Цементный камень на кварцезолоцементном вяжущем

Одним из перспективных направлений в формировании структуры бетона на минеральном вяжущем с заданными эксплуатационными свойствами является ведение в состав вяжущего ультра-дисперсных наполнителей (наномодификаторов). Эффект от введения наноразмерных частиц в бетон выражается в том, что в системе появляется не только дополнительная граница раздела фаз, но и носитель квантово-механических проявлений [1, 2, 3].

В области наноразмерного масштаба частицы имеют качественные эффекты, определяемые зависимостью химических и физических свойств от соотношения числа атомов в приповерхностных и внутренних объемах частиц. Такие частицы и их

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ НАНОМАТЕРИАЛОВ ансамбли приобретают иную физико-химическую и механохимическую активность, в силу чего могут принципиальным образом изменять процессы синтеза структурообразования и менять термодинамическую и энергетическую обстановку в дисперсной системе, какой является структура цементного камня на кварцезолоцементном вяжущем [2, 3, 4].

Искусственная нанотехнология создает наносистемы, как «сверху-вниз» так и «снизу-вверх». Уже сейчас известны явления самоорганизации нано-структурированных объектов, в которых участвуют процессы самоорганизации веществ на атомно-молекулярном уровне, позволяющие создать уникальные объекты без внешнего влияния [5].

Продукты гидратации цемента в виде мельчайших частиц – субмикрокристаллов – с размерами меньше 0,1 мкм создают в прослойках между гидратированными зернами цемента коллоидную систему – то-берморитовый гель. Между частицами возникают коагуляционные контакты, что и приводит к образованию коагуляционной структуры. Особенностью этих контактов является обязательное наличие между частицами тонкой устойчивой прослойки плёночной воды (дисперсионной среды) [6, 7].

В результате физических контактов коагуляционной структуры цементного геля происходит об-легченность миграции атомов, наблюдаются более выраженные силы притяжения между атомами, что приводит к склонности самоорганизации кластерных структур [8, 9].

Присутствие в системе наноразмерных частиц может существенным образом изменить процессы гидратации и твердения бетонной смеси. При определении системы требований к наноразмерным частицам как к модификаторам структуры бетонов можно выделить структурообразующий и технологический аспекты, отражающие явления и механизмы формирования структуры высокопрочных бетонов, объясняющие эффекты наномодифицирования и характеризующие способы введения наномодификаторов в структуру бетона; структурообразующее участие и модифицирующее влияние наноразмерных частиц, которые обеспечивают повышение плотности упаковки объема капиллярно-связанной и свободной воды, а также непосредственное химическое участие наноразмерных частиц в гетерогенных процессах фазообразования гидратных соединений. При этом на стадии коллоидации, зародышеобразования и фазообразования, когда наноразмерные частицы выступают в роли кристаллических затравок и центров кристаллизации, определяются наноразмерные частицы, главным образом, удельной поверхностной энергией, которая является функцией размера частиц и удельной площади их поверхности.

В общей постановке задачи в разработки наносистемы следует рассматривать структурообразующие и технологические аспекты, отражающие процессы и механизмы формирования структуры, а также совместимости поверхностной энергии наноразмер-ных частиц с химическими добавками и технологией введения наномодификаторов в структуру бетонной смеси, что является результатом повышения плотности упаковки наносистемы дисперсных частиц и химического участия наноразмерных частиц в гетерогенных процессах фазообразования гидратных соединений и самоорганизации веществ на атомномолекулярном уровне [10].

Такая возможность определяется как химикоминералогическим составом частиц, так и высокими значениями удельной площади их поверхности и, как следствие, удельной поверхностной энергией. Все это позволит не только заполнить микропористость цементного камня, но и значительно снизить количество капиллярносвязанной и свободной воды, уплотнив при этом наносистему гидратных образований [11, 12].

Также на стадии коагуляционного периода на-норазмерные кварцевые частицы выступают в роли подложки кристаллических затравок центров кристаллизации. Важнейшими факторами реализации данных механизмов являются физико-химические свойства наноразмерных частиц и их размер, который определяет длительность работы механизмов и концентрацию наноразмерных частиц в единице объема твердеющей системы цементного камня на кварцезолоцементном вяжущем [13].

МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ

Оптимальным сырьевым ресурсом для производства строительных материалов в городе Омске являются золы гидроудаления Омских ТЭЦ. На золоотвалах Омских ТЭЦ-5 общей площадью 755 га в настоящее время скопилось более 75 млн т зол гидроудаления. На территории г. Омска три ТЭЦ-5 из шести работают на Экибастузском угле, зольность которого достигает 65%, состоящая из химических элементов (углерода, водорода, кислорода, азота) и минеральных частей (минералов глин, которые включают в себя оксиды кремния и металлов, гидроксидов металлов, силикатов Al, Mg карбонатов Fe, Mg, Ca).

Основным требованием, обеспечивающим успешное применение зол гидроудаления ТЭЦ-5, является стабильность их физико-химических показателей и явной или скрытой способности проявлять пуццолановую активность с продуктами гидратации цемента, способность при обычных температурах связывать гидроксид кальция с образованием нерастворимых соединений [14, 15].

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ НАНОМАТЕРИАЛОВ

В связи с этим цель исследований состоит в получении цементного камня с высокими физико-механическими показателями за счет наномодификатора, полученного при механической, механогидравли-ческой (H2O) и механогидрохимической (H2O + добавка Мегалит С-3МЛ) активациях, на основе уль-традисперсной золы гидроудаления Омской ТЭЦ-5 и кварцевых отходов как усилителя пуццолановой активности к золам гидроудаления [16].

В исследованиях в качестве материалов для цементного камня на кварцезолоцементном вяжущем использовали кварцевые отходы от производства особо чистого кварцевого концентрата и золы гидроудаления Омской ТЭЦ-5. Содержание оксидов золы гидроудаления и отходов кварца представлено в табл. 1.

Структурная схема исследования физико-механических показателей цементного камня на кварцезолоцементном вяжущем представлена на рис. 1.

Активация кварцезоловой смеси проводилась в мельнице непрерывного действия роторного типа «Вьюга-3», представлена на рис. 2.

При механическом способе осуществляется только механическая активация. При механогидравличе-ском способе (ρH O = 1кг/м3) – механическая, гидравлическая, турбулентная и акустическая активации. Присутствие тонкомолотой активной пыли в растворе пленочной воды, полученной от активации квар-

Таблица 1

Содержание оксидов, % масс

Рис. 1. Структурная схема исследования физико-механических показателей цементного камня на кварцезолоцементном вяжущем

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ НАНОМАТЕРИАЛОВ

Рис. 2. Мельница непрерывного действия роторного типа «Вьюга-3». Расположение мелющих тел: 1 – цилиндрический корпус; 2 – цилиндрические мелющие тела – цилиндрические спирали (8 шт.);

3 – вал с вертикальными пластинами для крепления цилиндрических спиралей (8 шт.), закрепленный в корпусе с помощью подшипников; 4 – загрузочное окно; 5 – окно выдачи активированного материала цевых отходов и золы гидроудаления, также участвует в процессах синтеза структурообразования. При механогидрохимическом способе, соответственно, все способы гидравлической активации и химическая, которая влияет на механизмы гидратации цемента, находясь в растворе пленочной воды, способствуют более активному участию в процессах форми- рования кристаллической упорядоченной структуры цементного камня на атомно-молекулярном уровне. В качестве химического реагента применялась пластифицирующая добавка Мегалит С-3 МЛ в водном растворе (ρH2O+C-3MЛ = 1,15кг/м3) [17–22].

Для определения содержания и размеров ультра-дисперсных частиц кварцевых отходов и частиц золы гидроудаления, полученных в результате активации, применяли лазерный анализатор «MicroSizer 201».

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ

Полученные результаты весового распределения частиц зол гидроудаления и кварца после активации показывают, что средний размер диаметр частиц составляет от 25 до 1,5 мкм (наноразмерные частицы) при удельной поверхности от 967 до 7729 см2/г. Дисперсность и содержание частиц активированных зол гидроудаления представлены на рис. в работе [23].

На основании полученных результатов исследования приняли оптимальное отношение массы активированной кварцезоловой смеси к массе цемента в %: без активации – 20:80; при механической активации – 30:70; при механогидравлической активации – 40:60; при механогидрохимической активации – 50:50 для цементного камня на кварцезолоцементном вяжущем.

Таблица 2

Физико-механические показатели цементного камня на кварцезолоцементном вяжущем

Способ активации	Физикомеханические показатели образцов	Отношение массы активированной кварцезоловой смеси к массе цемента для цементного камня, %
		0:100	20:80	30:70	40:60	50:50	60:40
Без активации, средний размер диаметра частиц – d = 25 мкм, удельная поверхность – 967 см2/г	средняя плотность, кг/м3	2399	2447	2454	2445	2449	2455
		100%	102%	102,3%	101,9%	102,1%	102,5%
	прочность при сжатии, МПа	62,9	77,3	76,7	74,8	72,3	71,1
		100%	123%	122%	119%	115%	110%
Механическая активация, средний размер диаметра частиц – d = 6 мкм, удельная поверхность – 2911 см2/г	средняя плотность, кг/м3	2400	2435	2450	2455	2458	2474
		100%	101,5%	102,1%	102,3%	102,4%	103,1%
	прочность при сжатии, МПа	63,08	79,1	82,8	80,3	78,4	76,5
		100%	125,1%	131%	127%	124%	121%
Механогидравлическая активация ρж = 1см2/г, средний размер диаметра частиц – d = 3 мкм, удельная поверхность 5491см2/г	средняя плотность, кг/м3	2411	2435	2447	2451	2453	2452
		100%	101%	101,5%	101,8%	102%	101,9%
	прочность при сжатии, МПа	63,03	80,2	83,1	87,8	85,3	82,1
		100%	127%	133,1%	139%	135%	130%
Механогидрохимическая активация (вода + химическая добавка) ρж = 1,15 см2/г, средний размер диаметра частиц – d = 1,5 мкм, удельная поверхность 7729 см2/г	средняя плотность, кг/м3	2419	2453	2470	2479	2489	2504
		100%	101,4%	102,1%	102,5%	102,9%	103,5%
	прочность при сжатии, МПа	63,07	82,8	90,36	97,38	100,45	96,67
		100%	131%	143%	154%	159%	153%

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ НАНОМАТЕРИАЛОВ

Прочность цементного камня определялась на образцах, приготовленных из кварцезолоцементного теста нормальной густоты, размером 2×2×2 см, для каждого состава согласно структурной схеме исследования. Испытания проводились согласно требованием ГОСТ 10180-2012. Прочность образцов при сжатии определялась на прессе «Matest». Физико-механические показатели полученных образцов определялись в возрасте 28 суток, представлены в табл.2.

Полученные результаты прочности образцов цементного камня на кварцезолоцементном вяжущем при отношении массы активированной кварцезоло-вой смеси к массе цемента: без активации (20:80) – прочность увеличивается на 23 %; при механической активации (30:70) – прочность увеличивается на 31%; при механогидравлической активации (40:60) – прочность увеличивается на 39 % и при механогидрохимической активации (50:50) прочность увеличивается на 59%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Применение наноразмерных частиц в кварце-золовой смеси позволяет увеличить прочностные характеристики цементного камня от 23 до 59%.

Использование кварцевых отходов от производства особо чистого кварцевого концентрата и зол гидроудаления Омской ТЭЦ-5, с применением предложенных технологий их активации, позволит улучшить структуру цементного камня за счет повышения плотности упаковки и химической активности наноразмерных частиц в процессах фазообразова-ния гидратных соединений, что снизит межзерновую пустотность между непрогидратированными зернами цемента и улучшит физико-механические характеристики цементного камня. Использование активированных кварцевых отходов с повышенной удельной поверхностной энергией как высокореакционного пуццолана способствует получению более прочного и долговечного цементного камня. Золы гидроудаления Омской ТЭЦ-5 на оптимальном кварцезолоцементном вяжущем для промышленного и гражданского строительства могут способствовать значительным инвестициям в регион Омской области, что положительно скажется на экономическом, социальном и экологическом положении в округе.

В настоящее время можно считать практически достижимым и экономически выгодным массовое внедрение кварцезолового сырья в строительство. Введение кварцезолоцементного вяжущего с рациональным зерновым составом позволяет повысить однородность бетонной смеси, снизить расход цемента, а также решить проблему утилизации кварцевых отходов и золы гидроудаления.