Исследование влияния минеральных добавок на свойства и фазовый состав композиционных вяжущих для сухих строительных смесей

Известно, что разработка научно обоснованных составов и технологий изготовления сухих строительных смесей (далее - ССС) улучшенного качества с эффективными добавками на основе промышленных отходов является актуальной задачей строительной отрасли [1]. Переработка и использование вторичного сырья или техногенных отходов не только позволяет сохранить окружающую среду, что актуально для Республики Бурятия, но и приводит к сокращению расходов на производство новых составов сухих смесей, в частности для напольных покрытий. Для управления структурой и свойствами растворов из ССС рекомендуется введение модифицирующих добавок различного функционального действия, обеспечивающих пластификацию, гидрофобизацию, воздухововлечение, ускорение структурообразования и биозащиту, а также инновационные технологии их изготовления.

* Исследования выполнены в рамках проекта межрегионального научно-образовательного центра «Байкал».

Традиционные растворы на основе минеральных компонентов для напольных покрытий имеют ограниченный потенциал наращивания основных показателей, в частности прочности при изгибе, стойкости к истиранию, усадки. Это связано с большим количеством негативных побочных явлений, вызываемых вводимыми в них тонкодисперсными компонентами, перекрывающими основной положительный эффект. Использование полимерных модификаторов, хорошо зарекомендовавших себя в сухих строительных смесях различного назначения, непопулярно ввиду значительного удорожания строительного раствора [2].

Решением, не применявшимся ранее, является разработка композиционных вяжущих для ССС, используемых для напольных покрытий, с целью повышения прочности при сжатии и изгибе, адгезии к основанию, стойкости к истиранию, снижения усадочных деформаций. Получение композиционных вяжущих позволяет за счет изменения соотношения между клинкерной составляющей и минеральных добавок, варьирования состава последних, введения химических модификаторов, в частности наноразмерного уровня, и изменения режимов обработки придавать им различные свойства, необходимые для решения конкретной задачи. Применение для модификации сухих строительных смесей наноразмерных модификаторов не только активно влияет на процессы структурообразования при гидратации цемента, но и улучшает технологические свойства смесей.

Материалы и методы

В исследованиях в качестве сырьевых материалов использовались: портландцемент ЦЕМ I 32,5Н 31108-2016 (ООО «Тимлюйский цементный завод»), золошлаковые отходы ТЭЦ-2 г.Улан-Удэ, пирогенный нанокремнезем (НК) «HDK Wacker», суперпластификатор Sika®ViscoCrete® 225 P в виде порошка на основе поликарбоксилатов.

Зола уноса ТЭЦ-2 г. Улан-Удэ относится к низкокальциевым золам, которые имеют высокое содержание (70 масс. %) кристаллической фазы в основном в виде кремнезема и глинозема. Содержание стеклофазы в золе уноса составляет 30 масс. %.

Пирогенный нанокремнезем – высокоактивный, аморфный, пирогенный диоксид кремния (SiO 2 ), получаемый пламенным гидролизом четыреххлористого кремния (SiCl 4 ) высокой чистоты. Нанокремнезем представляет собой очень чистый аморфный непористый диоксид кремния с размером частиц от 5 до 40 нм.

Суперпластификатор Sika®ViscoCrete® 225 P – высокоэффективный суперпластификатор (СП) в виде порошка на основе эфиров поликарбоксилатов, предназначенный для производства сухих строительных смесей и бетонов.

Композиционные вяжущие получали совместным помолом портландцемента (ПЦ), золы уноса, суперпластификатора и нанокремнезема до удельной поверхности 400-450 м ² /кг на стержневом виброистирателе ВИ-4х350.

Результаты и обсуждение

В исследовании были рассмотрены составы композиционных вяжущих, состоящих из цемента, золы, нанокремнезема и суперпластификатора в различных сочетаниях для выявления влияния наиболее значимого компонента композиционного вяжущего, влияющего на прочность при сжатии (табл.). Для сравнения были взяты составы исходного ПЦ и измельченного до такой же удельной поверхности, как и у многокомпонентных составов. Результаты исследований представлены в таблице.

Таблица

Кинетика набора прочности

№	Составы	В/В-отношение	Прочность при сжатии гидратного камня, МПа, после, сут
			3	7	28
1	ПЦ исходный, контрольный	0,25	10,8	31,2	42,8
2	ПЦ измельченный	0,30	15,3	34,8	48,3
3	ПЦ + Зола 30 %	0,35	22,5	37,4	54,3
4	ПЦ + Зола 30 % + Sika 0,05 %	0,25	30,3	43,5	57,5
5	ПЦ + Зола 30 % + Sika 0,05 % + НК 0,05 %	0,27	55,2	59,4	73,8

Анализ результатов определения прочности при сжатии гидратного камня исследуемых составов показывает, что совместное использование минеральных микро- и ультрадисперсных компонентов (золы-уноса и нанокремнезема) и суперпластификатора приводит к наибольшему увеличению прочности - на 72,5 % по сравнению с исходным портландцементом. Данный эффект достигается путем аддитивного и синергетического взаимодействия компонентов вяжущего, где аморфная часть золы-уноса выполняет роль структурирующего компонента, приводящего к образованию гидросиликатов кальция второй генерации, а кристаллическая часть золы уноса выступает в роли микронаполнителя для повышения плотности композита и снижения усадочных деформаций. Суперпластификатор Sika®ViscoCrete® 225 P адсорбируется на поверхности частиц вяжущего и благодаря силам отталкивания от эффекта, известного как стерическое препятствие, позволяет частицам композиционного вяжущего эффективно диспергироваться в смеси. Использование в составе композиционного вяжущего нанокремнезема приводит к направленному формированию структуры композита, обеспечивающего улучшение физико-механических и эксплуатационных свойств напольного покрытия.

Для разъяснения полученных результатов исследования кинетики твердения было принято решение провести физико-химические исследования композиционного вяжущего на основе цемента и золы при оптимальном содержании суперпластификатора и нанокремнезма. Доказано, что высокие физико-механические характеристики композиционного вяжущего объясняются микроструктурой оптимизированного камня, которая отличается однородностью, существенно меньшим размером новообразований, их равномерным распределением, повышенной плотностью и степенью гидратации клинкерных минералов (рис. 1) [6].

б

Рисунок 1 – Микроструктура образцов: а – исходный цемент (х1000);

б – композиционное вяжущее (ПЦ, зола-унос, СП, нанокремнезем) (х2000)

Изменение морфологии образующихся продуктов гидратации портландцемента и композиционного вяжущего подтверждает улучшение физико-механических показателей. Для оценки фазового состава композиционных вяжущих был проведен дифференциально-термический анализ гидратного камня. На всех полученных ДСК- и ТГА-спектрах (рис. 2, 3) наблюдаются эндотермические эффекты при температурах 160 - 170 °С, связанные с удалением кристаллизационной воды, 490 - 520 °С - отвечающий за дегидратацию гидроксида кальция Са(ОН) 2 , 750 - 780 °С - соответствующий дегидратации гидросиликатов кальция CaO-SiO 2 -Н 2 О. Слабый эндотермический эффект, появляющийся у композиционных вяжущих при температуре 900 - 910 °С, отражает перекристаллизацию силикатов кальция (CaSiO 3 ). На кривых ТГА отражено снижение массы образцов при нагревании, обусловленное потерей адсорбционной воды из структуры материала.

Lab: METTLER

STAR* SW 16.20

Рисунок 2 – Дериватограмма: а – измельченного цемента; б – композиционного вяжущего, состоящего из цемента, золы, суперпластификатора и нанокремнезема

100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 10001050°C

Lab: METTLER                                                                          STAR” SW 16.20

Рисунок 3 – Дериватограмма композиционных вяжущих: а – без добавок; б – с добавками: суперпластификатором и нанокремнеземом

Результаты дифференциально-термического анализа показывают, что введение в состав композиции модифицирующих микро- и ультрадисперсных добавок способствует изменению фазового состава гидратного камня. При сравнении кривых портландцемента и композиционного вяжущего наблюдается изменение основности образующихся гидросиликатов кальция: эндотермический эффект в области температур 759 - 780 °C у портландцемента смещается 82

вправо, у композиционных вяжущих - в сторону повышения температуры до 780 °C. Смещение пика связано с тем, что введение золы-уноса, нанокремнезема приводит к образованию дополнительного количества гидросиликатов кальция, отличающихся от традиционных. В композиционном вяжущем образуются дополнительные низкоосновные гидросиликаты кальция, структурированные по поверхности твердой фазы, с образованием более плотного композита с улучшенными физико-механическими свойствами.

Выводы

В исследовании установлено, что совместное введение золы-уноса, суперпластификатора и нанокремнезема для получения композиционных вяжущих для напольных сухих строительных смесей приводит к повышению их физико-механических свойств. Анализ микроструктуры и фазового состава композиционных вяжущих показал повышение однородности и плотности структуры, формирование оптимального состава новообразований твердеющего композита. Использование композиционного вяжущего в составе напольных сухих строительных смесей будет способствовать улучшению технологических свойств при проведении строительных работ, повышению прочностных характеристик, снижению усадочных деформаций напольного покрытия.