Хохряков О.В., старший преподаватель кафедры Технологии строительных материалов, изделий и конструкций

Бахтин М.А., студент Строительно-технологического факультета, 5-й курс

Казанский государственный архитектурно-строительный университет

О ЗАВИСИМОСТИ ВОДОПОТРЕБНОСТИ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА И НАПОЛНИТЕЛЕЙ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ИХ УДЕЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И СОДЕРЖАНИЯ СУПЕРПЛАСТИФИКАТОРА

В статье изучена водопотребность тонкодисперсных материалов различной природы (кремнезем- и карбонатсодержащих) в зависимости от их удельной поверхности и применения суперпластификатора. С учетом современных представлений о поверхностном взаимодействии на границе твердое тело-жидкость предложено объяснение изменения водопотребности этих материалов.

Современная тенденция производства цементных вяжущих направлена на использование в их составе тонкомолотых порошкообразных наполнителей различного происхождения. Например, по данным цементного концерна «Holcim» в мире выпускается не менее 75 % наполненных портландцементов. Главным образом, наполнители необходимы из эколого-экономических соображений, но, с другой стороны, благодаря им обеспечивается улучшение технологических и физико-технических свойств бетонов.

Наполнители существенно изменяют поведение бетонной смеси на стадии приготовления. Они влияют на её структуру и свойства путем перераспределения характера и значений сил, возникающих между тонкими частицами твердой фазы и жидкой средой. При обогащении бетонных смесей тонкодисперсными наполнителями уменьшается капиллярное взаимодействие, и начинают преобладать силы поверхностного характера, причем в зависимости от природы наполнителя свойства смеси проявляются по-разному.

Одним из наиболее информативных критериев, указывающим характер взаимодействия на границе твердое тело-жидкость, является водопотребность. Нами проведена сравнительная оценка водопотребности портландцемента и наполнителей различной природы (кремнезем- и карбонатсодержащих) в зависимости от удельной поверхности и содержания суперпластификатора С-3 (1 % от массы материала). Тип наполнителей, их физические свойства и энергозатраты на измельчение приведены в табл.1. В качестве карбонатсодержащих пород использовали следующие: №1 – известняк Тат-безднинского месторождения, №2 – доломит Васильевского месторождения, №3 – известняк Большекармазинского месторождения. Измельчение материалов осуществляли в вибрационно-шаровой мельнице ООО «Консит-А». Способ введения суперпластификатора – с водой затворения.

Водопотребность оценивали по методике [1] на равноподвижных смесях. Результаты исследования представлены в табл. 2. При объяснении полученных зависимостей использовали литературные данные [2-5].

Таблица 1

Свойства портландцемента и различных наполнителей

№ п/п	Наименование свойств	Ед. изм.	ПЦ	Песок кварц.	Карбонатсодержащие породы
					№1	№2	№3
1	Истинная плотность ρи	г/см^3	3,0	2,65	2,5	2,78	2,79
2	Насыпная плотность ρн	г/см^3	1,1	0,9	0,82	0,9	1,01
3	Удельная поверхность Sуд1 Sуд2	м^2 кг	315 600	285 630	310 615	305 630	280 610
4	Энергозатраты на помол (Э) при Sуд1 при Sуд2	Вт·ч кг	- 1570	419 786	39 201	48 288	79 393
5	Удельные энергозатраты Э/Sуд1 Э/Sуд2	Вт·ч/м^2	- 2,62	1,47 1,25	0,13 0,33	0,16 0,46	0,28 0,64
6	Сорбционная влагоемкость	мас.%	-	0,1	2,0	1,4	0,2
7	рН^* (10-% раствор)	-	11,8	11,1	9,9	10,3	9,8
8	Пустотность П=(1–ρн/ρи)·100%	%	63,3	66,0	67,2	67,6	63,8

^* - рН дистиллированной воды 6,2

Таблица 2

Сравнительная водопотребность портландцемента и различных наполнителей

№ п/п	Наименование свойств	Ед. изм.	ПЦ	Песок кварц.	Карбонатсодержащие породы различных месторождений
					№1	№2	№3
1	Удельная поверхность Sуд1	см^2/г	3150	2850	3100	3050	2800
2	Водопотребность, - без СП С-3 (В/Т1) - с СП С-3 (В/Т2)	-	0,40 0,33	0,39 0,33	0,45 0,42	0,48 0,43	0,42 0,32
3	Снижение водопотребности, ∆В=(В/Т1-В/Т2)*100%/(В/Т1)	%	17,5	15,3	7,4	9,5	24,0
4	Удельная водопотребность, УД1=(В/Тн)·10^5/Sуд1 - без СП С-3 - с СП С-3	мл см^2	12,7 10,5	13,8 11,7	14,5 13,4	15,6 14,1	14,9 11,3
5	Удельная поверхность Sуд2	см^2/г	6000	6300	6150	6300	6100
6	Водопотребность, - без СП С-3 (В/Т3) - с СП С-3 (В/Т4)	-	0,55 0,40	0,53 0,34	0,52 0,35	0,51 0,34	0,45 0,26
7	Снижение водопотребности, ∆В=(В/Т3-В/Т4)*100%/(В/Т3)	%	27	35	33	33	43
8	Удельная водопотребность, УД2=(В/Тн)·10^5/Sуд2 - без СП С-3 - с СП С-3	мл см^2	9,2 6,7	8,3 5,4	8,5 5,7	8,1 5,4	7,4 4,2
9	Увеличение водопотребности, ∆В=(В/Т1-В/Т3)*100%/(В/Т1)	%	37,5	33,5	15,6	7,0	8,0
10	Увеличение(+)/Снижение(-) водопотребности, ∆В=(В/Т2-В/Т4)*100%/(В/Т2)	%	+21,2	+2,0	-16,0	-20,5	-18,4

Из результатов табл. 2 следует, что при S_уд1=3000 см²/г наибольшим снижением водопотребности обладает известняк №3 (24 %), а наименьшим – известняки №1 и №2, что, очевидно, связано с высокой пористостью их частиц. Последние, являясь сорбционными материалами (табл.1), за счет капиллярных сил впитывают часть воды, соответственно, долю межзерновой свободной воды необходимо увеличивать, поэтому водопотребность возрастает. При этом С-3 существенно не препятствует этому впитыванию. Известняк № 3 – относительно плотный и прочный материал (табл. 1). Он обладает сравнительно невысокой пустотностью частиц и, соответственно, низкой сорбционной влагоемкостью.

С увеличением удельной поверхности данных материалов до S_уд2=6000-6300 см²/г существенно изменяется водопотребность. Как видно она возрастает непропорционально увеличению удельной поверхности, поэтому удельная водопотребность снижается в 1,5-2 раза. Особенно ярко это проявляется для известняков, т.к. увеличение их тонины в 2 раза приводит к небольшому росту водопотребности (7…15,6 %), в то время как у портландцемента и песка кварцевого она возрастает значительно (на 37,5 и 33,5 %). С одной стороны, это может быть связано с разрушением частиц, в частности, известняков №1 и №2 по наиболее слабым зонам (микропорам и капиллярам), что снижает долю впитанной воды. С другой, вероятно, снижается внутреннее трение между мельчайшими частицами известняка за счет сравнительно низкого коэффициента трения, чем у частиц кварцевого песка. Нельзя исключить образование одноименных зарядов на поверхности частиц (Са²⁺), благодаря которым возникают силы отталкивания.

Рост водопотребности (37,5 %) при увеличении тонины цемента объясняется значительной долей уплотненной воды в адсорбционном слое на поверхности частиц. Также возможно флокулообразование частиц за счет появления на их поверхности, главным образом, в углах и ребрах разноименных зарядов (например, за счет Са²⁺ и ОН^-, появляющихся при «выбрасывании» гидратной извести из цементного зерна).

Заметное влияние на водопотребность материалов оказывает суперпластификатор С-3. Как видно, для известняков она существенно снижается (на 33 и 43 %), что вызвано хемосорбцией анионактивных функциональных групп суперпластификатора на положительно заряженных частицах. Благодаря этому происходит взаимное отталкивание соседних одноименно заряженных частиц и высвобождение избыточной воды.

Аналогичный процесс протекает и для цемента с суперпластификатором. Отличие состоит в том, что последний адсорбируется в основном на гидратных алюминатных новообразованиях. Так как их доля в цементе, как правило, не превышает 30 %, то и эффект взаимного отталкивания и высвобождения избыточной воды ниже, чем у известняков.

Согласно [3] хемосорбции между кварцевым песком и суперпластификатором не происходит, и их взаимодействие объясняется только физической адсорбцией. В данном случае суперпластификатор совместно с наиболее тонкими частицами создают поверхность скольжения между более грубыми и шероховатыми частицами.

Таким образом, из анализа результатов водопотребности материалов различной природы косвенно можно судить о характере поверхностного взаимодействия на границе твердое тело-жидкость. Показано, что снижение водопотребности карбонатных наполнителей обеспечивается при увеличении их удельной поверхности и введении суперпластификатора.

Список литературы

1. Калашников В.И., Коровкин М.О., Кузнецов Ю.С. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Вяжущие вещества». – Пенза: ПГУАС, 1995. – 33 с.

2. Баженов Ю.М. Технология бетона. – М.: Изд-во АСВ, 2002 – 500 с.

3. Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1998. – 768 с.

4. Волженский А.В., Буров Ю.С., Колокольников В.С. Минеральные вяжущие вещества. Технология и свойства. – 3-е издание переп. и доп. – М: Стройиздат, 1979. – 476 с.

5. Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Основы бетоноведения. – Санкт-Петербург: ООО «Строй бетон», 2006. – 692 с.