Исследование физико-механических свойств и химического сопротивления композитов на основе безгипсовых портландцементных вяжущих с низкой водопотребностью

Решение вопросов снижения материалоемкости и себестоимости строительных конструкций на основе цемента с одновременным повышением их качества и эксплуатационной надежности в настоящее время является особенно актуальным в строительном производстве [1–8]. Одним из перспективных способов (технологией) производства высокоэффективных и долговечных строительных конструкций и изделий на основе портландцементных вяжущих является комплексная химизация технологии их производства при использовании безгипсового портландцементного вяжущего (клинкера) с серийной промышленной тонкостью помола [1–3].

Ранее нами были проведены исследования влияния количества пластифицирующей добавки и ускорителя твердения на некоторые свойства композиций на основе безгипсового портландцемента промышленной тонкости помола, доказана эффективность применения некоторых из них при получении вяжущего с низкой водопотребностью (ВНВ) для строительных композитов [1; 2]. В данной статье приводятся результаты последующих исследований влияния многокомпонентных добавок на физико-механические свойства и химическое сопротивление композитов на основе безгипсового портландцемента промышленной тонкости помола (молотого клинкера для портландцемента ЦЕМ I 32.5 Н) с комплексной добавкой из лигносульфоната технического (ЛСТ) и силиката натрия.

В работе исследовалось влияние многокомпонентного модификатора, состоящего из пластифицирующей добавки (0,45% от массы вяжущего) и ускорителя твердения (1,8% от массы вяжущего) при водоцементном отношении сырьевых смесей экспериментальных композиций 0,28 и 0,25. Для сравнения получаемых результатов был приготовлен контрольный состав на основе портландцемента без минеральных добавок ЦЕМ I 32.5 Н при водоцементном отношении 0,28. Результаты основных свойств композитов на основе разработанных вяжущих представлены в таблице 1.

Таблица 1

Физико-механические характеристики композитов

Анализ полученных значений твердости и модуля упругости цементных композитов позволяет констатировать, что полученные образцы на основе экспериментальных составов с безгипсовым портландцементом и комплексной добавкой имеют повышенную твердость и прочность, значения которых повышаются при снижении водопотребности вяжущего. Похожий эффект объясняется образованием наиболее оптимальной структуры цементного камня, которая создается при твердении у композиций с эффективными комплексными добавками при низком водоцементном отношении. Об увеличении значений модуля упругости у композитов на основе безгипсового вяжущего с пластифицирующей и ускоряющей добавками более чем на 40% свидетельствуют диаграммы сжатия, представленные на рисунке 1.

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

При исследовании поровой структуры композитов на основе безгипсового портладцемента с комплексной добавкой были получены характеристики порового пространства полученных экспериментальных образцов. Значения, характеризующие поровую структуру композитов, приведены в таблице 2.

Таблица 2

Характеристики поровой структуры цементных композитов

Изучение значений показателя равновесного водопоглощения и коэффициента микропористости позволяет сделать вывод о том, что введение комплексной добавки в безгипсовые цементные композиции приводит к повышению числа закрытых (условнозамкнутых) пор. Снижение показателя среднего размера пор и увеличение показателя однородности пор по размерам свидетельствует об организации оптимальной структуры порового пространства цементного камня при наличии такой комплексной добавки.

С целью подтверждения данного вывода были проведены изучения химической стойкости композитов на основе экспериментального ВНВ в 2% серной кислоте. После 28 суток твердения в нормально-влажностных условиях исследуемые образцы погружали в раствор кислоты и выдерживали в нем 84 суток. Концентрацию агрессивной среды при этом поддерживали постоянной в течение всего периода испытаний. Через определенные промежутки времени проводились испытания образцов на сжатие для получения деградационной функции D(N). Результаты коррозионных испытаний приведены на рисунках 2 и 3.

Время экспонирования, сут

Рис. 2. Зависимость прочности композитов на основе безгипсового портландцементна с комплексной добавкой при экспонировании в 2% растворе серной кислоты.

Рис. 3. Химическое сопротивление отвердевших композиций с комплексной добавкой на основе безгипсового портландцемента (среда выдерживания – 2% серная кислота).

Цементный камень деградирует в растворах серной кислоты при его сульфатизации; скорость данного процесса в основном определяется диффузией агрессивной среды. Поэтому в ранний период времени отмечается характерное для данного процесса повышение прочности, вследствие увеличения плотности материала при формировании в его порах и капиллярах кристаллов гидросульфоалюмината кальция (ГСАК). При последующем выдерживании в агрессивной среде растущие ГСАК разрушают структуру материала, что приводит к снижению прочности. Похожая картина наблюдается и у образцов на основе безгипсового цемента с силикатом натрия и ЛСТ. Кривая изменения прочности обнаруживает максимум в области 14 суток, а затем происходит плавное снижение прочности. При этом необходимо отметить, что образцы меньше набухают в процессе взаимодействия с кислой средой, деформации набухания носят плавный характер по сравнению с контрольными образцами. Химическая стойкость в кислой среде таких отвердевших композиций не ниже контрольных.

Как показывают результаты проведенных исследований, отвердевшие безгипсовые портландцементные композиции с комплексной добавкой, в состав которой входит силикат натрия и лигносульфонат, характеризуются более организованной поровой структурой цементного камня и улучшенными физико-механическими свойствами. Химическая стойкость в кислой среде таких композитов не ниже, чем у цементных. Дальнейшая проведенная в работе оптимизация безгипсового ВНВ позволила получить композиты с высокой прочностью при обычной серийной тонкости помола портландцементного вяжущего (остаток на сите № 008 не менее 5% и не более 15%). Достигалось это четким контролем введения определенного количества ускорителя твердения и пластификатора. Нормальная густота таких композиций обеспечивалась уже при водовяжущем отношении 0,18÷0,2.