Материал: Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

УДК 691.33

СИНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ КОМПОНЕНТОВ ВЯЖУЩЕГО

Р. С. Федюк

Дальневосточный федеральный университет

Россия, г. Владивосток, тел.: +7-950-281-79-45, e-mail: roman44@yandex.ru

Р. С. Федюк, ст. преп. учебного военного центра

Постановка задачи. Важнейшей задачей современности являются снижение энергоемкости получения эффективных строительных композитов, улучшение экологической обстановки, оптимизация системы «человек — материал — среда обитания». Применение вместо традиционного бетона материалов на основе композиционных вяжущих с использованием отходов производства позволит решить эту задачу. Использование отходов теплоэлектростанций в качестве нанодисперсного компонента композиционного вяжущего более эффективно по сравнению с заводскими добавками, что обусловлено их вторичной полезной функцией — освобождением золоотвалов. При этом наиболее перспективной является разработка композиционного вяжущего с использованием кислой золы.

Результаты. Установлено, что совместное влияние механической и химической активации (присутствие частиц известняка) способствует увеличению пуццолановой активности кислых зол. Она оказывает каталитическое действие на реакционную активность поверхности золы и песка в процессе механической обработки в варио-планетарной мельнице. Кроме того, введение известняка повышает щелочность бетона, что приводит к большему образованию продуктов гидратации цемента в единицу времени.

Выводы. Разработано композиционное вяжущее, состоящее из цемента (55 %), кислой золы (40 %) и известняка (5 %), полученное путем совместного помола с гиперпластификатором до удельной поверхности 550 м2/кг, обладающее активностью 77,3 МПа и позволяющее создать цементный камень более плотной структуры.

Ключевые слова: композиционное вяжущее, цемент, зола уноса, известняк, гиперпластификатор.

Введение. Современная мировая строительная промышленность повсеместно применяет в качестве конструкционного материала бетон на цементном вяжущем и природных заполнителях, в то же время практически во всех регионах нашей страны в результате деятельности предприятий горнодобывающей промышленности и топливно-энергетического комплекса образуются крупнотоннажные отходы золы и отсевов дробления на щебень горных пород различного состава. Представляется необходимым оптимизация процессов структурообразования бетонных смесей за счет использования промышленных отходов, что позволит повысить прочностные характеристики. Это будет способствовать снижению стоимости производства композиционного вяжущего, а также улучшению экологической обстановки в регионе за счет использования отходов промышленного производства.

1. Исходные материалы для композиционного вяжущего. Современное бетоноведе-

ние направлено на разработку материалов, имеющих достаточные физико-механические характеристики и содержащих при этом в своем составе техногенные отходы. В частности, высокие прочностные показатели показывают мелкозернистые фибробетоны, в составе которых значительная часть цемента заменена золой уноса теплоэлектростанций (ТЭС).

© Федюк Р. С., 2016

71

Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура

Для высокоплотной мелкозернистой структуры, кроме высокой однородности, характерно снижение удельных напряжений в зоне контакта и рост адгезии между составляющими композиционного вяжущего. Адгезия песчаной составляющей существенно возрастает при росте площади контакта, эти условия реализованы при создании мелкозернистых бетонов на основе композиционных вяжущих с использованием отсева дробления известнякового щебня Врангелевского месторождения (Приморский край). В этом случае высокоразвитая поверхность тонкодисперсных частиц вяжущего позволит интенсифицировать процесс гидратации и структурообразования вяжущего, способствуя развитию динамики роста прочности бетона, а также уплотнению структурной матрицы композита.

Таким образом, целесообразна разработка плотной структуры матрицы бетона, обладающей повышенными прочностными характеристиками. Для достижения данной цели были предложены композиционные вяжущие, полученные путем совместного помола портландцемента, сухого гиперпластификатора, золы уноса ТЭС и отсева дробления известняка.

В качестве компонента композиционного вяжущего применялись золы уноса крупнейших ТЭС Приморского края: Владивостокской ТЭЦ-2 (рис. 1), Артемовской ТЭЦ, Приморской ГРЭС и Партизанской ГРЭС. Важным фактором являлась возможность сухого отбора золы на этих ТЭС. Химический состав применяемых зол приведен в табл. 1.

Рис. 1. Микрофотографии золы уноса Владивостокской ТЭЦ-2

Использование техногенного сырья в производстве строительных материалов способствует решению следующих основных задач: энерго- и ресурсосбережения, утилизации отходов, улучшения экологической обстановки в регионах. Зола уноса ТЭС является эффективным сырьем для производства активных минеральных и тонкодисперсных добавок.

Врамках проводимой работы было заформовано 7 составов композиционного вяжущего. В каждый из них был добавлен гиперпластификатор PANTARHIT PC160 Plv (FM) в количестве 0,3 %. За контрольный состав был принят образец из портландцемента Спасского цементного завода ЦЕМ I 42,5 (ПЦ500-ДО). Для определения оптимального количества компо-

нентов в системе «цемент — зола — известняк» осуществляли их помол до удельной поверхности 600 м2/кг при различном соотношении.

Востальных образцах изменяли количество цемента, известняка и золы уноса двух ТЭС Приморского края при водовяжущем отношении 0,3 (табл. 2). Золы Приморской и Партизанской ТЭЦ по содержанию радионуклидов не соответствуют нормативным требованиям

ивследствие этого не работе не использовались.

С целью определения оптимального размера частиц был произведен совместный помол цемента с гиперпластификатором, золой и отсевом дробления известняка (состав № 7, табл. 2) до различной удельной поверхности: 500, 550, 600, 700, 800, 900 м2/кг (табл. 3).

72

Установлено, что удельная поверхность вяжущего 550—600 м2/кг является оптимальной. Повышение Sуд сверх этих значений не приводит к дальнейшему существенному повышению прочности. Следует отметить сокращение сроков схватывания вяжущего до 35— 40 мин за счет интенсификации процесса гидратации при влиянии высокоактивных составляющих композита.

Оптимальными выбраны параметры композиционного вяжущего с удельной поверхностью 550 м2/кг, размером частиц 0,15—500 мкм, средним диаметром частиц зерен 0,65— 11,2 мкм. При этом показатели нормальной густотой цементного теста данного вяжущего на 35—45 % ниже, чем на традиционном цементе ЦЕМ I 42,5Н, что подтверждает более плотную упаковку структуры разрабатываемого композита.

73

Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура

2. Свойства композиционных вяжущих в зависимости от состава. Наиболее высо-

кий технический эффект достигается за счет синергетического действия техногенных пуццолановых добавок (золы уноса) и природных материалов осадочного происхождения (известняка) при содержании: цемент — 55 мас. %, известняк — 5 мас. % и зола — 40 мас. %. При таком вещественном составе композиции и совместном помоле до удельной поверхности 550 м2/кг образцы имеют прочность при сжатии до 77,3 МПа, при прочности контрольного состава (ЦЕМ I 42,5 H без домола) 47,5 МПа. Таким образом, помимо снижения стоимости композиционного вяжущего и решения экологических проблем (освобождения золоотвалов), прочностные характеристики были улучшены более чем на 50 %

В ходе проведенных исследований было установлено, что совместное влияние механической и химической активации (присутствие частиц известняка) способствует увеличению пуццолановой активности кислых зол. Анализ микроструктуры показал, что частицы золы и известняка окружены гелевыми образованиями. Отдельные частицы связаны между собой, образуя кластеры. В таком цементном камне характерно присутствие игольчатых гидросиликатных новообразований, длина которых составляет 2 мкм, а диаметр около 0,2 мкм (рис. 2).

Таким образом, добавка нанодисперсного известняка является химическим фактором увеличeния активности взаимодействия золы и песка. Она оказывает каталитическое действие на реакционную активность поверхности золы и песка в процессе механической обработки в варио-планетарной мельнице. Введение активных минеральных добавок в состав исходного композиционного вяжущего активизирует процесс гидратации. В составе продуктов гидратации композиции идет перераспределение кристаллических фаз как непрогидратированных клинкерных минералов (алита, белита, альмоферрита кальция), кварца и кальцита, так и образующихся продуктов гидратации (СН — портландита, 3С3A∙3CaSO4∙32H2O — эт-

трингита) [7, 8, 18].

Улучшения микроструктуры контактной зоны можно добиться добавлением малого количества тонкомолотой активной минеральной добавки, например золы уноса ТЭС. В цементных композиционных материалах, включающих в себя гидравлически активные минеральные компоненты, в результате взаимодействия гидроксида кальция c активным кремнеземом или алюмосиликатом наполнителя начинается процесс образования при твердении дополнительного количества кальций-кремний-гидратной фазы. В результате данных процессов образуются дополнительные фазовые контакты срастания между кристаллогидратами, и соответственно в этом случае наблюдается уплотнение цементного камня. Это и определяет высокую прочность портландцементного композиционного материала [1, 10].

Гидратная структура композиционного вяжущего представлена двумя разновидностями — первичной и вторичной. Первичная структура представлена аморфными продуктами в межпоровом пространстве, образованными по сквозьрастворному механизму. Причем состав продуктов в поровом пространстве зависит от химического состава окружающих пору крупных частиц.

Проведенные исследования показывают явное синергетическое влияние компонентов вещественного состава вяжущего на минеральный состав продуктов гидратации и скорость взаимодействия клинкерных минералов с водой, на морфологию продуктов гидратации и микропористость камня [9, 19, 20].

Применение композиционного вяжущего с увеличенной удельной поверхностью ускоряет процессы гидратации, приводит к образованию новых продуктов, способствующих повышению плотности цементного камня, и, как следствие, к повышению прочности и непроницаемости.

Доказано, что частицы цементного порошка, имеющие «щебеночную» (осколочную) форму с острыми углами и сильно развитой конфигурацией, в отличие от «галькообразных» (округлых) частиц гораздо быстрее гидратируют в воде. При равных параметрах удельной поверхности, одинаковом содержании частиц портландцементного порошка размерами 0—

74

20 мкм, одинаковом химическом составе прочность цементного камня, состоящего из частиц осколочной формы, будет выше, чем прочность цементного камня, состоящего из частиц округлой формы. В результате скорость твердения цементных частиц с осколочной формой выше, чем с округленной формой. Таким образом, только изменение формы частиц портландцементного порошка с округленной на осколочную при других равных условиях будет способствовать росту активности цемента в среднем на 10 МПа.

а)

б)

Рис. 2. Микрофотографии новообразований:

а) цементный камень без добавок; б) цементный камень композиционного вяжущего

Важной особенностью цементных систем на основе таких вяжущих является существенное торможение процессов структурообразования в первые 4—8 часов после затворения с последующим интенсивным процессом кристаллизации и твердения. Процесс индукционно-

75