Подпишитесь на наши новости.

Email:


Подписаться

Раков Михаил Андреевич, Новосибирский государственный архитектурно‐строительный университет (СибСтрИн); научный руководитель — д‐р техн. наук, проф. Л. В. Ильина «Влияние диспергирования минеральных добавок на прочность цементного камня»

Аннотация

Введение добавок диопсида и волластонита (1–9 % мас.) способствует повышению прочности цементного камня на 30–70 %. При увеличении удельной поверхности добавок с 300 до 1100 м2/кг оптимальное количество добавки, обе­спечивающее максимальное возрастание прочности цементного камня, умень­шается. Добавка диопсида более эффективна, чем волластонита.

Ключевые слова: портландцементный клинкер; нормальное хране­ние; гранулометрический анализ; механическая прочность; минеральные добавки.

Интерес к механическим методам ускорения химических реакций, осо­бенно между твердыми веществами, начал проявляться в конце XIX века. Виль­гельм Ф. Оствальд, занимаясь систематикой химических наук на основе энерге­тического подхода, отнес к механохимии широкий круг проблем, в частности разделы, изучающие взаимосвязи химической энергии с различными видами механической энергии.

В настоящее время механохимические исследования являются широ­кой областью, включающей следующие основные направления:

  • экспериментальные и теоретические исследования свойств, фазовых переходов и химических реакций при строго определенных и контро­лируемых условиях (гидростатическое давление, одноосное расшире­ние, сжатие);
  • изучение влияния на свойства твердых веществ и их реакционную способность обработки в различных механических аппаратах (мель­ницы, активаторы и т. п.), влияние предварительной механической

 обработки на последующие превращения и процессы, происходящие в момент механической обработки [1].

Особый интерес представляет механическая активация реакций с уча­стием твердых веществ, поскольку подведение во время активации к твердому телу механической энергии приводит к образованию в нем новых поверхностей, линейных и точечных дефектов. С помощью метода механической активации мо­гут быть решены разнообразные задачи: повышение реакционной способности твердых веществ, изменение структуры, ускорение твердофазных реакций и т. п.

Для регулирования свойств цементных материалов используется боль­шое количество различных добавок [2]. Так, повышение прочности цементного камня, прочности и морозостойкости бетона может быть достигнуто введением диспергированных минеральных добавок, таких как диопсид, волластонит. При этом можно четко установить оптимальное содержание добавки, соответствующее максимальному значению механической прочности цементных материалов [3].

При использовании минеральных добавок большое значение имеет их дисперсность, так как межфазное взаимодействие при формировании структуры цементного камня развивается на поверхности частиц. По этой причине дисперс­ности материалов, в том числе при достижении ими наноразмерного состояния, в данное время уделяется большое внимание.

Повышение дисперсности частиц и их механохимическая активация могут быть достигнуты при измельчении в энергонапряженных аппаратах. При этом наряду с увеличением удельной поверхности происходит накопление де­фектов в структуре измельчаемых материалов [4, 5]. Как отмечено в работе [4], использование механической активации может обеспечить применение новых источников сырья, в том числе отходов производства, при получении строитель­ных материалов и создании вяжущих специального назначения.

В данной работе исследовали портландцементный клинкер производ­ства ООО «Искитимцемент» (Новосибирская обл.), который применяется для изготовления портландцемента марки ПЦ 400 Д20. Его минералогический со­став, % мас.: C3S — 50–55 , C2S — 18–22 , C3A — 7–11, C4AF — 12–15. Удельная по­верхность — 320 м2/кг. Химический состав клинкера, % мас.: SiO2 — 20,7; Al2O3 — 6,9; Fe2O3 — 4,6; CaO — 65,4; MgO — 1,3; SO3 — 0,4; п.п.п. — 0,5. Клинкер хранился в нормальных условиях (при температуре 20 ± 2 °C и влажности не более 60 %) в течение 7 сут.

В качестве дисперсных минеральных добавок вводили диопсид и вол­ластонит. Использованный в работе диопсид представлял собой измельченную породу — отходы от переработки флогопитовых руд Алданского месторожде­ния (Якутия). Была выбрана именно эта добавка, так как она является силикатом

1

кальция и магния CaO · MgO · 2SiO2, т. е. близка по составу к основным клин­керным минералам — алиту, белиту и продуктам их гидратации. Кроме того, эта добавка обладает высокой твердостью (7 по шкале Мооса), сопоставимой или превосходящей твердость частиц клинкера. Химический состав диопсида, % мас.: SiO2 — 50,3; CaO — 24,4; MgO — 15,6; Al2O3 — 3,4; Fe2O3 — 5,8; R2O — 0,3. Использовался также волластонит, который является метасиликатом кальция CaSiO3 и относится к числу цепочечных силикатов. Усредненный состав вол­ластонита Слюдянского месторождения следующий, % мас.: SiO2 — 52,5; CaO — 46,82; Al2O3 — 0,20; Fe2O3 — 0,11; Na2O — 0,13; Н2О — 0,36. Твердость его по шка­ле Мооса равна 4,5–5,5.

 

1

 

1

 

Различная дисперсность добавок достигалась измельчением в энерго­напряженном аппарате АГО-3, имеющем мощность двигателя 30 кВт и обеспе­чивающем центробежное ускорение, развиваемое мелющими телами, от 400 до 800 м/с2, порошков диопсида с исходной удельной поверхностью 210 м2/кг и вол­ластонита с исходной удельной поверхностью 309 м2/кг. Измельчение волласто­нита производилось в течение 30, 45 и 60 с; диопсида, имеющего более высокую твердость, в течение 30, 60, 90 и 120 с.

Для определения гранулометрического состава порошков использовал­ся лазерный анализатор дисперсности типа PRO-7000 фирмы Seishin Enterprice Co., LTD, Tokyo. Он обеспечивает определение размеров частиц в пределах от 1 до 192 мкм по 16 интервалам значений, получаемые данные являются результатом не менее чем 320 непрерывно происходящих измерений, осуществляемых фото­детекторами в течение 30 с, что обеспечивает их высокую точность и воспроиз­водимость.

Некоторые данные, характеризующие дисперсность исследованных материалов, приведены в табл. 1.

Количество минеральных добавок изменялось от 1 до 9 % от массы вяжущего. Добавки вводились в предварительно измельченный клинкер с со­держанием 5 % двуводного гипса.

Прочность при сжатии определялась испытанием образцов цементно­го камня с размерами 20 × 20 × 20 мм, приготовленных из теста нормальной гу­стоты. Испытания проводились как после 28 сут. твердения в нормальных усло­виях, так и после тепловлажностной обработки (ТВО), проводимой по режиму:

1

подъем температуры в течение 3 ч — выдержка при температуре 85 °С в течение 6 ч — снижение температуры в течение 2 ч. Результаты определения прочности при сжатии цементного камня, изготовленного из молотого клинкера с добавле­нием диопсида и волластонита, приведены в табл. 2 и 3. Также приведены резуль­таты влияния дисперсности добавок на их оптимальное количество табл. 4 и 5.

Анализ результатов испытаний показал, что с увеличением удельной поверхности наблюдается уменьшение оптимального количества добавки диоп­сида у образцов, твердевших как в условиях тепловлажностной обработки, так и в нормальных условиях.

Сравнивая значения прочности образцов, полученных в результате твердения при ТВО и в нормальных условиях, можно отметить, что при введении добавки диопсида увеличение прочности относительно бездобавочных цемен­тов примерно одинаково при обоих условиях твердения. При введении добавки волластонита прочность образцов, твердевших в условиях ТВО, возрастает зна­чительно сильнее, чем после твердения в нормальных условиях.

В целом, более заметное возрастание прочности достигается при вве­дении добавки диопсида по сравнению с волластонитом. Последняя добавка бо­лее эффективна при твердении в условиях ТВО образцов.

Вводимые добавки обусловливают микроармирование цементного камня, препятствуют распространению в нем микротрещин, вызывают пере­распределение механических напряжений между частицами добавки и цемент­ным камнем при действии внешних нагрузок. При этом если модуль упругости добавки больше, чем у цементного камня, ее частица будет воспринимать боль­шие напряжения. По-видимому, вследствие этих причин добавка диопсида, име­ющая более высокую твердость, чем волластонит, является более эффективной.

Таким образом, вводимые добавки способствуют повышению прочно­сти цементного камня от 30 до 70 %. При увеличении дисперсности оптимальное количество добавки, обеспечивающее максимальное возрастание прочности це­ментного камня, уменьшается.

Литература

  1. В.В Болдырев и др. Фундаментальные основы механической активации, механосинтеза и механохимических технологий / под ред. Е.Г. Авва­кумова; СО РАН, Ин-т химии твердого тела и механохимии. Новоси­бирск, 2009. С. 343.
  2. Добавки в бетон: Справочное пособие: пер. с англ. / под ред. В.С. Ра­мачандрана. М.: Стройиздат, 1988. С. 575.
  3. Бердов Г.И., Ильина Л.В. Влияние количества и дисперсности мине­ральных добавок на свойства цементных материалов // Известия ву­зов. Строительство. 2010. № 11–12. С. 11–16.
  4. Болдырев В.В. Развитие исследований в области механохимии неорга­нических веществ в СССР // Механический синтез в неорганической химии. Новосибирск: Наука, Сибирское отд., 1991. С. 3–32.
  5. Аввакумов Е.Г. Механические методы активации химических процес­сов. Новосибирск, 1986. С. 303.

"Я был удивлен большим количеством участников строительной конференции. Это говорит о том, что цементная промышленность заинтересована в спросе на цемент, который очень тесно связан с кра...
"Во-первых, спасибо за приглашение, строительная конференция прошла на европейском уровне и была очень хорошо организована. У меня появилось много интересных контактов с людьми со всех уг...

Информационные партнеры