Влияние белой сажи и метакаолина на прочность и деформационные свойства цементного камня

Аннотация

Несветаев Г.В., Та Ван Фан

Показано, что при добавлении к портландцементу белой сажи и метакаолина совместно с различнымисуперпластификаторамиусловная величина прочности кристаллического сростка R0в модифицированных составах составила от 69 до 182% от эталона. Фактическое значение изменения прочности бетонов, изготовленных с указанными модификаторами, составило от 80 до 174%, при этом пористость изменялась в диапазоне от 86,5 до 103,5%. Модуль упругости составил от 89 до 137% от эталона, а мера ползучести от 36 до 542%.

Ключевые слова: портландцемент, суперпластификаторы, минеральные модификаторы, модуль упругости, мера ползучести

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

В последнее десятилетие в технологии бетона все шире применяются минеральные (ММ) и органические добавки, которые вводятся с целью придания особых свойств бетонной смеси и затвердевшему бетону. В частности, используются различные виды активного микрокремнезема, вт.ч. белая сажа (БС), образующаяся при сжигании рисовой соломы, метакаолин (МК), а также суперпластификаторы (СП) на основе различных соединений (эфиры поликарбоксилатов, меламиноформальдегиды, нафталиноформальдегиды). Поскольку все указанные компоненты могут оказывать влияние на процесс гидратации цемента, в т.ч. на состав новообразований, а, следовательно, на пористость, прочность и деформации цементного камня[1,2], представляет практический интерес исследование влияния указанных компонентов на свойства цементного камня.

Изучено влияние некоторыхММ в сочетании с СП на прочность, модуль упругости и ползучесть цементного камня портландцемента (ПЦ) Себряковского завода. Использовалисьследующие СП с дозировкой от 0,2 до 0,5%: «Glenium» (g51, g30), «Melflux» (m2651, m5581), СП1ВП в сочетании сММ: 10% от ПЦ – для БС и МК, 20% (10+10) - для БС + МК.

Анализ влияния модификаторов на свойства цементного камня выполнен по следующей схеме:

- поскольку предел прочности цементного камня

R = R₀exp (-kP) ,                                                         (1)

зависит от его пористости Р и прочности кристаллического сростка R₀, которая определяется количеством и прочностью контактов новообразований, то по полученным экспериментальным данным (рис. 1) определялись значения R₀(условная величина прочности кристаллического сростка) для каждого состава, при этом анализ влияния модификаторов производился сопоставлением величин R₀модифицированных составов cэталонным бездобавочным составом;

- для модуля упругости Е₀ и меры ползучести С₀ в качестве генеральной зависимости принята функцияf(x) зависимости указанных величин от прочности цементного камня R

F(x) = aR^K,                                                          (2)

и по полученным экспериментальным данным (рис.2, 3) определены соответствующие значения входящих в ф.(2) параметров и для каждого состава, при этом анализ влияния модификаторов производился сопоставлением величин a и kc эталонным бездобавочным составом. Такой подход [3] позволяет выявить влияние воздействующих факторов с учетом всех «сопутствующих» процессов и результатов, таких, например, как изменение величины В/Ц вследствие различной водопотребности составов с модификаторами, изменение общей пористости вследствие изменения степени гидратации и состава новообразований, изменения предела прочности цементного камня в результате проявления вышеуказанных процессов. Представленные в таблице результаты анализа свидетельствуют о весьма значительном влиянии ММ в сочетании с СП на свойства цементного камня. Так,  условная величина прочности кристаллического сростка R₀в модифицированных составах составила от 69 до 182% от эталона. Фактическое значение изменения прочности бетонов, изготовленных с указанными модификаторами, составило от 80 до 174%, при этом пористость изменялась в диапазоне от 86,5 до 103,5%. Модуль упругости составил от 89 до 137% от эталона, а мера ползучести от36 до 542% (!).

Таблица

Значения параметров R₀, a. k в ф.(1) и ф.(2)

Примечания: 1 – в числителе – значение коэффициента, в знаменателе – относительно ПЦ; 2 – фактическое значение предела прочности бетона, МПа; 3 – относительная общая пористость

Рис. 1 Зависимость предела прочности цементного камня от его пористости

ПЦ – эталонныйбездобавочныйсостав; БС: 90%ПЦ+10%БС; МК: 90%ПЦ+10%МК; БС+МК: 80%ПЦ+10%БС+10%МК; G30, G51, M2651, M5581, СП1ВП – соответственно  80%ПЦ+10%БС+10%МКсСПGlenium 30, Glenium 51, Melflux 2651, Melflux 5581, СП1ВП; Т – поф.(1) приR₀ = 179

Рис. 2 Зависимость модуля упругости цементного камня от предела прочности

T– по ф.(2) при Е₀ = 1511, k = 0,613; остальные обозначения те же, что и к рис.1

Рис. 3 Зависимость меры ползучести цементного камня от предела прочности

T – по ф.(2) при a = 0,00999, k = 1,04; остальные обозначения те же, что и к рис.1

В соответствии с [4] изменение деформационных свойств бетонов классов В25 – В50, полученных из высокоподвижных бетонных смесей, наиболее широко применяемых в последнее десятилетие на строительных объектах, связано с изменением деформационных свойств цементного камня зависимостями

k_SP = k_{Е, ЦК}^0,5,                                                          (3)

k_Со,Б = k_{Е, ЦК}^0,8 ,                                                           (4)

из которых следует, что в случае применение представленных в таблице модификаторов возможно изменение модуля упругости бетонов в пределах от 0,95 до 1,17. Изменением модуля упругости бетона в таком диапазоне, в принципе, в большинстве случаев в инженерной практике можно проигнорировать. Что касается меры ползучести, то ее изменение возможно в диапазоне от 0,44 до 3,9 относительно эталона. Очевидно, что изменением в таком диапазоне пренебрегать нельзя. В связи с этим при выборе модификаторов для бетона представляется целесообразным подбирать сочетание «цемент+ММ+СП» с учетом не только получения необходимых показателей по подвижности и сохраняемостибетонной смеси, кинетики и проектного значения прочности бетона, но и по условию обеспечения необходимых деформационных свойств. В отечественных нормах нормирование модуля упругости бетона осуществляется однозначно в зависимости от класса бетона, при нормировании ползучести дополнительно учитываются условия эксплуатации. Нормы, например, Беларуси, учитывают дополнительно еще и марку бетонной смеси по удобоукладываемости. Влияние ММ и СП нормы ни одной страны не отражают.

Таким образом, при добавлении к портладцементу БС и МК совместно с СП вследствие возможного воздействия модификаторов на формирование пористости и состав новообразований может происходить существенное изменение прочности и ползучести цементного камня, в связи с чем следует производить подбор компонентов системы «цемент+ММ+СП» с учетом не только подвижности смеси и предела прочности бетона, но и длительных деформаций под нагрузкой, т.е. ползучести. При этом не всегда лучшее сочетание компонентов для получения высокой прочности  следует считать оптимальным. В настоящее время не представляется возможным дать какие-либо рекомендации по подбору СП, поскольку их влияние на свойства цементного камня носит индивидуальный характер с учетом особенностей химико-минералогического состава цемента и ММ и требует экспериментальной проверки.

Литература

1. Несветаев Г.В., Давидюк А.Н. Влияние некоторых гиперпластификаторов на пористость, влажностные деформации и морозостойкость цементного камня//Строительные материалы. – 2010. - № . 1. – С. 44

2. Несветаев Г.В. Применение модификаторов с целью управления модулем упругости бетона/ Новые научные направления строительного материаловедения: Академические чтения РААСН. – Белгород, 2005. – ч.2. – С. 51-57

3. Несветаев Г.В. Закономерности деформирования и прогнозирование стойкости бетонов при силовых и температурных воздействиях (методология и принципы рецептурно-технологического регулирования):автореф. дисс. … д-ртехн. наук: РГСУ, Ростов н/Д, 1998. – 48 с.

4. Несветаев Г.В., Давидюк А.Н. Самоуплотняющиеся бетоны: модуль упругости и мера ползучести// Строительные материалы. – 2009. - № .6