Physical and mechanical properties and chemical resistance of composites based on cement binders and sulfate-silicate additive: an experimental study

Abstract

The article provides the test results the effect of sulfate-silicate additive on the physical and mechanical properties and chemical resistance of composites based on cement binders. The tests show a possibility of obtaining an additive based on zeolite-containing rock, which increases the strength of composites at hardening.

Full Text

Современные технологии получения строительных изделий и конструкций на основе цементных бетонов предъявляют постоянно увеличивающиеся требования к сырьевым составляющим бетонов, обеспечивающим: получение самоуплотняющихся, готовых к применению бетонных смесей, позволяющих получать бетонные композиты требуемой прочности в заданные сроки твердения; снижение энергоемкости технологии бетона при одновременном повышении его качества и долговечности; повышение несущей способности и эксплуатационной надежности строительных конструкций на их основе и т. д. [1; 2].

Бетоны, как известно, представляют собой строительные конгломераты, которые получают при совмещении минеральных, органических и комплексных вяжущих с гранулированными заполнителями, изначально образующие готовую к применению бетонную смесь, затем – каменный материал. Заданные состав и свойства бетонной смеси (в последующем бетонного композита) могут быть обеспечены только при стабильном зерновом составе исходных заполнителей, гарантированного качества вяжущего вещества и комплексной модификацией сырьевых смесей.

В данной работе были проведены исследования влияния сульфатно-силикатной добавки (ССД) на основе цеолитосодержащей породы, полученной по запатентованной технологии [1], на основные физико-механические свойства цементных композитов. Добавку получали путем обжига сырьевой смеси, состоящей из цеолитсодержащей породы Атяшевского месторождения, серной кислоты и воды [1; 2]. При этом цеолитсодержащая порода Атяшевского месторождения имела следующий состав, мас. %: SiO₂ – 70.87÷58.66, Аl₂О₃ – 8.98÷12.34, Fe₂О₃ – 4.37÷6.24, СаО – 10.64÷14.51, МgO – 1.84÷2.14, К₂О – 2.48÷3.05, ТiO₂ – 0.48÷1.65, Na₂О – 0.2÷0.85, F₂О₃ – 0.14÷0.56.

Соотношения компонентов сырьевой смеси для сульфатно-силикатного продукта, мас. %: цеолитосодержащая порода – 40–50; концентрированная серная кислота – 35–40; вода – остальное.

Обжиг сырьевой смеси осуществляли при температуре близкой к 500^оС в течение 40 минут.

Получение добавки (продукта) для цементных вяжущих осуществляли следующим образом: вначале готовили сырьевую смесь – цеолитсодержащую породу размельчали и увлажняли водой. Затем в полученную смесь вводили концентрированную серную кислоту. По истечении одних суток, необходимых для окончания протекания химических реакций, сырьевую смесь подвергали термической обработке при температуре 480÷500 ^оС в течение 40÷50 минут. После обжига полученный сульфатно-силикатный продукт (сульфатно- силикатная добавка) охлаждали, размалывали и вводили в цементное вяжущее.

В состав получаемого сульфатно-силикатного продукта (ССП) входят реакционноспособные к минералам цемента вещества, позволяющие значительно ускорять гидратацию составляющих цемента и повышать прочность цементных композитов с такой добавкой [1; 2].

Рис. 1. Зависимость относительных деформаций цементных композитов от напряжений сжатия.

Для изучения влияния сульфатно-силикатного продукта на механические и физические свойства цементных композиций были исследованы механические характеристики наполненных композитов и характеристики структуры их порового пространства. Наполняли цементные композиции сульфатно-силикатной добавкой (ССД) в количестве 5 и 9% от массы вяжущего. Водоцементное отношение составляло 0,28. Испытания образцов композиций проводились в возрасте 28 суток после нормального твердения. Результаты определения механических свойств композиций с добавкой приведены в таблице 1. Данные, характеризующие структуру пор цементного камня, представлены в таблице 2.

Таблица 1

Физико-механические характеристики композиций

№	Свойство, единица измерения	Композиции  без наполнения	Композиции, наполненные ССП в количестве 5%	Композиции, наполненные ССП в  количестве 9%
1	Твердость, Т, МПа	154,44	176,94	180,58
2	Модуль деформации, Еg15,МПа	2357,84	2863,46	2952,28
3	Равновесный модуль упругости, Еyb, МПа	22080,35	27634,48	326332,02
4	Условно-мгновенный модуль упругости, Е0, МПа	24106,71	30282,17	33405,83
5	Доля упругой составляющей  в общей деформации, εy	0,1166863	0,1038918	0,0943891
6	Доля высокоэластичной составляющей деформации, εвэ	0,0056819	0,0048193	0,0043989
7	Доля пластической составляющей деформации, εпл	0,8776318	0,8912889	0,901212
8	Предельная деформация разрушения, εпр	0,01753	0,01653	0,016362
9	Предельная пластическая деформация материала, εпл.пр,МПа.с	0,01562	0,01403	0,01391
10	Коэффициент структуры, Кстр.	15,61	27,94	24,51
11	Коэффициент энергоемкости материала, Кэн, Дж/м3	0,7242	0,892	0,791
12	Коэффициент пластичности, Кпл	0,0769	0,0753	0,0753
13	Прочность при сжатии, Rсж, МПа	41,31	47,33	48,31

По величине значений твердости и равновесного модуля упругости цементные композиции с сульфатно-силикатной добавкой можно отнести к группе твердых и жестких материалов. Диаграммы сжатия исследуемых композиций, представленные на рисунке 1, и данные, приведенные в таблице 1, показывают, что модуль упругости композиций с добавкой повышается на 30%. По значениям деформационных характеристик, состоящих из упругой, высокоэластичной и пластической составляющих, видно, что у наполненных композиций основными являются пластические, то есть необратимые деформации. Упругое последствие при этом практически отсутствует. Значения предельной деформации разрушения при напряжениях сжатия и предельной пластической деформации позволяют отнести исследуемые композиции к хрупким и непластичным материалам. Подобный вывод подтверждают величины коэффициента пластичности таких композитов.

Таблица 2

Характеристики поровой структуры цементных композиций

№	Свойство, единица измерения	Композиции без наполнения	Композиции, наполненные ССД в количестве 5%	Композиции, наполненные ССД в количестве 9%
1	Водопоглощение по массе, Wb,%	13,91	15,6	19,13
2	Объемное водопоглощение,W0 %	28,81	28,35	31,86
3	Равновесное поглощение, Wp%	8,37	12,92	16,76
4	Истинная пористость, Пи %	29,02	35,34	39,28
5	Коэффициент микропористости, Км	0,607	0,956	0,981
6	Показатель среднего размера пор, λ2	2,445	2,204	3,352
7	Однородность пор по размерам, α	0,551	0,654	0,691

По энергоемкости цементные композиции с сульфатно-силикатной добавкой относятся к среднеэнергоемким и обладают достаточно развитой пространственной структурой. Наполнение композиций ускорителем твердения способствует повышению коэффициента энергоёмкости до 25%, что обуславливает их более высокую прочность (см. табл. 1 и рис. 1).

Коэффициент структуры цементных композиций с ССП выше, чем у ненаполненных цементных композиций, почти в два раза. Это может свидетельствовать о более оптимальной организации их поровой структуры. Вместе с тем, наполнение композиций сульфатно- силикатной добавкой приводит к увеличению их водопоглощения и истинной пористости. Увеличение показателей этих характеристик происходит тем значительней, чем выше содержание в цементном вяжущем сульфатно-силикатного наполнителя. Значения коэффициента микропористости и показатель дифференциации пор по размерам таких композитов свидетельствуют о преобладании в поровой структуре цементного камня на основе композиции с ССП, преимущественно, большего количества микропор и повышении степени их однородности. Однако величина замкнутых пор в них при этом снижается, что может способствовать повышению проницаемости композитов, приводя к снижению химической стойкости, что подтверждается результатами экспонирования в растворе 2%-ной серной кислоты (см. рис. 2, 3).

Рис. 2. Влияние сульфатно-силикатной добавки на прочность цементных композиций при экспонировании в 2%-ном растворе серной кислоты.

Поэтому в комплексе с разработанной добавкой при изготовлении высокопрочного цементного композита необходимо применять поверхностно- активные вещества – пластификаторы, способствующие снижению водопотребности сырьевых смесей и повышению плотности цементных композитов. Такой подход будет способствовать большему раскрытию потенциала использования разработанного сульфатно- силикатного продукта в цементных системах.

Рис. 3. Химическое сопротивление цементных композиций с сульфатно-силикатной добавкой (среда выдерживания – 2%-ный раствор серной кислоты).

На заключительном этапе исследований по оптимизации цементных композиций с ССД были получены математические модели прочности и пористости цементного камня, которые позволили определить оптимальный состав модифицированного полиминерального вяжущего (МПВ): портландцементный клинкер (90%), добавка-ССД (7,5%), пластификатор (1,1%), остальное – гипсовый камень. Оптимальная тонкость помола комплексного цементного вяжущего составляла 10–12%, что соответствовало рядовой промышленной тонкости помола. Было проведено сравнение свойств композиций на основе МПВ оптимального состава и цементной композиции на основе портландцемента ЦЕМ I 42,5Н. В результате было установлено снижение водотвердого отношения до 20%. Прочность при сжатии исследуемых композиций на основе комплексного вяжущего составила на 30% больше прочности контрольных образцов. Доказано, что введение сульфатно-силикатной добавки в минеральные цементные вяжущие открывает новые возможности в получении высокопрочных композитов с нормируемой суточной прочностью.