Влияние модифицированных минеральных добавок на прочностные свойства мелкозернистого бетона

Одним из эффективных способов повышения качества цемента, а также снижения затрат при производстве бетонных изделий, является применение минеральных добавок, которые представляют собой тонкомолотые минеральные порошки, состоящие из низкоосновных силикатов, алюминатов и ферритов кальция, аморфного кремнезема и других веществ, которые обладают достаточно заметной самостоятельной гидравлической и пуццолановой активностью. Целью применения таких добавок является замена ими части клинкерного цемента при сохранении или увеличении прочности бетона и требуемой подвижности бетонной или растворной смеси.

Введение

в цементные системы тонкодисперсных наполнителей, инертных по отношению к воде, позволяет обеспечить создание необходимых реологических условий для получения высокотехнологичных и удобоукладываемых смесей и формирования плотно упакованной структуры твердения. Высокая плотность структуры может быть достигнута и за счет введения в систему 2−3 фракций минеральных микронаполнителей, близких друг к другу по кристаллохимическому строению. Наиболее целесообразным в этом случае является использование микронаполнителей, параметры кристаллических ячеек, которых соизмеримы с аналогичными параметрами гидратных фаз цементных систем. Применение в цементных системах дисперсных и ультрадисперсных минеральных наполнителей со структурными особенностями, близкими к цементным минералам, является целесообразным не только вследствие проявления многими из них химической активности, но и вследствие возможности встраивания их молекул в структуры кристаллогидратных фаз в процессе гидратации. Минеральные добавки, инертные по отношению к воде и не вступающие в реакции гидратации, в отличие от цемента, способствуют формированию устойчивой реологической матрицы цементных систем и улучшению технологических свойств растворных и бетонных смесей.

Технические требования, которым должны удовлетворять такие добавки, аналогичны сырьевым материалам, из которых производятся активные минеральные добавки: высокая дисперсность — удельная поверхность — 2000…5000 см²/г, размер зерен — менее 0,1 мм; аморфная, стеклообразная и частично кристаллизованная структура[1]. Получение порошков необходимого гранулометрического состава возможно с применением механоактивационных технологий. Кроме того, с учетом снижения активности цемента при длительном хранении, актуальной становится задача поиска минеральных добавок, изготовленных из местного сырья, для получения бетона с высокими эксплуатационными характеристиками.

Таким образом, целью данной работы является исследование возможности применения минерального сырья Республики Саха (Якутия) в качестве добавок к цементу с применением механоактивационных технологий, а также исследование структуры и механических свойств бетона, содержащего активированные добавки.

Для исследования были изготовлены образцы мелкозернистого бетона. В качестве вяжущего был использован портландцемент ПЦ 400 Д0 производства ОАО ПО «Якутцемент» (ГОСТ 10 178−85). В качестве заполнителя использовался песок из поймы р. Лена, который согласно ГОСТ 8736–93, соответствует II классу, категории очень мелкий — модуль крупности составляет М_кр = 1,29. Гранулометрический состав заполнителя приведен в табл. 1.

Таблица 1 — Гранулометрический состав песка.

В качестве минерального сырья были выбраны: цеолит месторождения Хонгуруу РС (Я) и глина Ой-Бесского месторождения РС (Я). В табл. 2 приведен состав минеральных добавок и исходного сырья.

Таблица 2 — Состав исходного сырья и минеральных добавок (%).

Для установления распределения частиц добавок по размерам и их текстурных характеристик были использованы следующие методы исследования: лазерная гранулометрия на установке «MicroSizer-201»; анализ поверхностных характеристик на анализаторе «СОРБТОМЕТР-М» по методу Брунауэра-Эметта-Тейлора (БЭТ). Структуру бетонов, содержащих активированные добавки, исследовали на сканирующем электронном микроскопе JSM-6480 LV «JEOL» (Япония). Определение предела прочности при сжатии осуществляли по ГОСТ 10 180–90 на прессе ИП-1А-1000 при скорости нагружения 3,5 кН/сек.Для исследования были изготовлены кубические образцы 70×70×70 мм (при соотношениях Ц: П 1:1,3 и В/Ц 0,4). Количество механоактивированной добавки составляло 5−15% от веса цемента. мелкозернистый бетон песок механоактивация Механоактивацию минеральных добавок производили на планетарной мельнице-активаторе АГО-2 при скорости вращения барабанов 1200 об/мин. Время активации составляло 2 мин, так как ранее проведенные исследования показали, что такая продолжительность активации наполнителей является оптимальной для получения наполненного бетона с высокими физико-механическими характеристиками.

Результаты исследования гранулометрического состава модифицирующих добавок приведены на рис. 1. Установлено что, доля фракций размером выше 0,1 мм составляет не более 1%.

Рисунок 1. Зерновой состав механоактивированных цеолита и глины Следует отметить, что гранулометрический состав механоактивированной глины характеризуется большей долей частиц с размером менее 10 мкм, в то время как фракционный состав цеолитов более равномерен — доля каждой фракции в составе молотого образца практически одинакова. Таким образом, исследование распределения частиц минеральных добавок по размерам показывает, что зерновой состав глины и цеолитов соответствует требованиям для применения в качестве минеральной добавки в цемент.

В табл. 3 приведены результаты исследования удельных поверхности и объема пор добавок до и после активации.

Таблица 3 — Текстурные характеристики минеральных добавок до и после механоактивации.

Установлено, что после механоактивации удельная поверхность цеолитов и глины повышается на 24 и 61% и объем пор на 65% и 75%, соответственно.

В табл. 4 представлены результаты исследования зависимости предела прочности при сжатии образцов исходного бетона и образцов бетона, содержащего 5, 10 и 15 масс.% минеральных добавок от времени твердения.

Таблица 4 — Кинетика прочности бетонов с механоактивированными минеральными добавками.

Установлено, что введение в бетон 5 мас.% механоактивированного цеолита позволяет на 70% повысить прочность бетона по сравнению с исходным образцом. Практически те же значения прочности получены при замене 10% массы цемента цеолитами. При замене 15% цемента цеолитами наблюдается существенное снижение ранней прочности бетона при сохранении исследуемого показателя на уровне исходного образца в проектном возрасте.

При использовании глины в качестве добавки-заменителя наблюдается обратная картина. При введении 5 масс.% глины прочность образцов бетона остается на уровне исходного образца, не содержащего добавок. Видно, что введение 15% механоактивированной глины от массы цемента позволяет получить бетон с высокой скоростью затвердевания. Причем, прочность такого бетона уже на ранней стадии твердения выше чем, прочность исходного бетона. В возрасте 28 суток его прочность на 42% выше по сравнению с исходным бетоном.

Эффективность и количественное соотношение минеральных добавок определяется, по-видимому, исходной структурой минерального сырья. Цеолиты имеют жесткий каркас с развитой системой пор и каналов. Вероятно, такая структура характеризуется высокими значениями водопотребления, что приводит к дефициту затворяющей жидкости и неполному протеканию гидратационных процессов при высокой степени наполнения. Слоистая структура глины, придающая ей пластичность, в свою очередь, характеризуется меньшим значением водопотребления, что позволяет частицам глины комфортно встраиваться в структуру бетона, не поглощая воду, необходимую для затвердевания.

На рис. 2. представлены результаты микроисследования образцов бетона, содержащих 15 масс.% модифицирующих добавок.

Рисунок 2. Структура бетона, содержащего механоактивированные добавки:

а) 15 масс.% глины; б) 15 масс.% цеолита Видно, что структура образца с активированной глинистой добавкой (рис. 2 а) более плотная, чем у образца с активированным цеолитом (рис. 2 б), межзерновые полости заполнены волокнистыми новообразованиями, создающими множественные пространственные связи, что в целом повышает плотность, а соответственно и прочность цементного камня. У образца с цеолитовой добавкой (рис. 2б) наблюдается структура с большим количеством свободного межзернового пространства, расстояния между кристаллическими формами достигает 15−20 мкм, почти отсутствуют игольчатые и волокнистые новообразования, что свидетельствует о более полном протекании гидратационных процессов.

Таким образом, показано, что введение в мелкозернистый бетон активированных минеральных добавок позволяет повысить скорость его твердения и проектную прочность. С учетом различного водопотребления применяемых добавок, для получения бетона с высокими эксплуатационными характеристиками, их концентрация должна быть различной. Следует отметить, что прочность бетона, содержащего 15 масс.% активированного цеолита, не ниже прочности исходного бетона, следовательно, его применение может быть эффективным для снижения расхода портландцемента.

Работа выполнена при поддержке проекта № 12−08−98 508 «Разработка технологий механоактивационной обработки местного минерального сырья для повышения качества бетонов», по региональному конкурсу грантов РФФИ_Арктика.

• 1. Добавки в бетон: справ. Пособие / В. С. Рамачандран, Р. Ф. Фельдман, М. Коллепарди и др. Под ред. В. С. Рамачандрана. Пер. с англ. Т. И. Розенберг, С. А. Болдырева; под ред. А. С. Болдырева, В. Б. Ратинова. М.: Стройиздат. 1988. 575 с.
• 2. Местников А. Е. Разработка и внедрение технологии производства стеновых материалов с улучшенными эксплуатационными свойствами из автоклавного ячеистого бетона на основе кварцполевого песка. Промежуточный отчет по государственному контракту РС (Я) № 1076 от 26 мая 2011 г. Якутск. 2012. 75 с.
• 3. Колодезников К. Е. Кемпендяйские цеолиты — новый вид минерального сырья в Якутии. — Якутск: ЯФ СО АН СССР, 1984. — 56 с.
• 4. О. Н. Лошанина, В. А. Семенов, А. Е. Местников. Особенности технологии производства композиционных строительных материалов и изделий из неорганического сырья // Конструкции из композиционных материалов. 19 999. № 4. С. 23−28.