Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,682

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ТВЕРДЕНИЯ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ

Лешканов А.Ю. 1 Анисимов С.Н. 1 Кононова О.В. 1 Минаков Ю.А. 1 Смирнов А.О. 1
1 ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет»
Исследовалась кинетика твердения цементных паст в нормальных условиях при температуре 20±2 °С и в условиях умеренного обогрева при 40±2 °С. Исследования выполнены на четырех различных пробах портландцемента и при использовании двух видов модифицирующих добавок: суперпластификаторов Glenium®51 и Биотех-НМ. При температуре твердения 20±2°С суперпластификаторы замедляют рост прочности цементного камня в ранний период твердения. В возрасте 1 календарного дня прочность модифицированного цементного камня в 2–4 раза ниже прочности цементного камня, не содержащего суперпластфикатор. Этот результат отмечается на всех типах цемента, независимо от их минералогического состава. Применение умеренного обогрева совместно с модифицирующими добавками позволяет ускорить твердение цементного камня в ранние сроки. Лучшие результаты по прочности при умеренном обогреве показали составы цементных паст с суперпластификатором Glenium®51.
водопотребность
прочность
подвижность
суперпластификатор
модификатор
цемент
1. Анисимов С.Н., Кононова О.В., Лешканов А.Ю., Смирнов А.О. Исследование влияния комплекса модификаторов на кинетику твердения бетонов // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 4; URL: www.science-education.ru/118-14082 (дата обращения: 30.07.2015).
2. Вовк А.И. О некоторых особенностях РСЕ. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.rosbaltgrupa.lv/?id=157&ln=ru (дата обращения: 30.07.2015).
3. Добшиц Л.М., Кононова О.В., Анисимов С.Н. Кинетика набора прочности цементного камня с модифицирующими добавками // Цемент и его применение. – 2011. – № 4. – С. 104-107.
4. Изотов В.С., Соколова Ю.А. Химические добавки для модификации бетона. – М.: Изд. Палеотип, 2006. – 244 с.
5. Синайко Н.П. Новые бетоны самоуплотняющегося типа. Добавки Relanorm и средства испытаний // Будiвельнiматерiaли, вироби та санiтарнатехнiка. – 2011. – № 39. – С.95.
6. Штарк Й., Больман К. Химия цемента и долговечность бетона. Позднее образование эттрингита в бетоне // II международное совещание по химии и технологии цемента. – М., 2000. – Т. I. – С. 64–93.
7. K. Yamada, S. Ogawa, S. Hanahara. Working mechanism of poly-beta- naphthalene sulfonate and polycarboxylatesuperplasticizers types from point of cement paste characteristics. ACI SP-145.
В современном строительстве проблема совершенствования технологии бетонов с химическими модификаторами как никогда актуальна. Такая ситуация объясняется появлением на рынке химической продукции современных модификаторов, оказывающих непосредственное влияние на структурообразование цементных систем. Основная часть этих модификаторов относится к группе поверхностно-активных веществ. Наиболее часто используемые пластифицирующие добавки имеют нафталинсульфоформальдегидную или поликарбоксилатную основу [1; 2; 3; 4]. В присутствии большинства данных модификаторов удлиняются сроки схватывания цемента, и наблюдается замедление набора ранней прочности. Это частично объясняется присутствием в их составе регуляторов схватывания, способствующих увеличению периода сохраняемости бетонной смеси, а также протекающим во времени процессом адсорбции суперпластификаторов [5;7].

Одним из методов ускорения твердения цементного камня является применение обогрева. Повышение температуры при твердении ускоряет химические реакции гидратации и таким образом благотворно воздействует на рост прочности бетона в ранние сроки без каких-либо отрицательных последствий, влияющих на последующую прочность. Однако повышенная температура при укладке и схватывании, хотя и увеличивает раннюю прочность, может неблагоприятно повлиять на прочность в позднем возрасте [6].

В процессе быстрой начальной гидратации образуются продукты с более плохой физической структурой, возможно более пористой, поэтому значительная часть пор всегда остается незаполненной. Из отношения гель-пространство вытекает, что это может привести к более низкой прочности по сравнению с менее пористым цементным камнем, хотя в нем происходила медленная гидратация [6].

В присутствии пластифицирующих добавок, замедляющих твердение цемента, особенно важно ограничиться умеренным обогревом, с тем, чтобы свести к минимуму деструктивные процессы.

Целью исследования является анализ эффективности совместного применения умеренного обогрева и пластифицирующих добавок на кинетику твердения цементного камня в ранние и длительные сроки твердения.

Материалы и методы исследования

Кинетика твердения цементного камня исследовалась на четырех различных пробах портландцемента, отличающихся минералогическим и вещественным составом. Твердение проводилось в нормальных условиях при температуре 20±2 °С и в условиях умеренного обогрева при 40±2 °С в начальный период твердения.

В качестве модификаторов использовались суперпластификатор на основе поликарбоксилатного эфира Glenium®51[3; 5; 7] в количестве 0,5 % от массы цемента и отечественный органоминеральный суперпластификатор Биотех-НМ - 2 % от массы цемента [4]. Дозировки добавок выбраны на основании предварительных испытаний с учетом технико-экономической эффективности [4; 5; 7].

Исследования выполнены с учетом равноподвижности на модифицированных цементных пастах с содержанием воды, обеспечивающим их удобоформуемость за 20 с. За критерий равноподвижности цементных паст принят расплыв 120-130 мм после 15 встряхиваний на встряхивающем столике по ГОСТ 310.4.

Характеристика используемых цементов приведена в таблице 1.

Таблица 1

Минералогический состав цементов

 

п/п

Минералогический

состав клинкера, %

Минеральная

добавка:

 

SO3,

%

Удельная

поверхность,

м2/кг

C3S

C2S

С3А

С4AF

Вид Кол-во, %

1

58,0

16,6

7,2

13,0

Гр.шлак20

2,55

340

2

64,1

11,8

7,6

12,4

- -

2,46

357

3

64,1

11,8

7,6

12,4

Гр.шлак 20

2,04

344

4

62,0

14,0

6,5

12,0

Опока 4,5

3,50

360

Примечание: Поставщик цемента: 1 - ЗАО «Ульяновскцемент»; 2 - ООО «Топкинский цемент»; 3 - ООО «Топкинский цемент»; 4 - ОАО «Мордовцемент» ЦЕМ I 42,5Б.

Из цементных паст формовались образцы кубы с ребром 20 мм. Контрольная серия образцов твердела в камере нормального твердения, при 20±2 °С. Основная серия образцов в течение первых трех суток подвергалась тепловлажностной обработке с изотермическим прогревом при 40±2 °С. После этого образцы продолжали твердеть в камере нормального твердения 20±2 °С.

Результаты исследования и их обсуждение

Основные результаты эксперимента представлены в таблице 2.

При температуре твердения +20±2 °С прочность цементного камня в присутствии модификаторов в ранний период твердения значительно отстает от прочности контрольных составов без модификаторов. В суточном возрасте прочность модифицированного цементного камня в 2-4 раза ниже прочности немодифицированного цементного камня, что отмечается на всех пробах цемента, независимо от их минералогического состава. Так, при введении добавки Glenium®51 в цементную пасту на основе Топкинского цемента наблюдается отставание в кинетике набора прочности на 75 % в сравнении с контрольным составом (таблица 2, п. 7 и 9). Следует отметить, что менее резкое отставание в наборе прочности (55 %) на первые сутки наблюдается у составов на основе цементов добавкой 20 % доменного гранулированного шлака.

Применение тепло-влажностной обработки при 40±2 °С позволяет значительно увеличить прочность цементного камня в ранние сроки твердения.

Таблица 2

Кинетика прочности цементного камня, модифицированного добавками Glenium®51 и Биотех-НМ

Состав цементного теста

Предел прочности при сжатии, МПа

№/

п.п

Поставщик

цемента

В/Ц

Добавка, %,от массы цемента

T, °С

1

сут.

28 сут.

365 сут.

1

1 - ЗАО «Ульяновскцемент»

0,24

Glenium®51 0,5

20

2,5

75

101

2

0,25

Биотех-НМ, 2%

20

2,8

68

82,3

3

0,28

-

20

6,0

65

99,3

4

0,24

Glenium®51, 0,5%

40

42

72

116

5

0,25

Биотех-НМ, 2%

40

43,6

61

76

6

0,28

-

40

46,3

72

87

7

 

2 - ООО «Топкинский цемент»

0,21

Glenium®51, 0,5%

20

5,0

97,8

132

8

0,23

Биотех-НМ, 2%

20

12,5

89,2

126

9

0,28

-

20

20,3

88,8

125

10

0,21

Glenium®51, 0,5%

40

65

96,9

133

11

0,23

Биотех-НМ, 2%

40

58,4

85

100

12

0,28

-

40

55,6

83,3

98

13

3 -

ООО «Топкинский цемент»

0,23

Glenium®51, 0,5%

20

2,7

82,5

130

14

0,23

Биотех-НМ, 2%

20

3,3

72

101

15

0,27

-

20

6,8

69

141

16

0,23

Glenium®51, 0,5%

40

33,3

70

89

17

0,23

Биотех-НМ, 2%

40

37

62,5

82

18

0,27

-

40

42

75

90

19

4 - ОАО «Мордовцемент»

ЦЕМ I 42,5Б

 

0,23

Glenium®51, 0,5%

20

13,6

105

129

20

0,23

Биотех-НМ, 2%

20

10,0

79

95

21

0,28

-

20

29,3

97

121

22

0,23

Glenium®51, 0,5%

40

69,3

95

110

23

0,23

Биотех-НМ, 2%

40

57,6

82

95

24

0,28

-

40

60,5

88

96

Более интенсивно при умеренном обогреве в первые сутки твердения набирают прочность составы с суперпластификатором Glenium®51. Прочность таких составов достигает 65-69,3 МПа (таблица 2, п. 10 и 22), что выше показателей аналогичных бездобавочных составов на 18-15 %. Данный результат свидетельствует об эффективности применения пластификаторов совместно с умеренным обогревом в целях достижения требуемой прочности бетонных конструкций и изделий за короткие сроки.

Скорость набора прочности цементного камня с модифицирующими добавками, которые твердели при 40±2 °С в течение первых 3-х суток, после прекращения обогрева в последующий период от 4 до 7 суток снижается, а затем вновь повышается. В составах нормального твердения прочность цементного камня с модифицирующими добавками в период от 4 до 7 суток продолжает плавно нарастать и достигает в возрасте 28 суток значений прочности в пределах 97,8 и 105 МПа (таб. 2, п. 7 и 19). Отметим, что в присутствии суперпластификатора Glenium®51 через 28 суток прочность цементного камня в сравнении с бездобавочным составом повысилась на 16 %, а с добавкой Биотех-НМ, на 1 %.

В таблице 2 также приведены результаты испытания образцов в возрасте 1 года. Результаты испытаний показали, что составы, не подвергавшиеся умеренному обогреву в ранние сроки твердения, имеют более высокие показатели прочности. Так, прочность модифицированного цементного камня на основе ЦЕМ I 42,5Б, твердеющего в нормальных условиях выше аналогичного состава, получившего 3-х суточный изотермический прогрев на 17 %.

Результаты исследований выявили заметное влияние вещественного состава всех проб цемента на формирование прочности цементного камня, а также тонкости помола цементов. Характер роста прочности аналогичен для всех типов, но протекает с более низкой интенсивностью у цементов с содержанием гранулированного шлака в количестве 20 %.

Наилучшие прочностные результаты показали образцы с добавкой Glenium®51 на основе поликарбоксилатного эфира.

Выводы

1. Результаты исследования свидетельствует об эффективности применения пластификаторов совместно с умеренным обогревом в целях достижения требуемой прочности бетонных конструкций и изделий в ранние сроки.

2. Применение умеренного обогрева совместно с модифицирующими добавками позволило сократить индукционный период твердения цементного камня приготовленного на всех пробах цемента, независимо от минералогического и вещественного состава.

3. Наилучшие прочностные результаты показали образцы с добавкой Glenium®51 на основе поликарбоксилатного эфира.

Рецензенты:
Краснов А.М., д.т.н., профессор, профессор кафедры Строительных технологий и автомобильных дорог ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет», г. Йошкар-Ола;

Салихов М.Г., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой строительных технологий и автомобильных дорог ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет», г. Пенза.


Библиографическая ссылка

Лешканов А.Ю., Анисимов С.Н., Кононова О.В., Минаков Ю.А., Смирнов А.О. ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ТВЕРДЕНИЯ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 2-1.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=21253 (дата обращения: 16.08.2018).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252