Содержание к диссертации
Введение
1. Современные способы активации цемента для повышения ранней и марочной прочности бетонов 15
1.1. Общие сведения 15
1.2. Механическая и механохимическая активации цемента в сухой среде . 20
1.3. Механическая и механохимическая активация цемента в жидкой среде 26
1.4. Механохимическая активация цементной суспензии в роторно-пульсационном аппарате 31
1.5. Механизм действия суперпластифицирующих добавок в цементных системах 37
1.6. Предпосылки повышения ранней прочности цементных композиций механохимической активацией цементной суспензии, содержащей суперпластифицирующую и активную минеральную добавки 41
Выводы по главе 1 46
2. Материалы, оборудование и методы исследования 48
2.1. Характеристики используемых материалов и оборудования 48
2.1.1. Вяжущие материалы 48
2.1.2. Инертные материалы 50
2.1.2.1. Мелкий заполнитель 50
2.1.2.2. Крупный заполнитель . 51
2.1.3. Добавки 53
2.1.4. Вода затворения 54
2.1.5. Роторно-пульсационный аппарат 55
2.2. Методы исследований 57
2.2.1. Изучение физико-технических свойств цемента, раствора и бетона 57
2.2.2. Изучение деформативных свойств бетона . 59
2.2.3. Комплексный термический анализ . 60
2.2.4. Рентгенофазовый анализ . 61
2.2.5. Оптический метод исследования 61
2.3. Статическая обработка экспериментальных данных . 62
3. Влияние суперпластифицирующих добавок, продолжительности активации и доли активированного цемента на физико- технические свойства тяжелого бетона на основе механохимически активированной цементной суспензии 63
3.1 Влияние водоцементного отношения цементной суспензии на производительность роторно-пульсационного аппарата 63
3.2. Влияние механоактивации цементной суспензии на физико-технические свойства цементно-песчаного раствора 65
3.3. Влияние продолжительности механоактивации и доли активированного цемента на физико-технические свойства тяжелого бетона 67
3.4. Влияние суперпластифицирующих добавок на физико-технические свойства цементных композиций, полученных МХА цементной суспензии 72
3.4.1. Влияние суперпластифицирующих добавок на нормальную густоту и сроки схватывания цементного теста 73
3.4.2. Влияние механохимической активации цементной суспензии на физико-технические свойства цементно-песчаного раствора 74
3.4.3. Влияние механохимической активации на технологические свойства бетонной смеси и физико-технические свойства тяжелого бетона 81
3.4.4. Влияние комплекса добавок на физико-технические свойства тяжелого бетона, полученного МХА цементной суспензии 89
Выводы по главе 3 93
4. Особенности твердения и структурообразования цементного камня на основе механохимически активированной цементной суспензии 95
4.1. Влияние механохимической активации на особенности гидратации цемента и физико-технические свойства цементного камня 95
4.2. Влияние механохимической активации цементной суспензии на формирование структуры цементного камня 105
4.3. Влияние механохимической активации на особенности формирования гидратных новообразований цементного камня 114
Выводы по главе 4 127
5. Влияние механохимической активации цементной суспензии на основные показатели долговечности тяжелого бетона 129
5.1. Влияние механохимической активации цементной суспензии на сульфатостойкость цементных композиций 129
5.2. Влияние механохимической активации цементной суспензии на морозостойкость тяжелого бетона 130
5.3. Влияние механохимической активации цементной суспензии на водопоглощение и показатели поровой структуры тяжелого бетона. 133
5.4. Деформация усадки тяжелого бетона, полученного механохимической активацией цементной суспензии 138
5.5. Модуль упругости, растяжение при изгибе и призменная прочность тяжелого бетона, полученного механохимической активацией цементной суспензии 140
Выводы по главе 5 141
6. Влияние тепловлажностной обработки на кинетику твердения и структурообразование тяжелого бетона, полученного механохимической активацией цементной суспензии 142
6.1. Влияние температуры и продолжительности изотермической выдержки, расхода цемента на кинетику твердения тяжелого бетона, полученного механохимической активацией цементной суспензии 143
6.2. Влияние тепловлажностной обработки на фазовый состав цементного камня, полученного механохимической активацией цементной суспензии . 149
6.3. Влияние тепловлажностной обработки на показатели поровой структуры тяжелого бетона, полученного механохимической активацией цементной суспензии 151
6.4. Производственная проверка и технико-экономическая эффективность применения МХА цементной суспензии 153
Выводы по главе 6 157
Заключение 159
Список сокращений и условных обозначений 162
Библиографический список . 163
Приложение 1 180
Приложение 2 187
Приложение 3 192
- Механохимическая активация цементной суспензии в роторно-пульсационном аппарате
- Влияние механохимической активации на технологические свойства бетонной смеси и физико-технические свойства тяжелого бетона
- Влияние механохимической активации цементной суспензии на формирование структуры цементного камня
- Влияние температуры и продолжительности изотермической выдержки, расхода цемента на кинетику твердения тяжелого бетона, полученного механохимической активацией цементной суспензии
Введение к работе
Актуальность темы
К современным тенденциям отечественного строительного производства относятся – повышение его темпов, качества продукции при одновременном снижении затрат на производство, эксплуатацию зданий и сооружений.
В сборном строительстве, монолитном строительстве высотных и повышенной этажности зданий эффективнее применять бетоны с высокой ранней прочностью, позволяющие сокращать продолжительность их выдерживания в опалубке, ускорять сроки возведения зданий.
Известные на данный момент способы получения цементных бетонов с высокой ранней прочностью имеют ряд недостатков, таких как высокая стоимость производства (применение комплексных добавок, включающих химические добавки, активные минеральные добавки, углеродные нанотрубки, применение специальных видов цемента), сложность процесса производства бетона с высокими энергозатратами (двух- или даже трехстадийное производство с предварительной активацией компонентов бетонной смеси).
Среди известных способов активации цемента эффективным и доступным является механический способ, который, однако, имеет основной недостаток – высокие энергозатраты на измельчение. Добиться снижения уровня энергозатрат на измельчение вяжущего возможно несколькими способами, а также их совместным применением: активацией в водной среде, введением поверхностно-активных веществ, заменой традиционных измельчительных аппаратов на более эффективные.
С появлением роторно-пульсационного аппарата (РПА), отличающегося высокой энергонапряженностью рабочей зоны по сравнению с традиционными измельчительными аппаратами (мельницами, дезинтеграторами), появилась возможность диспергировать цемент в водной среде, что позволяет значительно сокращать энергозатраты на получение нужного эффекта – достижение высокой удельной поверхности вяжущего (400-500 м2/кг), являющейся одним из необходимых условий для ускорения процессов гидратации цемента и получения бетонов с высокой ранней прочностью.
Несмотря на большое количество исследований, связанных с вопросами механоактивации и механохимической активации (МХА), совершенствование данных способов является актуальной научно-практической проблемой. Для строительной индустрии решение данной проблемы позволит значительно сократить энергозатратную тепловую обработку при производстве бетонных и железобетонных изделий, уменьшить сроки возведения монолитных зданий и сооружений.
Степень разработанности проблемы
Вопросы механоактивации и МХА цемента при применении традиционных измельчительных аппаратов (мельниц, дезинтеграторов) достаточно хорошо изучены при исследовании процессов твердения цементных композиций, в том числе при активации вяжущего как в сухой, так и водной среде.
Научные основы механоактивации и МХА цемента в жидкой среде
представлены в трудах П.А. Ребиндера, Б.Г. Скрамтаева, С.В. Шестоперова и
др. Согласно их мнению, диспергирование вяжущего в водной среде позволяет
снизить удельные энергозатраты на 30-40 % по сравнению с измельчением в
сухой среде. Однако наряду с преимуществами активации цемента в водной
среде по сравнению с активацией в сухой среде находит место и недостаток,
связанный с началом процесса гидратации при активации. Это связано с
процессом коагуляции частиц цемента с возникновением прочных контактов,
приводящих к их агрегации и уменьшению подвижности суспензии. Поэтому
активация цемента в водной среде должна быть непродолжительной, что
ограничивает повышение эффективности МХА в традиционных
измельчительных аппаратах.
Для предварительной активации цемента в водной среде положительно
зарекомендовали себя РПА, которые успешно применяются в различных
отраслях народного хозяйства, однако в технологии бетонов не нашли
широкого применения по ряду причин, в том числе малой изученности
процессов механоактивации и МХА цементной суспензии. В трудах Б.В.Гусева,
В.В.Плотникова, Ю.Р.Кривобородова, Г.И.Овчаренко и др. отмечена высокая
эффективность обработки цементной суспензии в РПА, позволяющая
значительно повысить реакционную способность вяжущего, приводящую к
ускорению гидратационных процессов, набору прочности и повышению
качества композита.
При этом остаются не до конца решенными ряд вопросов: не определена оптимальная продолжительность МХА цементной суспензии в РПА, не выявлена рекомендуемая доля портландцемента для активации от его общей массы; не изучено влияние суперпластифицирующей добавки на основе эфиров поликарбоксилата при МХА цементной суспензии в РПА на процессы гидратации и структурообразования цементного камня; не изучено влияние тепловлажностной обработки (ТВО) на фазовый состав цементного камня и структурообразование тяжелого бетона, полученных на основе МХА цементной суспензии в РПА.
В связи с этим, изучение процессов гидратации цемента и структурообразования цементного камня, кинетики твердения и физико-механических свойств тяжелого бетона, полученных на основе МХА цементной суспензии в РПА совместно с суперпластификаторами, представляет научный интерес, а повышение ранней прочности тяжелых бетонов представляет практический интерес в современном сборном и монолитном строительстве.
Цель работы
Повышение ранней прочности тяжелых бетонов механохимической активацией цементной суспензии с эффективными суперпластификаторами в роторно-пульсационном аппарате.
Задачи исследования:
– установить оптимальную продолжительность механохимической активации цементной суспензии в роторно-пульсационном аппарате, долю цемента для активации;
– определить наиболее эффективные суперпластифицирующие добавки для МХА цементной суспензии в роторно-пульсационном аппарате;
– исследовать влияние механохимической активации цементной суспензии в роторно-пульсационном аппарате:
– на технологические свойства бетонной смеси и кинетику твердения тяжелого бетона;
– на структурообразование и формирование гидратных фаз цементного камня;
– на долговечность тяжелого бетона;
– изучить влияние тепловлажностной обработки на кинетику твердения, структурообразование тяжелого бетона и цементного камня, полученных механохимической активацией цементной суспензии;
– провести апробацию механохимической активации цементной суспензии в роторно-пульсационном аппарате на заводе ЖБИ с условием получения отпускной прочности тяжелого бетона, выявить экономическую эффективность ее применения.
Научная новизна
-
Выявлен механизм синергетического влияния повышения удельной поверхности цементных частиц до 29 % и введения добавок суперпластификаторов на основе эфиров поликарбоксилата и нафталинформальдегида при получении цементной суспензии механохимической активацией в роторно-пульсационном аппарате на ускорение индукционного и кристаллизационного периодов структурообразования ее цементного камня, сопровождающейся увеличением контракции цементного теста до 2,68 раз (через 8 ч твердения) и повышением степени гидратации цемента до 33 % в первые сутки твердения.
-
Установлено, что механохимическая активация цементной суспензии приводит к формированию улучшенной поровой структуры тяжелого бетона, а именно уменьшает общую пористость на 10-18 %, снижает объем открытых капиллярных пор на 13-22 %, повышает объем условно закрытых капиллярных пор на 14-17 % по сравнению с составами с суперпластификатором, имеющих общую пористость 7,0-9,7 %, объем открытых капиллярных пор 3,2-5,2 %, объем закрытых капиллярных пор 2,1-2,3 %, вследствие увеличения объема новообразований, плотно заполняющих межзерновое пространство, что обуславливает повышение физико-механических свойств, морозостойкости и сульфатостойкости тяжелых бетонов.
3. Выявлена кинетика твердения тяжелого бетона на основе
механохимически активированной цементной суспензии с добавкой
суперпластификатора на основе нафталинформальдегида, обеспечивающая
после тепловлажностной обработки при 80 С в первые сутки твердения
достижение отпускной прочности классов бетона до B55, что обусловлено
увеличением степени гидратации цемента на 63 %, повышением количества
гидрооксида кальция в 2,6 раза, увеличением количества
прогидратировавшегося алита в 1,5 раза по сравнению с составом, твердеющим
при нормально-влажностных условиях.
Теоретическая и практическая значимость работы
Выявлена интенсификация процессов гидратации цемента после МХА в роторно-пульсационном аппарате с суперпластифицирующими добавками как на нафталинформальдегидной основе, так и поликарбоксилатной, обоснованная ускорением процесса тепловыделения и увеличением контракции цементного теста, повышением количества гидролизной извести в ранние сроки твердения.
Обобщены данные влияния температуры изотермической выдержки при ТВО и расхода портландцемента на кинетику твердения тяжелого бетона, полученного МХА цементной суспензии в РПА.
Разработан и предложен способ приготовления бетонной смеси, который позволяет:
– получать бетоны с высокой ранней прочностью (в первые сутки твердения в 2,7-3,3 раза выше прочности бетонов, полученных по традиционному способу), что является актуальным для современного монолитного строительства;
– повысить класс бетона по прочности (с В25 до В60), марку по морозостойкости (с F200 до F600) и по водонепроницаемости (c W4 до W18);
– получать отпускную прочности бетона в первые сутки твердения при нормально-влажностных условиях, что позволит сократить энергозатраты на тепловую обработку бетонных и железобетонных изделий на 70-100 %.
Техническая новизна решений, представленных в диссертации, подтверждена шестью патентами РФ на изобретения.
Методология и методы исследования
Исследования проводились с применением современных положений теории и практики строительных материалов в области структурообразования, общепринятых физико-механических и физико-химических методов оценки свойств материалов, а также по стандартным методам, приведенным в соответствующих ГОСТ.
Положения, выносимые на защиту
– закономерности изменения физико-технических свойств тяжелого бетона и цементно-песчаного раствора в зависимости от следующих факторов: продолжительности активации в РПА, доли активированного цемента и вида модифицирующей добавки;
– результаты физико-химических исследований структурообразования и характера гидратации цементного камня, полученного МХА в РПА в зависимости от вида модифицирующей добавки;
– установленные особенности влияния МХА цементной суспензии в РПА с добавкой Реламикс Т-2 на показатели долговечности и физико-механических свойств тяжелого бетона;
– результаты влияния ТВО на кинетику твердения тяжелого бетона в зависимости от расхода портландцемента, структурообразования цементного камня, полученного МХА цементной суспензии с добавкой Реламикс Т-2;
– результаты опытно-промышленной апробации МХА цементной
суспензии в РПА с добавкой Реламикс Т-2 в условиях завода ООО
«Промышленные технологии +».
Достоверность результатов научной работы
Достоверность научных результатов, полученных в диссертации,
обеспечена экспериментами и исследованиями, выполненными на
аттестованном оборудовании и приборах, и использованием общепринятых методов исследования и статистической обработки полученных данных.
Внедрение результатов исследования
Результаты исследования были подтверждены в промышленных условиях
завода ООО «Промышленные технологии +» (г. Казань). На территории
данного завода была изготовлена опытно-промышленная партия
железобетонных изделий с применением разработанного способа
приготовления бетонной смеси, предусматривающего МХА цементной суспензии.
Апробация работы
Основные положения работы доложены на 5 конференциях
всероссийского и международного уровней, в том числе:
– 66-68 Всероссийских научных конференциях по проблемам архитектуры и строительства, г. Казань, КГАСУ, 2014-2016 гг.;
– V Международном семинаре-конкурсе молодых ученых и аспирантов, работающих в области вяжущих веществ, бетонов и сухих смесей, г. Москва, Экспоцентр, 2015 г.;
– Международной научно-технической конференции “Высокопрочные цементные бетоны: технологии, конструкции, экономика (ВПБ-2016)”, г. Казань, КГАСУ, 2016 г.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 10 научных статей, в том
числе 6 статей опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 4 из
которых индексируются также в базе данных Scopus. Получено 6 патентов РФ
на изобретение. Конкурсная работа по теме исследования отмечена дипломами
Республиканского молодежного форума "Наш Татарстан" (2016),
Республиканского конкурса научно-технических проектов
“Энергоэффективность и энергосбережение” (2016), Республиканского конкурса “Пятьдесят лучших инновационных идей для Республики Татарстан” (2016), конкурса молодых ученых, проводимого в рамках научно-технической конференции ВПБ-2016 (2016).
Личный вклад
Личный вклад автора при решении исследуемой проблемы состоит в проведении экспериментов, обработке результатов исследований, их обобщении и анализе.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из шести глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Работа изложена на 196 страницах машинописного текста, содержит 55 рисунков, 40 таблиц, библиографический список из 155 наименований, 3 приложения.
Автор выражает особую благодарность первому научному руководителю д.т.н., профессору Изотову Владимиру Сергеевичу, безвременно ушедшему из жизни (2015 г.), за постановку задач и научное консультирование.
Механохимическая активация цементной суспензии в роторно-пульсационном аппарате
Известно, что при переходе от грубого к более тонкому измельчению материала удельные затраты энергии тем меньше, чем больше энергонапряженность и интенсивность воздействия в рабочем пространстве аппарата. Отличительной особенностью роторно-пульсационных аппаратов является высокая интенсивность обработки измельчаемого материала, характеризуемая различными видами воздействий на обрабатываемую суспензию: высоким напряжениям сдвига, гидравлическим ударом, кавитации, мелкомасштабной пульсации в широком диапазоне частот, и затратами объемной мощности в рабочем пространстве аппарата в пределах 3-5 МВт/м3, что в 2-3 раза выше, чем в емкостных аппаратах с перемешивающими устройствами [63, 85, 86].
На данный момент известны несколько теорий, объясняющих высокую эффективность воздействия РПА на обрабатываемую среду.
В работах П. Виллемса [87] предложена теория "высокочастотной кинематической обработки", согласно которой, основным фактором, обусловливающим эффективность воздействия на обрабатываемую среду, является возникновение в ней высокочастотных колебаний с частотой порядка 10000 кГц. По данной теории элементы рабочих органов аппарата и обрабатываемая суспензия образуют единую "принудительную" кинематическую цепь, в которой рабочие органы аппарата играют роль жестких элементов цепи, а жидкая суспензия рассматривается как деформируемый элемент. Эту модель еще называют акустической моделью, в которой весь эффект достигается за счет энергии звуковых колебаний и их взаимодействия с продуктом в различных частях аппарата. Большим недостатком данной модели является то, что в ней не рассматриваются особенности гидродинамики потока в зоне рабочих органов, а учитывается лишь возникающие импульсы динамического давления, распространяющиеся в среде со скоростью звука. Акустическая модель не позволяет объяснить важный экспериментальный факт – скорость ряда процессов в РПА значительно выше, чем при обработке в ультразвуковом поле, хотя энергия звукового поля в несколько раз превосходит акустическую энергию в аппарате.
В работе [88] представлена "гидродинамическая концепция", согласно которой главным фактором, определяющим эффективность работы РПА, является разнонаправленное поле скоростей, большие градиенты скорости в прорезях и зазорах, срезывающие усилия, высокочастотные пульсации обрабатываемой среды и кавитация.
Авторы работы [89] указывали, что наряду с второстепенными факторами, главную роль в обработке играют механическое ударное воздействие, срезывающие усилия, возникающие в узких радиальных зазорах вследствие значительных градиентов скорости, и пульсации давления, интенсивность воздействия которого зависит от амплитуды и градиента давления.
Наиболее универсальный характер для описания процессов, происходящих в РПА, описан гидродинамической теорией, хотя необходимо учитывать весь комплекс имеющих место в аппарате явлений.
В последнее десятилетие все больший интерес у ученых и специалистов вызывает активация цементной суспензии в РПА [31]. До настоящего времени, исследованиями, включающими активацию цементной суспензии в РПА, занимался сравнительно узкий круг ученых, в том числе сотрудники НИИЖБ им. А.А. Гвоздева под руководством Б.В. Гусева, Г.И. Овчаренко, В.В. Плотников, Ю.Р. Кривобородов и др. Тем не менее, были получены положительные результаты, позволяющие оценить высокую эффективность механической и МХА цементной суспензии в РПА.
Б.В. Гусев, проводя обработку шлакопортландцемента марки 400 в водной среде в течение 3 мин в роторно-пульсационном аппарате [90], получил увеличение прочности цементного камня в возрасте 3 суток при изгибе на 20 %, при сжатии на 67 %, в марочном возрасте на 15 % и 34 %, соответственно, по сравнению с прочностью цементного камня, полученного при традиционном приготовлении. В возрасте 3 суток прочность при сжатии бетона увеличивается на 50 %, в марочном возрасте - на 18 % по сравнению с контрольным составом.
Исследование в качестве вяжущего шлакопортландцемента автор объясняет тем, что применение в производстве цемента доменного гранулированного шлака не только обеспечивает экономию клинкера и увеличение объема производства, но и существенно улучшает основные строительно-технические свойства цемента, повышая долговечность сооружений. При гидратации и твердении цемента образуется гидроксид кальция – наиболее растворимый и уязвимый компонент цементного камня, поэтому весьма важным является связывание Са(ОН)2 в труднорастворимые соединения, что достигается за счет введения в цемент шлака. В результате взаимодействия гидроксида кальция со шлаком увеличивается количество гидросиликатов кальция. По мнению авторов работы [91] гидромеханическая обработка цементной суспензии в РПА увеличивает прочность камня на 40-60% в ранние сроки твердения.
Активация цементно-зольной суспензии в РПА, содержащей 40 % высококальциевой золы вместо цемента, также увеличивает прочность цементно-зольного камня на 20-40 % [92].
Ограничение применения шлакопортландцементов на предприятиях строительной индустрии связано главным образом с его более медленным темпом твердения в начальный период гидратации, в связи с чем предпочтение чаще отдают портландцементам с минеральными добавками той же марки [90].
За счет диспергирования и активации портландцемента марки ПЦ М400 Д20 в водной среде в РПА, как считают авторы работы [93], уменьшается средний размер цементных зерен с 34,43 мкм до 28,71 мкм.
Согласно результатам исследований авторов работы [94] установлено, что при механоактивации цементной суспензии в РПА в течение 5 мин частиц крупнее 80 мкм не остается, прочность цементного камня в возрасте 3 суток увеличивается на 56 %, в марочном возрасте на 29 % по сравнению с составом без активации.
Согласно исследованиям В.В. Плотникова [63], оптимальным временем активации цементного теста с В/Ц=0,5 с точки зрения обеспечения наилучшей его подвижности и интенсивного структорообразования после начала схватывания является 1 мин. Дальнейшая обработка в РПА приводит к укрупнению частиц цемента вследствие их взаимодействия и уменьшению текучести смеси вплоть до полной ее потери через 5-6 мин активации. В ряде экспериментов, приведенных в работе [63], были использованы гидрофильные ПАВ - сульфидно-дрожжевая бражка (СДБ) и суперпластификатор С-3 для повышения эффективности механохимической обработки цементной суспензии. Однако автор при этом не указывает об изменении продолжительности МХА, не применяет добавки ПАВ для последующих экспериментальных исследований при добавлении к клинкеру различных минеральных добавок при определении физико-технических свойств цементных композиций.
В работе [63] автор утверждает, что при обработке цемента марки 400 в водной среде в РПА удельная поверхность цемента повышается до 450-800 м2/кг. Это связано, с тем, что с образованием при механохимической активации цементной суспензии с гидрофильными добавками – сульфидно-дрожжевой бражкой или суперпластификатором С-3, образующими защитные пленки на зернах цемента, происходит "консервация" большого количества активных центров и продуктов гидратации с высокой удельной поверхностью. Прирост прочности образцов цементного камня в зависимости от времени активации и вида цемента составил при изгибе в 1 сут – 52-188%, через 3 сут – 30-100% и через 28 сут – 0-26%, при сжатии в 1 сут – 121-274%, через 3 сут – 57-180% и через 28 сут – 7-38%.
Согласно мнению В.В. Плотникова [63], активация цементной суспензии в РПА способствует снижению коэффициента фильтрации более чем в 2 раза, повышению морозостойкости бетона до 150 циклов попеременного замораживания и оттаивания без разрушения, увеличению коэффициенту сульфатостойкости ЦПР на 15 %, что связывает с повышением плотности цементного камня и уменьшением в нем количества капиллярных пор.
Согласно технико-экономическим показателям применения РПА при производстве сборного бетона, достигается снижение себестоимости изделий на 10-30% за счет сокращения режимов тепловлажностной обработки (ТВО) [63].
Вместе с этим, к настоящему времени остается неизученным влияние ТВО на особенности структурообразования цементного камня и бетона, полученных при МХА цементной суспензии в РПА, что представляет научный интерес.
Влияние механохимической активации на технологические свойства бетонной смеси и физико-технические свойства тяжелого бетона
Применение МХА цементной суспензии, приводящей к ускоренному твердению цементных композиций, не должно сопровождаться быстрой потерей подвижности бетонной смеси.
В связи с этим проведены исследования по определению технологических свойств бетонных смесей, полученных МХА цементной суспензии. Определяли и сравнивали следующие показатели бетонных смесей, приведенных в ГОСТ 10181-2014: воздухосодержание, температура, плотность, водоотделение бетонной смеси, сохраняемость подвижности бетонной смеси.
Изучались составы бетонных смесей, приведенные в таблице 3.10.
Количество исходных компонентов бетонной смеси применялось следующее: портландцемент – 490 кг/м3, песок – 595 кг/м, щебень – 1140 кг/м. Количество воды затворения применялось для получения одинаковой подвижности бетонных смесей марки П2 (О.К.= 7-9 см). Бетонные смеси приготавливались как на цементе Ульяновского завода, так и на цементе Вольского завода.
На рис. 3.4-3.5 приведены результаты исследования влияния МХА цементной суспензии на сохраняемость подвижности бетонной смеси. Измерения проводились сразу и через 30, 60 и 90 мин после приготовления бетонной смеси.
По данным рис. 3.4-3.5 видно, что для всех составов наблюдается снижение подвижности бетонной смеси с течением времени. Подвижность бетонной смеси составов 1, 2, 3, 4 через 90 мин, после приготовления бетонных смесей, снижается на 85-92 % примерно в равной степени на обоих видах цемента. Подвижность бетонных смесей составов 5 и 6 уменьшается замедленными темпами, через 90 мин после приготовления бетонных смесей снижается на 60-70 %. Данные авторов работ [78] подтверждают явление продолжительной сохраняемости подвижности бетонной смеси при применении поликарбоксилатных суперпластифицирующих добавок по сравнению с СП на основе сульфонафталиновых формальдегидов, сульфомеланинов, лигносульфонатов, введенных при традиционном приготовлении бетонной смеси. Такая же закономерность проявляется и при МХА цементной суспензии.
По данным рис. 3.6-3.7 видно, что наибольшее количество выделившейся воды заметно в контрольном составе (состав 1) и составляет 0,33-0,42 % от массы бетонной смеси.
Механоактивация цементной суспензии позволяет снизить водоотделение бетонной смеси в 1,5-1,9 раза (состав 2) по сравнению с контрольным составом. Введение суперпластифицирующих добавок в состав бетонной смеси (составы 3 и 5) позволяет снизить водоотделение в 5-7 раз.
Наименьшее количество выделившейся воды из бетонных смесей наблюдается в составах, полученных МХА цементной суспензией совместно с СП: при МХА цементной суспензии с добавкой Реламикс Т-2 (состав 4) водоотделение бетонной смеси уменьшается в 2-4 раза по сравнению с составом, полученным обычным введением добавки Реламикс Т-2 (состав 3); при МХА цементной суспензии с добавкой Remicrete SP60 (состав 6) водоотделение бетонной смеси уменьшается в 3-5 раз по сравнению с составом, полученным обычным введением добавки Remicrete SP60 (состав 5). Наименьшее водоотделение бетонной смеси наблюдается в составе, полученном МХА цементной суспензии с добавкой Remicrete SP60 (состав 6) и колеблется в пределах 0,02-0,05 % от массы бетонной смеси.
Снижение водоотделения бетонной смеси МХА цементной суспензии связано с раскрытием активных центров цементного клинкера, увеличением его удельной поверхности, приводящих к большему потреблению расхода воды для гидратации вяжущего.
В табл. 3.11-3.12 приведены технологические свойства бетонной смеси исследуемых составов, а также пределы прочности при сжатии твердеющего тяжелого бетона в различные сроки твердения. Изготовляемые бетонные образцы-кубы с размером ребра 10 см, хранились при нормально-влажностных условиях и в возрасте 1, 3 и 28 сут. подвергались механическим испытаниям.
В табл. 3.11 представлены результаты исследования составов 1-6, приведенных в табл. 3.10, приготовленных на цементе Ульяновского завода; в табл. 3.12 – на цементе Вольского завода. Как видно по данным табл. 3.11, применение механоактивации цементной суспензии (состав 2) позволяет увеличить плотность бетонной смеси, уменьшить содержание вовлеченного воздуха на 10,5 %, увеличить предел прочности при сжатии тяжелого бетона в суточном возрасте на 94 %, в возрасте 3 суток на 48 % и в марочном возрасте на 14 % по сравнению с контрольным составом.
МХА цементной суспензии с добавкой Реламикс Т-2 (состав 4) по сравнению с составом, модифицированным добавкой Реламикс Т-2 (состав 3), уменьшает содержание вовлеченного воздуха в бетонной смеси на 38 %, повышает предел прочности при сжатии тяжелого бетона в суточном возрасте на 84 %, в возрасте 3 суток на 43 % и в марочном возрасте на 21 %. МХА цементной суспензии с добавкой Remicrete SP60 (состав 6) приводит к повышению предела прочности тяжелого бетона: в возрасте одних суток – на 59 %, в возрасте 3 суток – на 41 % и в марочном возрасте – на 14 % по сравнению с составом, модифицированным добавкой Remicrete SP60.
По анализу результатов, приведенных в табл. 3.12 заметно, что МХА цементной суспензии с добавкой Реламикс Т-2 (состав 4) приводит к снижению объема вовлеченного воздуха на 47 %, повышению предела прочности при сжатии тяжелого бетона: в возрасте одних суток – на 63 %, в возрасте 3 суток – на 27 % и в марочном возрасте – на 14 % по сравнению с составом, полученным обычным введением добавки Реламикс Т-2. МХА цементной суспензии с добавкой Remicrete SP60 (состав 6) приводит к снижению объема вовлеченного воздуха на 31 %, повышению предела прочности тяжелого бетона: в возрасте одних суток – на 53 %, в возрасте 3 суток – на 12 % и в марочном возрасте – на 6 % по сравнению с составом, полученным обычным введением добавки Remicrete SP60.
Существенное повышение предела прочности при сжатии тяжелого бетона, полученного МХА цементной суспензии связано с получением более однородной матрицы бетонной смеси с пониженным содержанием вовлеченного воздуха, способствующей формированию плотной структуры твердеющего бетона [153].
По анализу результатов рисунков 3.4-3.7, таблиц 3.11-3.12, можно отметить, что применение портландцементов двух производителей (Ульяновского и Вольского заводов) при МХА влияет на кинетику твердения тяжелого бетона, с получением более высокой ранней прочности бетона при применении цемента Ульяновского завода, отличающегося повышенным содержанием алюминатной фазы. Однако следует отметить пониженное содержание вовлеченного воздуха в бетонной смеси при применении цемента Вольского завода.
Комплексный анализ результатов исследования влияния МХА цементной суспензии на технологические свойства бетонной смеси и кинетику твердения тяжелого бетона показал отличительные особенности при применении двух СП различных химических основ:
- применение добавки Реламикс Т-2 в количестве 1 % от массы цемента при МХА цементной суспензии не способствует повышенной сохраняемости подвижности бетонной смеси и позволяет получать тяжелые бетоны производственного состава класса B25 с пределом прочности при сжатии 17,51-23,53 МПа в 1 сутки твердения на портландцементе со шлаком ЦЕМ II/А-Ш 32,5Н, и может быть рекомендовано для технологии производства сборного бетона и железобетона;
- применение добавки Remicrete SP60 в количестве 1 % от массы цемента при МХА цементной суспензии позволяет более длительное время сохранять подвижность бетонной смеси и способствует повышению прочности при сжатии тяжелого бетона производственного состава класса B25 более плавными темпами, с достижением в марочном возрасте предела прочности при сжатии 63,45-65,72 МПа на портландцементе со шлаком ЦЕМ II/А-Ш 32,5Н, и может быть рекомендовано для технологии монолитного строительства.
Согласно мнению [102], комплексное использование двух и более добавок пластифицирующей группы различной химической основы способно дать положительный эффект в виде снижения их расхода или увеличения пластифицирующего действия.
В данном контексте интерес представляет изучение совместного влияния двух суперпластифицирующих добавок различной химической основы при МХА цементной суспензии на физико-технические свойства тяжелого бетона.
Влияние механохимической активации цементной суспензии на формирование структуры цементного камня
Ускорение процесса гидратации цемента связано с ускорением протекания диффузивных потоков, происходящих еще при интенсивной обработке цементной суспензии в РПА, а также повышением удельной поверхности цемента.
Для оценки степени диспергации цемента при МХА определены дисперсный состав и удельная поверхность проб цементного порошка. В качестве контрольного образца принят состав, полученный предварительным смачиванием портландцемента водой затворения в течение 2 мин, а затем высушенный до постоянной массы (состав 2). Принятая продолжительность замачивания портландцемента обусловлена равной продолжительностью диспергации цементной суспензии в РПА.
Для определения дисперсного состава рассматривались и сравнивались пробы следующих составов: 1 – исходный портландцемент (ЦЕМ II/A-Ш 32,5H); 2 – контрольный; 3 – после механоактивации цементной суспензии; 4 – с добавкой Реламикс Т-2; 5 – с МХА цементной суспензии и добавкой Реламикс Т-2; 6 – с добавкой Remicrete SP60; 7 – с МХА цементной суспензии и добавкой Remicrete SP60. Результаты эксперимента приведены в табл. 4.3.
Из приведенных данных табл. 4.3 видно, что удельная поверхность цементного порошка, подвергнутого механоактивации (состав № 3) повышается на 10 % по сравнению с контрольным составом (состав № 2).
Механизм влияния СП при МХА цементной суспензии заключается в физической адсорбции молекул СП на обнажаемых активных центрах вяжущего и гидратных новообразованиях, способствующих дополнительному диспергированию частиц по стерическому (с добавкой Remicrete SP60) или электростатическому (с добавкой Реламикс Т-2) принципу. Так, МХА цементной суспензии в РПА c добавкой Реламикс Т-2 (состав № 5) приводит к повышению удельной поверхности вяжущего на 29 %, позволяет уменьшить средний размер частиц цементного клинкера в 2,47 раз, а при применении добавки Remicrete SP60 (состав № 7) приводит к повышению удельной поверхности вяжущего на 26 % и позволяет уменьшить средний размер частиц цементного клинкера в 2,6 раз по сравнению с составами, полученными обычным введением соответствующих добавок – составы № 4 и № 6 соответственно.
Средний размер частиц исходного портландцемента (состав № 1) крупнее частиц цементного порошка, подвергнутого механоактивации (состав № 3) в 1,26 раза, крупнее частиц, подвергнутых МХА в присутствии добавки Реламикс Т-2 в 2,8 раза и крупнее частиц, подвергнутых МХА в присутствии добавки Remicrete SP60 в 3,3 раза.
При механоактивации количество частиц размером менее 20 мкм увеличивается в 1,34 раза по сравнению с исходным портландцементом. При МХА цементной суспензии количество частиц размером менее 20 мкм увеличивается в 1,83-2,12 раза по сравнению с исходным портландцементом.
При определении дисперсности цементного порошка составов № 5 и № 7 размеров частиц крупнее 60 мкм не обнаружено [143].
По полученным экспериментальным данным выявлен механизм синергетического влияния повышения удельной поверхности цементных частиц до 29 % и введения добавок суперпластификаторов на основе эфиров поликарбоксилата и нафталинформальдегида при получении цементной суспензии механохимической активацией в роторно-пульсационном аппарате на ускорение индукционного и кристаллизационного периодов структурообразования ее цементного камня, сопровождающейся увеличением контракции цементного теста до 2,68 раз (через 8 ч после его приготовления) и повышением степени гидратации цемента до 33 % в первые сутки твердения.
Методом электронной микроскопии изучались особенности морфологии, а также фазовый состав гидратных новообразований цементного камня, полученного с применением добавки Реламикс Т-2, добавки Remicrete SP60, механоактивации и МХА цементной суспензии с исследуемыми добавками.
На рис. 4.6-4.7 представлены электронно-микроскопические снимки цементного камня нормально-влажностного твердения следующих составов: 1 – контрольный; 2 – c добавкой Реламикс Т-2; 3 – после механоактивации; 4 – после МХА с добавкой Реламикс Т-2.
На представленных рис. 4.9-4.10 видно, что в составе 3, полученном МХА цементной суспензии с добавкой Remicrete SP60, заполнение пор и трещин структуры цементного камня происходит наиболее полно. В данном составе гидратные новообразования формируются в более мелкодисперсном виде. Анализ элементного состава (рис. 4.11 и таблица 4.8) показал образование поверхностей минерала гидросиликата кальция (CSH) в основном закругленных, сферических форм.
Влияние температуры и продолжительности изотермической выдержки, расхода цемента на кинетику твердения тяжелого бетона, полученного механохимической активацией цементной суспензии
С целью сокращения энерго- и ресурсозатрат при производстве сборного бетона проведены исследования влияния расхода цемента и температуры изотермической выдержки при ТВО на кинетику твердения тяжелого бетона, полученного МХА цементной суспензии с добавкой Реламикс Т-2 на портландцементе Ульяновского завода.
При этом исследуемый состав приготавливался при различном расходе цемента. Расход сырьевых компонентов для приготовления бетонных смесей принимался в соответствии с таблицей 5.3. Количество воды затворения применялось для получения одинаковой подвижности бетонной смеси марки П2 (О.К.= 5-7 см).
ТВО производилась по режиму 2+2+10+2 ч, где 2 ч – выдержка, 2 ч – подъем температуры, 10 ч – изотермическая выдержка, 2 ч – охлаждение. При этом изотермическая выдержка производилась при температурах 30, 40 и 80 С. В качестве контрольного образца принят состав, хранившийся при нормально-влажностных условиях.
После ТВО и хранения в нормально-влажностных условиях через 16, 20, 24 ч образцы-кубы размерами 10х10х10 см подвергались механическим испытаниям. Результаты эксперимента приведены на рис. 6.1-6.3.
По данным рис. 6.1 видно, что при увеличении температуры изотермической выдержки ТВО от 30 С до 80 С через 16 ч предел прочности при сжатии увеличивается с 17,6 МПа до 27,5 МПа (в 1,56 раз), через 24 ч – с 25 МПа до 33,9 МПа (в 1,36 раз).
На рис. 6.2 представлена зависимость кинетики твердения тяжелого бетона при расходе цемента 400 кг/м3.
По данным рис. 6.2 видно, что при увеличении температуры изотермической выдержки ТВО от 30 С до 80 С через 16 ч предел прочности при сжатии увеличивается с 24,3 МПа до 35,8 МПа (в 1,47 раз), через 24 ч – с 31,3 МПа до 43,4 МПа (в 1,39 раз).
На рис. 6.3 представлена зависимость кинетики твердения тяжелого бетона при расходе цемента 500 кг/м3.
По данным рис. 6.3 заметно, что при увеличении температуры изотермической выдержки ТВО от 30 С до 80 С через 16 ч предел прочности при сжатии увеличивается с 30,3 МПа до 47,3 МПа (в 1,56 раз), через 24 ч – с 36,2 МПа до 53,1 МПа (в 1,47 раз). По данным рис. 6.1-6.3 представляется общая закономерность повышения кинетики твердения тяжелого бетона при повышении расхода цемента и температуры изотермической выдержки ТВО.
Кроме снижения температуры изотермической выдержки, научный и практический интерес представляет сокращение продолжительности изотермической выдержки для получения равнопрочного бетона.
Для этого изучалось влияние продолжительности изотермической выдержки ТВО по режиму 2+2+Х+2 ч (Х – продолжительность изотермической выдержки, которая принималась равной 2, 6 и 10 ч), на предел прочности при сжатии тяжелого бетона, полученного МХА цементной суспензии с добавкой Реламикс Т-2, в возрасте одних суток. Температура изотермической выдержки ТВО составила 80 С. Составы бетонной смеси для исследования приготавливались одинаковым способом, включающим МХА цементной суспензии, но отличались расходом цемента. При этом расходы сырьевых компонентов принимались аналогично расходам, приведенным в табл. 5.3. Количество воды затворения применялось для получения одинаковой подвижности бетонных смесей марки П2 (О.К.= 5-7 см). Результаты исследования приведены на рис. 6.4.
Данные, приведенные на рис. 6.1-6.4, позволили составить таблицу 6.1, в которой приведены зависимости получения отпускной прочности тяжелого бетона заданных классов в первые сутки твердения от расхода цемента и продолжительности изотермической выдержки ТВО.
По данным табл. 6.1 видно, что применение МХА цементной суспензии с добавкой Реламикс Т-2, позволяет получать отпускную прочность (70 % марочной) бетона в первые сутки твердения, как при сокращении изотермической выдержки, так и вовсе без применения ТВО. При этом из заданного состава бетонной смеси при увеличении продолжительности изотермической выдержки (от 0 до 10 ч) и расхода цемента (от 300 до 500 кг/м3) возможно получать отпускную прочность бетонов класса по прочности от B25 до B55 в первые сутки, при применении портландцемента рядовой марки ЦЕМ II/A-Ш 32,5H Ульяновского завода.
Высокие темпы твердения тяжелого бетона, полученного МХА цементной суспензии, при ТВО обуславливаются особенностями структурообразования цементного камня. Научный интерес представляет исследование влияние МХА цементной суспензии на структурообразование и фазовый состав гидратных новообразований цементного камня, пористость тяжелого бетона, твердеющего при ТВО.