Проформуванні ранньої міцності цементного каменю
ALTE DOCUMENTE
І. Н. Медведєва, к. т. н., доцент,
Санкт-Петербурзький державний технологічний інститут
Про формування ранньої міцності цементного каменю
Стаття розповідає про різні добавки, що підвищують швидкість набору міцності цементу.
Проблема формування ранньої міцності цементного каменю набуває все більшої актуальності у зв'язку зі збільшенням будівельних робіт монолітним способом, з бажанням прискорити оборотність форм при виробництві збірного бетону та залізобетону, зі зростанням обсягу ремонтних та відновлювальних робіт, у тому числі при знижених та негативних температурах. При цьому поряд з високою швидкістю набору міцності до цементного каменю пред'являються додаткові вимоги: щодо поліпшення зовнішнього вигляду, стійкості до впливу агресивних середовищ, довговічності.
Швидкість наростання міцності цементним каменем визначається безліччю факторів: характеристиками в'яжучих речовин, умовами їх зберігання та твердіння, впливом добавок, що модифікують.
Основні характеристики цементу, що впливають на кінетику наростання міцності, такі:
(1) фазово-мінералогічний склад цементу (активність цементу в ранні терміни залежить від вмісту С3А та фази аліту, які в клінкерах різних заводів змінюються в діапазонах 3 – 9 % та 54 – 65 % відповідно [monobor1] ) [1].
(2) речовий склад цементу (цементи з активними мінеральними добавками характеризуються уповільненим набором міцності в ранні терміни, причому важливу роль відіграє хімічний, фазовий склад добавок, їхня дисперсність).
(4) наявність лугів у цементі призводить до підвищення ранньої міцності, але знижує, як правило, міцність у пізні терміни твердіння.
Незважаючи на те щоперераховані вище фактори складаються в процесі виробництва цементу, споживачам цементу необхідно враховувати їх при проектуванні цементного каменю з високою ранньою міцністю.
Світова тенденція полягає у постійному погіршенні якості сировинних матеріалів як для виробництва в'язких речовин, так і бетонів та розчинів. У зв'язку з цим особливої актуальності набуває застосування широкого спектру хімічних добавок, які забезпечують зниження водопотреби (В/Ц), підвищують пластичність розчинних та бетонних сумішей, прискорюють твердіння, регулюють структуру каменю. Узагальнення дії добавок, що модифікують, на властивості розчинів і бетонів представлені в роботах [3, 4].
Світова тенденція полягає у постійному погіршенні якості сировинних матеріалів як для виробництва в'язких речовин, так і бетонів та розчинів.
Водоредулюючі (водознижувальні) добавки - це пластифікатори, які дозволяють знизити В/Ц на 15 - 50%, підвищують рухливість розчинних сумішей. Як даний вид добавок використовуються лігносульфонати, сульфоновані нафталінформальдегідні полімери (СНФ), сульфоновані меламінформальдегідні полімери (СМФ), а також гіперпластифікатори на основі полікарбонових кислот. Добавки у вигляді порошків або водних розчинів вводяться в суху суміш або в процесі виготовлення розчинів і бетонів. Значне зниження В/Ц пояснюється адсорбцією добавок на цементних зернах, що гідратуються, і зменшенням їх злипання між собою. Гіперпластифікатори нового покоління забезпечують зниження В/Ц завдяки створенню стеричних перешкод, які не стримують гідратацію цементу, забезпечуючи можливість підвищення міцності цементного каменю та бетону не тільки в ранні терміни (1 діб), але й у пізніші терміни твердіння. При цьому слід враховувати,що ефективність дії супер- та гіперпластифікаторів на ранніх стадіях гідратації пов'язана з фазово-мінералогічним складом цементу, механізмом дії добавок [5], а також із взаємним впливом комплексних добавок. На прикладі швидкотвердіючих складів досліджено спільний вплив полікарбоксилатних гіперпластифікаторів різних марок у поєднанні із сповільнювачами схоплювання – винною та лимонною кислотою, які забезпечують підвищення життєздатності розчинних сумішей (рис. 1, 2). Розчинні суміші, які містять гіперпластифікатор у поєднанні з лимонною кислотою, характеризуються меншою життєздатністю та нижчою міцністю в ранні терміни твердіння порівняно з розчинними сумішами, в яких гіперпластифікатори застосовуються спільно з винною кислотою. Крім того, у поєднанні з винною та лимонною кислотою оптимальні властивості розчинним сумішам і розчинам надають різні марки гіперпластифікаторів - з винною кислотою - Melflux 2651 F (SKW, Німеччина), з лимонною - ViscoCr е te 105 P (Sika).
У світовій літературі є значна кількість публікацій щодо з'ясування механізму дії МК у цементних системах. Багато дослідників відносять МК до суперпуццолан, набагато ефективніше швидкодіючим, ніж інші види пуццоланів. До того ж, не всі частинки мікрокремнезему реагують одночасно [4]. За допомогою скануючого електронного мікроскопа показано, що більшість частинок МК розчиняються протягом 24 годин, тоді як інші не вступають у реакцію навіть через місяць після замішування. Дослідженнями встановлено практично повну відсутність піків портландиту у складах із добавкою МК. Це дозволяє зробити висновок про те, що портландит, утворений в ході гідратації C 3 S і C 2 S з'єднується з МК з утворенням C - S - H -гелю.
Позитивна дія мікрокремнезему пояснюється значним поліпшенням мікроструктури гідратованих цементних паст поблизу заповнювача з формуванням менш пористого перехідного шару в бетонах з МК, що складається з щільного гелю С-S-Н замість пухких кристалів портландиту та еттрингіту в контрольних складах. Наголошується, що міцність контактної зони зростає зі збільшенням кількості введеного МК. Основним фактором у механізмі дії МК є реакція взаємодії діоксиду кремнію та гідроксиду кальцію з утворенням низькоосновних гідросилікатів типу С-S-Н(I) із співвідношенням CaO/SiO 2 =0,9 - 1,3.
Встановлено, що введення МК до складу цементного каменю не змінює загальну пористість, але впливає на диференціальну, збільшуючи кількість пір гелевих. Дослідження щодо впливу МК на міцність показали, що в ранні терміни (до 7 діб) вплив МК на міцність обумовлено, головним чином, фізичним ефектом, пов'язаним з поліпшенням упаковки в'яжучого та наповнювача в структурі. До 28 діб. проявляється і хімічний ефект, що полягає у підвищенні міцності рахунок взаємодії з продуктами гідратації цементу.
Введення МК до складу цементного каменю не змінює загальну пористість, але впливає на диференціальну, збільшуючи кількість гелевих пір.
Дослідження впливу добавок МК на властивості цементних сухих сумішей показали, що при оптимальному введенні до складу сухої суміші не більше 5 % маси МК підвищується міцність розчинів як у ранні терміни твердіння, так і через 28 діб. твердіння. Ефективність дії МК зростає в процесі експлуатації розчинів в умовах підвищеної вологості повітря та у воді. При цьому зафіксовано підвищення водонепроникності, довговічності морозостійкості розчинів.
Як добавки - прискорювачі схоплюваннята твердіння найчастіше використовуються солі неорганічних та органічних кислот. Найбільш ефективний прискорювач CaCl 2 останнім часом застосовується обмежено, тому що навіть при введенні в помірних концентраціях до 2% викликає корозію арматури, через гігроскопічність підтримує високу постійну вологість бетону.
Добавки на основі карбонатів, сульфатів, алюмінатів, силікатів лужних металів прискорюють схоплювання та твердіння в'яжучих. Однак застосування лужних прискорювачів, наприклад, гідратованих силікатів натрію [6], знижує міцність у пізніші терміни і може стати причиною лужної корозії заповнювача в бетоні та розчині.
Відомим прийомом скорочення термінів схоплювання портландцементу є введення до його складу глиноземистого цементу або інших добавок, що містять у своєму складі активні форми оксиду та гідроксиду алюмінію [2]. При цьому введення добавки глиноземистого цементу призводить до зниження міцності, порівняно з окремими цементами.
Дослідження впливу великої групи добавок на основі оксидів і гідроксидів алюмінію на схоплювання і твердіння цементу [7] дозволили встановити, що активність по відношенню до портландцементу мають продукти, що містять у своєму складі аморфний гідроксид алюмінію. Особливістю таких продуктів, поряд з високою питомою поверхнею (45 м 2 /г), є здатність утримувати до 20% сорбційно пов'язаної
Найбільш широко застосовуваною нині добавкою-прискорювачем для портландцементу є солі мурашиної кислоти - форміати кальцію та натрію.
води, що дегідратується при t = 130 - 140 °С. Введення 1 - 3 % маси добавок, що містять аморфний гідроксид алюмінію, до складу цементу забезпечує значне (у 2 - 7 разів) скорочення термінів схоплюванняцементів, а також підвищення (у 2 – 3 рази) міцності через 1 добу. твердіння, а також у пізніші терміни твердіння (рис. 3). Встановлено вибірковість дії добавок на цементи різного виду. При скороченні термінів схоплювання всіх видів цементів, введення таких добавок забезпечує підвищення міцності тільки на цементах, що не містять у складі активних мінеральних добавок. Прискорення твердіння портландцементу в присутності добавки аморфного гідроксиду алюмінію пов'язане з підвищеним утворенням еттрингіту в ранні терміни, а також прискорення гідратації фази аліту.
Таким чином, ефективність прискорення твердіння цементу із застосуванням хімічних добавок вибіркова і пов'язана як з мінералогічним, речовинним складом цементу, так і взаємним впливом добавок різних груп дії при їх спільному введенні.
1. Якість продукції цементних заводів України та ближнього зарубіжжя у 2000 – 2001 рр.: Довідник. - СПб.: НДІ Гіпроцемент-Наука, 2002.
2. Тейлор Х. Хімія цементу. - М: Світ, 1996.
3. Батраков В. Г. Модифіковані бетони. Теорія та практика. - М: Техпроект, 1998.
4. Рамачандран В., Фельдман Р., Бодуен Дж. Добавки до бетону. - М.: Будвидав, 1988.
5. Ушеров-Маршак А. В., Ціак М., Першіна Л. А. Сумісність цементів з хімічними та мінеральними добавками // Цемент та його застосування. – 2002. – № 6. – С. 6 – 8.
6. Бриков А. С., Данилов В. В., Ларічков А. В. Особливості гідратації портландцементу у присутності гідросилікатів натрію // ЖПХ. – 2006. – Т. 79. – № 4. – С. 533 – 536.
7. Ілясов А. Г., Медведєва І. Н., Корнєєв В. І. Прискорювачі схоплювання та твердіння портландцементу на основі оксидів та гідроксидів алюмінію // Цемент та його застосування. – 2005. – № 2. – С. 61 – 63.