CC BY
25УДК: 691.328.4: 666.972.124
С.И. Федоркин, д.т.н., проф., И.Б. Сироджа, д.т.н., проф., Э.А. Когай, асс.
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОСТРУКТУРЫ
ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ В МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ БЕТОНАХ НА КАРБОНАТНЫХ ЗАПОЛНИТЕЛЯХ, АРМИРОВАННЫХ БАЗАЛЬТОВЫМ ВОЛОКНОМ
Национальная академия природоохранного и курортного строительства, Симферополь
email: kogay_emil@mail.ru
Аннотация. Исследована микроструктура цементного камня с зернами карбонатного заполнителя в присутствии дисперсно-армирующих волокно. Методом рентгенофазового анализа установлены особенности фазового состава портландцементного камня с базальтовым волокном. Подтверждено благоприятное влияние дисперсного армирования вступающего во взаимодействие с продуктами гидратации цемента в разные сроки твердения цементного камня.
Ключевые слова: микроструктура цементного камня, базальтовое волокно, мелкозернистый карбонатный бетон, рентгеноструктурный анализ.
Abstract. The microstructure of cement to aggregate grains of carbonate in the presence of dispersion-fiber reinforcement. By X-ray analysis of the specific features of the phase composition of portland stone with basalt fibers. Confirmed a beneficial effect of particulate reinforcement react with cement hydration products in different periods of hardening cement paste.
Key Words: microstructure of cement paste, basalt fiber, fine-grained carbonate concrete, X-ray analysis.
Введение. Цементный камень и бетон являются весьма сложными объектами исследования. Трудности их изучения обусловлены тем, что они полиминеральны по составу, и кроме того, продукты гидратации цементов, составляющие основу цементного камня и бетона, тонкодисперсные. Глубокое изучение процессов твердения и структурообразования бетона позволяет раскрыть механизм твердения цементов и действия добавок, определить состав новообразований, выявить условия формирования прочности структуры бетона.
Сопротивление строительных конструкционных материалов разрушению определяется способностью их структуры препятствовать образованию и росту трещин. Обеспечение эффективной работы изделий при эксплуатации непосредственно связано с задачами создания и получения материалов не только с более высокой прочностью, но и с меньшей хрупкостью, то есть с высоким сопротивлением развитию и распространению трещин. Эти задачи определяют современные приоритеты строительного материаловедения.
В настоящее время можно говорить о новом этапе развития науки о бетоне - этапе управляемого структурообразования и получения материала с задаваемыми свойствами благодаря детальному изучению микроструктуры бетона.
Анализ публикаций. Из многочисленных достижений науки о бетонах наиболее значительными оказались те, которые углубили представления о процессах, происходящих на микроуровне и способствующих улучшению основных характеристик бетона, - прочности, деформативности и долговечности. Среди них - научное обоснование процессов гидратации цемента и формирования его структуры в присутствии дисперсно-армирующих волокон. Прочность контактной зоны и сцепления зерен заполнителя с цементным камнем играют исключительно важную роль в формировании структуры и свойств бетонов. Применение базальтового волокна позволяет модифицировать структуру цементного камня на микроуровне с целью придания бетону свойств, обеспечивающих высокую эксплуатационную надежность конструкции.
Высокая адгезия цементного вяжущего и заполнителя определяется многими факторами, которые в совокупности влияют на строение и свойства контактной зоны и величину сцепления. Относительная роль каждого фактора оценивается различными ученными по-разному.
По мнению И. Фаррана [4], между цементным камнем и заполнителем существуют три вида связи: а) механическое сцепление за счет неровностей поверхности заполнителя; б) ионная связь за счет прорастания решеток цементного камня и заполнителей; в) капиллярная связь, обусловленная наличием жидкой фазы на границе цементный камень-заполнитель. Если устранить механическое сцепление (путем полировки поверхности), то останется сцепление второго (ионная связь) и третьего (капиллярная связь) родов. Сцепление с известняком и кальцитом осуществляется, по мнению Фаррана, в результате взаимного структурного прорастания цементного камня и заполнителей, что было подтверждено структурным анализом контактной зоны. Петрографический анализ показал, что в случае применения карбонатных пород в зоне контакта образуется помимо обычных кристаллогидратов новообразования типа 3СаО, А1203, СаСО3, пН20.
Исследования В.Ф. Журавлена и Н.П. Штейера [3] показали, что величина сцепления между вяжущим и заполнителем обуславливается не только механическими факторами, но и физико-химическими процессами и образованием в контактной зоне кристаллогидратов.
В опытах А.К. Шрейбера, Г.И. Горчакова и Л.И. Абрамова [5] сцепление цементного раствора с камнем также возрастало с увеличением пористости камня. Прочность сцепления с известняком в 1,5-1,7 раза выше, чем с гранитом.
В.И. Буй пришел к заключению, что отсос воды заполнителями приводит к повышению адгезионных сил. Определенное влияние на сцепление заполнителей с цементным камнем оказывают также объемные изменения цементного теста при твердении. Усадочные деформации приводят к ослаблению сцепления камня с заполнителями, поэтому поглощение влаги из цементного теста сухими пористыми заполнителями в первый период времени является благоприятным фактором, так как снижает фактическое водоцементное отношение, а, следовательно, - усадочные деформации цементного камня.
Результаты опытов И.И. Егорова [2], Н.Г. Ковалева [1], И.Ф. Фильченкова [4], Р.Л. Майлян и других свидетельствует о том, что сцепление цементного камня с карбонатными заполнителями значительно лучше, чем с высокопрочными заполнителями из изверженных пород.
Цель и постановка задач. Целью настоящей статьи является изучение микроструктуры контактной зоны цементного камня с зернами карбонатного заполнителя и новообразований на поверхности базальтового волокна.
Методика исследований. Для реализации поставленных задач были изготовлены образцы с базальтовым волокном на трех карбонатных заполнителях (мраморовидный, нуммулитовый и известняк-ракушечник).
В качестве сырьевых материалов для проведения экспериментальных исследований нами использованы базальтовые волокна, основные характеристики которых приведены в табл.1. В качестве вяжущего применяли портландцемент ПЦ1 - 500 - Н г. Балаклея, Харьковская область, в качестве мелкого заполнителя: мраморовидный известняк ОАО карьер «Мраморный» с. Мраморное. Максимальная крупность зерен карбонатного заполнителя не превышала 5мм. Из полученного фиброраствора способом виброформования изготавливали образцы-балочки размером 4*4*16 см.
Таблица 1
Физико-механические свойства волокон
Наименование волокна Диаметр волокна, мкм Длина волокна, мм Замасливатель Влажность, %
Базальтовое волокно 18 24 Т10 1
18 12 Т10 1
18 12 Не промасленная 1
Структуру исследуемых систем изучали с помощью электронной сканирующей микроскопии на микроскопе РЕМ-106, SELMI.
Рентгеноструктурный анализ выполнен на дифрактометре ДРОН - 2,0.
Результаты и их анализ. Исследования, проведенные с помощью электронного микроскопа РЕМ - 106, SELMI при 2000-кратном увеличении, показали, что область контакта между фиброй и матрицей при разных заполнителях характеризуется плотным соприкосновением поверхностей и отсутствием трещин и зазоров (рис. 1).
Рис.1. Микрофотографии поверхности скола цементного камня на известняках-ракушечниках с базальтовым волокном, *2000
На поверхности самих волокон наблюдаются новообразования, представляющие собой кристаллы портландцемента (рис. 2), а частицы известнякового наполнителя сцементированы кристаллическим кальцитом СаСО3. В контактной зоне наполнителя с цементным камнем и волокном, видно, что цементный камень заполняет неровности поверхности зерна известняка-ракушечника, и, тем самым, увеличивает сцепление между составляющими.
Рис. 2. Микрофотографии контактной зоны цементного камня известняка-ракушечника и базальтового волокна: а - х5 000; б - х10 000
На микрофотографии поверхности скола цементного камня с мраморовидным наполнителем и базальтовым волокном (рис. 3) просматривается плотное взаимное прорастание кристаллов зерен заполнителя и новообразований на поверхности базальтового волокна, что обеспечивает прочный контакт между ними.
Рис. 3. Микрофотография поверхности скола цементного камня на мраморовидном заполнителе с базальтовым волокном, *1000
Плотно расположенные кристаллические отложения на базальтовом волокне имеют пентагондодекаэдровую форму (рис. 4). Данный
кристаллический сросток цементного камня возник за счет микроскопических кристаллических сростков, которые или объединяются в единый кристаллический сросток, или остаются в структуре цементного камня в виде микроскопических включений, разобщенных тоберморитовым гелем. В тоберморитовом геле дисперсной фазой являются субмикрокристаллы гидросиликатов кальция, образующиеся при гидратации силикатных фаз портландцементного клинкера.
Рис.4. Микрофотографии поверхности базальтового волокна, х2000:
а - кристаллические отложения на базальтовом волокне; б - пентагондодекаэдровая форма кристаллов
Идентификацию новообразований, возникающих в цементном камне с базальтовым волокном, проводили с помощью рентгенофазового анализа. Исследованию подвергались образцы портландцементного камня без добавки волокон и с базальтовым волокном в возрасте 1 и 28 сут. твердения. Рентгенограммы представлены на рис. 6 и 7.
а)
б)
Рис. 6. Рентгенограмма продуктов гидратации портландцементного камня в возрасте 1 сут: а - без дисперсных волокон; б - с базальтовым волокном
Рентгенофазовый анализ показал, что фазовый состав опытных образцов представлен в основном как негидратированными минералами портландцемента СзS ^ = 1,765), C2S ^ = 2,883), C4AF ^ = 2,053), CзA ^ = 2,702), так и гидратными минералами цементного камня (портландит Ca(OH)2, эттрингит CaO Al2O3 3CaSO4 3Ш^, двухкальциевый гидросиликат Ca2SiO4 nH2O и др.).
Рентгенограммы цементного камня с базальтовыми волокнами отличаются от рентгенограмм образцов цементного камня меньшей интенсивностью дифракционных максимумов портландцемента и более интенсивными дифракционными максимума ПЦ минералами алита с белитом (С^ + C2S). В среднем интенсивность пиков Са(ОН)2 портландцементного камня с базальтовым волокном по сравнению с цементным камнем без базальтовых волокон снижается в 1,2 раза, а интенсивность пиков С3S+C2S возрастает в 1,5 раза, что свидетельствует о влиянии добавки базальтовых волокон на замедление процессов гидратации портландцемента.
а)
б)
Рис. 7. Рентгенограмма продуктов гидратации портландцементного камня в возрасте 28 сут: а - без дисперсных волокон; б - с базальтовым волокном
Выводы.
1. Исследования поверхности базальтового волокна с помощью электронной микроскопии, показал отсутствие или частичную деградацию волокон работающих в агрессивной среде портландцемента. Установлено, что за счет частичного разрушения волокна с образованием раковин на её поверхности, прочность сцепления камня и волокна увеличивается.
2. Методом рентгенофазового анализа установлены особенности фазового состава портландцементного камня с базальтовым волокном. Установлено, что материал дисперсных волокон вступает во взаимодействие с продуктами гидратации цемента так, что базальтовое волокно, как на 1, так и на 28 сут поглощает портландит. В среднем интенсивность пиков Са(ОН)2 портландцементного камня с базальтовым волокном относительно состава без базальтового волокна снизилась в 1,2 раза, а интенсивность пиков C3S+C2S возросла в 1,5 раза, что свидетельствует о влиянии добавки базальтовых волокон на замедление процессов гидратации портландцементных минералов.
Литература
1. Маилян Р.Л. Бетон на карбонатных заполнителях / Маилян Р.Л. - Ростов.: Изд-во ростов. ун-та, 1967. - 272 с.
2. Егоров И.И. О сцеплении цементного камня с поверхностью щебня и гравия / Егоров И.И. // Вестник Военно-инженерной академии им. Куйбышева.- М.: ВИА им. Куйбышева. - 1952. - вып. 65.
3. Журавлев В.Ф. Сцепление цементного камня с разными материалами / В.Ф. Журавлев, Н.П. Штейнер // Цемент. - 1952. - № 5. - С.17 - 19 .
4. Farrain I. Contribution miniralogigue a I'etiude de L'ahdherence entre les constituants hydrates des ciments et les materiaux enrobes / Farrain I. // Revue des materiaux de construction et travaux publics. - 1956. - № 490. - Р. 491 - 492.
Шрейберг А.К. Влияние породы и состояния камня на его сцепление с бетоном / Шрейберг А.К., Горчаков Г.И., Абрамов Л.И. // Изв. ВНИИГ. - Л.-М.: ВНИИГ. - 1962. - т. 71.
