Строительство, архитектура /4 Современные строительные материалы
д.т.н. Кулибаев А.А., д.т.н. Нурбатуров
К.А., к.т.н. Родионова А.А.,
к.т.н. Де И.М., инж. Дручинина Л.А.
ТОО «ИННОБИЛД», Казахстан
СИНТЕЗ ВЫСОКОПРОЧНОГО
ЦЕМЕНТНОЗОЛЬНОГО
ВЯЖУЩЕГО
Работы ряда ведущих
научно-исследовательских институтов в области бетона и железобетона [1-4]
показали возможность существенного улучшения качественных и технологических
характеристик бетона при использовании вяжущих, полученных помолом клинкера или
домолом цемента совместно с суперпластификатором или другими высокоэффективными
водопонизителями. Открылись перспективы получения бетонов с уникальными
свойствами за счет использования пылевидных отходов производства, создания
новых видов цементнозольного вяжущего с использованием суперпластификатора и
минеральных добавок природного и техногенного происхождения.
Как показано в работах [1], в процессе
гидратационного твердения таких вяжущих формируется тонкодисперсная и
тонкопористая структура, обеспечивающая получение композиционных материалов с
прочностью, превосходящей прочность обычных бетонов в два раза и более. Новым
направлением повышения эффективности золы-уноса в цементных бетонах является
комбинирование ее с цементом и добавкой суперпластификатора С-3 с последующей активацией. Одним из
условий получения тонкомолотого цементнозольного вяжущего является придание ему
высокой пластичности при возможно минимальных значениях водоцементного
отношения. Эта задача решается применением суперпластификаторов, эффективность
действия которых зависит от минерального состава цемента и мелкодисперсных минеральных
наполнителей – микрокремнезема, высокодисперсной золы-уноса с минимальным
содержание несгоревшего топлива, активных шлаков и других отходов [2].
Применение механоактивации в технологии
вяжущих материалов позволяет получать вяжуще со специальными свойствами и
открывает перспективы получения качественных вяжущих с применением таких
невостребованных промышленных отходов, какими являются кислые золы-уноса ТЭС [2,
3]. Однако широкое внедрение в технологию бетона зол ТЭС, многие из которых
отличаются нестабильностью свойств и содержат нежелательные компоненты, требует
особого внимания к качеству бетона, обеспечивающему долговечность изделий и
конструкций.
В ходе эксперимента по синтезу цементнозольного вяжущего была установлена
сложная взаимосвязь расхода золы, ее дисперсности, содержания добавки
суперпластификатора С-3 при различных параметрах составов вяжущих. Установлено,
что зола-унос активно участвует в формировании микроструктуры цементного камня
и влияет на его свойства. Для многопланового анализа этих взаимосвязей и
определения оптимальных параметров выполнены обширные исследования, позволяющие
получить большой комплекс экспериментально-статистических моделей.
В опытах определяли нормальную густоту
цементного теста с различным содержанием золы и суперпластификатора. С
повышением содержания золы нормальная густота цементного теста возрастает, с
введением суперпластификатора – снижается. Определено, что при увеличении количества
С-3 от 0,5 до 1,3 % от массы цемента
нормальная густота теста снижается на ~ 8 % при содержании золы до 20-25 % и
на ~ 11 % с увеличением содержания золы
до 30 %. Увеличение содержания золы в
цементнозольном вяжущем приводит к постепенному повышению нормальной густоты
как без добавки, так и с добавкой суперпластификатора. Для получения
равноподвижных смесей в этом случае требуется увеличивать содержание
суперпластификатора. Вместе с тем введение суперпластификатора позволяет при
получении равноподвижных смесей снизить водоцементное отношение и тем самым
повысить прочность вяжущего и бетона.
Прочность цементнозольного камня с
повышением содержания в нем золы снижается. С повышением расхода
суперпластификатора С-3 от 0,5 до 1,3 % от массы вяжущего при содержании в
вяжущем до 15 % золы-уноса прочность золоцементного камня повышается на 15-20
%, при содержании золы 25-30 % - на 25-35 %.
Выявлено, что активация золы при домоле осуществляется
как за счет повышения дисперсности, так и за счет разрушения поверхностных
слоев стекловидной оболочки [4]. В кристаллических решетках минералов при
механохимической активации в результате пластической деформации возникают
дефекты, повышающие подвижность электронов в подрешетках и ускоряющие взаимодействие
поверхностного слоя с водой. Скорость гетерогенных химических процессов в
тонких порошках определяется как возрастанием их удельной поверхности, так и
разрушением кристаллической структуры и аморфизованной части.
Установлено, что водопотребность тонкомолотого
цементнозольного вяжущего, содержащего
до 20 % золы, снижается по сравнению с водопотребностью исходного цемента на
12-15 % при (0,5-0,9) % и на 20 % при 1,5 % С-3 (таблица 1). С увеличением
содержания золы до ~ 30 % нормальная густота вяжущего снижается на 15-17 % при
(0,6-1 %) С-3 и на 22 % при 2,2 % С-3. При содержании золы ~ 50 % нормальная густота вяжущего снижается на
15-17 % при (0,8-1,3 %) С-3 и на 20 %
при 2,5 % С-3.
Цементнозольное вяжущее характеризуется
замедленными сроками схватывания: с увеличением содержания золы до ~ 50 % конец
схватывания замедляется более чем на 30 %. Для изучения влияния тонкости помола
на физико-механические свойства цементнозольного вяжущего произведен домол
исходных компонентов в скоростном смесители. Содержание цемента в составе
вяжущего принято 80, 70 и 50 %, остальное – зола и пластифицирующая добавка С-3.
Таблица
1 – Влияние расхода золы и
суперпластификатора на нормальную густоту и сроки схватывания
|
Состав вяжущего, % |
Нормальная
густота, % |
Сроки схватывания, ч-мин |
|||
|
цемент |
зола |
С-3 |
начало |
конец |
|
|
Исходный цемент |
|||||
|
100 |
- |
- |
26,5 |
2-50 |
3-30 |
|
Цементнозольное вяжущее |
|||||
|
80 |
19,5 |
0,5 |
23,2 |
1-25 |
3-15 |
|
70 |
29,4 |
0,6 |
22,0 |
1-20 |
4-25 |
|
50 |
49,2 |
0,8 |
22,6 |
1-50 |
5-05 |
|
80 |
19,1 |
0,9 |
22,6 |
1-50 |
4-25 |
|
70 |
29,0 |
1,0 |
22,0 |
1-50 |
4-20 |
|
50 |
48,7 |
1,3 |
22,6 |
2-00 |
4-30 |
|
80 |
18,5 |
1,5 |
21,0 |
1-55 |
3-30 |
|
70 |
27,8 |
2,2 |
20,6 |
2-00 |
4-00 |
|
50 |
47,5 |
2,5 |
21,0 |
2-20 |
4-50 |
Наилучшие прочностные показатели
цементнозольного вяжущего получены при использовании золы-уноса до 20 % (таблица
2). При удельной поверхности 450 м2/кг прочность при сжатии
вяжущего, содержащего 50-80 % цемента через 28 суток нормального твердения
составляет 40-48 МПа при содержании суперпластификатора от 0,5 до 1,0 % и 43-53
МПа при содержании суперпластификатора от 1,3 до 2,2 %. Полученное цементнозольное
вяжущее характеризуется недостаточно интенсивным нарастанием прочности в ранние
сроки: через 7 и 14 сут нормального твердения прочность составила
соответственно 21-30 и 28- 33 МПа,
что соответствует 30-50% от прочности в 28-суточном возрасте. С повышением содержания
цемента и суперпластификатора С-3 (до 2,5 %) в составе вяжущего нарастание прочности ускоряется. С
увеличением удельной
Таблица
2 – Влияние тонкости помола на прочность цементнозольного вяжущего
|
Состав вяжущего, % |
Предел прочности, МПа |
|||||||
|
цемент |
зола |
С-3 |
при изгибе |
при сжатии |
||||
|
возраст, сут |
||||||||
|
7 |
14 |
28 |
7 |
14 |
28 |
|||
|
Удельная поверхность 450 м2/кг |
||||||||
|
80 |
19,5 |
0,5 |
4,4 |
5,0 |
6,3 |
21,6 |
29,7 |
43,0 |
|
70 |
29,4 |
0,6 |
4,2 |
5,1 |
6,6 |
21,5 |
28,2 |
42,0 |
|
50 |
49,2 |
0,8 |
4,0 |
4,8 |
6,4 |
20,8 |
27,8 |
40,3 |
|
80 |
19,1 |
0,9 |
4,8 |
5,4 |
6,5 |
27,9 |
32,9 |
48,2 |
|
70 |
29,0 |
1,0 |
4,6 |
5,3 |
6,4 |
29,0 |
32,6 |
46,4 |
|
50 |
48,7 |
1,3 |
4,3 |
5,0 |
6,0 |
27,0 |
32,0 |
42,9 |
|
80 |
18,5 |
1,5 |
5,0 |
5,4 |
6,3 |
30,0 |
33,0 |
53,2 |
|
70 |
27,8 |
2,2 |
4,8 |
5,5 |
6,6 |
29,8 |
33,4 |
50,8 |
|
50 |
47,5 |
2,5 |
4,6 |
5,2 |
6,1 |
27,0 |
30,6 |
42,4 |
|
Удельная поверхность 550 м2/кг |
||||||||
|
80 |
19,5 |
0,5 |
5,8 |
7,8 |
8,2 |
28,6 |
36,3 |
54,2 |
|
70 |
29,4 |
0,6 |
5,6 |
7,4 |
8,1 |
26,8 |
34,1 |
52,0 |
|
50 |
49,2 |
0,8 |
5,2 |
7,0 |
7,6 |
24,5 |
32,0 |
44,9 |
|
80 |
19,1 |
0,9 |
6,8 |
8,3 |
8,6 |
32,0 |
43,9 |
58,6 |
|
70 |
29,0 |
1,0 |
6,6 |
8,0 |
8,4 |
28,7 |
40,7 |
54,0 |
|
50 |
48,7 |
1,3 |
5,0 |
7,6 |
7,8 |
25,0 |
33,8 |
46,3 |
|
80 |
18,5 |
1,5 |
7,4 |
8,8 |
9,3 |
38,9 |
47,6 |
68,3 |
|
70 |
27,8 |
2,2 |
7,0 |
8,2 |
9,0 |
32,0 |
43,2 |
63,4 |
|
50 |
47,5 |
2,5 |
6,0 |
8,2 |
8,8 |
27,0 |
41,4 |
50,0 |
поверхности до 550 м2/кг активность цементнозольного
вяжущего повышается на 10-20 МПа. К 28-суточному возрасту нормального твердения
прочность при сжатии вяжущего, содержащего 70-80 % цемента, достигает 50-58 МПа
при содержании суперпластификатора С-3 0,5-1,0 % и 63-68 МПа при содержании С-3
1,3-2,2 %. При содержании цемента 50
% прочность бетона при содержании С-3 2,5 % достигает 50,0 МПа. Значительно
интенсифицируется нарастание прочности в ранние сроки твердения (в 7-суточном
возрасте достигается 50-60 % прочности от 28-суточной).
Таким образом, полученное цементнозольное
вяжущее отличается высокой реализацией вяжущих свойств цементной составляющей,
обеспечивает возможность сокращения расхода цемента до 50 % и позволяет
изготавливать монолитные и сборные бетонные и железобетонные изделия и
конструкции по беспропарочной технологии.
Литература
1. Борисов А.А., Поляков Л.Г., Викторов
В.Г., Горбунова В.С.,
Фомина Л.В. Особенности подбора материалов при
разработке составов и технологии высокопрочных бетонов // Строительные
материалы.-2001.-№6.-
С.28-29.
2. Звездов А.И., Михайлов К.В. ХХI век – век бетона и железобетона // Бетон и
железобетон.- 2001.-№1.-С.2-6.
3. Баженов Ю.М., Калашников В.И.,
Демьянова В.С. Модифицированные высококачественные бетоны.- М.: Из-во АСВ, 2006.-368с.
4. Чернышев Е.М.., Коротких Д.Н. Модифицирование структуры цементного камня микро- и наноразмерными частицами кремнезема (вопросы теории и приложений) // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века.-2008.-№5.-С.30-32.