Перспективы использования щелочного портландцемента в сухих строительных смесях для анкеровки

РЕФЕРАТ. Изучено влияние пластификаторов разной химической природы на процессы структурообразования щелочного портландцемента системы «портландцементный клинкер — метасиликат натрия — полуводный гипс» с целью определить перспективы его использования в сухих строительных смесях для анкеровки.

Ключевые слова: щелочеактивированные цементы, метасиликат натрия, полуводный гипс, структурообразование, пластификаторы, пластическая прочность, индукционный период.

Keywords: alkali-activated cements, sodium metasilicate, calcium sulphate hemihydrate, gypsum, structure formation, plasticizers, plastic strength, induction period.

Введение

Сухие строительные смеси (ССС) для анкеровки представляют собой материалы, поз­воляющие закреплять мелкие строительные элементы из металла, древесины, пластмассы в бетоне, каменной или кирпичной кладке, цементно-песчаной штукатурке, а также заделывать трещины в основаниях зданий.

В соответствии с требованиями, приведенными в нормативных документах России [1], Украины [2, 3], а также европейских стран, являющихся членами СEN [4], анкерные смеси имеют следующие характеристики:

• интенсивный набор прочности (проч­ность на растяжение при изгибе/проч­ность на сжатие — не менее 2,0/10,0 МПа через 6 ч, не менее 2,5/20 МПа через 24 ч);

• высокие адгезивные свойства (прочность сцепления со стальной/бетонной основой — не менее 0,5/0,8 МПа, прочность при вырывании анкера — не менее 100 МПа и сопротивление вырывания анкера — не более 0,6 мм сдвига при нагрузке 75 кН);

• сохранение стабильных физико-механических свойств при влиянии разных эксплуатационных факторов (например, морозостойкость — не менее 50 циклов).

Рабочие свойства анкерных растворных смесей определяются количеством воды затворения, указанным производителем в инструкции по использованию смеси и обеспечивающим соответствующие эксплуатационные свойства растворов.

Физико-механические свойства растворов (высокие показатели прочности, интенсивный набор прочности, морозостойкость) обеспечиваются, прежде всего, цементной матрицей. Высокой ранней прочностью и стойкостью в условиях воздействия агрессивной среды характеризуются цементы на основе портландцементного клинкера, активированного соединениями щелочных металлов. Приоритет в разработке щелочных цементов принадлежит проф. В.Д. Глуховскому [5, 6]. Основанная им научная школа продолжила теоретические исследования в направлении поиска вариантов композиционного построения щелочных цементов, результаты которых на прак­тике реализованы, например, в нормативном документе ДСТУ Б В.2.7—181: 2009 [7]. Этот документ регламентирует требования к щелочным цементам, в том числе к щелочному портландцементу (цемент вида ЛЦЕМ II).

Для активации портландцементного клинкера в составе ЛЦЕМ II могут использоваться следующие соединения щелочных металлов: едкие щелочи (NaОH, KOH), натриевые и калиевые несиликатные соли слабых кислот (Na2CO3, K2CO3), гидратированные силикаты натрия (Na2O ∙ nSiO2 ∙ mH2O) и др. Использование силиката натрия в качестве щелочного компонента цемента обусловлено эффектом значительного повышения степени гидратации клинкера при снижении основности гидросиликатов кальция с одновременным позитивным влиянием кремнегеля. Силикаты натрия выполняют функцию структурообразующего компонента с формированием гид­ратов в гибридной системе [Na2O—Al2O3—SiO2—H2O]—[СаO—Al2O3—SiO2—H2O], чем обусловливается уплотнение и упрочнение структуры цементного камня [8, 9].

Необходимые реологические и эксплуатационные свойства анкерных растворов обеспечиваются за счет использования модифицирующих добавок. Реологические свойства анкерных растворных смесей (консистенция и сохраняемость) обеспечиваются пластифицирующими добавками, которые также могут влиять и на прочностные свойства растворов. Особенностью щелочных цементов является самостоятельный пластифицирующий эффект действия щелочного компонента [10]. Эффективное модифицирование свойств щелочных цементов ограничено выбором химических добавок из-за нестабильности их структуры в высокощелочной среде и зависит от технологии изготовления таких цементов и их состава.

Кроме того, в ЛЦЕМ II вводят добавки, замедляющие схватывание, чтобы обеспечить его удовлетворительные сроки. Двуводный гипс (CaSO4 ∙ 2H2O), который используется в качестве замедлителя схватывания в цементах общестроительного назначения, исключается из процесса структурообразования в начальный период гидратации в результате обменных реакций с соединениями щелочных металлов с образованием сульфатных фаз — арканита (K2SO4), сингенита (K2Ca(SO4)⋅ 2H2O), мирабилита (Na2SO4 10H2O), а также карбоната и гидросиликатов кальция [11—13]. В указанных исследованиях для обеспечения замедления схватывания использовали добавку полуводного гипса (CaSO4 ∙ 0,5H2O), эффективность действия которого в щелочном цементе показана в работах [14, 15].

Цель данной работы — исследование структурообразования теста ЛЦЕМ II системы «портландцементный клинкер—метасиликат натрия—полуводный гипс», модифицированной пластификаторами разной химической природы, для оценки перспектив использования в анкерных ССС.

Сырьевые материалы и методы исследований

В исследованиях использовали следующие сырьевые материалы:

• клинкер портландцементный (товарный) производства ОАО «Балцем» с удельной поверхностью 450 м2/кг (по Блейну);

• метасиликат натрия (МС) пятиводный Na2SiO3 ∙ 5H2O в в качестве щелочного компонента;

• гипс двуводный (CaSO4 ∙ 2H2O) плотностью 2,3 г/см3;

• гипс полуводный (CaSO4 ∙ 0,5H2O) плотностью 2,7 г/см3.

В качестве пластификаторов использовали химические добавки следующих типов:

• лигносульфонат натрия производства компании Borrespers (Норвегия) (тип ЛСТ);

• добавку «JК-04PP» на основе поликарбоксилатных эфиров (тип «ПК») производ­ства компании JIANKAI (Китай);

• добавку «Vinavil fluxe» на основе поли­акрилатных эфиров (тип «ПА») производства компании Vinavil SpA группы Маpei (Италия);

• этиленгликоль (С2Н6О2) (двухатомный спирт);

• глицерин (С3Н8О3) (трехатомный спирт);

• добавку «Melflux PP100F» на основе полиэтиленгликоля производства компании SKW Polymers (Германия);

• добавку «ОС-25» на основе полиоксиэтиленгликолевых эфиров синтетических первичных высших жирных спиртов производства ПАТ «Барва» (Украина);

• раствор глюконата натрия (С6H12NaO7) плотностью (1,10 ± 0,02) г/см3.

Цемент получен путем сухого смешивания молотых клинкера и сульфата кальция с щелочным компонентом (МС) в лабораторном лопастном смесителе «HOBBORT». Дозирование сульфата кальция и МС принято в процентах от массы клинкера. При помоле клинкера использовали добавку этилгидросилоксанового полимера для интенсификации помола, предотвращения сорбции влаги из воздуха и сохранности свойств цемента.

Физико-механические свойства цемента определяли согласно ГОСТ 310.2—76, ГОСТ 310.3—76, ГОСТ 310.4—81. Состав цемента оптимизировали при помощи методов математического планирования эксперимента в программной среде Statistica. Влияние добавок на структурообразование цемент-ного теста исследовали при помощи метода пластометрии.

Результаты исследований

Для оценки эффективности использования в составе ЛЦЕМ II полугидрата сульфата кальция в качестве добавки с эффектом замедления схватывания сформирован двухфакторный трехуровневый план эксперимента.

Нулевой уровень и уровни варьирования переменных факторов приведены в табл. 1.


Для сравнения свойств ЛЦЕМ II в качестве аналога (состав А) выбран портландцемент ЦЕМ I 42,5Б (ГОСТ 31108—2003), полученный путем совместного помола клинкера (100 %) и двуводного гипса (4 %).

При реализации плана эксперимента построены поверхности отклика изменения срока начала схватывания (Нсхв), прочности при сжатии на 2-е (Rсж2), 7-е (Rсж7) и 28-е сутки (Rсж28) (рис. 1). При расчетах в данном случае в уравнения регрессии для Нсхв, Rсж2, Rсж7 и Rсж28 подставлены кодированные значения факторов Х1 и Х2 (–1, 0 и 1).


Рис. 1. Поверхности отклика начала схватывания (а), прочности при сжатии на 2-е (б), 7-е (в) и 28-е сутки (г) ЛЦЕМ II в зависимости от состава

Анализ поверхности отклика срока начала схватывания в зависимости от переменных факторов (рис. 1, а) показывает, что его максимальное значение (45 мин) обеспечивается при содержании МС в пределах 1 % и полуводного гипса — в пределах 8 %. Увеличение содержания МС от 1 до 7 % и содержания полуводного гипса от 8 до 10 % приводит к сокращению срока начала схватывания с 45 до 8 мин. Кроме того, при содержании МС 7 % и полуводного гипса 8—12 % интервал времени между началом и концом схватывания составляет 5—6 мин, чем значительно усложняется использование цементов указанных составов.

Анализ поверхностей отклика прочности на сжатие в зависимости от переменных факторов показывает, что при увеличении содержания МС от 1 до 2,2—2,7 % и полуводного гипса от 8 до 8,7—9,2 % наблюдается рост прочности на сжатие: на 2-е сутки обеспечиваются значения — 32 МПа (рис. 1, б), на 7-е сутки — 39 МПа (рис. 1, в) и на 28-е сутки — 49 МПа (рис. 1, г).

Дальнейшее увеличение содержания МС до 7 % и полуводного гипса до 12 % сопровож­дается уменьшением прочности щелочного портландцемента на 2-е, 7-е и 28-е сутки в пределах 39—46 %. При этом проч­ность аналога (состав А) составляет на 2-е сутки — 22 МПа, на 7-е сутки — 30 МПа и на 28-е сутки — 45 МПа.

Прочность на сжатие ЛЦЕМ II оптимального состава (клинкер — 90 %, полуводный гипс — 8 %, МС — 2 %) больше прочности аналога (состав А) после 2 сут твердения на 45 %, после 7 суток — на 30 % и после 28 сут — на 6 %. Таким образом, разница между показателями прочности на сжатие ЛЦЕМ II и обычного портландцемента наиболее существенна на ранних сроках твердения.

Для определения эффективности влияния добавок на структурообразование ЛЦЕМ II исследовали изменение пластической проч­ности во времени в зависимости от природы основного действующего вещества добавок и содержания щелочного компонента.

При исследовании пластифицирующего эффекта действия добавок содержание воды в цементном тесте оставалось постоянным (таким, которое обеспечивает нормальную гус­тоту ЛЦЕМ II без добавок — 26 %). При этом изменяющаяся.консистенция цемент­ного теста характеризовалась показателем начальной пластической прочности. При исследовании сохранности консистенции цементного теста во времени поддерживали ее соответствие нормальной густоте за счет уменьшения расхода воды при введении добавки. Длительность сохранности консис­тенции теста оценивали по увеличению плас­тической прочности после индукционного периода.

Для определения эффективности влияния добавок на структурообразование ЛЦЕМ II исследовали изменение пластической проч­ности во времени в зависимости от природы основного действующего вещества добавок и содержания щелочного компонента.

Полученные результаты свидетельствуют, что наибольшее пластифицирующее воздействие оказывают добавки на основе сложных эфиров — наблюдается уменьшение начальной пластической прочности от 50 до 10 мПа для типа «ПК» и до 15 мПа для типа «ПА» (рис. 2).


Рис. 2. Изменение начальной пластической прочности теста ЛЦЕМ II в зависимости от природы основного действующего вещества добавки: 1 — без добавки (контрольный), 2 — лигносульфонат натрия, 3 — поликарбоксилат, 4 — полиакрилат, 5 — глюконат натрия, 6 — полиэтиленгликоль, 7 — оксиэтилированный жирный спирт, 8 — этиленгликоль, 9 — глицерин

Сохранность высокого пластифицирующего эффекта указанных веществ обусловлена постепенным растворением щелочного компонента (МС) в составе ЛЦЕМ II, которое предотвращает деструкцию молекул добавок в течение определенного времени, и соответствует возможности увеличения длительности индукционного периода до 1 ч (рис. 3, а).


Рис. 3. Изменение длительности индукционного периода при структурообразовании теста ЛЦЕМ II, модифицированного добавками на основе сложных полиэфиров (а), полиспиртами (б), лигносульфонатом натрия и глюконатом натрия (в), добавками на основе оксиэтилированного жирного спирта и простого эфира (г)

В отличие от сложных полиэфиров, добавки полиспиртов в тесте ЛЦЕМ II пластифицирующим эффектом не характеризуются (рис. 2). Индукционный период при их использовании в качестве добавок длится 30 мин с последующим ростом пластической прочности (рис. 3, б). Согласно этим данным, нецелесообразно модифицировать ЛЦЕМ II добавками полиспиртов, хотя в других случаях их использование эффективно, например в щелочном шлакопортландцементе (цемент вида ЛЦЕМ IV) и шлакощелочном цементе (цемент вида ЛЦЕМ I) при более высоком содержании щелочного компонента [16, 17].

Введение добавки типа «ЛСТ» (продукта взаимодействия гидроксида натрия с сульфоновыми кислотами) приводит к уменьшению начальной пластической прочности с 50 до 15 мПа (рис. 2), что коррелирует с результатами работы [18]. Длительность индукционного периода при использовании этой добавки составляет приблизительно 1 ч с последующим интенсивным ростом пластической проч­ности (рис. 3, в).

Пластифицирующий эффект действия добавки глюконата натрия (продукта взаимодействия гидроксида натрия с карбоновой кислотой) подтверждается уменьшением пластической прочности на 50 % (25 мПа), что свидетельствует о целесообразности ее использования в качестве пластификатора (рис. 2). При этом обеспечивается наибольшая длительность индукционного периода — 1,5 ч (рис. 3, в).

Определенное пластифицирующее воздействие оказывают и добавки на основе простого полиэфира (полиэтиленгликоля) и оксиэтилированного жирного спирта — начальная плас­тическая прочность цементного теста уменьшается на 30 и 10 % соответственно (рис. 2). Индукционный период структурообразования при использовании обоих типов добавок составляет 1 ч с последующим интенсивным рос­том пластической прочности (рис. 3, г).

Таким образом, пластифицирующий эффект действия добавок в тесте ЛЦЕМ II уменьшается в следующем порядке: сложные полиэфиры > лигносульфонат натрия > глюконат натрия > простые полиэфиры > окси-этилированные жирные спирты > полиспирты. Эффект действия добавок на сохранность консистенции цементного теста уменьшается в ряду: глюконат натрия > сложные полиэфиры > лигносульфонат натрия > оксиэтилированные жирные спирты > простые полиэфиры > полиспирты.

Полученные закономерности позволяют оценить перспективы использования модифицирующих добавок в анкерных ССС на основе щелочного портландцемента в части регулирования их рабочих и эксплуатационных свойств.

Заключение

Полученные экспериментальные результаты обусловливают целесообразность использования щелочного портландцемента при разработках ССС повышенной ранней прочности, например растворов для анкеровки. Управление структурообразованием щелочного портландцемента системы «порт­ландцементный клинкер—метасиликат натрия—полуводный гипс» с целью обеспечить необходимые рабочие (консистенция растворной смеси и ее сохраняемость) и экс­плуатационные свойства анкерных смесей достигается за счет использования добавок на основе солей, полученных при взаимодействии гидроксида натрия с карбоновыми и сульфоновыми кислотами, а также на основе сложных и простых полиэфиров.



ЛИТЕРАТУРА

1. гост 31357—2007. Смеси сухие строительные на цементном вяжущем. Общие технические условия.

2. ДБН В.2.6-22—2001. Улаштування покриттів із застосуванням сухих будівельних сумішей (Национальный стандарт Украины).

3. ДСТУ-П Б В.2.7-126:2011. Суміші будівельні сухі модифіковані. Загальні технічні умови (Национальный стандарт Украины).

4. EN 1504-6:2006. Products and systems for the protection and repair of concrete structure. Definitions, requirements, quality control and evaluation of conformity. Part 6. Anchoring of reinforcing steel bar.

5. Глуховский В.Д. Вяжущее. Авторское свидетельство № 448894, 1958. Бюллетень № 42 от 15/XI. 1974 г.

6. Глуховский В.Д. Грунтоцементы. Авторское свидетельство № 451659, 1958. Бюллетень № 44 от 30/XI. 1974 г.

7. ДСТУ Б В.2.7- 181 Цементи лужні. Технічні умови (Национальный стандарт Украины).

8. Щелочные и щелочно-щелочноземельные гидравлические вяжущие и бетоны / Под ред. В. Д. Глуховского  К.: Вища школа, 1979. - 232 с.

9. Krivenko P.V., Petropavlovskii O.N., Blazhis A.R. Super quick hardening alkali-activaed cements // First Intern. Conf. on Advances of Chemically-activated Materials (CAM’ 2010 - China), May 9-12, 2010, Jinan, Shandong, China.  P. 79—86.

10. Кривенко П.В., Гелевера А.Г., Петропавловский О.Н., Прий­ма А.В. Модифицированный быстротвердеющий шлакопорт­ландцемент // Строительное материаловедение — теория и практика. Материалы Всероссийской научно-прак­тической конференции. Сборник трудов. 2007. С. 126—131.

11. Шпынова Л.Г., Саницкий М.А., Шийко О.Я., Иванова О.С. Безгипсовый портландцемент с добавкой поташа для зимнего бетонирования // Бетон и железобетон. 1988. № 3. С. 21—23.

12. Шпынова Л.Г., Саницкий М.А., Шийко О.Я., Костюк П.Я. Эффективность применения рядового и безгипсового порт­ландцементов с добавками поташа при зимнем бетонировании // Строительство и архитектура. 1985.  № 10. С. 65—69.

13. Саницкий М.А., Соболь Х.С., Шевчук Г.Я., Лоскутов Ю.А. и др. Эффективные быстротвердеющие безгипсовые порт­ланд-цементы // Цемент. 1989.  №8. С. 16—17.

14. Гоц В.І., Рунова Р.Ф., Гавриш О.М., Руденко І.І., Ластівка О.В. Роль сульфату кальцію у формуванні властивостей лужного шлакопортландцементу // Науково-технічний збірник «Будівельні матеріали, вироби і санітарна техніка». Київ: НДІБМВ, 2013. Вип. 48. С. 20—25.

15. Гоц В.И, Рунова Р.Ф., Руденко И.И., Ластивка О.В. Щелочной шлакопортландцемент с содержанием гипса разных модификаций // Цемент и его применение. 2013. №5. С. 110—113.

16. Гоц В.І., Руденко І.І., Ластівка О.В. Вплив модифікуючих добавок на формування пластичної міцності лужних шлакопортландцементів // Int. Scientific Journal Acta Universitatis Pontica Euxinus, (Special number) /Сб. трудов IX Международ. конф. «Стратегия качества в промышленности и образовании». (31.05-07.06.2013, Варна, Болгария). В 3-х т. Днепропетровск; Варна, 2013. Т. 2.  С. 49—54.

17. Руденко І.І., Гергало А.О., Скорик В.В. Принципові можливості пластифікації шлаколужних бетонів добавками на основі багатоатомних спиртів // Вісник ОДАБА.  Одеса: «Зовнішрекламсервіс», 2010. Вип. 39, ч. 2. С. 198—205.

18. Кривенко П.В., Петропавловський О.М., Вознюк Г.В., Пушкарь В.І.  Ефективність шлаколужних цементів нового покоління при виготовленні бетонів // Збірник «Будівельні матеріали, вироби та санітарна техніка». К.: НДІБМВ, 2009. Вип. 1 (31). С. 24—30.



Автор: Р.Ф. Рунова, И.И. Руденко

Поделиться:  
Заказать этот номер журнала «Цемент и его применение» или подписаться с любого месяца можно по ссылке
Использование опубликованных на сайте новостных материалов допускается только с упоминанием источника (журнал «Цемент и его применение») и активной гиперссылкой на цитируемый материал.