Д.т.н. Соловьев В.И., д.т.н. Ткач Е.В., к.т.н. Рахимов
М.А.,
Рахимова Г.М.
Карагандинский государственный технический университет, Казахстан
Структура и пористость
модифицированного
цементного камня и бетона с
использованием
органоминерального модификатора типа
ОМД-М
Задачи повышения свойств
бетона, в том числе прочности и стойкости, успешно решаются применением
различных органических и неорганических соединений в качестве высокоэффективных
добавок-модификаторов. В экономически развитых странах практически весь
выпускаемый бетон изготавливается с применением модификаторов, которые во
многом предопределяют заранее заданные свойства [1].
Бетон является гетерогенным композиционным
материалом, матрицей которого служит цементный камень [2,3].
Систематизированные сведения
об особенностях структуры модифицированного бетона приведены в трудах Ю.М.
Баженова, В.Г. Батракова, Г.И. Горчакова,
З.И. Ларионовой, Л.В. Никитиной, Г.И. Книгиной, А.А. Кулибаева, В.И. Соловьева
и др.
Нами проведены исследования характера пор
в цементном камне с гидрофобизирующими комплексными модификаторами. Размеры пор
в исследуемых образцах определяли с помощью микроскопа МБС-2 при увеличениях от
х10 до х70. Характер структуры изучали также с помощью электронного микроскопа.
Образцы и препараты для исследований приготовляли по соответствующим методикам [4,5].
Результаты определения характера размеров
пор и макропористости в цементном камне приведены в таблицах 1 и 2.
Таблица 1 – Микропористость цементного
камня
Марка модификатора бетона; дозировка, %
масс.вяжущего |
Пористость цементного камня, % |
|||
общая |
дифференциальная |
|||
гелевая 10Å<d≤50Å |
капиллярная 50Å<d≤20 мкм |
|||
субмикропоры 50Å<d≤0,1 мкм |
микропоры 0,1 мкм<d≤20
мкм |
|||
1.
Без модификатора |
32,15 |
9,98 |
13,05 |
1,7 |
2.
12% ОМД-МС (модифицированная
органоминеральная добавка) |
36,85 |
14,08 |
17,48 |
1,28 |
3.
0,3 % ГПД (гидрофобно-пластифицирующая
добавка) плюс 3% тиосульфат натрия (ТСН) |
34,95 |
10,60 |
14,95 |
1,59 |
4.
0,4 % С-3 (суперпластификатор)
плюс 4 % ТСН |
35,81 |
13,05 |
15,88 |
1,32 |
Качество в цементном камне с модификатором
ОМД-МС обеспечивается улучшением распределения пор по размерам путем дробления
макропор, что является причиной сдвига в сторону увеличения количества мелких
пор порядка 70% в сравнении с цементным камнем без модификаторов и на 30% - с модификатором
С-3.
Таблица 2 –
Размеры пор и степень макропористости в цементном камне с модификатором марки
ОМД-МС
№ сос-тава |
Модификатор |
Размеры макропор, мкм |
Макропористость, % |
||||
макси-мум |
мини-мум |
преоблада-ющие |
макси-мум |
мини-мум |
преоблада-ющая |
||
1 |
Без модификатора |
750 |
60 |
140 |
11,8 |
2,88 |
5,85 |
2 |
12% ОМД-МС |
380 |
29,0 |
37,0 |
2,60 |
1,75 |
1,42 |
3 |
0,3 %ГПД плюс тиосульфат натрия |
498 |
40,0 |
41,0 |
3,32 |
2,05 |
2,86 |
4 |
0,4 % С-3 плюс тиосульфат натрия |
405 |
33,2 |
39,0 |
2,83 |
1,98 |
1,99 |
«Измельчение» пор из крупных в мелкие
происходит не только по известной схеме, за счет снижения поверхностной энергии
воды и структурирования «аморфизированными» продуктами гидратации вследствие
действия ПАВ (ЛСТ и СЖК), но и спецификой действия ультрадисперсного активного
микрокремнезема на процессы гидратации и структурообразования.
Доказательством улучшения качества
структуры, ее особенностей и фазового состояния можно считать результаты
рентгеноструктурного анализа цементного камня и исследования методом
рентгеновского малоуглового рассеивания.
Исследования фазового состояния и
микроструктуры цементного камня с предлагаемыми модификаторами представлены в
виде рентгенограмм (рисунок 1), из которого видно, что продуктами твердения
цементного камня являются:
- гелеобразные гидратные фазы с Мах 14 Å и 9 Å (аморфные)
с признаками структуры двух типов тоберморитов;
- кристаллические гидратные фазы портландит
Са(ОН)2 (4,917; 2,60; 1,92 Å) и CSH(I) (3,036; 1,45
Å).
Цементный камень также содержит определенное
количество негидратированных цементных минералов C3S (алит) — 2,777; 2,56; 1,799 Å и C2S (белит) (2,934; 2,746; 1,592 ).
Количественные оценки вышеуказанных фаз
охарактеризованы суммарной площадью аморфных гало и основных кристаллических
линий для каждой фазы в относительных единицах. Результаты фазового анализа
цементного камня с добавками (для сравнения без них) приведены в таблице 3.
Данные таблицы указывают, что предлагаемый модификатор способствует:
- повышению количества кристаллической
гидратной фазы CSH(I) ( от 7,4 до 8,9 о.е. последовательно с добавками с учетом
возможной карбонизации);
- снижению процессов образования гелеобразных гидратных аморфных
составляющих ( 14 Å от 20,1 до 11,8 о.е.).
Таблица 3 –
Данные рентгенофазового анализа цементного камня с различными модификаторами
Наименование добавки |
Расход добавки, % от массы цемента |
Интенсивность рентгеновского рассеяния (о.е.) |
||||
гидратные фазы |
клинкерные минералы |
|||||
аморфные |
кристаллические |
SJ C2S+C3S |
||||
SJ14 Å |
SJ9 Å |
SJ Ca(OH)2 |
SJ CSH(1) |
|||
1. Без модификаторов (контрольный) |
- |
20,1 |
0,52 |
0,86 |
7,4 |
4,3 |
2. ОМД-МС |
12 |
11,8 |
- |
0,26 |
8,9 |
6,9 |
3. ГПД |
0,3 |
14,4 |
- |
0,42 |
7,6 |
5,4 |
4. С-3 |
0,4 |
13,6 |
- |
0,33 |
8,1 |
6,4 |
По сравнению с добавкой ГПД этот процесс
характеризуется снижением интенсивности линий от 20,1 до 14,3 о.е;
- снижению количества кристаллического
новообразования портландита Са(ОН)2 снижается от 0,86 до
0,26 о.е.
Таким образом, анализ результатов фазового
состава цементного камня с добавками указывает на следующие особенности:
добавки к цементу снижают количество
гидратных аморфных составляющих (14Å, наибольшее снижение оказывает добавка
ОМД-МС;
- снижается количество портландита Са(ОН)2,
наибольший эффект дает добавка ОМД-МС;
- максимальный запас клинкерных минералов
соответствует модификаторам ГПД и ОМД-МС.
Таким образом, можно утверждать, что из
всех перечисленных гидрофобизирующих добавок по количеству новообразований, в
сравнении с добавкой ГПД и С-3, более эффективной является модификатор ОМД-МС, а также по максимальному запасу клинкерных минералов цемента более
эффективной является модификатор ГПД. Известно, что многие свойства цементного
камня определяются его химической природой как твердой, так и нетвердой фаз,
т.е. поровой структурой. Количественную информацию о дисперсной структуре
силикатных материалов может дополнить метод малоугловой рентгенографии при
совместном использовании рентгенографии в больших углах. Исследования
микропористой структуры цементного камня проводились с помощью прибора KPM-I. Результаты этих исследований с вышеназванными добавками и
без них приведены в таблице 4.
Таблица 4 – Данные
рентгеновского малоуглового рассеяния в
цементном камне (28 сут.
нормального твердения)
№ п\п |
Наименование добавки |
Расход добавки, % от массы цемента |
Параметры микроструктуры |
||
SJрму,
о.е. |
Rэфф,
Å |
DR, Å. |
|||
1. |
Без добавки (контрольный) |
- |
0,29 |
222 |
182 |
2. |
ОМД-МС |
12,0 |
0,51 |
224 |
149 |
3. |
ГПД |
0,3 |
0,30 |
236 |
157 |
4. |
С-3 |
0,4 |
0,66 |
288 |
152 |
Из данных таблицы 4 видно, что
цементный камень дает малоугловое рассеяние, указывающее на наличие
микронеоднородной структуры (РМУ=0,29 о.е.) с эффективным размером микронеоднородностей Rэфф=222Å и
разбросом по размерам 182Å.
Природа такого рассеяния, вероятно, обусловлена микропорами (флуктуация
плотности Δρ<1), образующимися при образовании гидросиликатов
кальция.
Наблюдается увеличение
интенсивности малоуглового рассеяния в цементном камне (последовательно от 0,29
до 0,51 о.е.), что характеризует увеличение количества микропор в условной
единице объема и вызвано, вероятно, как с количеством гидратных фаз, так и с их
качеством при твердении цемента.
Эффективный размер микропор (Rэфф) увеличивается с гидрофобизирующим модификатором ОМД-МС
при уменьшении разброса их по размерам (ΔR от 189 до 149). Такое положительное
влияние на параметры микропористой структуры объясняется процессами,
протекающими при твердении цемента с модификатором ОМД-МС.
Литература
1.
Кулибаев А.А. и др.
Формирование структуры бетонов с модифициррующими добавками // Вестник НИИстромпроекта.-2009.
- № 5-6 (20).-с. 3-5.
2.
Баженов Ю.М.
Технология бетона. М., 1978.
3.
Дворкин Л.И., Дворкин
О.Л. Основы бетоноведения, - Санкт-Петербург: Стройбетон, 2006. – с. 511-547.
4.
Ларионова З.И., Никитина
ОЛ.В., Гарашин В.Р. Фазовый состав, микроструктура и прочность цементного камня
и бетона. - М: Стройиздат, - 1977. -262с.
5.
Горшков B.C., Тимашев
В.В., Савельев В.Г., Методы физико-химического анализа вяжущих веществ: Учеб.
пособие. -М.: Высшая школа, 1981.-335 с.