Влияние наполнителей на структуру мелкозернистых бетонов

Ключевые слова:нанодисперсный модификатор, дисперсность, механоактивация, микроструктура, мелкозернистый бетон, цемент, гидратация.

Эксплуатационные свойства любых строительных материалов существенно зависят от их надмолекулярной структуры. Одним из основных способов регулирования процессов структурообразования в композиционных материалах на основе бетона являются: 1) использование технологических приемов; 2) использование наполнителей, обеспечивающие прочную силу сцепления между отдельными частицами новообразований в структуре монолитного твердого тела.

Целью данной работы является изучение микроструктуры бетонов, твердеющих в различных условиях.

На микрофотографии образца мелкозернистого бетона с добавкой цемента, активированного в АГО и гидратировавшего в водной среде (рис.1.обр.№ 1) видна конфигурация мелких кристаллических образований призматической формы, поверхность в целом однородная, с ярко выраженными отдельными участками скоплений кристаллов. Можно предположить, что это области ускоренных процессов гидратации вокруг активированных зерен цемента. Кристаллические образования продуктов гидратации плотно расположены и имеют четкие грани, что свидетельствует о более полной реакции гидратации, произошедшей в водной среде.

На микрофотографиии бетонного образца аналогичного состава, гидратировавшего в воздушной среде (рис.1, обр. № 2) наблюдается структура с пластинчатыми и игольчатыми новообразованиями, характерными для ранней стадии, что может говорить о незавершенных процессах гидратации для образцов, твердевших в воздушной среде.

Рис. 1. Микроструктура (х500) бетонных образцов с 50 мас. % механоактивированным цементом: 1- АГО- водное твердение 2 –АГО-воздушное твердение 3- Пульвиризетте –водное твердение

Электронно-микроскопическими исследованиями установлено, что цементный камень бетона водного твердения обладает более плотной, однородной и мелкокристаллической структурой. Кристаллические образования продуктов гидратации плотно расположены и имеют четкие грани, что свидетельствует о более полной реакции гидратации, произошедшей в водной среде.

Рентгенофазовый анализ опытных образцов позволил установить, что трехкальциевый силикат (С₃S) — алит, который участвует в нарастании прочности цемента на протяжении всего времени, присутствует на линиях 1,88, 2,12, 1,82, 1,92, 2,32, 3,01Å (рис.2).

Рис. 2. Интенсивность трехкальциевого силиката С₃S — алита в опытных образцах

По количественному составу того или иного соединения можно говорить о полноте гидратации. Так, данные РФА показывают, что количественный состав трехкальциевого силиката исходных образцов составляет 49,5 %, в составе образцов с модифицированным цементом в планетарных мельницах АГО-2 и «Пульвизетте» в течение 2 мин. — 17,1 % и 17,4 %, соответственно, в чистом цементе — 65,2 %.

Таким образом, на основании результатов РФА, можно утверждать, что гидратация С₃S у исходных образцов прошла на 24 %, у модифицированных в АГО-2 образцов — на 73 % и в «Пульверизетте» — на 74 %.

В исследуемых образцах содержание портландита — Са(ОН)₂, показано в линиях 4.91, 4.92, 4.89Å (рис.3).

Рис. 3. Интенсивность портландита Са(ОН)₂ в опытных образцах

Как показал рентгенофазовый анализ в исходных образцах (а) и в образцах с механоактивированным цементом АГО-2 (б) и «Пульверизетте» (в) можно выделить характерные для цемента минеральные фазы продуктов его гидратации. По длине пиков портландита Са(ОН)₂ можно охарактеризовать степень гидратации цементного камня в образцах различного состава. Так, например, высота пиков, образованных портландитом неодинакова. Высокое значение пика интенсивности портландита (d = 320.000) наблюдается у образцов с содержанием 50 % от массы цемента механоактивированного в АГО-2, при содержании механоактивированного цемента 50 % от массы цемента в «Пульверизетте» интенсивность пика составляет d = 270.000, а исходного образца d = 120.000. Таким образом, РФА установлено, чем ниже интенсивность пика портландита, тем больше прочность будущего материала.

Количественный состав портландита по результатам РФА разный (рис.3). Содержание портландита составляет у исходного образца 2,9 %, что на 78 % и 82 % ниже по отношению к образцам, активированным в АГО-2 и «Пульверизетте». Следовательно, в связи с этим можно утверждать, что механическая активация частиц влияет на гидратацию цемента, которая, в свою очередь, влияет на физико-механические свойства композиционного материала.

Выводы

1.      Показана высокая эффективность применения механоактивационных технологий для улучшения физико-механических свойств цемента и мелкозернистых бетонов на его основе. Установлено, что все использованные в работе механоактивационные аппараты позволяют улучшать свойства лежалого цемента до нормативных и выше. Наилучшие результаты получены при механоактивации цементов на планетарной мельнице АГО-2.

2.      Увеличение удельной поверхности методом свободного удара вяжущих компонентов бетонной смеси обуславливает увеличение их реакционной способности, и, как следствие, получение бетонов, имеющих повышенную прочность. Механоактивация цемента позволила повысить прочностные показатели мелкозернистого бетона до 40 %.

3.      Методом РФА оценена степень гидратации бетонных смесей по интенсивностям пиков алита и портлантида. Показано, что применение в бетонных смесях механоактивированного цемента повышает степень гидратации цементного камня. Установлено, что структура бетонов с механоактивированным цементом характеризуется более плотной однородной мелкокристаллической структурой в случае твердения в водной среде по сравнению с твердением в воздушной среде.

4.      Установлена эффективность применения механоактивированных добавок минерального происхождения (цеолитов и глин), заключающаяся в улучшении основных эксплуатационных свойств бетонов. Выбор добавок основан на химическом и кристаллическом родстве с цементным вяжущим.

5.      Применение механоактивированных цеолита и глины повышает прочность бетонов на 48 и 22 % соответственно.

6.      Разработаны составы бетонных смесей с повышенным уровнем прочностных характеристик и технология обработки лежалых цементов с целью повышения их эксплуатационных характеристик до нормативных показателей.

6.

Литература:

1.    Брыков А. С. Гидратация портландцемента: учеб. пособие. СПб.: СПбГТИ(ТУ). 2008. 30 с.

2.    Лушникова А. А., Соковикова М. А., Пудов И. А. Формирование структуры и свойств бетонов, модифицированных дисперсными добавками // Вестник ЮУрГУ. 2011. № 16. С. 30–33.

3.    Овчаренко Г.И, Гильмияров Д. И., Викторов А. В., Фомичев Ю. Ю. Взаимосвязь фазового состава и прочности автоклавного прессованного материала // Науково-технiний збiрник «Сучаснi технологii, матерiали i конструкцii в будiвництвi». 2012. С. 27–32.

4.    Панина А. А., Лыгина Т.З, Губайдуллина А. М., Николаев К. Г., Халитова А. Н. Исследование портландцемента с модифицированной цеолитсодержащей добавкой // Известия КГАСУ. 2012. № 4 (22). С. 326–331.