Влияние добавок глинитов на прочностные характеристики модифицированного цементного камня

В настоящее время одним из приоритетных направлений строительного материаловедения является разработка модифицированных цементных бетонов с высокими эксплуатационными свойствами, отличающихся сложным многокомпонентным составом с использованием индивидуальных и комплексных добавок разной природы и механизма действия – химических, минеральных, органоминеральных [1–4]. Применение модификаторов стало ключом к решению многих технологических задач бетоноведения, в том числе к получению цементных композитов повышенной прочности (60÷100 МПа и выше).

Одной из наиболее пуццоланически активных минеральных добавок для цементных бетонов является метакаолин [5]. Однако территориальная и количественная ограниченность каолинитовых глин, высокая стоимость получаемого обогащённого сырья, растущие потребности в каолине бумажной и медицинской промышленностей обуславливают низкую степень применения метакаолина в цементной отрасли. В связи с этим актуальным направлением является разработка эффективных пуццолановых добавок для цементных систем на основе широко распространенных полиминеральных глин [6–7].

Исследования полиминеральных глин Республики Татарстан, Оренбургской и Челябинской областей [8–9] показали, что минеральные добавки, полученные на основе данных осадочных пород, отличаются повышенной физико-химической эффективностью в рецептуре цементных систем, не уступающей микрокремнезёму и метакаолину. В работе [10] установлено, что пуццолановой активностью после термической обработки обладают не только каолинитовые, но и монтмориллонитовые, мусковитовые и иллитовые глины. Таким образом, полиминеральные глины, являющиеся повсеместно распространенным, доступным и дешевым материалом, представляют собой ценное сырьё для получения пуццоланов, что подтверждается результатами собственных исследований [11–14].

Целью данной работы являлось исследование влияния параметров обжига (температуры, длительности) и дозировки термоактивированной глины на прочностные характеристики цементного камня – пределы прочности при сжатии и на растяжение при изгибе в возрасте 28 суток.

В рецептуре цементных систем основным компонентом вяжущего являлся портландцемент ЦЕМ I 42,5 Н производства АО «Серебряковцемент». В качестве исходного сырья для получения минеральной добавки выбрана глина Старошайговского месторождения Республики Мордовия. Температура обжига глины составляла 400, 600 и 800°С, время обжига – 2, 3 и 4 часа. Прокалённые глины подвергались помолу в шаровой мельнице в течении 1 часа. Получаемые порошки вводились в состав цементного вяжущего в количестве от 2 до 18 % от массы портландцемента. Водотвёрдое отношение во всех составах принято постоянным – 0,3.

В ходе экспериментальных исследований было изучено изменение в зависимости от варьируемых факторов пределов прочности при сжатии и на растяжение при изгибе в возрасте 7 и 28 суток. По результатам проведенного анализа определены числовые значения коэффициентов полиномиальных зависимостей, описывающих изменение предела прочности при сжатии (1) и на растяжение при изгибе (2) цементного камня в возрасте 28 суток от варьируемых рецептурно-технологических факторов:

осж. = 67,29 + 3,23 • x1 + 0,18 • х2 - 3,99 • х3 + 1,36 ■ х1 ■ х2 — 0,81 • х1 • х3—

• -1,38 ■ х2 ■ х3 + 0,31 ■ х1 ■ х2 ■ х3 — 7,55 • х2 — 4,35 • х2 + 4,48 • х32 —

• —0,91 ■ х 2 ■ х₂ — 0,56 ■ х 1 ■ х 2 — 0,49 ■ х 2 ■ х₃ — 2,19 ■ (х 1 ■ х₂ ■ х₃)²;

ораст. = 10,11 + 0,62 ■ х1 — 2,06 ■ х2 — 0,57 ■ х3 — 0,49 ■ х1 ■ х2 + 0,19 ■ х1 ■ х3+

+0,14 ■ х2 ■ х3 + 0,09 ■ х1 ■ х2 ■ х3 + 0,57 ■ х2 + 0,43 ■ х2 + 0,12 ■ х2 +

+2,47 ■ х2 ■ х2 — 0,19 ■ х1 ■ х2 + 0,23 ■ х2 ■ х3 — 0,36 ■ (х1 ■ х2 ■ х3)2, где х1, х2 - температура и время обжига глины соответственно; х3 - дозировка добавки термоактивированной глины.

Уровни варьирования исследуемых факторов в натуральных и кодированных величинах приведены в таблице 1. С использованием уравнений (1) и (2) построены графические зависимости в виде изолиний изменения прочностных показателей цементного камня от исследуемых факторов (см. рис. 1).

Таблица 1

Исследуемые факторы и уровни их варьирования

Уровни варьирования в кодированных величинах	Варьируемые факторы
	Температура обжига глины, о С	Время обжига глины, час.	Дозировка добавки термоактивированной глины, % от массы цемента
-2	–	–	2
-1	400	2	6
0	600	3	10
+1	800	4	14
+2	–	–	8

По результатам исследования установлена возможность получения модифицированного цементного камня с прочностью при сжатии в возрасте 28 суток не менее 75 МПа, что соответствует контрольному составу, даже при достаточно высоком содержании используемой минеральной добавки – 18% от массы портландцемента (см. рис. 1, в). При этом указанный уровень прочностной характеристики достигается в цементных системах с добавками полиминеральной глины, обожженной при температуре 600 °С в течение 2-3,5 часов.

Анализируя данные рис. 1 (а, в, д), выявлено падение прочностных показателей при сжатии модифицированного цементного камня при изменении температуры обжига глины с 600 до 800 или 400 °С. По сравнению с немодифицированным составом наиболее высокий прирост предела прочности при сжатии (более 20%) зафиксирован у цементных систем с содержанием минеральной добавки термоактивированной глины в количестве 2% от массы портландцемента. При этом оптимальная длительность обжига глинистого сырья для всех температурных режимов близка к 3 часам.

Предел прочности на растяжение при изгибе, 28 суток (МПа) (обжиг при температуре 400 °C)

Предел прочности при сжатии, 28 суток (МПа) (обжиг при температуре 400 °C)

(обжиг при температуре 600 °C)

(обжиг при температуре 600 °C)

(обжиг при температуре 800 °C)

(обжиг при температуре 800 °C)

Рис. 1. Изменение предела прочности при сжатии (а, в, д) и на растяжение при изгибе (б, г, е) модифицированного цементного камня в возрасте 28 суток в зависимости от варьируемых факторов. Температура обжига: а, б – 400 °С; в, г – 600 °С; д, е – 800 °С.

Анализ кривых изменения предела прочности на растяжение при изгибе (см. рис. 1, б, г, е) показал, что наиболее высокие значения прочностных показателей модифицированного цементного камня в возрасте 28 суток (14 МПа и более) достигаются в составах с содержанием минеральной добавки термоактивированной глины в количестве 2-4% от массы портландцемента, при температуре и длительности обжига глинистого сырья – 600 °С и 2-2,2 часа соответственно. При этом изменение температуры термоактивации глины с 600 до 400 и 800 °С приводит к падению анализируемого прочностного показателя цементных систем. В то же время при увеличении температуры обжига с 400 до 800 °С достижение верхней границы предела прочности на растяжение при изгибе цементного камня может быть обеспечено при снижении длительности термоактивации глинистого сырья с 4 до 2 часов.

Таким образом, по результатам экспериментального исследования установлена возможность получения модифицированного цементного камня, прочностные показатели которого не уступают контрольному составу без минеральной добавки, что свидетельствует о повышенной физико-химической эффективности модификаторов на основе глины Старошайговского месторождения. Полученные данные подтверждают перспективность и актуальность направления по разработке минеральных добавок для цементных систем на основе полиминеральных глин, что позволит расширить номенклатуру выпускаемых на сегодняшний день модификаторов за счёт более полного использования местной минеральной сырьевой базы.