Влияние нанофибриллярной целлюлозы на кинетику схватывания цементного теста

Пухаренко Ю.В., Хренов Г.М., Ткаченко В.И. Влияние нанофибриллярной целлюлозы на кинетику схватывания цементного теста // Нанотехнологии в строительстве. 2024. Т. 16, № 1. С. 6–11. – EDN: QOESME.

С овременное строительство ежегодно использует порядка 4 миллиардов тонн цемента для производства различных строительных материалов на его основе [1]. При этом наибольший объем применения приходится на выпуск бетонов и растворов, регулирование свойств которых осуществляется в том числе за счет направленного изменения структуры цементного теста и камня.

Методы управления структурой цементных систем непрерывно развиваются десятки лет и в последние годы касаются наноразмерного уровня.

За счет введения в смеси весьма незначительных количеств различных наноразмерных добавок стало возможным существенное улучшение техникоэкономических показателей цементных композитов. Достигается это либо улучшением характеристик наномодифицированных материалов, таких как прочность, морозостойкость, водонепроницаемость, расслаиваемость, сохраняемость и др., либо за счет сокращения расхода цемента в составе смесей с учетом обеспечения требуемых характеристик [2, 3, 4].

Опубликованные результаты исследований свидетельствуют о серьезных перспективах нанострук-трирования бетонов и растворов. Сегодня глубоко

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ изучены и уже получили практическое применение модификаторы на основе углеродных [5, 6, 7, 8] и кремнеземистых наночастиц [9, 10, 11]. При этом продолжается поиск и исследование новых нано-размерных добавок, к числу которых относится на-нофибриллярная целлюлоза (НФЦ).

НФЦ является продуктом диспергирования до наноразмеров растительных целлюлозосодержащих материалов и представляет собой мельчайшие гибкие волокна с высокими прочностными и деформационными характеристиками [12, 13]. Многие исследователи отмечают положительное влияние НФЦ на свойства цементных композитов, а именно наблюдается повышение прочности [14, 15, 16, 17], снижение усадочных деформаций [18, 19], улучшение технологичности смеси (снижение расслаивае-мости) [20] и другие. Поскольку результаты исследования НФЦ в качестве модификатора цементных систем проводятся относительно недавно, поиск возможных эффектов от ее применения еще далек от завершения. Учитывая это, цель данной работы состоит в изучении влияния НФЦ на кинетику схватывания цементного теста в первые часы от затворения.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В работе использовались следующие материалы: две пробы портландцемента ЦЕМ I 42,5 Н, отличающиеся наличием и отсутствием признаков ложного

Для оценки кинетики схватывания использовался осцилляционно-ротационный реометр Anton Paar MCR -102, снабженный специальной измерительной системой, разработанной в СПбГАСУ (рис. 2). Данная система оснащена металлической иглой, которая

Рис. 2. Схема и фотографии измерительной системы для контроля кинетики схватывания минеральных вяжущих

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Таблица

Характеристика цементного теста нормальной густоты

Показатель Значение для состава №№ 1–8 1 2 3 4 5 6 7 8 Портландцемент Без признаков ложного схватывания С признаками ложного схватывания В/Ц 0,26 0,261 0,262 0,275 0,266 0,267 0,271 0,295 Расход НФЦ, % 0 0,0024 0,024 0,24 0 0,0024 0,024 0,24 воздействует на пробу материала, двигаясь по окружности со скоростью 0,2 об/час. Проба при этом находится в одноразовой пластиковой емкости. Реометр фиксирует крутящий момент, который требуется для поддержания заданной скорости и который затем пересчитывается в условную вязкость. Рассчитать абсолютное значение вязкости не представляется возможным из-за сложного характера деформации пробы материала. Тем не менее, условной вязкости достаточно для отсаживания процесса схватывания цементного теста в ранние сроки, поскольку важно именно изменение сопротивления материала указанному воздействию, а не его абсолютное значение.

Для оценки влияния НФЦ на кинетику схватывания цементного теста было изготовлено 8 составов цементного теста нормальной густоты (см. табл.), в которых содержание целлюлозы указано по сухому веществу в процентах от массы цемента.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Результаты испытания цементного теста составов №№ 1–8 приведены в графическом виде (рис. 3 и 4).

ОБСУЖДЕНИЕ

По рис. 3 видно, что условная вязкость цементного теста без НФЦ (линия 1) плавно возрастает и через 160 минут от затворения начинает схватываться, достигая значения 500 кПа·с. Введение НФЦ оказывает заметное влияние на изменение вязкости: при расходе 0,0024% она несколько замедляет процесс структурообразования в интервале от 40 до 140 минут, а затем незначительно его ускоряет (линия 2). Начало схватывания наступает на 145 минуте. Введение 0,024% НФЦ приводит к ускорению процесса структурообразования во всем интервале

Рис. 3. Кинетика схватывания цементного теста (составы № 1–4): 1 – без НФЦ; 2 – 0,0024% НФЦ; 3 – 0,024% НФЦ; 4 – 0,24% НФЦ.

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Рис. 4. Кинетика схватывания цементного теста (составы № 5–8): 5 – без НФЦ; 6 – 0,0024% НФЦ; 7 – 0,024% НФЦ; 8 – 0,24% НФЦ.

времени проведения эксперимента, начало схватывания наступает через 150 минут (линия 3). При расходе НФЦ 0,24% наблюдается значительное ускорение нарастания вязкости, и начало схватывания наступает уже через 70 минут (линия 4). Таким образом, добавка НФЦ уменьшает время начала схватывания, однако значимое ее влияние наблюдается лишь при большом расходе, равном 0,24% от массы цемента. В этом случае НФЦ можно рассматривать в качестве ускорителя схватывания цемента при отсутствии в нем признаков ложного схватывания.

На рис. 4 приведены результаты испытания составов цементного теста с признаками ложного схватывания, что отчетливо видно по резкому увеличению условной вязкости на линии 5 в первые 30 минут от затворения. Время начала схватывания (в данном случае ложного) составляет 20 минут. Введение 0,0024% НФЦ придает процессу возрастания вязкости более плавный характер (линия 6), и время начала схватывания составляет уже 105 минут. Дальнейшее увеличение расхода НФЦ до 0,024% также сдерживает время начала схватывания, но уже до 85 минут (линия 7). При введении 0,24% НФЦ заметного изменения величины вязкости по сравнению с бездобавочным цементным тестом не происходит: также наблюдается ее интенсивный рост в первые 30–35 минут, а время начала схватывания практически не увеличилось и составляет 25 минут (состав 8).

Полученные результаты свидетельствуют о потенциально возможном применении НФЦ в качестве добавки, компенсирующей ложное схватывание при обнаружении его признаков в цементе. При этом наиболее эффективными представляются дозировки, не превышающие 0,024% от массы цемента.

ВЫВОДЫ

• 1.    Введение нанофибриллярной целлюлозы оказывает заметное влияние на кинетику схватывания цементного теста в ранние сроки от затворения, при этом степень и характер этого влияния зависит от качества портландцемента.

• 2.    Для качественных цементов (без признаков ложного схватывания) НФЦ можно рассматривать как добавку, ускоряющую схватывание цементного теста в начальный (до 3-х часов) период твердения. Оптимальный расход НФЦ при этом составляет около 0,24% от массы цемента в пересчете на сухое вещество.

• 3.    Для цементов с признаками ложного схватывания НФЦ можно рассматривать как добавку, компенсирующую этот эффект в цементном тесте и повышающую, таким образом, его сохраняемость. Оптимальным для этого следует считать расход НФЦ порядка 0,0024% от массы цемента.

  

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ