Применение добавки вспученного перлита для модификации свойств цементных композитов

РЕФЕРАТ. В статье рассмотрен опыт применения вспученного перлита в составах цементных композитов, степень его влияния на свойства бетонной смеси и затвердевшего бетона при введении его в эту смесь различными способами и в разных пропорциях. Сформулирована гипотеза о возможности применения мелкой фракции вспученного перлита в качестве агента внутреннего ухода в цементных системах с целью снизить усадку при твердении составов в условиях пониженной влажности среды. Получены экспериментальные зависимости усадки и проч­ности на сжатие и при изгибе от количества перлита в смеси, коэффициенты трещиностойкости, а также определено оптимальное содержание (в процентах массы сухой смеси) перлитового песка марки М‑75 группы ВПМ при введении его в качестве добавки.

Ключевые слова: легкий заполнитель, перлит, внутренний уход, усадка.

Keywords: lightweight aggregate, perlite, internal cure, shrinkage.

Введение

Вспученные перлитовые щебень и песок широко применяются при производстве строи­тельных материалов и изделий уже более полувека по всему миру [1]. Как правило, они используются для изготовления теп­ло- и звуко­изоляционных конструкций. При этом введение вспученного перлита в состав строительных растворов и бетонов сопряжено с определенными трудностями из-за высокого водопоглощения перлитовых зерен, поэтому возникает необходимость их дополнительной обработки, позволяющей снизить данный показатель [2].

В рамках настоящего исследования высокое водопоглощение вспученного перлита, напротив, является преимуществом, обусловливающим возможность модифицировать цемент­ные системы. Рабочая гипотеза заключается в том, что вспученный перлитовый песок в составе цементных композитов обеспечивает «внутренний уход», способствующий снижению усадки, особенно в условиях пониженной влажности окружающей среды на ранних сроках твердения. За счет высокой сорбционной способности мелкая фракция перлита впитывает часть воды затворения при перемешивании смеси, а затем в ходе формирования гидратов эта дополнительная вода будет перемещаться из относительно крупных пор легкого заполнителя в значительно меньшие поры цементного камня, способствуя гид­ратации и препятствуя развитию влажностной усадки.

Краткий обзор некоторых исследований влияния перлита на свойства бетона и бетонных смесей при различных концентрациях, способах введения и фракционном составе легкого заполнителя представлен в табл. 1. В работах [3—5] в бетонную смесь перлит вводили взамен части песка, занимающей такой же объем, при этом в исследовании [5] перлит был предварительно насыщен водой. В работе [6] перлитом замещали часть всех заполнителей, имеющую такой же совокупный объем. В исследовании [7] вводили перлитовый песок в качестве добавки сверх 100 % массы всей сухой смеси, а в работе [8] перлитом заменяли равную по массе часть песка.

Анализируя опыт применения вспученного перлита в составах цементных композитов, можно сделать вывод о том, что этот вид заполнителя способствует снижению прочности на сжатие и усадки, повышению пористости и водопоглощения бетона. По­движность бетонной или растворной смеси в значительной степени зависит от способа введения легкого заполнителя, его содержания и размера частиц.

Установлено [9], что при введении в бетон тонкодисперсных фракций перлита (предельная крупность зерна 1,2 мм — ​до 50 % об., 5 мм — ​до 25 % об.) и пропаривании образцов их прочность при изгибе повышается в 1,5 раза, при сжатии — ​в 3 раза. При выдерживании образцов в условиях естественного твердения эффект значительно меньше.

Методы

Чтобы определить степень влияния добавки перлита на характеристики материа­лов на основе цемента, были изготовлены образцы из мелкозернистого бетона с постоянным водоцементным отноше­нием 0,45. Вяжущее — ​порт­ландцемент ЦЕМ I 42,5Н (производитель — ​АО «Евроцемент груп», ныне ЦЕМРОС), мелкий заполнитель — ​кварцевый песок, фракция 0—2,5 мм (производитель — ​компания «Ремикс СПб»), вода затворения — ​водопроводная вода, соответствующая требованиям ГОСТ 23732—2011.

С учетом того, что для вспученного перлита характерно высокое водопоглощение в первые 15 мин (80—90 % водопоглощения, происходящего за 24 ч) [9], которое возрастает с уменьшением крупности гранул и объемной насыпной массы [10, 11], в рамках настоящего исследования применяли перлитовый песок марки М‑75 группы ВПМ (фракция 0,16—1,25 мм). Перлит вводили, добавляя его (при сохранении соотношения масс цемента и песка) в количестве 0,75, 1,5, 2,0, 2,5, 3,0 и 3,5 % массы сухой смеси без предварительного водонасыщения.

С ростом содержания перлита подвижность растворной смеси существенно снижалась (рис. 1). При добавлении 2,0 % перлитового песка была получена жесткая смесь (рис. 1, в). Без введения дополнительного количества воды или применения пластификаторов данная смесь не соответствует требованиям по удобоукладываемости.

Для сохранения равноподвижности смесей в составы с 2,0, 2,5, 3,0 и 3,5 % перлитового песка вводили пластификатор Vinavil Flux‑3 в количестве 0,2 % массы цемента.

После укладки и уплотнения бетонной смеси в формы для изготовления балочек размерами 4 × 4 × 16 см в образцы были помещены датчики линейных перемещений для измерения усадочных деформаций при помощи измерительного комплекса ТЕРЕМ‑4. Далее формы хранились в течение 14 сут в среде с низкой влажностью. Образцы испытывали на прочность при сжатии и при изгибе в возрасте 28 сут.

Результаты и обсуждение

Зависимости усадки от возраста образцов приведены на рис. 2. Так как испытания проводили в условиях изменяющейся влажности, усадочные деформации образцов с перлитом сравнивали с деформациями образцов контрольного состава (без перлита), твердевших в аналогичной среде.

Рис. 2. Развитие усадки контрольных образцов и образцов с различным содержанием перлита

Резкое снижение влажности среды на 10—15 % приводит к изменению угла наклона кривых (увеличению усадки) (рис. 2, а и б). При этом образцы с содержанием перлитового песка 1,5—2,0 % в меньшей степени подвержены данному эффекту и демонстрируют наилучший результат относительно соответствующих контрольных образцов. Добавление более 3,0 % масс. перлита (рис. 2, в) нецелесообразно применительно к снижению усадки.

На рис. 3 и 4 приведены результаты испытаний образцов на проч­ность на сжатие и при изгибе.

Рис. 3. Результаты испытания образцов на прочность на сжатие

Рис. 4. Результаты испытания образцов на прочность при изгибе

При введении перлита прочность на сжатие несколько снижается, наименьшее ее значение — ​у образца с 3,0 % перлита (на 10 % ниже, чем у контрольного). У образца оптимального состава с 2,0 % перлита прочность приблизительно на 2,5 % ниже, чем у контрольного, что при необходимости можно нивелировать путем корректировки состава или применения цемента с бóльшим показателем активности.

Прочность при изгибе для образцов всех составов, содержащих перлит, выше проч­ности контрольного образца. Данный эффект можно объяснить тем, что у вспученного перлитового песка довольно высока реакционная способность в щелочной среде цемент­ного камня, и в результате взаимодействия с Ca(OH)₂ он теряет свое первоначальное зернистое строение и превращается в сплошную гелеобразную массу, которая может быть цементирующим агентом в бетоне. В пользу такой гипотезы свидетельствует повышение коэффициента трещиностойкости (табл. 2) до 40,5 % при концентрации перлита 2 %, что свидетельствует о формировании более равномерной, бездефектной структуры цементных композитов.

Заключение

Вспученный перлит в качестве агента внут­реннего ухода позволяет снизить усадочные деформации при твердении цемент­ных систем в условиях низкой влажности. Оптимальное содержание перлитового песка марки М‑75 группы ВПМ — ​1,5—2,0 % массы сухой смеси. При таком содержании наблюдаются снижение усадки и минимальное снижение прочности на сжатие, растут прочность при изгибе и коэффициент трещиностойкости относительно показателей для контрольного состава. Это может быть связано с тем, что высокая водопоглощающая способность перлита способствует оттягиванию части воды из бетонной смеси, в результате чего «реаль­ное» соотношение В/Ц на начальных этапах твердения снижается, что способствует формированию более равномерной структуры бетона с меньшим количеством капиллярных пор. В дальнейшем влага из дополнительных резервуаров вытягивается в более мелкие поры цементного камня, способствуя процессам гидратации, что имеет особое значение для композитов, твердеющих в условиях пониженной влажности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Алексеева Л.B., Нациевский С.Ю. Опыт применения вспученного перлита в строительстве // Строительные материалы и изделия. 2013. № 5—6 (82—83). С. 62—64.

2. Нациевский С.Ю., Алексеева Л.В. Производство сухих строительных смесей с применением вспученного перлита // Сухие строительные смеси. 2012. № 6. С. 26—27.

3. Türkmen I., Kantarcı A. Effects of expanded perlite aggregate and different curing conditions on the physical and mechanical properties of self-compacting concrete // Building and Environment. 2007. Vol. 42. P. 2378—2383.

4. Polat R., Demirboga R., Khushefati W.H. Effects of nano and micro size of CaO and MgO, nano-clay and expanded perlite aggregate on the autogenous shrinkage of mortar // Construction and Building Materials. 2015. Vol. 81. P. 268—275.

5. Keskin S.B., Sulaiman K., Sahmaran M., Yaman I.O. Effect of presoaked expanded perlite aggregate on the dimensional stability and mechanical properties of engineering cementitious composites // J. of Materials in Civil Eng. 2013. Vol. 25, N 6. P. 763—771.

6. Oktay H., Yumruts R., Akpolat A. Mechanical and thermophysical properties of lightweigh aggregate concretes // Construction and Building Materials. 2015. Vol. 96. P. 217—225.

7. Lanzón M., García-Ruiz P.A. Lightweight cement mortars: Advantages and inconveniences of expanded perlite and its influence on fresh and hardened state and durability // Construction and Building Materials. 2008. Vol. 22. P. 1798—1806.

8. Sinsiri T., Sriwattanapong M., Pantawee S., Chindaprasirt P. A study of lightweight concrete admixed with perlite // Suranaree J. of Sci. and Techn. 2013. Vol. 20, N 3. P. 227—234.

9. Седакова М.Т. Применение перлитобетона в жилищном строительстве. М.: Стройиздат, 1971. 118 с.

10. Полинковская А.И., Сергеев Н.И., Чернова О.А. Вспученный перлит — ​запoлнитель легких бетoнoв. М.: Стройиздат, 1971. 105 с.

11. Крупа А.А. Физико-химические основы получения пористых материалов из вулканических стекол. Киев: Вища школа, 1978. 136 с.