сотрудник
Белгородская область, Россия
сотрудник
сотрудник
Белгород, Белгородская область, Россия
ВАК 05.17.00 Химическая технология
ВАК 05.23.00 Строительство и архитектура
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
В работе установлены особенности фазообразования и распределения нанопор в зоне пропитки цементной матрицы раствором полисиликатов натрия − продуктом функционирования гранулированного заполнителя. Установлено влияние времени предварительной выдержки образцов перед тепловлажностной обработкой, а следовательно, началом пропитки раствором полисиликатов натрия, на эксплуатационные характеристики композита. Установлено, что бóльшая пористость на начальных этапах гидратации цемента позволяет достичь повышения степени пропитки и ускорить гидратацию клинкерных минералов, а меньшая пористость при увеличении времени предварительной выдержки затрудняет проникновение раствора полисиликатов натрия в цементную систему.
фазовый состав, цементный камень, полисиликаты натрия, контактная зона, пористость
Введение. Для снижения ресурсо- и энергозатрат при производстве строительных материалов на основе цемента, улучшения эксплуатационных свойств изделий широко применяются модифицирующие компоненты природного и техногенного происхождения [1−3]. При этом вопрос влияния вводимых компонентов на структурообразование модифицируемых систем является главным при прогнозировании долговечности материалов в различных условиях эксплуатации [4−6]. Использование заполнителей, способных к активному химическому взаимодействию с цементной матрицей для повышения ее эксплуатационных характеристик, вызывает необходимость исследования контактной зоны «цементная матрица – активный заполнитель». Характеристики изделий с гранулированным заполнителем пролонгированного действия, который получают на основе кремнеземного сырья, определяются степенью пропитки матрицы продуктом функционирования данного заполнителя − раствором полисиликатов натрия, образующимся в ядре гранулированного заполнителя. [7]. Важными параметрами, определяющими эксплуатационные характеристики бетона в данном случае, являются фазовый состав и пористость зоны пропитки.
Методология. Гранулированный заполнитель, состоящий из ядра и защитной оболочки, получают с использованием тарельчатого гранулятора. Затем заполнитель, представляющий собой смесь гранул различного размера, вводят в бетонную смесь. Во время тепловлажностной обработки бетона происходит активация содержимого ядра гранулированного заполнителя. В результате взаимодействия кремнеземного компонента со щелочным образуется раствор полисиликатов натрия, который проникает в бетонную матрицу через защитную оболочку гранулы.
В качестве кремнеземного сырья для изготовления ядра гранулированного заполнителя применялась опока Алексеевского месторождения (респ. Мордовия). Щелочной компонент ядра заполнителя − гидроксид натрия по ГОСТ Р 55064-2012.
Для создания оболочки гранулированного заполнителя, а также в качестве вяжущего материала для изготовления образцов цементного камня и бетона использовался портландцемент ЦЕМ I 42,5 Н производства ЗАО «Катавский цемент».
Определение фазового состава цементного камня после пропитки раствором полисиликатов натрия производилось после тепловлажностной обработки образцов в модельных системах. Использование модельных систем вместо гранулированного заполнителя было обусловлено необходимостью исключения при пробоподготовке следующих факторов: неоднородности толщины слоя пропитки и попадания в пробу цементного камня элементов гранулированного заполнителя.
Для получения модельных систем навеска опоки смешивалась с 30 %-м раствором NaOH. Смесь подвергалась тепловлажностной обработке в пропарочной камере в течение 2 ч при
80 °С. Термообработанная суспензия фильтровалась.
В отфильтрованной жидкости производилась тепловлажностная обработка цементных образцов, изготовленных из цементного теста нормальной густоты на основе портландцемента после 12, 24, 48 и 72 часов твердения.
Основная часть. Идентификация и расчет дифракционных профилей с использованием метода Ритвельда (рис. 1, 2) позволил установить влияние раствора полисиликатов натрия, а также времени предварительной выдержки на фазовый состав цементного камня.
Значительная часть продуктов гидратации портландцемента представлена рентгеноаморфной фазой. Тепловлажностная обработка в среде раствора полисиликатов натрия приводит к значительному снижению содержания минерала алита. Об интенсификации гидратации свидетельствует также увеличение содержания рентгеноаморфной фазы и портландита.
|
|
|
|
а |
б |
|
|
|
|
в |
г |
|
|
Рис. 1. Изменение содержания фаз цементного камня после тепловлажностной обработки в зависимости от времени предварительной выдержки: а − C3S; б − C2S; в − C4AF; |
|
д |
|
а |
б |
|
Рис. 2. Дифракционные спектры цементного камня после тепловлажностной обработки (время предварительной выдержки – 24 ч): а) в модельной системе; б) контрольный Р – портландит; TiO2 – анатаз (эталон); C3S – алит; C2S – белит
|
|
С увеличением времени предварительной выдержки данный эффект снижается, т.к. к моменту начала пропитки содержание клинкерных минералов снижается. Во всех образцах цементного камня, пропаренных в растворе полисиликатов натрия, наблюдается снижение гидратации фазы C4AF, данное явление связано с тем, что содержание силикатов натрия в концентрациях больших 0,1 % от массы приводит к блокированию маргинальных фаз портландцемента [8]. Установление особенностей фазообразования в зоне пропитки цементной матрицы раствором полисиликатов натрия позволяет предположить оптимальное время предварительной выдержки материала с гранулированным заполнителем до тепловлажностной обработки – 24 или 48 часов. Это является важным с точки зрения оптимизации производственного процесса, а также достижения наилучших характеристик конечного материала.
Определение распределения нанопор при варьировании времени предварительной выдержки изделий с гранулированным заполнителем пролонгированного функционирования проводилось с целью определения степени заполнения пор матрицы продуктами взаимодействия компонентов ядра заполнителя (рис. 3).
|
|
|
|
а |
б |
|
|
|
|
в |
г |
|
Рис. 3. Распределение пор относительно их общего объема в цементном камне после тепловлажностной обработки в зависимости от времени предварительной выдержки, ч: а – 12; б – 24; в – 48; г – 72 |
|
Непропитанный цементный камень с увеличением времени предварительной выдержки характеризуется после тепловлажностной обработки постепенным смещением распределения нанопор в сторону более мелких при увеличении времени предварительной выдержки с 12 до 72 часов. Это обусловлено более полным протеканием процесса гидратации и подтверждает результаты РФА (см. рис. 1).
Распределение пор в пропитанном цементном камне имеет аналогичный характер, но при этом, в результате пропитки и заполнения пор продуктами реакции ядра заполнителя, смещение распределения пор в сторону мелких наблюдается еще в большей степени.
Установление особенностей пористости системы после пропитки раствором полисиликатов натрия позволяет оценить степень воздействия раствора на цементную матрицу при варьировании времени предварительной выдержки изделий с гранулированным заполнителем до тепловлажностной обработки.
Таким образом, взаимосвязь фазового состава, распределения нанопор и пропитки цементной матрицы раствором полисиликатов натрия после тепловлажностной обработки может быть описана следующими закономерностями: цементный камень после 12 часов предварительной выдержки характеризуется высокой пористостью, но не высокой степенью гидратации клинкерных минералов и малым содержанием портландита, что облегчает пропитку бетонной матрицы, но не обеспечивает связывание полисиликатов натрия в водонерастворимые соединения; к 72 часам степень гидратации клинкерных минералов увеличивается, достигается высокое содержание портландита, при этом снижается нанопористость, а следовательно, уменьшается возможность пропитки и взаимодействия продуктов реакции гранулированного заполнителя с клинкерными минералами.
Распределение пор в зоне пропитки цементной системы раствором полисиликатов натрия, а также степень гидратации цемента определяют ключевые свойства бетона: прочность, водопоглощение и др.
Установление влияния времени предварительной выдержки на эксплуатационные характеристики строительного композита были приготовлены образцы мелкозернистого бетона. Соотношение «цемент : песок» − 1:3. Водоцементное отношение 0,5.
Тепловлажностная обработка образцов мелкозернистого бетона проводилась в описанных ранее модельных системах. Перед тепловлажностной обработкой образцы выдерживались в ванне с гидравлическим затвором в течение 12, 24, 48 и 72 часов. Анализ полученных результатов позволил выявить влияние раствора полисиликатов натрия на предел прочности при сжатии мелкозернистого бетона и водопоглощение в зависимости от времени предварительной выдержки (рис. 4).
Положительное влияние пропитки растворов полисиликатов натрия на предел прочности при сжатии бетонной матрицы наблюдается в образцах предварительно выдержанных 24 и 48 часов; на водопоглощение – 12 и 24 часов. Однако оптимальное и достаточное время предварительной выдержки бетона составляет 24 часа, так как в данном случае достигается высокая прочность на сжатие при низком водпоглощении, т.е. наибольший положительный эффект от пропитки.
|
|
|
|
а |
б |
|
Рис. 4. Зависимость прочности цементной матрицы от времени предварительной выдержки |
|
Пропитка бетонной матрицы раствором полисиликатов натрия обеспечивает монолитизацию цементной матрицы, а следовательно, увеличение прочности и и снижение водопоглощения. При увеличении времени предварительной выдержки пористость цементного камня снижается к моменту начала пропитки в результате более полной гидратации клинкерных минералов, что приводит к снижению степени пропитки. При этом давление образующегося раствора может приводить к деструктивным процессам и снижению прочности образца. Раннее же попадание раствора в цементную матрицу негативно сказывается на ее прочности в результате нарушения процессов гидратации цементного камня. Реакция раствора полисиликатов с продуктами гидратации клинкерных минералов приводит к снижению уровня pH среды и нарушению процессов кристаллизации в материале.
Таким образом, соотнесение полученных результатов определения фазового состава и нанопористости цементного камня после пропитки раствором полисиликатов натрия с результатами определения эксплуатационных характеристик мелкозернистого бетона позволяет установить закономерности формирования зоны пропитки при использовании гранулированного заполнителя, а именно, высокая эффективность пропитки цементной (бетонной) матрицы может быть достигнута при обеспечении требуемой пористости и фазового состава матрицы, которые регулируются временем предварительной выдержки перед началом пропитки: бóльшая пористость на начальных этапах гидратации цемента позволяет достичь повышения степени пропитки и ускорить гидратацию клинкерных минералов, а меньшая пористость при увеличении времени предварительной выдержки затрудняет проникновение раствора полисиликатов натрия в цементную систему. Таким образом, время предварительной выдержки изделий с гранулированным заполнителем перед тепловлажностной обработкой не должно составлять более 24 часов для сокращения продолжительности процесса производства изделий и исключения затруднения пропитки, а также менее 12 часов с целью снижения негативного влияния раствора полисиликатов натрия на процессы кристаллизации в материале.
1. Евтушенко Е.И., Лесовик В.С. К вопросу стабилизации свойств строительных материалов // Вестник центрального регионального отделения Российской академии архитектуры и строительных наук. 2005. № 9. С. 267−271.
2. Рахимов Р.З., Рахимова Н.Р., Гайфуллин А.Р. Влияние добавок в портландцемент глинита полиминеральной каолинитсодержащей глины на свойства цементного камня // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2015. № 6. С. 7−11.
3. Lothenbach B., Le Saout G., Gallucci E., Scrivener K. Influence of limestone on the hydration of Portland cements // Cement and Concrete Research. 2008. Vol. 38 (6). P. 848−860.
4. Логанина В.И., Жегера К.В. Влияние синтезируемых алюмосиликатов на структурообразование цементных сухих строительных смесей // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2014. № 5. С. 36−40.
5. Анваров А.Р., Латыпова Т.В., Латыпов В.М. Обеспечение долговечности железобетона в обычных условиях эксплуатации // Аlitinform: Цемент. Бетон. Сухие смеси. 2008. № 2. С. 52−57.
6. Рахимбаев Ш.М., Толыпина Н.М. Способ определения реакций между щелочами и заполнителем // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2011. № 2. С. 21−23.
7. Строкова В.В., Жерновский И.В., Максаков А.В., Огурцова Ю.Н., Соловьева Л.Н. Последовательность процессов формирования цементо-песчаной матрицы бетона при использовании гранулированного наноструктурирующего заполнителя // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 6. Режим доступа http://www.science-education.ru/106-7874. (Дата обращения: 24.12.2012), свободный.
8. You K.S., Fujimori H., Ioku K., Goto S. Influence of Na2Si2O5 on the Hydration of Tetracalcium Aluminoferrite // Mater Sci Res Int. 2002. Vol. 8 (2). P. 60-63.
