Особливості структуроутворення цементного каменю з добавками на основі метакаоліну

Размещено на http://www.allbest.ru//

Особливості структуроутворення цементного каменю з добавками на основі метакаоліну

Лушнікова Н.В., к. т. н.

В статті розглянуто особливості процесу структуроутворення в системі «вода - цемент - суперпластфікатор - метакаолін». Визначені параметри порового простору модифікованого цементного каменю та ступінь гідратації.

There are considered peculiarities of structure forming process within the system “water - Portland cement - superplasticizer - metakaolin” in the article. There are calculated pores parameters for modified cement stone and its hydration degree.

Аналіз літературних даних [1, 2] та результатів наших попередніх досліджень [3, 4] дає підстави стверджувати, що введення поліфункціонального модифікатору (ПФМ) на основі метакаоліну (реакційноздатного продукту термічної обробки збагачених каолінових глин) та суперпластифікатору в цементні системи здійснює суттєвий вплив на структуру цементного каменю. Тому було виконано дослідження кінетики гідратації цементу та особливостей порової структури цементного каменю, модифікованого даними добавками.

Вихідні матеріали, які використовувалися в дослідженнях:

портландцемент ПЦ І 500 Д0 (ВАТ «Волинь-цемент», м .Здолбунів),

метакаолін (ЗАТ «Євроресурс Корп.», м. Київ),

суперпластифікатор С-3 (Владимирський ЗБК, м. Владимир).

Виходячи із міркувань забезпечення однорідності та порівнювальності вихідних параметрів всі зразки цементного каменю були виготовлені на основі сумішей однакової консистенції (діаметр розпливу конусу приладу Віка Dp=20 см), яка досягалася при водов'яжучому відношенні (відношенні вмісту води і сумарного вмісту цементу та метакаоліну) В/В'яж=0,33 шляхом зміни кількості суперпластифікатору. Витрати добавок метакаоліну і суперпластифікатору вказані у % від маси в'яжучого (цеметн+метакаолін).

Кінетика зміни ступеню гідратації фактично характеризує кількість хімічно зв'язаної води в процесі гідратації цементу з добавкою ПФМ. Дана характеристика визначалася згідно методики, описаної в [5], у різні строки тверднення за залежністю:

б =К'з.в·100/ К''з.в, (1)

де К'з.в - кількість зв'язаної води в певний термін тверднення, г;

К''з.в - кількість зв'язаної води, при повній гідратації цементу, г.

Результати визначення ступеня гідратації цементу представлені на рис. 1.

Згідно даних О.Є. Шейкіна, повна гідратація цементу можлива при його твердненні в ізольованому просторі при В/Ц не менше 0,5, а при твердненні у воді - не менше 0,42. При В/Ц (в даному випадку - В/B'яж, тобто співвідношення між вмістом води і сумарним вмістом цементу і метакаоліну) менше 0,42 ступінь максимально можливої гідратації пов'язана із початковим В/Ц відношенням б=2,38?100?В/Ц [6].

Підставляючи відповідне значення В/Вя'ж у формулу (1), отримаємо б=78,5%. Для даного випадку це є не зовсім коректним, оскільки при одному і тому ж значенні В/В'яж, як видно з рисунку, ми отримуємо різні значення б.

Як видно з рис. 1, зростання вмісту метакаоліну позитивно впливає на ступінь гідратації цементного каменю, що особливо помітно в ранні строки тверднення цементного каменю. Можна припустити, що це явище зумовлене активним зв'язуванням надлишкового вільного вапна - продукту гідратації клінкерних мінералів, а також виконанням частинками метакаоліну ролі підложки для кристалізації новоутворень [7-9]. Поряд із прямою хімічною взаємодією метакаоліну із цементом іде і більш інтенсивна гідратація самих клінкерних мінералів [7]. Проте введення значної кількості метакаоліну (близько 15% від маси в'яжучого і вище) може негативно вплинути на ступінь гідратації цементного каменю внаслідок можливого оточення поверхні нових фаз і перешкоджання утворенню контактів між кристалогідратами. Адсорбційна ж плівка, утворена суперпластифікатором, є достатньо проникною для молекул води і не створює перешкод для гідратації цементу та утворення міцної структури цементного каменю. Молекули суперпластифікатору викликають дезагрегацію цементних флокул, покращуючи доступ води до зерен цементу.

Характер модифікування цементного каменю добавками ПФМ в значній мірі визначається зміною параметрів його порової структури. Одним з найбільш простих та універсальних методів дослідження порової структури цементного каменю є метод водопоглинання [6], який дозволяє визначити як інтегральні (уявну пористість), так і диференційні (показники середнього розміру пор та однорідність їхніх розмірів) параметри порової структури. В загальному випадку криві водопоглинання цементного каменю апроксимуються трипараметричною експоненціальною функцією виду:

, (2)

структуроутворення цементний камінь

де Wф - величина водопоглинання в ф годин, %;

Wmax - умовна величина максимального водопоглинання, %;

л - коефіцієнт, який характеризує середній діаметр капілярів;

б - коефіцієнт, який характеризує однорідність розмірів капілярів;

ф - час від моменту занурення зразка у воду, год.

Для визначення параметрів пористості за кінетикою водопоглинання виготовляли зразки-куби з розміром ребра 7,07 см. Після витримування протягом 28 діб у камері нормального тверднення зразки висушували до постійної маси при t=105…1100C. Кінетика водопоглинання зразків представлена на рис. 2.

Слід відзначити, що для зразків всіх досліджуваних складів рівняння (2) є адекватним при 95%-ій довірчій ймовірності:

склад №1: FP=1,94<FT=4,19; склад №2: FP=1,77<FT=4,19;

склад №3: FP=2,05<FT=4,53; склад №4: FP=1,66<FT=3,84;

склад №5: FP=1,83<FT=4,1.

де FP - розрахункове значення критерію Фішера,

FТ - табличне значення критерію Фішера.

За результатами визначення водопоглинання розраховували наступні характеристики:

водопоглинання за масою, %:

, (3)

водопоглинання за об'ємом (відкриту пористість), %:

Размещено на http://www.allbest.ru//

 , (4)

де т0 та т24 - маса зразка відповідно до занурення у воду та через 24 год. після занурення, виміряна на повітрі, кг;

тВ24 - маса зразка через 24 год. після занурення у воду, виміряна у воді, кг.

Знаючи ступінь гідратації цементного каменю, можна обчислити його відносну густину, загальну, капілярну та гелеву пористість за розрахунковими залежностями, наведеними в [6]:

відносна густина:

, (5)

загальна пористість, %:

, (6)

гелева пористість, %:

, (7)

капілярна пористість, %:

, (8)

де б - ступінь гідратації цементу (в'яжучого ), %;

сц - дійсна густина цементу, сц=3,1 г/см3.

Зважаючи на те, що гідратація цементу суттєво уповільнюється у пізні строки тверднення, підставляємо у формули (5)-(8) ступінь гідратації каменю у віці 28 діб. Замість В/Ц враховуємо В/В'яж (В/(Ц+МТК)).

Експериментальні та розрахункові значення параметрів порової структури цементного каменю з добавкою ПФМ наведені в таблиці.

Таблиця

Параметри порової структури цементного каменю

Як видно з даних таблиці, зростання вмісту метакаоліну у складі цементного каменю за решти сталих умов призводить до зменшення середнього розміру пор та збільшення їхньої однорідності. При цьому відкрита пористість (водопоглинання за об'ємом) має тенденцію до зменшення, відносна густина цементного каменю, яка фактично є співвідношенням його середньої густини до істинної в абсолютно сухому стані, зростає.

Це свідчить на користь гіпотези про активну роль метакаоліну в процесах гідратації з утворенням каменю дрібнокристалічної структури з перевагою більш міцних та стійких низькоосновних силікатів кальцію типу CSH(I) [8-10].

Згідно із загальними закономірностями формування структури цементного каменю та бетону, що викладені в [8], введення ультрадисперсних матеріалів призводить до зміни балансу між гелевими

(1•10-3?d?5•10-3 мкм) та капілярними (5•10-3<d?2•10 мкм) порами на користь перших та при цьому структура цементного каменю стає більш дисперсною.

Це підтверджується і нашими розрахунковими даними пористості (таблиця, рис. 3).

Між ступенем гідратації цементу та міцністю цементного каменю на стиск Rст також існує кореляція. О.Є. Шейкіним була запропонована наступна кореляційна залежність між цими параметрами [6]:

Размещено на http://www.allbest.ru//

, (9)

де n=2,7.

На рис. 4 наведено середньоарифметичні експериментальні значення міцності цементного каменю досліджуваних складів у віці 28 діб (визначені з трикратним повторенням) та відповідних їм значеннях ступеню гідратації. Зразки цементного каменю розмірами 2х2х2см до випробування зберігалися у воді. При апроксимації даних за методом найменших квадратів, експериментальні точки можуть бути описані рівнянням (9) при n=4,1, (рис. 4). Рівняння адекватне при 95%-ій довірчій ймовірності: FP=4,46<FT=5,41.

Таким чином, експериментально-розрахунковий аналіз параметрів пористості цементного каменю, результати якого свідчать про зменшення загального діаметру пор та покращання їхньої однорідності при використанні добавки ПФМ. Це зумовлює перерозподіл пористості у бік зростання пор гелю та, внаслідок цього, збільшення міцності цементного каменю.

Литература

1. Justice J.M. Evaluation of metakaolins for use as supplementary cementitious materials/A thesis presented to the Academic Faculty in partial fulfillment of the requirements for the degree Master of Science in Materials Science and Engineering. - Georgia Institute of Technology, April, 2005. - 149 p.

2. Khatib J.M., Wild S. Pore size distribution of metakaolin paste // Cement and Concrete Research. - 1996. - No.26(10). - P. 1545-1553.

3. Дворкин Л.И., Кириченко И.О., Лушникова Н.В. Свойства цементного камня с комплексной добавкой на основе метакаолина// Сборник докладов VI международной научно-практической конференции “Дни современного бетона”. - Запорожье: ООО “Релаксол”, 2004. - С. 215-219.

4. Дворкін Л.Й., Лушнікова Н.В. Властивості литого високоміцного бетону, які визначають його довговічність// Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. - Рівне: НУВГП, 2005. - С.31-37.

5. Хигерович М.И., Меркин А.П. Физико-химические методы исследования строительных материалов. - М.: Высшая школа ,1968. - 192 с.

6. Шейкин А.Е., Чеховский Ю.В., Бруссер М.И. Структура и свойства цементных бетонов. - М.: Стройиздат, 1979. - 344 с.

7. Цементные бетоны с минеральными наполнителями / Л.И. Дворкин, В.И. Соломатов, В.Н. Выровой, С.М. Чудновский / Под ред. Л.И. Дворкина. - К.: Будівельник, 1991. - 136 с.

8. Каприелов С.С. Общие закономерности формирования структуры цементного камня и бетона с добавкой ультрадисперсных материалов // Бетон и железобетон. - 1995. - № 4. - С. 16-20.

9. Юнг В.Н. О влиянии малых добавок известняка на качество портландцемента // Цемент. - 1948. - № 3. - С. 6-9.

Размещено на Allbest.ru