б)

Рисунок 1. Микроструктура образцов при увеличении 1000-крат: а – контрольный образец; б – образец с добавлением микрокремнезема

Массовая доля микрокремнезема варьировалась от 0 до 14 % от массы цемента. Максимальные значения прочности образцов достигаются при введении 12 % микрокремнезема, при этом прочность на сжатие повышается почти на 55 %, по сравнению с контрольным (бездобавочным) образцом. Дальнейшее увеличение массовой доли добавки приводит к снижению прочностных показателей.

Модифицирование диопсидом. Модуль упругости диопсида больше, чем у цементного камня, и концентрация напряжений, вероятно, будет происходить на частицах добавки, что приведет к увеличению механической прочности образцов. Диопсид был предварительно измельчен в разных мельницах до различной дисперсности. Были получены 3 размера частиц – 52,5 мкм, 10,4 и 8,9 мкм. Массовая доля добавки в данном случае варьировалась от 0 до 9 % от массы цемента.

Проведенные эксперименты показывают, что введение диопсида, независимо от его размерности, повышает прочностные свойства. При этом сам характер влияния массовой доли не универсален – с уменьшением дисперсностизначения массовой доли добавки, при которой достигается максимальная прочность, также снижается. Оптимальное значение содержания добавки с наименьшими частицами составляет 3 %, а с наибольшими – 7 %, при этом значения прочности образцов выше контрольного на 45,7 % и 46,7 % соответственно.

Модифицирование комплексной добавкой. Для дальнейшего эксперимента выбраны составы с наилучшими прочностными показателями. На рисунке 2 есть возможность оценить равномерную структуру цементного камня, сформировавшуюся с добавлением комплексной добавки (рис. 2 а). При увеличении можно рассмотреть, что структура имеет плотные лучевые составляющие, сохраняющие свою форму в случае приложения нагрузки (рис. 2 б). Прочность на сжатие при совместном использовании добавок оказывается выше, чем при отдельном использовании каждой из них. Максимальное упрочнение бетона достигается при введении комплексной добавки, включающей 7 % по массе диопсида с частицами размером 52,5 мкм и 12 % микрокремнезема. Прочность на сжатие мелкозернистого бетона при этом увеличивается в 2,5 раза.

а) б)

Рисунок 2. Микроструктура образцов с комплексной добавкой: а – при увеличении 2500-крат; б – при увеличении 10000-крат, после приложения разрушающей нагрузки

Заключение. Использование минеральных добавок, как инертных (диопсида), так и активных (микрокремнезема) в качестве модифицирующих добавок позволяет получать мелкозернистый бетон с плотной структурой и высокими показателями прочности. При введении диопсида повышение прочности образцов происходит вследствие микроармирования структуры. С уменьшением дисперсности инертной минеральной добавки уменьшается ее оптимальное количество, обеспечивающее наибольшее упрочнение, что соответствует теории плотнейшей упаковки частиц [3]. Добавление в состав мелкозернистого бетона микрокремнезема так же позволяет увеличить прочность на сжатие, так как микрокремнезем связывает свободный гидроксид кальция в низкоосновные гидросиликаты кальция, имеющие большую прочность. В случае с микрокремнеземом правило плотнейшей упаковки не может быть применено, так как в нем не учитывается химизм добавки. Оптимальная концентрация достигается в случае, когда количество микрокремнезема достаточно для участия в химической реакции. Максимальное увеличение прочности оказывает комплексная добавка, сочетающая в себе оба механизма упрочнения инертной и активной добавок. Мелкозернистый бетон при этом имеет прочностные характеристики в 2,5 раза выше, по сравнению с контрольным.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Волженский А.В. Минеральные вяжущие вещества – М.: Стройиздат, 1979. – 476 с .

2. Кирсанова А.А. К вопросу о долговечности бетонов с комплексными добавками, включающими метакаолин // Фундаментальные и прикладные науки - основа современной инновационной системы. – 2015. – С. 198-203.

3. Ильина Л.В., Бердов Г.И., Раков М.А. Мельников А.В. Влияние дисперсности минеральных добавок на прочность цементного камня // Новые технологии в строительном материаловедении. – 2012. – С. 68-71.

Код для цитирования: Скопировать