Для определения прочности при сжатии формовались образцы-кубики размером
2х2х2 см. Образцы изготавливались из теста нормальной густоты и твердели при
нормальных условиях (20 0С, относительная влажность 100 %) или при
пропаривании при 80 0С, по режиму 3 часа + 6 часов + 3 часа.
Прочность испытывалась на 3, 28 сутки и 3 месяца для образцов, твердевших в
нормальных условиях (НУ), а для образцов, прошедших тепловлажностную обработку
(ТВО) - сразу после пропаривания и спустя 28 суток хранения при НУ. Вяжущее
изготавливалось из портландцемента с заменой 1, 3, 5, 7, 10, 15, 20 и 30 %
тонкодисперсными минеральными добавками. Или в отдельных экспериментах – только
10 %. Контролем являлся состав 100 % ПЦ.
Приблизив размеры исследуемых материалов к размерам, описанным в [1], был
исследован эффект, при котором добавление минеральных добавок, имеющих
среднеобъёмный размер частиц 50 % тонкой фракции в пределах 5-6 мкм, наиболее
значительно повышает прочность цементного камня.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Анализируя графики зависимости прочности от размера вводимых в цемент
добавок, можно выделить несколько закономерностей.
Первая – при одинаковом содержании минеральных добавок, прочность цементов
изменяется обратно пропорционально среднему диаметру их частиц (рисунок 1).
Вторая – наиболее эффективно на прочность цемента
влияют добавки, имеющие в своей структуре элементы структуры C-S-H-геля,
которая включает в качестве основного элемента диортогруппу [Si2O7].
Это относится к доменному шлаку (№ 1), ранкиниту (№ 5), природному и
синтетическому волластониту (№ 2 и 4). Эффект от тоберморита и ксонотлита
меньший, но здесь вероятно оказывает влияние крупность порошков. Проведенный
нами количественный рентгеновский анализ по методу Ритвелда показал, что доля введенного
волластонита при гидратации не изменяется, т. е. он не участвует в химических
реакциях при твердении цемента.
1
– ДГШ; 2 – природный волластонит; 3 – топливный шлак; 4 – синтетический
волластонит; 5 – ранкинит; 6 – тоберморит; 7 – ксонотлит; 8 – кварцевый песок;
9 – корунд; 10 – микрокремнезём
Рисунок
1 – Зависимость относительной прочности цементного камня после твердения в НУ в
течение 3 и 28 суток от размера частиц добавок при их содержании 15 % (цемент
ПЦ400Д20)
Введение таких добавок, как кварцевый песок, корунд и
микрокремнезём значительно снижают прочность исследуемых образцов. Поэтому
третья закономерность сводится к тому, что цементы с высокодисперсными кремнеземами
(молотый кварц, микрокремнезем) или корундом (скорее аморфизированным
глиноземом) показывают более низкую прочность, несмотря на то, что в процессе
гидратации связывают известь гидролизующихся клинкерных силикатов и образуют
дополнительное количество геля C-S-H и других гидратов. На графике эти добавки
кучно располагаются в нижнем левом углу и показывают наименьшие результаты по
прочности (указаны под номерами 8, 9, 10). В то же время, ДГШ так же связывает
известь, и его эффект мог бы быть приписан именно этому явлению. Но в 3 суток
гидратации и количество извести мало и пуццолановая реакция ничтожна. Поэтому
приоритет в росте прочности для ДГШ следует отдать именно тонкой структуре его
стеклофазы.
1 – корунд; 2 - ДГШ; 3 – ЗШО; 4 – высококальциевая
зола; 5 – тоберморит;
6 – природный волластонит; 7 – ранкинит; 8 – синтетический волластонит; 9 –
топливный шлак; 10 – кварцевый песок; 11 – контроль; 12 – ксонотлит
Рисунок 2 – Зависимость прочности цементного камня на
28 сутки нормального твердения с 10 % минеральных добавок от ТНГ (цемент ПЦ500
Д0)
Выявленные закономерности подтверждаются так же и в
эксперименте с ПЦ500 Д0 (рисунок 2), где отражается влияние количества воды
затворения на прочность цемента с добавками.
Из рисунка 2 видно, что добавки ДГШ (№ 2), природного
волластонита (№ 6), ранкинита (№ 7) существенно отклоняются от пропорциональной
зависимости в положительную область, так же как и молотый кварц (№ 9) – в
отрицательную область.
Полученные данные позволяют предложить новую
классификацию минеральных добавок для цемента. Если добавки, связывающие
известь, в том числе и при гидратации и твердении цемента мы называем активные
– АМД, то добавки, не участвующие в химических реакциях гидратации, но обеспечивающие
прирост прочности цемента за счет особенностей их тонкой (кристалло-химической)
структуры также следует назвать активными. Для того, чтобы отличить одну группу
добавок от другой, нами предлагается первые назвать «химически активные
минеральные добавки – ХАМД», а вторые – «структурно активные минеральные
добавки – САМД». Добавки, обладающие и тем и другим свойством (например,
доменный гранулированный шлак), следует назвать «структурно химически активные
минеральные добавки - СХАМД».
ВЫВОДЫ
1. Не активные минеральные добавки (не связывающие известь) могут существенно
влиять на прочность смешанного цемента. Наиболее эффективно влияют добавки,
имеющие в своей структуре элементы структуры C-S-H-геля, содержащие в качестве
основного элемента диортогруппу [Si2O7] или элементы
структуры, в которых легко выделяются диортогруппы. Это ранкинит, природный и
синтетический волластониты. Доменный граншлак, содержащий около 60 % [Si2O7],
проявляет наибольшую активность, однако «структурный» эффект от этой добавки
трудно отделить от пуццоланового эффекта.
2. Эффективность влияния добавок, содержащих диортогруппу, на прочность
смешанных цементов пропорциональна их дисперсности.
3. Тонкодисперсные кремнеземы (кварц, микрокремнезем), а также корунд в
качестве добавок к цементам значительно уменьшают прочность вяжущего.
4. Предложена новая классификация минеральных добавок для цемента, включающая
такие их разновидности, как химически активные, структурно активные и
структурно химически активные.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Бердов Г.И., Ильина Л.В., Машкин Н.А. Влияние минеральных добавок на свойства цементных материалов // Современные
наукоемкие технологии. – 2011, № 1. – С. 49-52.
2 Бердов, Г.И., Ильина Л.В. Влияние волластонита на прочность цементного камня из длительного хранившегося
портландцемента // Строительные материалы: Научно-технический и
производственный журнал. – 2011, № 1. - С. 48-49.
3 Richardson I.G. The calcium silicate hydrates // Cement and
Concrete Research 38 (2008) 137–158.
ОВЧАРЕНКО Геннадий Иванович – д-р техн. наук, проф.,
зав. кафедрой строительных материалов
Алтайский Государственный Технический Университет им
И.И. Ползунова, г. Барнаул, Россия
АВВАКУМОВ Евгений Григорьевич – д-р хим. наук, проф.,
главный научный сотрудник лаборатории интеркаляционных и механохимических
реакций
Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН, г.
Новосибирск, Россия
ПЕСОЦКИЙ Артем Владимирович - аспирант кафедры
строительных материалов
Алтайский Государственный Технический Университет им
И.И. Ползунова, г. Барнаул, Россия
ВИКТОРОВ Артем Владимирович - аспирант кафедры
строительных материалов
Алтайский Государственный Технический Университет им
И.И. Ползунова, г. Барнаул, Россия
САДРАШЕВА Айжана Олеговна - аспирант кафедры
строительных материалов
Алтайский Государственный Технический Университет им
И.И. Ползунова, г. Барнаул, Россия