Исследование свойств цементных композитов на активированной воде затворения

¹Ерофеев В.Т., ²Фомичев В.Т., ¹Емельянов Д.В., ¹Балатханова Э.М., ¹Родин А.И., ³Еремин А.В., ⁴Матвиевский А.А., ¹Фомин Н.Е., ¹Юдин В.А., ¹Кяшкин В.М.

¹ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва», Саранск, e-mail: AL_Rodin@mail.ru;
²ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет», Волгоград;
³ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет»,Москва, e-mail: aleks.eremin@gmail.com;
⁴ОАО «МАКСМИР», Москва, e-mail: maxmir@maxmir.ru

В работе приведены результаты экспериментальных исследований свойств цементных композитов на активированной воде затворения. Методом рентгенофазового анализа установлены особенности фазовых превращений в твердеющих композитах, а также их зависимость от режимов активации воды затворения и длительности твердения. Установлено, что применение в цементных композитах воды затворения, обработанной электрическим током и магнитным полем, позволяет интенсифицировать процессы растворения и гидратации цемента, увеличить содержание гидросиликатов кальция и, как следствие, повысить прочность цементных композитов. Проведены экспериментальные исследования по установлению влияния мелкого и крупного заполнителя на формирование прочности цементных композитов на активированной воде затворения. Из результатов исследования следует, что для всех материалов: цементного камня, раствора и бетона ? характерно повышение прочности в случае применения активированной воды затворения. При использовании в строительных композитах в качестве вяжущего портландцемента, произведенного в Чеченской Республике, рекомендуется использовать при затворении воду, обработанную электрическим током и магнитным полем по режиму Э + М (6-6) – j_max = 43,55 А/м², Н_max = 135 кА/м.

Ключевые слова: цементные композиты, активированная вода затворения, прочность, рентгенофазовый анализ, физико-механические свойства

Цементные композиционные материалы представляют собой неоднородное капиллярно-пористое тело, структура и свойства которых определяются водоцементным отношением, объемной концентрацией наполнителя и цемента, их зернового состава и т.д. [1]. Регулирование процесса структурообразования цементных композитов наряду с подбором оптимальных структурных показателей возможно также за счет применения различных технологических приемов, одним из которых является активизация твердения вяжущих. Это широко распространенный технологический прием, используемый в строительной индустрии для достижения максимальной эффективности при производстве железобетонных конструкций. Научной основой теории активизации служат современные представления о процессах твердения минеральных вяжущих, исследования закономерностей и механизма образования и развития пространственных структур с учетом комплекса превращений цементного камня, воды затворения, раствора и бетона. Активация вяжущих веществ может начинаться с момента их производства и продолжаться в течение всего периода твердения материалов [8, 10], т.е. последствие активационной обработки ощущается в композиционных материалах в течение длительного времени их службы благодаря явлениям структурной наследственности и сохранения определенной направленности гидратационного процесса, заданного на первоначальных этапах преобразования вяжущего в пластичной цементной дисперсии [3, 7]. Присутствие в жидкой фазе цементного теста различных ионов и молекул, поступающих в систему в результате различных воздействий (введение добавок, обработка воды магнитным и другими полями и т.д.), определенным образом влияет не только на структуру воды затворения, но и на процессы адсорбции, растворения и поверхностной гидратации, а в итоге - и на свойства самого цементного композита [1].

Улучшение структурных показателей, физико-механических свойств и долговечности бетонов и других цементных материалов достигается за счет применения активированной воды затворения. Для получения активированной воды используются механические, термические, магнитные, электромагнитные, электрохимические, лазерные, ультразвуковые, плазменные, разрядно-импульсные и другие методы активации [1, 2, 6]. Одним из перспективных направлений активации воды является её совместная последовательная обработка магнитным полем и электрическим током [1, 4, 5].

Ниже приведены результаты экспери ментальных исследований по установлению влияния режимов активации воды затворения, а также мелкого и крупного заполнителя на формирование структуры и прочности цементных композитов. Для этого были изготовлены образцы из цементного теста, строительного раствора и бетонной смеси. В качестве вяжущего использовали цемент производства Чеченского цементного завода, мелкого заполнителя – кварцевый песок с М_кр = 2, крупного заполнителя – гранитный щебень фракции 5–10 мм. Вода затворения применялась питьевая активированная и неактивированная. Для получения воды, обработанной электромагнитным полем, применялась установка магнитной противонакипной обработки воды УПОВС-1 «Максмир», а электроактивированную воду получали с помощью аппарата электроактивации воды АЭ-1,0/6 «Максмир». Вода активировалась по режимам: Э + М (1-1), Э + М (3-3) и Э + М (6-6). Э + М (1-1) – природная вода, обработанная аппаратом электрохимической активации с максимальной плотностью переменной тока j_max = 5,65 А/м2, затем магнитным аппаратом с максимальной напряженностью переменного электромагнитного поля
Н_max = 24 кА/м; Э + М (3-3) – j_max = 22,58 А/м²;
Н_max = 75 кА/м; Э + М (6-6) – j_max = 43,55 А/м², Н_max = 135 кА/м.

Согласно [1] количество мелкого заполнителя в составах раствора было выбрано из соотношения 1:3, а состав бетона был принят из соотношения 1:1,053:1,789 (цемент : кварцевый песок : гранитный щебень). В каждом случае приготавливались равноподвижные составы.

На первом этапе проведены исследования процессов структурообразования цементных композитов на активированной воде затворения. С целью установления структурных изменений, происходящих в цементных композитах на основе активированной воды затворения, нами были проведены рентгеноструктурные исследования, заключающиеся в их анализе. Регистрация дифрактограмм осуществлялась на дифрактометре ARL X’tra (Швейцария), который представляет собой полноразмерный порошковый дифрактометр q–q геометрии с радиусом гониометра 260 мм и источником – узкофокусной трубкой мощностью 2200 Вт (Cu аноды). В приборе использован энергодисперсионный твердотельный детектор с охладителем Пельтье, позволяющий исключить пассивные элементы (бета-фильтры/монохроматоры) из оптической схемы прибора за счет программного отделения Kb и флуоресцентного излучения. Инструментальное разрешение прибора составляет 0,04° 2q при сохранении высокого соотношения «сигнал/шум».

Образцы цементного камня были измолоты в агатовой ступке агатовым пестиком с ацетоном. Далее пробы были просеяны через сито с апертурой 90 мкм, далее остаток на сите вновь мололся до тех пор, пока все пробы не были просеяны через сито. Истертые пробы помещались в круглые держатели с верхней загрузкой внутренним диаметром 25,65 мм и глубиной 1,9 мм, изготовленные из специальной стали.

Регистрация дифрактограмм осуществлялась на CuKα₁₊₂ излучении в интервале углов 2Θ = 4–80° в пошаговом режиме и временем экспозиции 1 секунда в каждой точке. Во время съемки образец вращался со скоростью 60 оборотов/минуту.

Для качественного фазового анализа использовали базу данных ICDD PDF-2. Анализ проводили по межплоскостным расстояниям в ручном режиме по методу Ханавальта и в полуавтоматическом режиме с использованием программного обеспечения Oxford Crystallographica Search Match.

Количественный рентгенофазовый анализ по методу Ритвельда проводили с использованием программного обеспечения Siroquant 3 Sietronics Pty Ltd. Для всех фаз уточнялись параметры: шкальный фактор, смещение нуля счетчика прибора, параметры фона (полиномом Чебышева 5-й степени), параметры элементарной ячейки. Также в уточнении для основных фаз (концентрация > 20 % по массе) варьировали профильные параметры - использовалась профильная функция Pearson VII (U, V, W по зависимости Кальотти); текстура анализировалась по одноосной модели Марча - Долласа.

Снятие рентгенограмм производилось через 10, 28 и 56 суток твердения. Результаты рентгенофазового анализа процессов гидратации цемента Чеченского производства, затворенного водой, обработанной электрическим током и магнитным полем, в различные сроки твердения представлены на рисунке и в табл. 1 соответственно.

В ходе качественного анализа дифрактограмм, представленных на рисунке, было установлено, что в составах изученных образцов цементного камня, как на основе активированной, так и на неактивированной воде в период от 10 до 56 суток идентифицированы следующие минералы:

• С₃S (3CaO·SiO₂) с d = […; 3,022; ...; 2,776; 2,730; …; 2,602; …; 2,185; …; 1,771; 1,752; …; 1,632; …];
• C₂S-β (2CaO·SiO₂) с d = […; 2,878; …; 2,785; 2,748; …; 2,609; …; 2,189; ...];
• С₃А (3CaO·Al₂O₃) с d = […; 2,700; …; 2,204; …; 1,908; …; 1,558; …; 1,349; ...];
• С₄AF (4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃) с d = [7,240; …; 2,770; 2,670; 2,630; …; 2,040; …; 1,920; …];
• C₃AS₃H₃₂(3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O) с d = [9,730; …; 5,610; …; 3,880; …; 3,480; …, 2,773; …];
• CH (Ca(OH)₂) с d = [4,930; 3,110; 2,630; 1,930; 1,790; 1,690; …];
• C–S–H (I) (CaO·SiO₂·H₂O) с d = […; 3,070; 2,800; …; 1,830; …];
• CaCO₃ c d = […; 3,029; …; 1,912; …; 1,869; …] .

Дифрактограммы цементного камня на чеченском цементе в различные сроки твердения: 1 – 10 суток; 2 – 28 суток; 3 – 56 суток: а – обычная вода; б – вода, обработанная электрическим током и магнитным полем по режиму Э + М (1-1); в – вода, обработанная электрическим
током и магнитным полем по режиму Э + М (3-3); г – вода, обработанная электрическим током и магнитным полем по режиму Э + М (6-6)

Результаты количественного рентгенофазового анализа

Посмотреть полный текст статьи