Russian Federation
Russian Federation
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
GRNTI 67.09 Строительные материалы и изделия
BBK 383 Строительные материалы и изделия
For getting high quality and energy efficient aerated concretes and increase of efficiency of cement use in aerated concrete mix use composite binders. In these materials to main binder special additives and active mineral components are added, which promote significant improvement of physical and mechanical properties of binders and aerated concretes on their base. Were developed composite binders with superplasticizer Melflux 1641 F and active mineral admixture of carbonate extender (to 20…30 %), which allow to regulate time of set, air entrainment with movement and mix sealing, own deformations of cement and concrete during hardening, density and concrete strength and significantly improve other properties depending on its purpose. It allows in sufficiently wide range variate properties of composite binder for getting of energy efficient and high quality aerated concretes.
composite binders, aerated concrete, binder of low water requirements, clinker, cement, gypsum, extender, superplasticizing admix, properties
В современном строительстве, одновременно с традиционными тяжелыми бетонами с прочностью 10…50 МПа, для различных видов конструкций и изделий получают и применяют новые эффективные виды бетонов: высокопрочные, безусадочные, повышенной долговечности, напрягающие и расширяющиеся, а также специальные бетоны и бетонные смеси на новых композиционных вяжущих, легкие ячеистые бетоны и другие.
Ячеистый бетон нашел широкое применение в самых различных областях строительства за счет специфических особенностей пористой структуры и многообразия его функциональных значений [1].
Традиционно, основными сырьевыми компонентами для производства ячеистых бетонов являются вяжущие различных типов и классов, кремнеземистые компоненты (песок, зола-унос ТЭС, продукты обогащения руд), порообразователи (пено- и газообразователи, воздухововлекающие добавки), регуляторы структурообразования, нарастания пластической прочности, ускорители твердения, пластифицирующие добавки и вода [2].
В качестве вяжущего для ячеистого бетона применяют: портландцемент, шлако-портландцемент, известь кальциевую, цементо-известковое вяжущее, известково-белитовое вяжущее, шлаковые вяжущие и другие.
Широко используются клинкерные
вяжущие – преимущественно бездобавочный портландцемент общестроительного назначения, что способствует повышению прочности и морозостойкости ячеистого бетона на основе такого вяжущего. Однако наблюдаются достаточно длительные сроки схватывания и медленный набор прочности в начале твердения ячеистобетонной смеси. В связи с этим рекомендуются цементы с началом схватывания не позднее 2-х часов и окончанием схватывания не позднее 4-х часов [3, 4].
Для фиксирования структуры высокопрочного ячеистобетонного массива и предотвращения его разрушения целесообразно применение быстротвердеющих и особо быстротвердеющих специальных цементов [5].
Возможно применение в технологии ячеистого бетона цементов с гидравлическими добавками зол ТЭЦ, доменного гранулированного шлака (около 10…15 %), отличающими вяжущими свойствами и активацией твердения.
Актуально использование для производства ячеистого бетона тонкомолотых многокомпонентных цементов с повышенной дисперсностью (до 1100 м2/кг) и оптимизированной гранулометрией, тонкий помол которых способствует практически полной единовременной гидратации минералов клинкера.
Вяжущее с удельную поверхность от 800 до 1100 м2/кг – микроцемент, размер частиц которого ограничен величиной 50 мкм, используют в технологии производства. Возможно получение гранулометрического состава, близкого к микроцементу, высокой дисперсности из цемента ЦЕМ I 42,5 Н путем фракционирования седиментаций.
Для быстрого набора структурной прочности ячеистобетонной массы используют вяжущие низкой водопотребности (ВНВ), отличающиеся от портландцементов высокой дисперсностью; низкой водопотребностью за счет содержания высокоэффективного модификатора, вводимого при совместном помоле всех составляющих; высокой активностью по прочности (до 100 МПа).
Механохимическая активация цемента и получение на этой основе высокоактивных цементов становится востребованной в связи с наблюдающимся во всем мире переходом в строительстве на более высокие марки бетонов, необходимостью придания им специальных свойств, повышающих долговечность изделий и конструкций.
Механоактивированный цемент с минеральными добавками позволит радикально решить вопрос сбережения удельных энергозатрат на тонну цемента путем снижения клинкерной составляющей (до 50…75 %) с сохранением высоких физико-механических свойств [6].
Минеральные добавки, вводимые в механоактивированные цементы, должно отличать высокое содержание кремнезема и его соединений и низкая влажность.
Повышение эксплуатационных показателей бетонов на основе ВНВ можно объяснить улучшением их структурных характеристик. Установлено, что цементный камень и бетон на основе ВНВ имеют относительно низкую пористость, в них практически отсутствуют крупные капиллярные поры.
Один из основных компонентов ячеистобетонной смеси – высокоэффективное вяжущее вещество, получение которого сопровождается использованием сложных составов для производства высококачественных ячеистых бетонов разного функционального назначения с улучшенными и даже новыми эксплуатационными свойствами с заданной структурой. В основе создания таких вяжущих веществ заложен принцип целенаправленного управления технологией на всех ее этапах: использование активных компонентов, разработка оптимальных составов, применение химических модификаторов, а также использование механохимической активации компонентов и других приемов [7–9].
На сегодняшний день разработаны и получены [10]:
– ячеистобетонные смеси на основе ВНВ в сочетании с химическими добавками, пластическая прочность которых через 20…30 мин после изготовления составляет 0,2…0,3 МПа, что, в свою очередь, дает возможность создания безрезательной технологии при производстве качественных блоков;
– композиционное шлаковое вяжущее, способствующее получению ячеистого бетона с увеличением прочности на 45…60 %;
– конструкционно-теплоизоляционный ячеистый бетон с улучшенными свойствами на основе гидромеханоактивированного композиционного перлитового вяжущего и другие.
Композиционное вяжущее (КВ) – это продукт механохимической активации в определенных условиях портландцемента или другого вяжущего вещества с химическими модификаторами, содержащими водопонижающий компонент, и минеральными добавками [11]. К активным компонентам и модификаторам можно отнести такие вещества и минералы, как: комплексы химических модификаторов различного назначения; дисперсные наполнители; ультрадисперсные наполнители-уплотнители и активизаторы; компоненты для управления объемными изменениями структуры, а также придающие бетону специальные свойства и позволяющие управлять реологией бетонной смеси и процессами затвердевания; компоненты, позволяющие управлять физико-химическими процессами твердения и регулирующие внутреннее тепловыделение материала.
Применение современной технологии композиционных вяжущих с удельной поверхностью 500…600 м2/кг оптимального гранулометрического состава с усовершенствованной морфологией и характером поверхности частиц, с модификаторами и ультратонкими наполнителями способствует получению ячеистого бетона для энергоэффективного строительства с одновременным повышением его эксплуатационных свойств.
Применение различных минеральных наполнителей, добавок-интенсификаторов, а также рациональный подбор ингредиентов и порядок их введения и совершенствование морфологии поверхности частиц способствует достижению производства эффективных КВ. Основные свойства КВ определяются химическим и минералогическим составом клинкерной части, наличием добавок и модификаторов, а также гранулометрией и формой его частиц.
ВНВ и КВ получают механохимической обработкой из портландцемента или его смеси с минеральной добавкой в присутствии порошкообразного суперпластификатора. Последний вводится при помоле цемента или клинкера с сухой добавкой, обеспечивая капсулирование зерен цемента, что, в свою очередь, препятствует агрегированию мельчайших частиц цемента и приводит к повышению прочности и эффективности КВ.
Безвибрационные технологии потребовали создания пластифицирующих добавок, позволяющих снизить водопотребность более чем на 25…30 %. Высококачественные самоуплотняющиеся бетоны и самонивелирующиеся массы можно создать только с применением супер- и гиперпластификаторов.
Действие пластификаторов нового типа (табл. 1), представляющие собой порошковый продукт, полученный методом распылительной сушки, основано на совокупности электростатического и стерического (пространственного) эффектов. Последний достигается с помощью боковых гидрофобных полиэфирных цепей молекулы поликарбоксилатного эфира. За счет этого, водоредуцирующее действие таких пластификаторов в несколько раз сильнее и дольше, чем у обычных. Благодаря двойному механизму диспергирования, добавки Melflux позволяют достичь водопонижающего эффекта более 30 %.
Проведена апробация суперпластификаторов Melment и Melflux [10] с установлением оптимального содержания 0,16 % и 0,68 % соответственно.
Таблица 1
Технические характеристики гиперпластификаторов Melment и Melflux различных видов
|
Тип |
Melment F 10 |
Melment F 15 G |
Melflux 1641 F |
Melflux 2641 F Melflux 2651 F |
Melflux PP 100 F |
Melflux 4930 F Melflux 5581 F Melflux 6681 F |
|
Химическая основа |
меламинформальдегид |
поликарбоксилат |
||||
|
Рекомендуемая дозировка, (мас. % на вес вяжущего) |
0,1…1,0 |
0,1…1,1 |
0,05…0,6 |
0,05…0,6 |
0,05…0,5 |
0,05…0,3 |
|
Рекомендуемое вяжущее |
цемент |
гипс |
ПЦ |
ПЦ, ПЦ/ГЦ |
ПЦ, ПЦ/ГЦ |
ПЦ |
Быстроадсорбирующиеся суперпластифика-торы Melflux (табл. 1), являются новыми разработками поликарбоксилатных порошков с отличительными эксплуатационными показателями и преимуществами, основные из которых: сильное разжижающее действие, обеспечивающее короткое время смешения, и снижение количества воды затворения (водоредуцирование).
Таблица 2
Распределение частиц композиционных вяжущих по размерам
|
Таблица соответствия размеров частиц (D, мкм) заданным значениям весовой доли |
||||||||||
|
клинкер + гипс |
||||||||||
|
D, мкм |
1.15 |
2.27 |
3.88 |
6.43 |
9.70 |
13.9 |
20.2 |
31.0 |
49.7 |
600 |
|
P, % |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
|
КВ1 (клинкер + Melflux 1641 F+ гипс) |
||||||||||
|
D, мкм |
1.13 |
2 |
3.77 |
6.42 |
9.57 |
13.2 |
18.3 |
26.3 |
38.7 |
600 |
|
P, % |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
|
КВ2 (клинкер + Melment F10 + гипс) |
||||||||||
|
D, мкм |
1.41 |
3.46 |
6.13 |
9.40 |
13.5 |
18.4 |
24.1 |
31.4 |
43.3 |
600 |
|
P, % |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
|
ЦЕМ I 42,5 H |
||||||||||
|
D, мкм |
1.27 |
2.85 |
5.19 |
8.39 |
12.4 |
18.0 |
26.6 |
38.5 |
59.1 |
600 |
|
P, % |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
|
КВ3 (ЦЕМ I 42,5 H + Melflux |
||||||||||
|
D, мкм |
1.25 |
2.50 |
4.89 |
8.06 |
12.0 |
17.0 |
24.3 |
33.9 |
49.2 |
600 |
|
P, % |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
|
КВ4 (ЦЕМ I 42,5 H + Melment F10) |
||||||||||
|
D, мкм |
1.61 |
4.08 |
7.30 |
11.4 |
16.6 |
22.6 |
30.1 |
39.7 |
55.7 |
600 |
|
P, % |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
|
КВ5 (клинкер + карбонатный наполнитель + Melflux 1641 F+ гипс) |
||||||||||
|
D, мкм |
1 |
1.71 |
3.45 |
6.71 |
11.1 |
17.1 |
27.1 |
41.9 |
71.2 |
600 |
|
P, % |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
|
КВ6 (клинкер + карбонатный наполнитель + Melment F10 + гипс) |
||||||||||
|
D, мкм |
1.04 |
2.14 |
5.16 |
9.16 |
14.4 |
22.3 |
33.4 |
50.2 |
82.3 |
600 |
|
P, % |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
|
|
||||||||||
|
Окончание таблицы 2 |
||||||||||
|
КВ7 (ЦЕМ I 42,5 H + карбонатный наполнитель + Melflux |
||||||||||
|
D, мкм |
1.14 |
2.32 |
5.27 |
9.40 |
14.8 |
22.6 |
32.6 |
45.1 |
67.6 |
600 |
|
P, % |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
|
КВ8 (ЦЕМ I 42,5 H + карбонатный наполнитель + Melment F10) |
||||||||||
|
D, мкм |
1.06 |
2.27 |
4.76 |
8.97 |
14.8 |
22.5 |
32.9 |
46.6 |
70.9 |
600 |
|
P, % |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
|
КВ9 (клинкер + карбонатный наполнитель + гипс) |
||||||||||
|
D, мкм |
1.05 |
1.95 |
4.04 |
7.88 |
13.3 |
21.1 |
33.0 |
52.1 |
88.8 |
600 |
|
P, % |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
|
КВ10 (ЦЕМ I 42,5 H + карбонатный наполнитель) |
||||||||||
|
D,мкм |
0.99 |
1.66 |
3.27 |
6.38 |
10.6 |
16.3 |
26.2 |
39.6 |
64.5 |
600 |
|
P, % |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
Механохимическая активация композиционных вяжущих позволила установить характер кинетики помола и распределение по размеру частиц вяжущих.
Гранулометрия вяжущего оказывает существенное влияние на его водопотребность, активность, что имеет отражение на технологии производства ячеистых бетонов.
Вяжущие, полученные в процессе совместного помола клинкера с суперпластификаторами, характеризуются повышенным содержанием мелкодисперсных частиц с максимумом в интервале 5…12 мкм по сравнению с КВ, изготовленным при помоле цемента с теми же добавками (табл. 2 и рис. 1).
Добавление суперпластификаторов без введения минеральных наполнителей характеризуется на кривых сдвигом в область меньших значений по сравнению с бездобавочным составом.
Наиболее мелкодисперсный состав, по сравнению с КВ на основе цемента, имеет КВ на основе клинкера с использованием суперпластификаторов. Добавка Melflux 1641 F способствует получению более мелкодисперсного состава КВ по сравнению с составами с добавкой Melment F 10 [12, 13].
Введение различных минеральных добавок при помоле отражается на гранулометрическом составе вяжущего.
|
Размер частиц КВ по размерам (D), мкм |
|
клинкер + гипс КВ1 КВ2 ЦЕМ I 42,5 H КВ3 КВ4 КВ5 КВ6 КВ7 КВ8 КВ9 КВ10
|
|
Содержание вещества в интервале (P), % |
Рис. 1. Распределение частиц композиционных вяжущих (табл. 2) по размерам
Введение карбонатного наполнителя «сдвигает» графики распределения в область частиц крупных размеров, но с меньшим объемным содержанием вяжущего, по сравнению с графиками КВ с использованием суперпластификаторов и во всех случаях наблюдается более «растянутый» вид кривой. Это обусловлено, в первую очередь, особенностями строения карбонатного наполнителя, состоящего еще до помола из мельчайших частиц, что и предопределяет большее содержание мелких частиц КВ. На гранулометрических кривых КВ на основе портландцемента
ЦЕМ I 42,5 H четко просматривается диапазон мелки частиц карбонатного наполнителя, на кривых КВ на основе клинкера наблюдается большее объемное содержание мельчайших частиц, что способствует высокой скорости гидратации и увеличению водопотребности.
Применение карбонатных наполнителей способствует уменьшению водопотребности, водоотделения и расслаиваемости бетонных смесей; повышению их водоудерживающей способности, плотности, пластичности и однородности; снижению усадки, водопоглощения и тепловыделения бетонов, а также улучшает их водо-, морозо- и кислотостойкость.
Гранулометрический состав полученного КВ подтверждает, что тонкодисперсные карбонатные наполнители, вводимые в вяжущие в количестве до 20…35 %, выполняют важную структурообразующую роль в формировании ячеистого бетона, способствуют модифицированию цементного камня и положительному влиянию на эксплуатационные свойства ячеистого бетона.
На основании данных по распределению частиц по размерам и физико-механических испытаний вяжущих для дальнейших исследований рассмотрим сроки схватывания и активность КВ с суперпластификатором Melflux 1641 F и карбонатным наполнителем (КВ5 и КВ7, табл. 2) в сравнении с традиционным вяжущим ЦЕМ I 42,5 H (рис. 2).
Наименьшая продолжительность схватывания (60 мин) наблюдается у КВ на основе цемента с добавками, у КВ на основе клинкера – 85 мин, у цемента – 100 мин.
Сроки схватывания КВ и их высокие эксплуатационные показатели позволяют сочетать процессы поро- и структурообразования ячеистых бетонов и управлять их свойствами.
КВ с минеральными добавками – карбонатный наполнитель и Melflux 1641 F – на основе портландцемента имеют прочность на сжатие (70,5 МПа к 28 суткам), которая на 32 % превышает прочность портландцемента ЦЕМ I 42,5 H. Прирост прочности КВ на клинкерной основе с минеральными добавками – гипс, карбонатный наполнитель и Melflux 1641 F – в сравнении с прочностью портландцемента ЦЕМ I 42,5 H составляет 54 %.
Рис. 2. Физико-механические характеристики композиционных вяжущих
Важным является и то, что КВ на клинкерной основе имеют прочность на изгиб в 1,5 раза выше, чем цемент.
На сегодняшний день для регулирования свойств КВ вводят, кроме гипер- и суперпластификаторов, и другие современные добавки и активные минеральные компоненты, позволяющие регулировать сроки схватывания, воздухововлечение при перемещении и уплотнении смеси, собственные деформации цемента и бетона при твердении, плотность и прочность бетона и значительно улучшать и другие свойства в зависимости от его назначения. Это позволяет в достаточно широком диапазоне варьировать свойства композиционного вяжущего вещества для получения энергоэффективных и высококачественных ячеистых бетонов.
1. Suleymanova L.A., Lesovik V.S., Kara K.A., Malyukova M.V., Suleymanov K.A. Ener-gy-efficient concretes for green construction // Research Journal of Applied Sciences. 2014. T. 9. № 12. S. 1087-1090.
2. Yudovich B.E., Dmitriev A.M., Zubehin S.A., Bashlykov N.F., Falikman V.R., Serdyuk V.N., Babaev Sh.T. Cementy nizkoy vodopotrebnosti - vyazhuschie novogo pokole-niya // Nauka i tehnika. 1997. № 1. S. 15-18.
3. Suleymanova L.A., Lesovik V.S., Glagolev E.S. Vysokaya reakcionnaya aktiv-nost' nanorazmernoy fazy kremnezema kom-pozicionnogo vyazhuschego / Sbornik materia-lov Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferencii, posvyaschennoy 95-letiyu FGBOU VPO «GGNTU im. akad. M.D. Millionschikova». Groznenskiy gosudarstvennyy neftyanoy tehnicheskiy uni-versitet imeni akademika M.D. Millionschi-kova «Sovremennye stroitel'nye materialy, tehnologii i konstrukcii». Groznyy, 2015. S. 87-93.
4. Alfimova N.I., Lesovik V.S., Savin A.V., Shadskiy E.E. Perspektivy primeneniya kompozicionnyh vyazhuschih pri proizvodstve zhelezobetonnyh izdeliy // Vestnik Irkut-skogo gosudarstvennogo tehnicheskogo univer-siteta. 2014. №5 (88). S. 95-99.
5. Alfimova N.I., Vishnevskaya Ya.Yu., Trunov P.V. Kompozicionnye vyazhuschie i iz-deliya s ispol'zovaniem tehnogennogo syr'ya. Germaniya: Izd-vo LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG. 2013. 127 s.
6. Bikbau M.Ya. Perspektivy vnedreniya tehnologii mehanohimicheskoy pererabotki cementa // Stroitel'nye materialy, oboru-dovanie, tehnologii XXI veka. 2007. №9. S. 18-20.
7. Alfimova N.I., Sheychenko M.S., Kar-atsupa S.V., Yakovlev E.A., Kolomatskiy A.S., Shapovalov N.N. Features of application of high-mg technogenic raw materials as a compo-nent of composite binders // Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Scienc-es. 2014. № 5(5). P. 1586-1591.
8. Strokova V.V., Ogurcova Yu.N., Alfimova N.I, Grinev A.P., Navarette V.F.A. Kompozicionnye vyazhuschie na osnove syr'ya razlichnogo geneticheskogo tipa dlya melkozer-nistyh betonov. Belgorod: Izd-vo BGTU, 2016. S. 189.
9. Alfimova N.I., Lesovik V.S., Glagolev E.S., Vishnevskaya Ya.Yu. Optimizaciya usloviy tverdeniya kompozicionnyh vyazhuschih s uchetom genezisa kremnezemsoderzhaschego komponenta. Belgorod: Izd-vo BGTU, 2016. 91 c.
10. Suleymanova L.A. Gazobeton neavto-klavnogo tverdeniya na kompozicionnyh vyazhuschih / avtoreferat dis. ... doktora tehni-cheskih nauk: 05.23.05 // Belgorodskiy gosu-darstvennyy tehnologicheskiy universitet im. V.G. Shuhova. Belgorod, 2013.
11. Suleymanova L.A., Suleymanov K.A., Pogorelova I.A. Topologiya por v gazobetone // Vestnik BGTU im. V.G. Shuhova. 2016. №5. S. 100-105.
12. Pogorelova I.A. Suhie stroitel'nye smesi dlya neavtoklavnyh yacheistyh betonov: dis.... kand. tehn. nauk 05.23.05: zaschischena 3.07.09 / Pogorelova Inna Aleksandrovna; BGTU im. V.G. Shuhova. Belgorod, 2009. 195 s.
13. Strokova V.V., Pogorelova I.A. Su-hie stroitel'nye smesi dlya penogazobetona // Vestnik BGTU im. V.G. Shuhova. 2009. №1. S. 41-43.
