Формирование прочности цементной композиции в присутствии синтезированных алюмосиликатов

Одним из приоритетов современного строительного материаловедения является разработка эффективных сухих строительных смесей (ССС) с повышенными эксплуатационными свойствами и низкой себестоимостью. Поставленная задача может быть решена путем введения в рецептуру ССС модифицирующих нанодисперсных добавок, регулирующих свойства и структурообразование материала. На российском рынке ССС в основном преобладают импортные модифицирующие добавки, что делает производство зависимым от зарубежных поставок и приводит к высокой стоимости готового продукта, так как 80 % себестоимости составляет стоимость зарубежных добавок. В связи с этим, одной из основных задач отечественных производителей ССС является разработка аналогов модифицирующих добавок импортного производства [1–4].

В продолжение проведенных ранее исследований нами предложено вводить в рецептуру ССС на цементной основе, предназначенных в качестве плиточного клея, синтезированные алюмосиликаты с целью регулирования структурообразования и повышения эксплуатационных свойств [5–7].

Наполнитель на основе синтезированных алюмосиликатов характеризуется высокой активностью, составляющей более 350 мг/г и удельной поверхностью, равной S _уд = 86,5 ± 3,5 м² /г [8].

Для оценки кинетики формирования прочности цементной композиции на основе синтезированных алюмосиликатов были проведены эксперименты, в которых применялся Вольский портландцемент марки М400 и удельной поверхностью Sуд, равной Sуд = 340 м2/кг. Для синтеза добавки использовалось жидкое стекло с силикатным модулем 2,8, очищенный технический сульфат алюминия первого сорта производства ООО «Алхим» (г. Тольятти). Выбрано оптимальное содержание синтезированного наполнителя в рецептуре цементного композита, составляющее 20 % от массы вяжущего.

Образцы изготавливались с одинаковыми реологическими характеристиками и содержанием синтезированного наполнителя (20% от массы вяжущего) с разной дисперсностью. Выявлено, что цементное композиционное вяжущее (ЦКВ) на основе синтезируемого наполнителя имеет большую прочность при сжатии в возрасте 90 суток воздушно-сухого твердения (температура 18±2 °С, относительная влажность воздуха 60–70 %), чем контрольный образец (рис. 1).

Анализ экспериментальных данных свидетельствует, что введение в рецептуру синтезированного наполнителя с большей площадью удельной поверхностью, чем цемент, приводит к повышению прочности при сжатии цементного образца в возрасте 90 суток воздушно-сухого твердения на 13 - 15% по сравнению с контрольным составом (без содержания синтезированной добавки). Так, прочность при сжатии образцов на основе ЦКВ с применением синтезированного наполнителя с удельной поверхностью S _уд = 688,6 м²/кг превышает значение контрольного образца на 15 %. Уменьшение значение дисперсности наполнителя на основе синтезированных алюмосиликатов по сравнению с дисперсностью вяжущего приводит к снижению прочности при сжатии. Так, снижение прочности при сжатии ЦКВ при удельной поверхности наполнителя S уд = 311,1 м²/кг составляет 34 %.

Рассмотрим топологию структуры цементного камня с применением в рецептуре синтезированных алюмосиликатов. Соотношение цемента и наполнителя составляет в долях единицы 0,76:0,24 или 5:1 по массе. Соотношение количества цементных частиц относительно частиц синтезиро-

Рис. 1. Кинетика твердения цементных образцов в воздушно-сухих условиях:

1 – контрольный (без содержания добавки); 2 – композиционное вяжущее с наполнителем, удельная поверхность которого Sуд = 1029,8 м2/кг;3 – композиционное вяжущее с наполнителем, удельная поверхность которого Sуд = 688,6 м2/кг; 4 – композиционное вяжущее с наполнителем, удельная поверхность которого Sуд = 311,1 м2/кг

ванного алюмосиликата С можно рассчитать, если известны счетные количества частиц каждого компонента. Счетные количества частиц рассчитывают по формулам:

п d Ц n = —— Рц m ц,                          (1)

п d3

П = — Рд mд,                       (2)

где mц и mд – массы цемента и синтезированной добавки в смешанном вяжущем в долях единицы; nц и nд – количество частиц цемента и синтези- рованного наполнителя; рц и рд - плотности цемента и синтезированной добавки.

Тогда соотношение С будет вычисляться:

местим эту частицу в ячейке в виде шаровых секторов по 1/8 части шара в каждом углу куба. В свободном объеме ячейки, не заполненной шаровыми секторами цементного вещества, разместим все частицы синтезированной добавки (рис. 2).

Соотношение частиц цемента и синтезированного наполнителя в зависимости от их дисперсности

Размер удельной поверхности, м2/кг		Средний диаметр частиц, мкм		Количество частиц синтезированного наполнителя на одну частицу цемента
Цемент	Наполнитель	Цемент	Наполнитель
340	1029,8	6	2,8	4,5
340	688,6	6	4,1	1,3
340	311,1	6	10,2	0,1

С = ng = m дРц d Ц nЦ   mцРдdд3 , или через удельную поверхность р m дРд Sд

С 23, m цРц Sц

где S _д и S _ц – соответственно удельная поверхность синтезированной добавки и цемента [9].

Результаты расчета приведены в таблице. Установлено, что при удельной поверхности цемента S _уд =340 м²/кг и удельной поверхности синтезированного наполнителя S _уд =1029,8 м²/кг соотношение частиц составляет С = 4,5, а при удельной поверхности наполнителя S _уд = 311,1 м²/кг – С = 0,1.

Для соотношения С = 1,3–4,5 выполнен расчет расстояния от поверхности частиц цемента до частицы наполнителя. Выберем элементарную кубическую ячейку, имеющую размер грани куба А, а объем куба – А3. Будем считать, что в этой ячейке размещается одна шаровая частица. Раз-

Рис. 2. Идеализированная топология структуры цементного вяжущего с применением в рецептуре синтезированного наполнителя и пути переноса продуктов гидратации цемента при монодисперсных частицах синтезированной добавки

Логанина В.И., Жегера К.В.

Формирование прочности цементной композиции в присутствии синтезированных алюмосиликатов

Суммарный объем частиц наполнителя на основе синтезированных алюмосиликатов рассчитывается по формуле:

п d д

V g =      « д .                                   (5)

Но так как n д = С, то можно записать:

п d д

V g = ^д^С.                          (6)

Тогда полный объем элементарной ячейки будет слагаться из одной цементной частицы и суммарного объема частиц синтезированного наполнителя, уложенных с той или иной степенью упаковки К уп . В образовавшейся системе ЦКВ образуется более плотная гексагональная упаковка, в связи с этим, коэффициент упаковки равен К_уп = 0,74. С учетом К_уп можно записать для полного объема V : я

• . п d ,3 п d 3

V я = А ³ = ц + д СК уп ,                (7)

откуда

• А = ^ 6 ( d Ц + d д СК уп ) .                     (8)

Для принятых характеристик синтезированного наполнителя и цемента, вычисленного значения С =4,5; 1,3 и рассчитанного К уп = 0,74 получим А = 5,3·10^–6 м, А =6,1·10^–6 м и соответственно. Расстояние Х между поверхностями цементных частиц по ребру элементарной ячейки будет рассчитано по формуле:

• Х = А — d ц .                              (9)

Тогда рассчитанное значение Х для разных значений А будет равны Х 1 = –0,7·10^–6 м, Х 2 = 0,1·10^–6 м.

Поскольку длина диагонали Б грани кубической ячейки равна 2А , а диагональ куба L = л/3А, то расстояние между поверхностями частиц Y по диагонали грани будет:

y = 72а - d .                          (10)

Рассчитанные значения Y для разных значений А равны Y 1 = 0,7·10^–6 м и Y 2 = 1,7·10^–6 м.

Расстояние между поверхностями частиц Z по диагонали куба составляет:

Z = Т3А - d .                           (11)

Подсчитанное значение Z для значений А равны Z ₁ = 1,6·10^–6 м и Z ₂ = 2,8·10^–6 м соответственно.

Из топологической схемы (рис. 2) следует, что для связывания цементного теста с наполнителем на основе синтезированных алюмосиликатов при воздушно-сухих условиях твердения необходима миграция продуктов гидратации цементного вяжущего в контактные зоны частиц синтезированного наполнителя. Наиболее удаленными от поверхности зонами являются центр куба и центр его грани. Транспорт химических продуктов должен осуществляться на расстояние от поверхности, равном t/2 = 0,8·10–6 м и t/2 = 1,9·10–6 м. В та- кой системе перколяционного кластера из связанных пленочной водой частиц синтезированной добавки протекание осуществляется по наиболее проницаемым тетраэдрическим пустотам к контактным участкам. Прочность композиции определяется прочностью этих контактов.

В таких сложных условиях наиболее вероятным механизмом формирования прочности во времени, очевидно, является диффузионный перенос ионов вяжущего за счет осмоса и последующая реакция образования новой фазы на поверхности частиц наполнителя.

Таким образом, даже упрощенное рассмотрение топологии структуры композиционных вяжущих позволяет более правильно объяснить механизм формирования прочности цементного композита с применением синтезированных алюмосиликатов.