Цементный пенобетон из портландцементного клинкера и природного минерального сырья Арктической зоны России

РЕФЕРАТ. Для строительства объектов в Арктической зоне России необходимы стеновые материалы стабильного качества. Разработаны удовлетворяющие этому требованию пенобетоны на основе портландцемента, изготовленного путем совместного помола привозного клинкера с местными активными минеральными добавками. Использование в качестве такой добавки кварц-полевошпатового песка позволяет получить неавтоклавный пенобетон с классом по средней плотности D600 и коэффициентом вариации по прочности на сжатие, уменьшенным с 15,62 % (для пенобетона на основе бездобавочного цемента) до 5,59 %. При изготовлении пенобетона D800 на основе портландцемента с добавкой цеолита обеспечивается уменьшение коэффициента вариации по прочности на сжатие с 12,11 до 4,30 %. При использовании портландцемента с этими добавками класс пенобетона по прочности на сжатие увеличивается до В1,5 и В2,5 соответственно. Получен пенобетон с теплопроводностью 0,109—0,111 Вт/(м · К), общей усадкой 2,2—2,6 мм/м, коэффициентом паропроницаемости 0,14—0,15 мг/(м · ч · Па) и маркой по морозостойкости F25—F35, что удовлетворяет требованиям ГОСТ 25485—89.

Ключевые слова: пенобетон, портландцементный клинкер, активные минеральные добавки, кварц-полевошпатовый песок, цеолит, цемент с минеральными добавками, пенобетонная смесь, монодисперсное распределение пор, плотность, прочность, морозостойкость, теплопроводность.

Keywords: foam concrete, Portland cement clinker, active mineral additives, cement with mineral additives, quartz-feldspar sand, zeolite, foam concrete mixture, monodisperse pore distribution, density, strength, freeze-thaw resistance, thermal conductivity.

Введение

В соответствии со стратегией развития Арктической зоны России для освоения ее природных ресурсов и обеспечения нацио­нальной безопасности предполагается строи­тельство зданий и сооружений различного назначения. В связи с коротким периодом поставки строительных материалов (продолжительность навигации — ​всего 2—4 мес) возникают трудности с сохранением их качества и ресурсным обеспече­нием работ, что вызывает необходимость нестандартных подходов к возведению зданий и сооружений с высокой долговечностью при эксплуатации в суровых условиях. Предусмат­ривается развитие региональной строительной индустрии с использованием местного сырья [1—3].

Основным конструкционным и конструкционно-теплоизоляционным материалом при возведении строительных объектов различного назначения является бетон на основе цемента. Высокая эксплуатационная надежность железобетонных конструкций и зданий в целом зависит от качества цемента, используемого в ходе строительства. Обеспечить высокое и стабильное качество цемента, поставляемого в Арктическую зону России из промышленных центров, практически невозможно из-за его взаимодействия с влагой воздуха (гидратации) и потери активности при транспортировании и длительном хранении в условиях морского влажного климата. Установлено, что при таком хранении прочность (активность) цемента снижается на 30—60 %, что не позволяет спрогнозировать фактическую прочность, долговечность изготавливаемых конструкций и надежность эксплуатации зданий и сооружений [3, 4]. Активность портландцемента при хранении в бумажных мешках в условиях морского климата в течение 4 и 12 мес снижается до 32 и 62 % соответственно [4].

Ранее была разработана и внедрена технология цементных твердеющих композиций для использования в добывающей промышленности при закладке горных выработок в Арктической зоне России, включающая в себя совместный помол привозного порт­ландцементного клинкера с местными природными активными минеральными добавками и отходами промышленности. Это поз­волило обеспечить заданные и стабильные в течение необходимого времени прочностные характеристики закладочных массивов при различных способах разработки полиметаллических руд [3].

Также в работе [3] было предложено использовать аналогичный технологический прием при организации производства цемента в Арктической зоне, что позволит обеспечить его доставку к объектам строительства с сохранением заданной активности в любое время года и при любой погоде. Проведены исследования и показана принципиальная возможность изготовления портландцементов ЦЕМ II/А-П 42,5Н и ЦЕМ II/А-П 32,5Н (ГОСТ 31108—2016) путем совместного помола привозного портландцементного клинкера (АО ПО «Якутцемент») с природными активными минеральными добавками Арктической зоны Республики Саха (Якутия) [3].

Для стеновых конструкций объектов строи­­тельства в Арктической зоне России необходим теплоизоляционный материал на основе портландцемента местного производства, имеющего стабильное качество. Наиболее эффективным стеновым материалом, обеспечивающим комфортную и безопасную среду для проживания человека, является пенобетон неавтоклавного твердения [5—7]. Ак­туальна задача разработки такого пенобетона, изготавливаемого из цемента на основе привозного портландцементного клинкера и активных минеральных добавок Арктической зоны.

Чтобы улучшить технологические и экс­плуатационные свойства цементных пенобетонов неавтоклавного твердения, при их приготовлении предлагаются различные технологические приемы:

⋅   пластификация и водоредуцирование путем введения добавок-пластификаторов [6—8];

⋅   микроармирование дисперсно-волокнис­тыми добавками [8—11];

⋅   ускорение структурообразования при помощи химических добавок [9, 12];

⋅ модификация структуры дисперсными активными минеральными добавками из отходов промышленности (микрокремнеземом, золой, шлаком) или из природных аморфизированных горных пород [13—16];

⋅  использование наноструктурированных вяжущих, включающих в себя углеродные нанотрубки и фуллерены [12, 14—19];

⋅   производство многокомпонентных сухих смесей [20—24].

Цель данной работы — ​разработка неавтоклавного пенобетона со стабильными параметрами качества на основе цементов, изготавливаемых путем совместного помола привозного портландцементного клинкера и природных активных минеральных добавок Арктической зоны России.

Методика и исходные материалы

Для разработки неавтоклавного пенобетона повышенного и стабильного каче­ства и исследования его свойств использовались цементы ЦЕМ II/А (ГОСТ 31108—2016) на основе портландцементного клинкера АО ПО «Якутцемент» с активными минеральными добавками: кварц-полевошпатовым песком (далее песок) и цеолитсодержащей породой (далее цеолит) [3]. Цементы имели следующий состав [% масс.]:

1) клинкер — ​92, гипсовый камень — ​3, песок — ​5;

2) клинкер — ​82, гипсовый камень — ​3, цеолит — ​15.

Кварц-полевошпатовые пески Ленского бассейна, включая дельту реки Лены в регионе Тикси, характеризуются высоким содержа­нием аморфной фазы (29,8—40,8 % масс.), что позволяет использовать их в качестве пуццоланового компонента композиционных вяжущих на основе цемента [3, 24].

Использованный в работе цеолит относится к клиноптилолитовому типу минерального сырья и обладает пуццолановой активностью. В его состав входят 60,4 % масс. клиноптилолита и 27,4 % масс. гейландита, а также небольшие количества глинистых примесей, слюды и песка. Данный цеолит характери­зуется высоким содержанием диоксида кремния. Ускоряющее действие цеолитов на гид­ратацию C₃S и раннее образование C —​ S—H в цементном камне было установлено в работах [14, 15]. Однако влияние цеолитов и кварц-полевошпатовых песков с высоким содержанием аморфной фазы на структурообразование и свойства неавтоклавных пенобетонов изучено недостаточно.

Портландцементный клинкер, цеолитсо­держащую породу и гипсовый камень измельчали в лабораторной щековой дробилке. Компоненты цемента совместно размалывали в лабораторной планетарной шаровой мельнице. Удельную поверхность цемента определяли на приборе ПСХ‑11. Пенобетонную смесь приготавливали по двухстадийной технологии с использованием пеногенератора СОВБИ и бетоносмесителя.

Для изготовления пенобетонной смеси с равномерно распределенными моно­дис­перс­ными порами необходимо было выбрать пенообразователь с максимальной кратностью пены и ее высокой устойчивостью в пенобетонной массе. В наибольшей степени указанным требованиям удовлетворяют белковые пенообразователи Foamcem (Италия) и «Эталон» (Россия), а также синтетический — ​«ПБ-Люкс» (Россия). Был выбран пенообразователь «Эталон» как самый эффективный по совокупности технико-экономических показателей. При приготовлении пенобетонной смеси использовались пена с плотностью 74—80 г/л и заполнитель из кварц-полевошпатового песка в количестве 30 % массы цемента. Плотность пенобетонной смеси составляла 785—1010 кг/м³.

В ходе исследований устанавливалось влияние вида, количества и тонкости помола цемента на структуру, кинетику твердения и однородность показателя прочности, среднюю плотность, усадочную деформацию, влагопроницаемость и теплопроводность пенобетона.

Результаты исследований

Прочность на сжатие пенобетонов на основе цемента с добавкой кварц-полевошпатового песка и особенно цеолита в 28-суточном возрасте существенно выше, чем у пенобетона той же плотности на бездобавочном цементе того же класса прочности (рис. 1).

Рис. 1. Прочность на сжатие в возрасте 28 сут и средняя плотность пенобетона при различной тонине помола портландцемента: а — ​315—330 м²/кг (класс прочности 32,5); б — ​390—415 м²/кг (класс прочности 42,5)

Прочность на сжатие пенобетонов на основе цемента класса прочности 32,5 с добавкой цеолита в 28-суточном возрасте намного выше, чем у пенобетона той же плотности на бездобавочном цементе ЦЕМ I 32,5Б (рис. 1, а). У пенобетонов на цементе класса прочности 42,5 с добавкой кварц-полевошпатового песка она заметно выше, чем у пенобетонов на цементе ЦЕМ I 42,5Б (рис. 1, б).

При увеличении удельной поверхности цементов с 315—330 до 390—415 м²/кг проч­ностные характеристики пенобетонов одинаковой плотности существенно не изменились: прочность на сжатие выросла всего на 2,5—5,8 %. Таким образом, экономически оправдано использовать для изготовления исследованных пенобетонов цемент класса прочности 32,5.

Значения прочности образцов пенобетона на сжатие в возрасте 7 сут практически не различаются. Наибольшую прочность в 28-суточном возрасте имеют пенобетоны на основе цемента с 15 % цеолита (рис. 2, а).

Рис. 2. Кинетика набора прочности (а) и усадочные деформации (б) образцов пенобетона D600 на цементе без минеральных добавок, с 5 % масс. кварц-полевошпатового песка и с 15 % масс. цеолита

Интенсивный рост усадочных деформаций пенобетона (рис. 2, б) происходит в течение первых 30 сут твердения, а затем замедляется. Усадочные деформации пенобетонов на основе цементов с минеральными добавками в возрасте более 30 сут меньше на 0,20—0,35 мм/м, чем у пенобетона на бездобавочном цементе.

Неавтоклавный пенобетон разработанных составов на цементе с минеральными добавками имеет общую усадку 2,2—2,6 мм/м, сорбционную влажность менее 7 %, коэффициент паропроницаемости 0,14—0,15 мг/ (м · ч · Па), марку по морозостойкости F25—F35, что удовлетворяет требованиям ГОСТ 25485—89.

Основным параметром стабильности качества пенобетона является однородность прочности на сжатие (ГОСТ 18105—2010). Коэффициент вариации этого показателя для пенобетона с маркой по средней плотности D600 на цементе с добавкой кварц-полевошпатового песка уменьшается по сравнению с аналогичным показателем пенобетона той же марки по средней плотности на бездобавочном цементе с 15,62 до 5,59 %, а при использовании цемента с добавкой цеолита с маркой по средней плотности D800 — ​с 12,11 до 4,30 %, что позволило получить пенобетоны класса по прочности на сжатие В1,5 и В2,5 соответственно.

Исходя из данных рентгенофазового анализа [3] и результатов компьютерной обработки микрофотографий сколов пенобетона можно предположить следующий механизм повышения прочностных показателей неавто­клавного пенобетона на основе цемента с минеральными добавками. Тонкомолотые цеолит и кварц-полевошпатовый песок, имею­щие высокую пуццолановую активность, вступают во взаимодействие с гидроксидом кальция, который образуется при гидролизе алита, благодаря чему интенсифицируется образование низкоосновных гидросиликатов кальция и повышается прочность межпоровых перегородок. Возможно, прочность пенобетона на основе портландцемента с минеральными добавками растет также и в связи с использованием в качестве заполнителя кварц-полевошпатового песка — ​из-за повышения адгезионной прочности цементного камня с поверхностью заполнителя в результате его химического взаимодействия с продуктами гидратации цемента.

Повышение прочностных характеристик пенобетона можно связать также с уменьше­нием размера пор в межпоровых перегородках, которое установлено по данным компьютерного анализа микрофотографий скола образцов пенобетона (фото сделаны с использованием растрового электронного мик­роскопа).

Количественную оценку размера пор и их объема в пенобетоне проводили расчетно-экс­периментальным методом с помощью программы ImageJ [15].

Морфология и распределение по размерам макропор пенобетона на основе цемента с удельной поверхностью 320—330 м²/кг с добавкой кварц-полевошпатового песка и без нее существенно различаются (рис. 3). Для пенобетона без минеральных добавок (контрольного образца) наблюдается полидисперсное распределение макропор с тремя отчетливо выраженными пиками (0,6 мм — ​17,5 %; 2,0 мм — ​1,3 % и 2,9 мм — ​1,1 %). Это согласуется со структурой контрольного образца (см. левое фото на рис. 3). Распределение макропор пенобетона с песком преимущественно монодисперсное — ​гистограмма имеет вытянутую форму с острым пиком и узким основанием (0,41 мм — ​22,6 %). Поры пенобетона с песком и без него имеют форму вытянутого эллипсоида и распределены равномерно по всему шлифу образца, однако в первом случае их диаметр меньше. Взаимное расположение макропор в структуре пенобетонов в основном подобно расположению сфер в плотнейшей гексагональной упаковке. При этом имеются агрегированные области, в которых более мелкие поры концентрируются вокруг крупных. Микропоры в перегородках между крупными порами имеют размеры 10—150 мкм.

Рис. 3. Распределение пор образцов пенобетона D600 по размера

Монодисперсное распределение макропор пенобетона, скорее всего, объясняется стабилизацией пенной системы тонкомолотой минеральной добавкой. Зерна последней, попадая в межпоровое пространство, частично закупоривают каналы Плато—Гиббса и тем самым замедляют скорость истечения поровой жидкости, предотвращая захлопывание пузырьков.

Высокая однородность и микропористость структуры пенобетона с кварц-полевошпатовым песком позволили снизить коэффициент теплопроводности пенобетона, т. е. улучшить его теплоизоляционные характеристики при использовании в качестве стенового материала. По результатам испытаний образцов пенобетона марки по средней плотности D600, их коэффициент теплопроводности по ГОСТ 7076—99 находится в пределах 0,109—0,111 Вт/(м · К), что удовлетворяет требова­ниям СП 50—13330—2012.

Разработанный пенобетон на цементе из привозного портландцементного клинкера и местных минеральных добавок можно рекомендовать для использования при производстве конструкционно-теплоизоляционных стеновых материалов для строительства зданий в Арктической зоне России.

Заключение

В результате испытаний образцов пенобетона установлено следующее:

⋅ пенобетон на портландцементе с цеолитом с маркой по плотности D800 обладает коэффициентом вариации прочности на сжатие 4,30 % и классом по прочности В2,5;

⋅ пенобетон на портландцементе с кварц-полевошпатовым песком с маркой по плотности D600 имеет коэффициент вариации прочности 5,59 % и класс по проч­ности на сжатие В1,5.

Таким образом, разработан неавтоклавный пенобетон на основе цемента с тониной помола 315—415 м²/кг, изготовленного путем совместного помола портландцемент­ного клинкера, гипсового камня и активных минеральных добавок из кварц-полевошпатового песка или цеолита. Для изготовления пенобетонной смеси использовались мелкий заполнитель из кварц-полевошпатового песка и водный раствор пенообразователя «Эталон». Разработанный пенобетон имеет монодисперсное распределение пор в структуре, плотность 600—800 кг/м³ и прочность 1,8—2,8 МПа.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сарвут Т. О. Принципы формирования среды обитания в арктическом регионе // Вестник МГСУ. 2018. Т. 13, вып. 2 (113). С. 130—140.

2. Смирнова О.О., Липина С.А, Кудряшева Е.В и др. Формирование опорных зон в Арктике: методология и практика // Арктика и Север. 2016. № 25. С. 148—157. [Электронный ресурс]. URL: https: //narfu.ru/universyti/library/dooks/3024 (дата обращения 14.12.2019).

3. Местников А.Е., Кудяков А. И., Рожин В. Н. Портландцемент с природными активными минеральными добавками // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2019. Т. 21, № 2. С. 192—201.

4. Удачкин И. Б. Ключевые проблемы развития производства пенобетона // Строительные материалы. 2002. № 3. С. 8—9.

5. Леонович С.Н., Свиридов Д. В., Щукин Г. Л. и др. Состав сухой смеси для неавтоклавного пенобетона естественного твердения // Строительные материалы. 2015. № 5. С. 70—73.

6. Kudyakov A.I., Steshenko A. B. Cement foam concrete with low shrinkage // Advanced Mater. Res. 2015. Vol. 1085. P. 245—249.

7. Баранов И.М. Прочность неавтоклавного пенобетона и возможные пути ее повышения // Строительные материалы. 2008. № 1. С. 26—30.

8. Смирнова П.В., Моргун Л.В., Моргун В.Н. Теоретическое и экспериментальное обоснование возможности управления величиной усадочных деформаций в пенобетонах неавтоклавного твердения // Строительные материалы. 2013. № 4. С. 96—97.

9. Steshenko A.B., Kudyakov A. I. Early structure formation of foam concrete mix containing modifying admixture // Magazine of Civil Engineering. 2015. N 2 (54). P. 56—62.

10. Кудяков А.И., Стешенко А. Б., Конушева В. В., Сыркин О. О. Технологические приемы уменьшения усадки неавтоклавного пенобетона и повышения класса по прочности // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2016. № 5 (58) С. 129—139.

11. Keriene J., Kligys M., Laukaitis A., Yakovlev G., et al. The influence of multi-walled carbon nanotubes additive on properties of non-autoclaved andautoclaved aerated concretes // Construction and Building Mater. 2013. Vol. 49. P. 527—535.

12. Урханова Л.А. Использование вторичного сырья для производства пенобетона // Строительные материалы. 2002. № 3. С. 8—9.

13. Perraki T., Kontori E., Tsivilis S., Kakali G. The effect of zeolite on the properties and hydration of blended cements // Cement and Concrete Composites. 2010. N 32. Р. 128—133.

14. Bohá M., Kubátová D., Neasa R., Zezulová A., et al. Properties of cement pastes with zeolite during early stage of hydration  // Procedia Eng. 2016. N 151. Р. 2—9.

15. Schneider C.A., Rasband W. S., Eliceiri K. W. NIH Image to ImageJ: 25 years of image analysis // Nature Methods. 2012. N 9. Р. 671—675.

16. Сумин А.В., Строкова В. В., Нелюбова В. В., Еременко Е. С. Пеногазобетон с наноструктурированным модификатором // Строительные материалы. 2016. № 1—2. С. 70—74.

17. Павленко Н.В., Строкова В.В., Череватова А.В., Жерновский И.В. и др. Эффективность применения наноструктурированного вяжущего при получении ячеистых композитов // Строительные материалы. 2012. № 6. C. 10—12.

18. Pavlenko N.V., et al. Cellular concretes based on nanostructured perlite binder // Applied Mechanics and Materials. 2014. Vol. 496—500. P. 2383—2386.

19. Белов В.В., Курятников В.В., Образцов И.В. Cухие готовые смеси для получения газозолобетона с оптимизированной структурой связующей матрицы // Строительные материа­лы. 2012. № 7. С. 94—97.

20. Леонович С.Н., Свиридов Д. В., Щукин Г. Л. и др. Сухая смесь для получения пенобетона // Наука и техника. 2015. № 6. С. 24—29.

21. Красиникова Н.М., Хозина Е.В., Хозин В. Г., Морозов Н. М. Исследование размолоспособности сухих смесей для пенобетона // Вестник технологического университета. 2015. Т. 18. № 8. С. 187—190.

22. Mestnikov A. Thermal highly porous insulation materials made of mineral raw materials // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2015. Vol. 71. N 012014. P. 1—4.

23. Kudyakov A.I., Steshenko A.B. Shrinkage deformation of cement foam concrete // IOP Conf. Series: Mater. Sci. and Eng. / Proc. Intern. Sci. Conf. of Young Scientists: Advanced Materials in Construction and Eng., TSUAB2014. 2015. P. 012019.

24. Mestnikov A., Semenov C., Strokova V., Nelubova V. Auto­clave foam concrete: Structure and properties Citation // AIP Conf. Proc. 2. Series: Advanced Materials in Technology and Construction, AMTC2015: Proc. II All-Russian Sci. Conf. of Young Scientists: Advanced Materials in Technology and Construction». 2016. P. 070010.