Адгезионные свойства клеевых растворов на основе золосодержащих цементов низкой водопотребности

Клеевые растворы находят широкое использование в современном строительстве для закрепления керамических плиток и других отделочных изделий, теплоизоляционных материалов. Для обеспечения требуемой адгезии к поверхности в такие составы вводят повышенное количество цемента и добавки редиспергированного полимерного порошка, а для повышения водоудерживающей способности раствора — добавку эфиров целлюлозы или крахмала. Это приводит к существенному удорожанию раствора.

Одним из путей снижения себестоимости клеевых растворов может стать повышение активности и водоудерживающей способности вяжущего. Без существенного изменения минералогического состава клинкера повышение активности цемента возможно при его тонком помоле к удельной поверхности 500.700 м²/кг. Тонкомолотые цементы (ultrafine cements) с размером частиц до 10 нм имеют повышенную активность и водоудерживающую способность, однако при заметном увеличении их водопотребности. Поэтому к наиболее перспективными вяжущими для современных строительных материалов (сухих строительных смесей, высокопрочных бетонов и др.) следует отнести предложенные в середине 80-х годов и получившие сейчас новый импульс в развитии цементы низкой водопотребности (ЦНВ) [1]. Полученные совместным помолом портландцементного клинкера (или товарного цемента) и двуводного гипса с минеральной добавкой и суперпластификатором, они позволяют сохранить преимущества тонкомолотых цементов при существенном снижении их водопотребности (НГ = 16.18%), а также имеют пониженное содержание клинкерной составляющей. Последнее особенно важно с позиций уменьшения энергоемкости производства таких вяжущих. Поэтому целью настоящей работы было установление возможности использования ЦНВ в клеевых смесях, а также изучения влияния факторов состава на адгезионную прочность ЦНВ.

Материалы и методы исследований

Цементы низкой водопотребности для клеевых растворов изготавливали домолом товарного портландцемента вместе с золой-унос и суперпластификатором. Для уменьшения энергозатрат во все составы вводили интенсификатор помола пропиленгликоль в количестве 0,04% от массы вяжущего. В процессе исследований использовали следующие материалы:

• · портландцемент ПЦ II/А-Ш производства ОАО «Волынь-Цемент», содержащий 20% доменного шлака, минералогический состав цементного клинкера следующий: C₃S — 57,1%; C₂S — 21,27%; C₃A — 6,87%; C₄AF — 12, 19%;
• · минеральный наполнителя ЦНВ — кислую золу-унос Бурштынской ТЭС;
• · добавки суперпластификаторы — нафталинформальдегидного (НФ) типа С-3 и поликарбоксилатного (ПК) типа Sika ViscoCrete 225;
• · мелкий кварцовый песок с модулем крупности 1,64, водопотребностью 8% и содержанием отмучиваемых примесей 1,6%.

Химический состав золы-унос, клинкера и доменного шлака, входящего в состав цемента приведен в табл.1.

Таблица 1. Химический состав исходных материалов.

— унос как компонент цементов не должна содержать более 2,5% свободного СаО, более 3% щелочных оксидов, а п. п. п. не должны превышать 5%. По первым двум показателям зола, применявшаяся в исследованиях, находится на пределе допустимого. Поэтому доменный гранулированный шлак в составе портландцемента выполнял роль не только активной минеральной добавки, но также служил компенсатором негативного воздействия щелочей и свободного оксида кальция, присутствовавших в золе. Указанные компоненты не только поглощаются шлаком, но и способствуют повышению активности последнего.

С целью уменьшения количества опытов исследования адгезионных свойств были выполнены с применением математического планирования эксперимента. Был использован трехуровневый трехфакторный план В₃ [2], условия планирования эксперимента приведены в табл. 2.

Таблица 2. Условия планирования эксперимента.

^* — фактически достигнутая удельная поверхность отличалась от запланированной на 15 м²/кг.

В ходе исследований в каждой точке плана изготавливали цементно-песчаный раствор состава вяжущее: песок = 1: 3. Адгезию растворов определяли как прочность на отрыв от бетонного основания образца размером 50 50 мм, изготовленного из керамической плитки. Плитки пригружали после укладки на клеевой раствор на 30с грузом массой 2 кг. По истечению 27 суток нормального твердения до плиток приклеивались железные пластинки и через 24 ч проводились испытания на отрыв.

Экспериментальные результаты и их анализ

Матрица планирования и полученные экспериментальные результаты представлены в табл.3.

Таблица 3.

Матрица планирования и результаты экспериментов по исследованию адгезии растворов на основе золосодержащих ЦНВ.

Ниже приведены статистические модели адгезионной прочности при использовании суперпластификатора Sika VC 225 (1) и суперпластификатор C-3 (2). Для анализа полученных моделей построены графические зависимости (рис. 1,2).

R_{ад, (Sika)} =1,565−0,13•х₁+0,58•х₂+0,17•х₃-0,025•х₁х₂+0,075· х₂х₃+0,01•х₁² — 0,39•х₂²-0,359•х₃² (1).

R_{ад, (C-3)} =1,387−0,12•х₁+0,53•х₂+0,16•х₃-0,025•х₁х₂+0,075· х₂х₃+0,051•х₁² — 0,32•х₂²-0,349•х₃² (2).

Рис. 1. Зависимость адгезионной прочности растворов от содержания золы и удельной поверхности при использовании СП поликарбоксилатного (а) и нафталинформальдегидного (б) типов

Рис. 2. Зависимость адгезионной прочности растворов от содержания в вяжущем СП поликарбоксилатного (а) и нафталинформальдегидного (б) типов

Клеющие свойства цементного теста в растворной смеси можно характеризовать его когезионными и адгезионными свойствами. Основными когезионными параметрами цементного клея можно считать его прочностные характеристики. Адгезия цементного клея находится в сложной зависимости от многих факторов, в том числе и от дисперсности вяжущего [3]. Повышение прочности раствора обычно достигают повышением активности цемента и Ц/В. При этом повышение Ц/В производится в за счет увеличения расхода цемента, что далеко не всегда рационально, или введением суперпластификатора. Известен ряд способов улучшения клеющей способности цементного камня при ограничении его содержания в растворе. Один из них основан на концепции, рассматривающий цементный камень как микробетон. В соответствии с этой концепцией целесообразно повышать дисперсность цементного клея, обеспечивая его полную гидратацию. Зерна цемента крупностью более 40 мкм, которые практически не гидратируются, рационально заменять наполнителями.

Механические процессы при помоле минеральных наполнителей приводят не только к увеличению их поверхностной энергии, что обуславливает их повышенную адгезионную активность, но и их химической активности, что также способствует высокой адгезионной прочности при их контакте с вяжущим. Следует, однако, учитывать свойство измельченных порошков к быстрому дезактивированию на воздухе вследствии высокой адсорбционной способности.

После проведения анализа исследуемых факторов по влиянию на величину адгезионной прочности их можно разместить в следующем порядке: S_уд>СП>З. Увеличение удельной поверхности с 500 м²/кг до 700 м²/кг при прочих равных условиях повышает адгезионную прочность раствора в 2.2,2 раза (СП Sika VC 225, рис.1), и в 1,5…1,7 при использовании С-3 (рис.2). Суперпластификатор является менее значимым фактором, однако положительно влияет на адгезию растворов как в результате изменения их поверхностной энергии, так и в результате изменения качественных характеристик контактного слоя.

Введение

добавки СП улучшает характеристики контактного слоя раствора, увеличивая его смачиваемость и уменьшая содержание избыточной влаги. Оптимальное его дозирования варьируется в пределах 0,6.0,8% и 1,25.1,75% для СП ПК и НФ типов соответственно. При этом наблюдается увеличение адгезии на 0,5.0,6 МПа по сравнению с минимальным содержанием СП. Повышение содержания золы-унос в составе ЦНВ от 30 до 50% уменьшает прочность сцепления на 0,2.0,3 МПа независимо от СП. Таким образом максимальная прочность сцепления с основанием тонкомолотых модифицированных цементно-зольнх вяжущих составляет 2,2 МПа и 2,0 МПа для СП ПК и НФ типов соответственно при минимальном количестве золы-унос у вяжущем, оптимальной дозировке СП и удельной поверхности 600…700 м²/кг.

свойство клеевой строительный раствор

Выводы

Исследование показали, что достижение высокой адгезионной прочности растворов возможно при соответствующей оптимизации состава раствора, типа используемого суперпластификатора и удельной поверхности вяжущего. Домол цемента с добавками золы-унос в количестве 50% и СП поликарбоксилатного типа в количестве 0,7% до удельной поверхности 600 м²/кг позволил достичь адгезионной прочности больше 1,5 МПа. При использовании СП типа С-3 для достижение тех же значений прочности его дозировку следует увеличить до 1,8% а удельную поверхность цемента — до 700 м²/кг. Таким образом, клеевые смеси на основе золосодержащих ЦНВ позволяют обеспечить высокую адгезионную прочность при умеренном расходе клинкерной составляющей, что способствует снижению их себестоимости при обеспечении высоких технических характеристик раствора.

Библиографический список

• 1. Юдович Б. Э. и др. Цемент низкой водопотребности: нове результаты и перспективы /Цемент и его применение. — 2006. — июль — август. — с80−84.
• 2. Вознесенский В. А. Статистические методы планирования эксперимента в технико-экономических исследованиях. — М.: Финансы и статистика, 1981. — 263 с.
• 3. Басин В. Е. Адгезионная прочность. — М.: Химия, 1981. — 208 с.