УДК 666.94.946.4(043.3)
Э.И.Марданова, Н.В.Сенерина, Р.З.Рахимов
Казанская государственная архитектурно-строительная академия
Одним из перспективных направлений использования портландцемента для регионов, не имеющих собственной цементной промышленности, является получение смешанных высокодисперсных наполненных цементов (ВНЦ). Высокодисперсные наполненные цементы содержат в значительных количествах минеральные наполнители, характеризуются удельной поверхностью порядка 450-500 м2/кг и наличием оптимального количества суперпластификатора.
Распространенными минеральными добавками в наполненные цементы являются кварцевые пески, к которым предъявляются требования по содержанию кремнезема (не менее 90%) и количеству в них глинистых, илистых и пылевидных (ГИП) примесей (не более 3%) [ 1 ]. Анализ отечественной и зарубежной научно-технической литературы показывает, что в ней практически не освещен вопрос о влиянии глинистых, илистых и пылевидных примесей, содержащихся в минеральных добавках, на свойства цементного камня, изготовленного на основе смешанных вяжущих. В работах М.Ельчанинова, И.П.Александрова, Б.Г.Скрамтаева, Bonnal D.S.R., Morrison J.K. имеются некоторые сведения о влиянии глинистых и илистых частиц в песках-заполнителях на прочность стандартных цементно-песчаных растворов, но они часто обнаруживают противоречивый характер и кроме того, относятся к «растворному» немолотому песку. Это вызывает необходимость индивидуального подхода при решении вопроса о предельно допустимом содержании ГИП фракций в песках-наполнителях для смешанных цементов.
Для решения поставленной задачи использовали портландцемент Новоульяновского завода ПЦ 400 Д-17 (доменный гранулированный шлак) и природные кварцевые пески 4-х месторождений с различным содержанием ГИП примесей от 2,75 до 15,5%, характеристика которых приведена в табл. 1.
Технология получения ВНЦ включала в себя раздельный домол портландцемента и песка до удельной поверхности соответственно 480-500 м2/кг и 120-150 м2/кг с последующим их смешиванием в лабораторной шаровой мельнице. Прочность образцов цементного камня определяли на образцах размером 20х20х20 мм. В смешанном вяжущем заменяли на песок 15, 20 и 30% товарного портландцемента. В табл.2 представлены данные о свойствах высокодисперсных наполненных цементов на основе товарного цемента и песков с различным содержанием ГИП примесей.
Анализ приведенных в табл. 2 результатов показывает, что прочность цементного камня из высокодисперсного наполненного цемента определяется взаимным влиянием количества отмучиваемых примесей в песке и степени «разбавления» портландцемента минеральной добавкой. Так, можно получить цементный камень с некоторым повышением прочности или без ее снижения относительно прочности образцов на тонкомолотом портландцементе при следующих соотношениях между степенью «разбавления» и содержанием отмучиваемых фракций: при 15 и 20%-ой добавке песка — до содержания ГИП частиц соответственно 11,2 и 6,1% (сост. 1-3 и 5-6); при замене 30% портландцемента песком образцы являются равнопрочными контрольному составу (сост.1) только при содержании ГИП фракций 2,75% (сост.9).
Как известно [2,3], наиболее вредное влияние на прочность цементного камня оказывают глинистые примеси, вещественный состав которых представлен глинистым веществом — наиболее дисперсной фракцией минералов каолинита, иллита, монтмориллонита, и примесями — тонкодисперсными кварцевой пылью, карбонатными пылеватыми частицами, полевошпатовым песком. С целью изучения влияния глинистой составляющей в составе ГИП частиц был определен минеральный и фракционный состав отмучиваемых примесей (фракции мельче 0,05 мм) в исследуемых песках.
По значениям процентного содержания глинистых минералов и числовым значениям ГИП фракций в исследуемых песках, были рассчитаны количества глинистого вещества и примесей в них. Затем было произведено сопоставление прочности высокодисперсных наполненных цементов ( при одинаковом содержании наполнителя в них) с рассчитанными показателями и фракционным составом ГИП частиц.
Анализ полученных данных подтверждает, что прочность смешанных высокодисперсных цементов с загрязненными ГИП частицами песками-наполнителями снижается не только при увеличении содержания отсмучиваемых примесей в минеральных добавках, но главным образом при повышении в них тонкодисперсного глинистого вещества. Так, при увеличении количества глинистой субстанции в ГИП фракции от 1,87 до 10,23% прочность цементных образцов снижается со 129 до 99% по сравнению с контрольным составом (сост.1). Полученные данные хорошо согласуются также с результатами определения фракционного состава глинистых, илистых и пылевидных примесей в песках. Видно, что прочность смешанного вяжущего снижается с увеличением содержания в отмучиваемых примесях коллоидной фракции (менее 0,001 мм), присущей, с точки зрения гранулометрии, глинистому веществу.
Проведенные рентгенографические исследования показали, что продукты гидратации высокодисперсных наполненных цементов с добавками исследуемых песков отличаются по величине фоновой составляющей их дифрактограмм. Так, повышенные значения относительного содержания фазы C-S-H присущи вяжущим с использованием в качестве наполнителя песков с невысоким (1,87-1,95%) содержанием глинистого вещества и для них же характерна более высокая прочность. Напротив, меньшая прочность и пониженное количество гелевидной фазы отмечены у ВНЦ с песками-наполнителями, содержащими в своем составе 6,38 и 10,23% глины.
Для выявления механизма влияния количества глинистого вещества в песчаных наполнителях на процессы структурообразования цементного камня были изучены поверхностные свойства песчаных добавок (адсорбционная способность или емкость ионного обмена, за критерий которой принимали электропроводность их водных вытяжек в дистиллированной воде ) и рН таких вытяжек (табл.3).
Сравнение представленных в табл.3 данных свидетельствует , что добавки-наполнители с пониженным содержанием глинистого вещества имеют более низкие значения рН и меньшую адсорбционную способность (сост. 1,2). По-видимому, они способствуют протонизации жидкой фазы твердеющего цемента и, как следствие, ускоряют коагуляцию возникающих новообразований и углубляют процессы гидратации, что согласуется с приведенными выше данными об увеличении в продуктах гидратации ВНЦ с этими добавками количества C-S-H фазы. Пески-наполнители с повышенным содержанием глинистой составляющей характеризуются более высокой адсорбционной способностью, подщелачивают жидкую фазу твердеющего цемента, имеют повышенный отрицательный поверхностный заряд (по результатам оптико-спектроскопических измерений), что обуславливает снижение прочности кристаллизационных контактов между зернами наполнителя и продуктами гидратации вяжущего.
Эффективность полученных ВНЦ (состава рядовой цемент: песок=70:30) была проверена в обычных тяжелых бетонах марки 200 при номинальном составе 1:2:4,5. Результаты испытаний показывали, что в стандартном возрасте с увеличением количества глины в песках-наполнителях прочность ВНЦ снижается, но по абсолютной величине находится на уровне или выше прочности контрольного состава на 8-20%. Возможного снижения прочности бетонов после 3-х месяцев влажностного хранения из-за вредного влияния глинистых частиц не наблюдается, что можно связать с отсутствием в исследуемых песках органических примесей [5]. Проведенными испытаниями было установлено также, что морозостойкость бетонов на ВНЦ с исследуемыми песками не уступает бетону на портландцементе той же дисперсности.
Выводы
- Изучена возможность использования в качестве наполнителей высокодисперсных наполненных цементов песков с повышенным (от 4,2 до 15,5%) относительно рекомендуемого (3%) глинистых, илистых и пылевидных примесей, так как смешанные цементы с их применением позволяют получить обычные тяжелые бетоны М200 с увеличением их прочности на 12-14% при замене ими до 30% товарного цемента (а при использовании бездобавочного портландцемента до 50%). Экспериментально установлены конкретные условия применения данных песков в составе ВНЦ для изготовления бетонов марки 200 с учетом количества введенного наполнителя и содержания в нем ГИП примесей.
- Показано, что наиболее вредное влияние на свойства высокодисперсных наполненных цементов и бетонов на их основе оказывает собственно глинистое вещество, находящееся в составе отмучиваемой фракции, и его содержание может служить критерием применимости таких песков для изготовления наполненных цементов. Полученные результаты могут служить основой для уточнения и конкретизации изложенных в научно-технической литературе требований к пескам-наполнителям в отношении содержания в них частиц менее 0,05 мм.
- Изучен механизм влияния глинистой составляющей в песках на процессы структурообразования цементного камня и показано, что оно связано с поверхностными свойствами данных наполнителей: адсорбционной способностью и щелочностью их водных суспензий.
Библиографический список
- Волженский А.В. Минеральные вяжущие вещества.-М.:Стройиздат, 1986, 462 с.
- Скрамтаев Б.Г. Исследования по бетону.- Строительная промышленность, 1929, N9.
- Юферев В. К. К вопросу о влиянии примеси глины в песке на прочность портланд цементных растворов и бетонов. -Строительные материалы. Приложение к журн. Строительная промышленность, 1929, N9.
- Ельчанинов М.Г. Примеси в песке и качество бетона. -Строительная промышленность, 1927, N1.
- Н. Burchartz. Der Binfluss des Zusatzes von Gesteins — Fund TonmezHI auf die Brhurtung osw. Festigkeiv von Zement — und Kalkmotel. Zement, 1925, 30, с. 745-748.
