CC BY
22Чернышева Н. В., канд. техн. наук, доц., Агеева М. С., канд. техн. наук, доц., Эльян Исса Жамал Исса, аспирант, Дребезгова М. Ю., аспирант Белгородский государственный технологический университет им. В. Г Шухова
ВЛИЯНИЕ МИНЕРАЛЬНЫХ ДОБАВОК РАЗЛИЧНОГО ГЕНЕЗИСА НА МИКРОСТРУКТУРУ ГИПСОЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ
ageevams@yandex.ru
В настоящее время большой интерес представляют материалы на основе композиционных гипсовых вяжущих. При этом особое внимание уделяется модификации таких вяжущих тонкодисперсными наполнителями.
В работе были исследованы свойства композиционных гипсовых вяжущих в зависимости от вида вводимой активной минеральной добавки, полученной из характерных сырьевых материалов стран Ближнего Востока. Установлено, что наибольшими прочностными характеристиками обладают вяжущие с использованием бетонного лома по сравнении с составами на кварцевом песке и цеолитовом туфе.
Ключевые слова: композиционные гипсовые вяжущие, бетонный лом, цеолитовый туф, активная минеральная добавка_
В настоящее время большой интерес представляют материалы на основе композиционных гипсовых вяжущих с тонкодисперсными наполнителями в сочетании их с другими добавками. В связи с этим первостепенное внимание уделяется факторам, связанным с тонкодисперсным состоянием вещества на всех этапах жизненного цикла композита.
Большинство композиционных гипсовых вяжущих (КГВ) и изделий на их основе получают из смеси, состоящей из гипсового вяжущего (ГВ), портландцемента, активной минеральной добавки и воды, способной быстро схватываться и затвердевать.
Структура получаемого камневидного тела формируется в результате гидратации гипсового вяжущего и портландцемента. До настоящего времени процесс гидратации гипсосодержащих вяжущих является предметом многих исследований [1-4], информация по этому вопросу очень противоречива. Так, при введении минеральных добавок различного генезиса большое значение имеет их дисперсность и знак заряда.
Известно [5], что наполнитель, имеющий высокую удельную поверхность, вследствие «ассиметрии строения поверхности дисперсной частицы образует слой адсорбированной воды, структурированной и поляризованной, с повышенной плотностью и пониженной диэлектрической проницаемостью». В таком слое будет происходить интенсивная кристаллизация растворенного вещества. При этом предполагается, что поляризация молекул воды приводит к упорядочиванию структуры кристаллогидратных новообразований с последующим повышением физико-механических свойств вяжущих матриц.
Исходя из современных представлений ме-
ханизма твердения гипсоцементно-
кремнеземистых систем, для обеспечения их долговечности необходимо соблюдать следующие условия:
- обеспечение связывания большей части алюминатов с гипсом с образованием эттринги-та в начальный период твердения системы с одновременным повышением степени гидратации портландцемента, например, механохимической активацией ;
- поддержание концентрации гидроксида кальция на требуемом уровне в процессе твердения для обеспечения условий образования различных гидратных новообразований, в том числе низкоосновных гидроалюминатов кальция.
Количество кремнеземистых добавок (КД) должно соотноситься с количеством портландцемента и его минеральным составом, а связывание гидроксида кальция кремнеземом добавок должно происходить как в первоначальный период структурообразования, так и при длительном твердении. Целесообразно использовать тонкодисперсные наполнители с отрицательным зарядом поверхности.
Большой интерес как объект исследований и утилизации техногенного сырья представляет использование переработанного бетонного лома в качестве минеральной добавки в составе композиционного гипсового вяжущего. В ранее проведенных исследованиях [6] установлена целесообразность использования бетонного лома для получения наполнителя цементных систем.
Отмечается, что его вяжущая часть состоит из гидросиликатов кальция группы С2БН2 по номенклатуре Богга, гидроксида кальция и
остатков непрогидратированных клинкерных минералов, в основном белита. Этот материал обладает заметными вторичными вяжущими свойствами. При этом, чем «моложе» бетон, из которого получен бетонный лом, тем сильнее выражены его вторичные вяжущие свойства.
В данной работе в качестве минеральной добавки в составе композиционного гипсового вяжущего использовали сырьевые материалы стран Ближнего Востока (бетонный лом, кварцевый песок, цеолитный туф) .
Для активации процессов гидратации композиционного гипсового вяжущего в лабораторной шаровой мельнице осуществляли помол минеральных добавок до удельной поверхности
Таблица 1
Состав и свойства композиционных гипсовых вяжущих с минеральными добавками бетонного
лома, туфа, кварцевого песка
500 м /кг, с последующим перемешиванием с портландцементом и гипсовым вяжущим, совмещенным с кратковременным помолом.
Введение минеральных добавок в гипсоце-ментные композиции позволяет влиять на этапы твердения и способствовать изменению конечных свойств материала.
Методами ДТА, РФА и электронной микроскопии изучали фазовый состав и структуру гипсоцементной матрицы с различными минеральными добавками (состав вяжущего, % по массе: гипсовое вяжущее - 60, портландцемент -20, минеральная добавка - 20) в возрасте 2 час., 14 и 28 суток.
№ п\п Состав КГВ, % по массе В/В Расплыв, мм R^, МПа
Г Ц Туф Бетон ный лом Молот. песок
2часа 7суток 28суток
1 60 20 - 20 - 0,45 110 4.42 18.61 28.1
2 60 20 20 - - 0,45 185 3.62 11.81 21,3
3 60 20 - - 20 0,45 120 3,94 14,21 24,8
Для исследования микроструктуры был использован растровый электронный микроскоп Tescan MIRA 3, с проведением одновременно рентгеновского микроанализа (рис. 4), что позволяет существенно повысить информативность полученных результатов. Анализ микроструктуры показал, что на ранней стадии гидратации (через 2 часа) в композициях с бетонным ломом образуются новообразования толщиной в 1-2 мкм, которые, судя по данным микроанализа и характерной морфологии, можно отнести к кристаллам гипса и C-S-H-гелю (рис. 1), в основном имеющему переменный состав и аморфную природу. В его структуре выявлены также слабо закристаллизованные области, обозначаемые как C-S-H(I) и C-S-H(II).
В композициях с туфом образуется рыхлая, пористая структура с крупными кристаллами двуводного гипса (рис. 2), в композициях КГВ с кварцевым песком - наблюдается структура материала, аналогичная композициям с туфом. Несколько позднее, через 7 суток наблюдаются сросшиеся кристаллы гипса, находящиеся в стадии геометрического отбора растущих кристаллов.
В порах всех образцов обнаружено скопление игольчатых кристаллов, которые вырастают из матрицы C-S-H-геля, и, пронизывая поры, увеличивают число контактов, гидросиликаты кальция приобретают морфологию дендритопо-добных образований, создающих уплотненную
оболочку вокруг частиц гипса (рис. 2,3-б). За счет гидросиликатов такой морфологии гипсо-цементный камень приобретает прочность. Однако, в композициях с бетонным ломом имеющиеся поры практически полностью зарастают мелкими кристаллами гидросиликатов кальция, выполняющими армирующую функцию, по сравнению с образцами двух других составов.
К 28 суткам оболочка гидросиликатов становится достаточно толстой, частицы объединяются в непрерывную структуру, с упрочненными связями между кристаллами гипса. Результаты испытаний на прочность затвердевших образцов (табл. 1) доказывают положительное влияние тонкодисперсных продуктов дробления бетона в составе КГВ.
Также был проведен микроанализ образцов тех же составов на растровом электронном микроскопе (рис. 4). Анализ такого рода осуществлялся с помощью энергодисперсионного анализатора путем измерения энергии (или длины волны) и интенсивности рентгеновского излучения, генерируемого при бомбардировке образца сфокусированным электронным пучком. Квант рентгеновского излучения, попадая на детектор, преобразуется в электрический импульс и величина этого импульса строго фиксирована. В детектор попадает лишь малая часть квантов, но они отражают весь энергетический спектр. Образцы были напылены тонким слоем проводящего материала для того, чтобы обеспечить хо-
рошую электропроводность и заземление. При выполнении микроанализа образцов в качестве материала покрытия (напыления) использовался углерод. Сделанные выше выводы подтверждаются результатами микроанализа Спектры 1, 7,
13 характеризуют состав в конкретной точке микрозондиро-вания, тогда как спектры 2, 9, 14 показывают усредненный состав химических элементов в образцах (табл. 2).
г >
■ ЧА
» * ? << ' ^
Л \ ' , \
БЕМ НУ: 7.0 кУ УУГО: 10.69 тт _
\Ziew Пе1с1: 18 8 у™ С>е»: БЕ 5 и™
БГТУ им. В.Г Шухова
1( 4 Vх
' I
ЭЕМ НУ 12.0 кУ \ЛГС> 29.96 т
НеИ 32.4 |лп Ое« ЭЕ
" л: С- Л*
- С ' ' ^Щг^Щ^ -
у! ч ••• • •
I. < >. Щ \ ? г,
\Zlew Нс1й 35.1 рт ОеГ ЭЕ
БГТУ им В.Г. Шухоаа
Рис. 1. Микроструктура затвердевшего КГВ с отходами молотого бетона: а - через 2 час; б - через 7 сут; в - через 28 сут
а
б
в
а
Рис. 2. Микроструктура затвердевшего КГВ с туфом: а - через 2 час; б - через 7 сут; в - через 28 сут
а
Рис. 3. Микроструктура затвердевшего КГВ с молотым песком а - через 2 час; б - через 7 сут; в - через 28 сут
Таблица 2
Состав продуктов гидратации КГВ с минеральными добавками разного генезиса _ в точках микрозондирования (указаны на рис. 4)_
Элементный состав Содержание элементов, масс.%, в точках микрозондирования
с отходами молотого бетона с туфом с кварцевым песком
1 2 7 9 13 14
O 22,85 60,70 41,06 57.49 41.97 50.87
Si 3,31 3,65 21.80 3.56 5.25 2.71
Cа 48,55 20,06 14.12 23.74 35.68 27.82
Fe - 1,25 4.60 - - -
Mg - 0,33 1.70 - - -
S 24,16 12,49 1.69 14.05 14.65 18.60
№ - 0,48 - - - -
K 1,13 - 4.88 0.44 - -
А1 - 1,04 10.15 0.73 - -
Таким образом, в результате проведенных исследований была установлена возможность управления морфологией новообразований в
формирующейся гипсоцементной матрице применением минеральных добавок различного генезиса.
Рис. 4. Продукты гидратации затвердевшего КГВ с отходами молотого бетона(1), с туфом (2) с кварцевым песком (3) в точках микрозондирования Наибольшими прочностными характеристиками обладают композиты с минеральной добавкой тонкомолотых отходов бетонного лома. В композитах с бетонным ломом происходит формирование протяженных упорядоченных структур с плотной упаковкой новообразований
с мелкокристаллической структурой (<0,1 шкш) предположительно гидросиликатов, гидроалюмосиликатов, гидроаллюмо-ферритов кальция и двуводного сульфата кальция как результат твердения портландцемента и полуводного гипса. Наблюдается образование гидрокар-
1
2
3
боалюминатов кальция, содержащих в своей формуле ионы С03 типа Са-А12(С0з)2(0Н)4-6Н20, а также увеличение контактной поверхности между кристаллогидрат-ными новообразованиями, что приводит к повышению прочностных показателей материала.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.Коровяков В.Ф. Перспективы производства и применения в строительстве водостойких гипсовых вяжущих и изделий // Строительные материалы. 2008. № 3. С. 67-68.
2. Клименко В. Г., Балахонов А. В. Рентгено-фазовый анализ гипсового сырья различного
генезиса и продуктов его термообработки // Известия вузов. Строительство. 2009. №10. С. 2631.
3.Особенности фазообразования в композиционном наноструктурированном гипсовом вяжущем / В.В Строкова, А.В Череватова, И.В Жерновский, Е.В Войтович // Строительные материалы. 2012. №7. С. 9-11.
4.Лесовик В.С., Чернышева Н.В., Клименко В.Г. Процессы структуро-образования гипсосо-держащих композитов с учетом генезиса сырья // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2012. №4. С. 3-11.
