XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Актуальность темы. В современном мире остро стоят проблемы экономии, рационального использования материальных ресурсов и снижения издержек при строительстве. Цемент – основная составляющая строительства и один из самых дефицитных и дорогостоящих строительных материалов. В связи с многообразием строительных конструкций и различных видов воздействий на них, возникла необходимость создания цементов со специальными техническими свойствами. Такие цементы используют при строительстве гидроэлектростанций, морских сооружений, при производстве сборных и железобетонных конструкций. Однако, в настоящее время наблюдается перерасход портландцемента. Это связано с дефицитом высококачественных заполнителей, а также снижением активности цемента из-за неудовлетворительных условий хранения и транспортировки. Поэтому изучение влияния различных добавок на свойства портландцемента является актуальной задачей.

Портландцемент — это порошок серовато - зеленого цвета, насыпная плотность которого в зависимости от степени уплотнения - 900-1600 кг/м³. При взаимодействии с водой происходит образование гидратных соединений, которые обуславливают схватывание и твердение растворной или бетонной смеси.

Технический прогресс в строительной индустрии, расширение фундаментальных знаний в области химии цемента, возросшая актуальность проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов - все это вызывает интерес исследователей к специальным цементам, различающимся по химическому составу.

Влияние комплексных добавок на морозостойкость портландцемента

В настоящее время возможно с помощью многофункциональных комплексных добавок повысить морозостойкость и прочность цемента. Так, установлено, что бетонополимеры, получаемых вследствие пропитки готовых бетонов мономерами, обладают лучшими, по сравнению с обычным бетоном, физико-химическими свойствами и эксплуатационными качествами [1, 2]. Введение в состав специальных видов бактерий способствуют постепенному самостоятельному восстановлению структуры бетонов [3].

В работе [4] исследовано влияния некоторых добавок на свойства цемента, а также проведена оценка эффективности моно-добавок при введении их в состав портландцемента. Были введены: формиат натрия и кальция с дозировкой от 0,5 % до 2 %, которые повышают морозостойкость, и водоредуцирующие добавки супер- и гиперпластификаторы Melment (СП) и Melflux (ГП) с дозировкой от 0,25 до 0,75 % по массе вещества. Также была проведено улучшение состава портландцемента с помощью комплексных добавок на основе супер-гиперпластификаторов и формиатов. Формиаты вводились в состав с водой затворения, а пластификаторы сухим перемешиванием.

Опытным путем было доказано, что прочность цемента, в который входили формиаты на 18-40 % выше, чем у без добавочного портландцемента. Также было выявлено, что добавки данного типа сильно ускоряли сроки схватывания, причем тем сильнее, чем больше их дозировка. Например, при добавке формиата кальция 2 % от массы вяжущего, сроки схватывания ускорялись более чем на час. Действие формиатов основано на образование прочных и труднорастворимых солей (каркаса) из-за быстрого взаимодействия данной добавки с основными клинкерными минералами. При этом обеспечивается начальная прочность:

3СаО·Аl₂О₃ + nСа(ОH)₂ + 2nHСООNа + mH₂О = СаО·Аl₂О₃·nСа(HСОО)₂·mH₂О + 2nNаОH

На данном каркасе, состоящем из двойных солей гидратов и гидроксисолей, впоследствии выкристаллизовываются гидросиликаты кальция, что образует плотную структуру с повышенной прочностью и низкой пористостью.

Водоредуцирующие добавки. Водоредуцирующиедобавки — это вещества, позволяющие получать бетонную смесь требуемой удобоукладываемости с пониженным расходом воды. Известно, что при гидратации только 25 % воды затворения вступает в реакцию с цементом и примерно столько же находится в связанном состояние, а оставшаяся вода служит для хорошей укладываемости смеси. Добавка супер- (Melment F10) и гиперпластификатора (Melflux 2651F) снижает водоцементное отношение на 30-40 % при сохранение подвижности цементного теста. Из-за малого количества воды затворения происходит формирование структуры с наименьшим количеством пор. Молекулы пластификаторов представляют собой анионактивные вещества с большим количеством полярных групп, которые, адсорбируясь на частицах цемента, образуют мономолекулярный слой, увеличивая отрицательный заряд поверхности частицы (электростатический эффект), что мешает сближению частиц при уменьшении количества воды. Также водоредуцирующее действие характеризуется стерическим эффектом отталкивания, который возникает при помощи крупных боковых гидрофобных полиэфирных цепей молекулы поликарбоксилата, мешающих сближению частиц портландцемента. Установлено [4], что прочность цемента с пластификаторами, который твердел во влажных условиях 28 суток, на 35-60 % больше, чем у обычного цемента. Результаты опыта можно объяснить тем, что образовавшийся адсорбционный слой добавки со временем становится водопроницаемым. Следовательно, дефлокулирующие действие пластификаторов, то есть распад цементных скоплений на более мелкие составляющие, сопутствует большему контакту цементных частиц и воды, из-за чего процесс гидратация протекает интенсивнее.

Комплексные добавки. С целью разработки высокопрочного цемента с повышенной морозостойкостью авторами работы [4] были проведены испытания в соответствии с ГОСТ 10060-2012 по второму ускоренному методу (1 цикл: замораживание Т= -18 ºС в течении 2 час и оттаивания Т = +20 ºС в 5 %-ом растворе NaCl в течении 2 час). В ходе работы образцы подвергли 20 и 30 циклам попеременного замораживания и оттаивания, что соответствует классам по морозостойкости цемента F150 и F200.

Проведенные исследования показали, что наиболее высокими коэффициентами морозостойкости обладают моно-добавки формиата натрия в количестве 1 % и комплексные добавки на основе формиата натрия (1 %) и гиперпластификатора Melflux (0,5%). При рассматривание таких свойств, как морозостойкость, прочность и пористость можно судить о преимуществе составов портландцемента с комплексными добавками[4].

Повышение активности портландцемента, хранившегося длительное время во влажных условиях, при совместном введение электролитов и минеральных добавок

Цемент часто перевозят на большие расстояния, под действием окружающей среды происходит частичная гидратация и карбонизация цемента. Была проведена работа по усовершенствованию состава цемента и восстановления его активности. Опыты проводили над ПЦ 400 Д-20. В работе [5] было исследовано влияние электролитов с многозарядными катионами (Fe⁺³, Al⁺³) на прочность цементного камня. Были использованы электролиты AlCl₃, Al₂(SO₄)₃, Fe₂(SO₄)₃, которые вводили в воду затворения в количестве 1 % от массы вяжущего вещества. Также было исследовано влияние минеральных добавок (диопсид и измельченный волластонит), которые вводились дополнительно к электролитам. Данные добавки составляли 7 % от массы портландцемента. Исследованные электролиты и добавки обеспечивали наибольшую прочность цементного камня.

Сравнивая прочность обычного портландцемента и полученного выше через 4 месяца хранения во влажных условиях, было выявлено, что прочность обычного цемента на 30 % меньше. Дополнительное введение минеральных добавок еще повышает прочность. Так, например, при добавке 7 % волластонита прочность составила 35-41 %, а при добавке такого же количества диопсида – 58-60 %.

Исследуя результаты опытов, заметим, что при введение 7 % от массы диоксида и 1 % масс Al₂(SO₄)₃ прочность образца цемента после тепловлажностной обработки и 28 суток твердения составила 86,7 и 99,3 Мпа, а у обычного цемента 54,8 и 61,9 Мпа, тогда можно сделать вывод, что данные добавки не только восстанавливают свойства цемента, но и увеличивают его активность.

Потеря прочности при сжатии цемента, хранившегося во влажностных условиях 12 месяцев, составляет 61 %. Добавка 1 % электролитов и 7 % наполнителей способствует возвращению прочности цементного камня.

Влияние минеральных наполнителей можно объяснить тем, что при помоле с портландцементом они помогают разрушению гидратных оболочек. Также такие наполнители способствуют микроармированию цементного камня. В итоге заметна зависимость прочности от количества введенных наполнителей, наличие выраженных максимумов в этой зависимости, указывает на межфазовое взаимодействие частиц цемента и наполнителей. Такое взаимодействие способствует повышению прочности портландцемента [5].

Влияние прокаленной и молотой полимерной каолинитсодержащей глины на прочность цементного камня. В настоящее время широко используется введение пуццолановых минеральных добавок в известковые цементы, которые связывают мало прочный и неводостойкий гидроксид кальция в прочные водостойкие новообразования. В качестве таких добавок применяют микрокремнезем, золу-унос, золу рисовой шелухи, обожженные чистые каолинитовые глины с получением метакаолина. Высококачественные виды метакаолина превосходят микрокремнезем по пуццолановой активности.

Были проведены исследования [6] по влиянию добавок прокаленной и молотой разновидности полиминеральных глин на свойства цементного камня в сравнении с влиянием добавок метакаолина. Установлено, что добавка прокаленной при 600 ⁰С и молотой до 250 м²/кг полиминеральной глины с содержанием каолинита 51 % в цемент приводит к повышению прочности цементного камня на сжатие, по сравнению метакаолином[6].

Волластонит – нетрадиционная минеральная добавка в портландцемент. Волластонит может быть эффективной добавкой в цемент, так как имеет игольчатую форму. Его можно использовать в качестве микроармирующего элемента цементного камня. Данная добавка в отличие от других не является дополнительным источником образования коллоидного гидросиликата и гидроалюминатов кальция и поэтому не повышает степень выщелачивания извести из алита цемента. При гидратации волластонита в затвердевшем цементом камне образуется однокальциевый гидросиликат кальция. Большая часть извести, которая выделяется при гидролизе и гидратации цемента, самопроизвольно накапливается в виде гидрата кальция вокруг зерен волластонита, благодаря чему образуется плотный кристаллический сросток. Данный продукт более устойчив к физико-химическим воздействиям атмосферных факторов.

В исследовании [7] использовался портландцемент марки М400. В него вводили волластонит в количестве 5, 10, 15 % от массы цемента. Наиболее оптимальное содержание волластонитовой добавки в цементе составляет 15 %. При этом показателе достигается увеличение прочности при сжатии на 25 %. Благодаря такому возрастанию прочности марка цемента изменяется с М 400 до М 500. В итоге можно сказать, что введение нетрадиционной минеральной добавки – волластонита повышает качество портландцемента

Список литературы:

1.Воронков О.Н., Тлехусеж М.А. Изучение физико-химических свойств бетонополимеров // Научное обозрение. Педагогические науки. - 2019. - № 4-4. - С. 56-59.

2. Воронков О.Н., Тлехусеж М.А. Бетонополимер - современный универсальный строительный материал // Интеграция наук. - 2018. - № 7 (22). - С. 144-146.

3.Щербак Д.В., Тлехусеж М.А. Неорганические вяжущие вещества // Научное обозрение. Педагогические науки. - 2019. - № 4-4. - С. 102-105.

4. Корчунов И.В., Свентская Н.В. Влияние комплексных добавок на морозостойкость портландцемента // Потенциал современной науки. - 2016. - №5(22). - С. 8-12.

5. Повышение активности портландцемента, хранившегося длительное время во влажных условиях при совместном введение электролитов и минеральных добавок / Бердов Г.И., Ильина Л.В., Сухаренко В.А., Машкин Н. А.// Современные наукоёмкие технологии. 2010. - № 9. - С. 187-189.

6. Влияние добавки в портландцемент прокаленной и молотой полиминеральной каолинитсодержащей глины на прочность цементного камня / Рахимов Р.З., Рахимова Н.Р., Гайфуллин А.Р., Стоянов О.В.// Вестник Казанского технологического университета. - 2015. - №5, Т. 18. С. 80-83.

7. Волластонит - нетрадиционная минеральная добавка - наполнитель в портландцемент / Панина А. А., Самигуллин Р. Р., Цыплаков Д. С и др. // Вестник Казанского технологического университета. - 2010. - №8. С. 377-378.

Код для цитирования: Скопировать