Строительство и архитектура/4. Современные строительные материалы

М.н.с. Даваасенгэ С.С.

К.т.н. Буренина О.Н.

Институт проблем нефти и газа СО РАН

Исследование влияния механоактивационной обработки песка на прочность при сжатии бетонов из лежалых цементов.

Актуальной задачей в развитии технологии бетонов является улучшение эксплуатационных характеристик цементных материалов, и, в конечном счете, долговечность, в том числе при использовании цемента, хранившегося длительное время.

Для достижения этого целесообразно использование механоактивационных технологий обработки исходного сырья и наполнителей. Повышение тонкости помола исходного сырья и специальные мероприятия, обеспечивающие диспергацию частиц и пор, способствуют получению более качественной тонкозернистой структуры.

Основные факторы при оценке влияния тонко молотых наполнителей (ТМН) на свойства цементного камня и бетона и, в частности, на прочность, связаны, или с физическим эффектом, который проявляется в том, что мелкие частицы обычно имеют более тонкий гранулометрический состав, чем портландцемент, или с реакциями активных гидравлических составляющих. [1].

Существует также мнение, что в основе "эффекта микронаполнителя" лежит свойство частиц тонкодисперсных наполнителей выполнять роль центров кристаллизации, т.е. ускорять начальную стадию химического твердения [2].

Целью данной работы было исследование влияния механоактивационной обработки песка на прочность при сжатии бетонов различного назначения на основе длительно хранившихся цементов.

На начальном этапе были исследованы гранулометрические характеристики песка, активированного на 3 типах лабораторных мельниц, реализующих метод свободного удара: лабораторная шаровая, планетарная - АГО-2 и Пульверизетте-6 и центробежная - ЦЭМ-7 .

Исследования гранулометрического состава проводили ситовым методом рассеивания на вибрационной установке, а также методом лазерной гранулометрии на установке «MicroSizer-201». Удельную поверхность определяли на анализаторе «СОРБТОМЕТР-М» по методу БЭТ (газ-адсорбат).

Распределение частиц по размерам характеризуется основным пиком в области от 100 до 40 мкм со смещением в стороны мелких пылевидных частиц.

Наиболее лучшее диспергирование песка наблюдается при активации в планетарной мельнице АГО-2, значительно уменьшается размер частиц и увеличивается содержание частиц более мелкой фракции (менее 5 мкм). Исследования гранулометрического состава коррелируют с результатами по удельной поверхности, полученными методом БЭТ, и подтверждают преимущество механоактивации в планетарной мельнице АГО-2. Так, удельная поверхность (S) механоактивированного в течение 2 мин в планетарной мельнице АГО-2 песка увеличилась в 2,5 раза по сравнению с исходным песком – 2,299 м²/г против 0,886 м²/г.

Таким образом, из рассмотренных измельчительных аппаратов, реализующих метод свободного удара предпочтительным оказывается АГО-2.

На рис.2 представлены микрофотографии зерен речного песка исходных и активированных в течение 2 мин в планетарной мельнице АГО-2

Песок до активации – от 10 до 20мкм	Песок после активации – до 5 мкм

Рис.2 Зерна речного песка и цемента до и после механоактивации (32 кратное увеличение на микроскопе МБС-10)

На фотографиях видны изменения характера поверхности зерен песка после механоактивации.

Зерна песка до активации представляют собой окатанные гранулы размерами от 10 до 20 мкм, после механоактивации его размеры уменьшились до 5 мкм, поверхность вместо блестящей и гладкой стала матовой и шероховатой с четкими угловатыми очертаниями.

Для определения целесообразности введения механоактивированных ингредиентов были исследованы прочностные характеристики мелкозернистого и тощего бетонов с активированными добавками мелкого наполнителя – песка из поймы реки Лена, по гранулометрическому составу в соответствии с ГОСТ 8736-93 относящийся ко II классу, к категории - очень мелкий. Модуль крупности песка М_кр = 1,29. Содержание зерен крупностью: свыше 5 мм – нет; менее 0,16 мм составляет 8,7%; содержание пылевидных и глинистых частиц – 0,84 %.

В качестве вяжущего использовался портландцемент ПЦ 400 Д0 производства ОАО ПО «Якутцемент» после 1 года хранения.

В качестве наполнителя использовался речной песок.

Исследования модифицированных мелкозернистых бетонов проводили стандартизованными методами на образцах-кубах размером 7х7х7 см (Ц: П = 1 : 1,3 при В/Ц = 0,4). Содержание активированного песка варьировалось от 10 до 30 масс.% от веса цемента, активация проводилась в планетарной мельнице АГО в течение 1, 2 и 3 мин.

Исследование тощего бетона проводилось на образцах-кубах размером 10х10х10 см. (Ц:П = 1 : 1,3 при В/Ц = 0,7). Содержание активированного песка варьировалось от 1 до 5 масс.% от веса цемента, так как состав тощих бетонов характеризуется низким содержанием вяжущего и мелкого наполнителя, активация песка проводилась в планетарном активаторе АГО-2 в течение 1, 2 и 3 мин.

σ_сж, МПа

Показатели прочности при сжатии мелкозернистого бетона представлены на рис. 3.

Рис.3. Прочность при сжатии мелкозернистого бетона с механоактивированным песком.

В целом наблюдается незначительный рост прочности при сжатии модифицированных образцов – немного более 20%, при этом прослеживается тенденция к снижению прочности с увеличением содержания активированного песка для образцов с песком, активированным в течении 1 и 2 мин., что видимо, связано с рядом факторов: во-первых уменьшение количества вяжущего привело к разбавлению цементного камня наполнителем и нарушению непосредственных контактов между гранулами клинкера [3], а во-вторых при высокой степени наполнения ухудшается сцепление наполненного цементного камня с заполнителем [4]. Однако рост прочности у образцов с активированным в течение 3 мин. песком, возможно, говорит о том, что повышение дисперсности песка и роста его содержания в композиции привело к увеличению центров кристаллизации, при этом частицы песка способствали ускоренному выделению гидроксида кальция Ca(OH)_2, что компенсировало негативное воздействие микронаполнителя на контакты срастания [2].

У образцов «тощего» бетона четко прослеживается зависимость прочности при сжатии от технологических параметров (рис.4).

σ_сж, МПа

Рис 4. Прочность при сжатии образцов «тощего» бетона с м/а песком

Анализируя полученные результаты можно сказать, что при минимальных содержании активированного наполнителя и времени его активации наблюдается скачок роста прочности при сжатии, которая, однако, равномерно снижается с уменьшением времени активации. Для образцов, содержащих 20-40 масс.% активированного песка прочность при сжатии увеличивается в среднем в пределах 30 % с увеличением времени активации, а для образцов с максимальным содержанием аткивированного наполнителя (40 и 50 масс.%) с увеличением времени активации прочность при сжатии остается почти на одном уровне.

В целом, увеличение содержания активированного песка и времени активации приводит к снижению прочности при сжатии. Это может быть связано с тем, что модификация образцов активированным песком способствует ускоренному процессу нарастания прочности в первые сутки твердения, однако, для «тощего» бетона, характеризуемого неоднородностью состава, в связи с большим процентным содержанием наполнителя дальнейшее твердение сопряжено с неравномерной усадкой компонентов и ведет к образованию микротрещин в структуре, что и приводит к снижению значений прочности при сжатии.

В результате проведенных работ оценена возможность использования механоактивационных аппаратов, реализующих метод свободного удара, для повышения качества речного песка для производства бетонов различного назначения. Установлено, что механоактивация песка улучшает прочностные характеристики бетонов различного назначения, однако наиболее целесообразно использовать этот метод для «тощих» бетонов, где наилучший показатель роста прочности при сжатии составляет 65%. Разработаны оптимальные технологические параметры для производства мелкозернистого и «тощего» бетонов, включающих механоактивированную добавку речного песка, обеспечивающие максимальное увеличение прочности при сжатии образцов.

Литература

1. Рамачандран и др. Добавки в бетон: Справ. пособие /В.С.Рамачандран, Р.Ф.Фельдман, М.Коллепарди и др.; Под ред. В.С.Рамачандрана. -М.: Стройиздат, 1988. -С.168-184.

2. Larbi J.A., Bijen J.M. Effect of water-cement ratio, quantity and fineness of sand on the evolution of lime in set portland cement systems //Cem. and Concr. Res. -1990. -V20. -№5. -pp.783-794.

3. Власов В.К. Закономерности оптимизации состава бетона с дисперсными минеральными добавками //Бетон и железобетон. -1993. -№4. -С.10-12.

4. Зоткин А.Г. Микронаполняющий эффект минеральных добавок в бетоне//Бетон и железобетон.-1994.-№3.-С.7-9.