Россия
Россия
Белгород, Белгородская область, Россия
ГРНТИ 67.09 Строительные материалы и изделия
ББК 383 Строительные материалы и изделия
Для получения высококачественных и энергоэффективных ячеистых бетонов и повыше-ния эффективности использования цемента в ячеистобетонной смеси применяют компози-ционные вяжущие вещества. В данных материалах к основному вяжущему добавляют спе-циальные добавки и активные минеральные компоненты, способствующие существенному улучшению физико-механических свойств вяжущих и ячеистых бетонов на их основе. Разработаны композиционные вяжущие с суперпластификатором Melflux 1641 F и ак-тивной минеральной добавкой карбонатного наполнителя (до 20…30 %), 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.
композиционное вяжущее, ячеистый бетон, вяжущее низкой водопотребности, клинкер, це-мент, гипс, наполнитель, суперпластификатор, свойства.
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. Т. 9. № 12. С. 1087-1090.
2. Юдович Б.Э., Дмитриев А.М., Зубехин С.А., Башлыков Н.Ф., Фаликман В.Р., Сердюк В.Н., Бабаев Ш.Т. Цементы низкой водопотребности - вяжущие нового поколе-ния // Наука и техника. 1997. № 1. С. 15-18.
3. Сулейманова Л.А., Лесовик В.С., Глаголев Е.С. Высокая реакционная актив-ность наноразмерной фазы кремнезема ком-позиционного вяжущего / Сборник материа-лов Международной научно-практической конференции, посвященной 95-летию ФГБОУ ВПО «ГГНТУ им. акад. М.Д. Миллионщикова». Грозненский государственный нефтяной технический уни-верситет имени академика М.Д. Миллионщи-кова «Современные строительные материалы, технологии и конструкции». Грозный, 2015. С. 87-93.
4. Алфимова Н.И., Лесовик В.С., Савин А.В., Шадский Е.Е. Перспективы применения композиционных вяжущих при производстве железобетонных изделий // Вестник Иркут-ского государственного технического универ-ситета. 2014. №5 (88). С. 95-99.
5. Алфимова Н.И., Вишневская Я.Ю., Трунов П.В. Композиционные вяжущие и из-делия с использованием техногенного сырья. Германия: Изд-во LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG. 2013. 127 с.
6. Бикбау М.Я. Перспективы внедрения технологии механохимической переработки цемента // Строительные материалы, обору-дование, технологии XXI века. 2007. №9. С. 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. Строкова В.В., Огурцова Ю.Н., Алфимова Н.И, Гринев А.П., Наваретте В.Ф.А. Композиционные вяжущие на основе сырья различного генетического типа для мелкозер-нистых бетонов. Белгород: Изд-во БГТУ, 2016. С. 189.
9. Алфимова Н.И., Лесовик В.С., Глаголев Е.С., Вишневская Я.Ю. Оптимизация условий твердения композиционных вяжущих с учетом генезиса кремнеземсодержащего компонента. Белгород: Изд-во БГТУ, 2016. 91 c.
10. Сулейманова Л.А. Газобетон неавто-клавного твердения на композиционных вяжущих / автореферат дис. ... доктора техни-ческих наук: 05.23.05 // Белгородский госу-дарственный технологический университет им. В.Г. Шухова. Белгород, 2013.
11. Сулейманова Л.А., Сулейманов К.А., Погорелова И.А. Топология пор в газобетоне // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2016. №5. С. 100-105.
12. Погорелова И.А. Сухие строительные смеси для неавтоклавных ячеистых бетонов: дис.... канд. техн. наук 05.23.05: защищена 3.07.09 / Погорелова Инна Александровна; БГТУ им. В.Г. Шухова. Белгород, 2009. 195 с.
13. Строкова В.В., Погорелова И.А. Су-хие строительные смеси для пеногазобетона // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2009. №1. С. 41-43.
