2318

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

6.Garkina, I.A. Experience in the development of composite materials: some aspects of mathematical modeling / I.A. Garkina, A.M. Danilov // News of higher educational institutions. Building. – 2013. – № 8. – P. 28.

7.Vasiliev, S.N. Intellectual approach to automating the simulation of complex managed systems / S.N. Vasiliev, G.A. Oparin, A.G. Feoktistov // Proceedings of the International Conference RDAMM-2001 (Specification release). – Novosibirsk, 2001. – Vol. 6, part 2. – P. 159–168.

8.Optimization of systems with a complex hierarchy / A.I. Albakasov, I.A. Garkina, A.M. Danilov, E.V. Korolev // Bulletin of civil engineers. – 2012. – № 2 (31). –P. 324–327.

9.Management of the structure and properties of nanomodified building materials / A.I. Albakasov, I.A. Garkina, A.M. Danilov, E.V. Korolev // Regional architecture and engineering. – 2011. – №2. – P. 9–17.

10.Garkina, I.A. Modeling of building materials as complex systems / I.A. Garkina, A.M. Danilov, Yu.P. Skachkov // Key Engineering Materials. – 2017. – Vol. 730. – P. 412– 417.

11.Garkina, I.A. Analytical design of building materials / I.A. Garkina, A.M. Danilov // Journal of Basic and Applied Research International. – 2016. – Vol. 18, № 2. – P. 95.

12.Garkina, I. Principles of optimal control in the synthesis of composite materials / I.A. Garkina, A.M. Danilov, V.P. Selyaev // Key Engineering Materials. – 2017. – Vol. 723. –

P. 32–36.

13. Garkina, I.A. Materials as complex systems / I.A. Garkina, A.M. Danilov, V.P. Selyaev // Journal of Engineering and Applied Sciences. – 2016. – Vol. 11, № 11. –

P.2461–2464.

14.Garkina, I.A. From the experience of development of composite materials with desired properties / I.A. Garkina, A.M. Danilov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2nd International Conference on Mining, Material and Metallurgical Engineering. – 2017. – P. 012006.

15.Garkina, I.A. Quality management of materials with special properties / I.A. Garkina, A.M. Danilov // Control problems. – 2008. – №6. – P. 67–73.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

УДК 691.542

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ТОНКОДИСПЕРСНЫХ ДОБАВОК

НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИТОВ

В.Д. Черкасов, В.И. Бузулуков, Д.Н. Пронин

Изучено влияние некоторых тонкодисперсных добавок на физико-механические свойства цементных композитов. Проведённые исследования показали, что повышение прочности цементного камня достигается при количестве добавки не более 2 % от массы цемента. Методом двухфакторного планирования эксперимента исследовано влияние совместного применения тонкодисперсных добавок и гиперпластификатора на свойства мелкозернистого бетона.

Полученные результаты позволяют предположить, что поверхность частиц (ТДД) с адсорбированными ионами кальция служит центром направленной кристаллизации гидроксида кальция из пересыщенного раствора затворённого цемента.

Ключевые слова: портландцемент, тонкодисперсные добавки, физико-механические свойства

A STUDY OF THE INFLUENCE OF VARIOUS FINE-DISPERSE ADDITIVES ON PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF CEMENT COMPOSITES

V.D. Cherkasov, V.I. Buzulukov, D.N. Pronin

The influence of some fine-dispersed additives on the physical and mechanical properties of cement composites was studied. The research showed that the increase of cement strength stone is achieved with the amount of additive not more than 2 % of cement mass. The effect of the combined use of finely dispersed additives and hyperplasticizer on the properties of fine-grained concrete was investigated using the two-factorial design of the experiment.

The obtained results suggest that the particles surface (TDD) with adsorbed calcium ions serves as a center for the directional crystallization of calcium hydroxide from a supersaturated solution of mixing cement.

Keywords: portland cement, fine disperse additives, physical and mechanical properties

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

Одним из перспективных направлений строительного материаловедения является создание бетонных смесей и бетонов с высокими эксплуатационными свойствами. Эта задача во многих случаях решается с помощью химических и минеральных тонкодисперсных добавок – модификаторов разной природы и механизма действия. Наиболее эффективными добавками являются высокоактивные тонкодисперсные наполнители и высокоэффективные супер- и гиперпластификаторы [1, 2].

Целью данной работы являлось изучение влияния различных химических и минеральных тонкодисперсных добавок на свойства цементных композитов.

Ранее было установлено [3–5], что введение в состав цементных композитов высокодисперсных частиц углерода приводит к повышению активности цемента. Данная работа является продолжением исследований по разработке упрочняющих тонкодисперсных добавок для цементных систем. На первом этапе исследований изучалась возможность использования в качестве добавки технического углерода.

Для оценки эффективности применения углеродосодержащей добавки проводился ряд сравнительных экспериментов, целью которых было получение зависимостей физико-механических свойств цементного камня от количества и дисперсности вводимых добавок. Для исследований использовались следующие материалы:

–портландцемент марки ПЦ 500-Д0-Н (ПАО «МОРДОВЦЕМЕНТ») по ГОСТ

10178–85;

–песок полифракционный по ГОСТ 6139–2003;

–вода затворения по ГОСТ 23732–2011;

–гиперпластификатор MasterGlenium51 (BASF– Construction Chemicals);

–углерод технический марки МУИ 99 (ООО «Челябинский опытно-экспери-

ментальный завод») по ТУ 1916-003-99264460-10. Фракции: 0–0,14 мм; 0,14–0,315 мм; 0,315–1,25 мм.

Для проведения эксперимента изготовлялись и испытывались образцы-балочки 4x4x16 см в соответствии с ГОСТ 310.4-81.

Результаты испытаний представлены на рис.1-3.

Из представленных результатов (см. рис.1-2) видно, что прирост предела прочности возрастает с увеличением тонкости помола. Максимальная прочность достигается при содержании углеродосодержащей добавки 4 % (фр. 0 – 0,14 мм) от массы цемента, при этом прочность цементного камня на сжатие увеличивается на 25 %, на растяжение при изгибе – 10 %. Дальнейшее увеличение количества добавки приводит

кпонижению прочностных свойств цементного камня. Подвижность смеси изменилась незначительно (см. рис.3).

Для оценки эффективности совместного применения углеродосодержащей добавки и гиперпластификатора на свойства мелкозернистого бетона (МЗБ) изготавливались мелкозернистые бетонные смеси следующего состава:

Ц/П=1/3 (для всех образцов);

В/Ц=0,4 (для первой серии образцов, рис.4-7);

В/Ц понижалось до расплыва на встряхивающем столике 108-115 мм (для второй серии образцов, рис.8-10);

добавки вводились в виде раствора с последней третью воды затворения;

перемешивание миксером 3 мин при частоте вращения 1000 об/мин. Экспериментальные исследования проведены с применением методов математи-

ческого планирования эксперимента. В качестве матрицы планирования использовали план Коно, состоящий из 9 опытов. Варьируемыми факторами служили: X1 – количество углеродосодержащей добавки, % от массы цемента; X2 – количество ГП, % от массы цемента.

Графические зависимости изменения физико-механических свойств МЗБ от величины варьируемых факторов, построенные по уравнениям регрессии, приведены на рис. 4–10.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

Рис.1. Зависимость изменения прочности цементного камня на сжатие от размера частиц и количества вводимой добавки МУИ 99:

1 – фр. 0 – 0,14 мм; 2 – фр. 0,14 – 0,315 мм; 3 – фр. 0,315 – 1,25 мм

Рис.2. Зависимость предела прочности на растяжение при изгибе цементного камня от размера частиц и количества вводимой добавки МУИ 99:

1 – фр. 0 – 0,14 мм; 2 – фр. 0,14 – 0,315 мм; 3 – фр. 0,315 – 1,25 мм

Рис.3. ИзменениеподвижностисмесиотразмерачастициколичествавводимойдобавкиМУИ 99: 1 – фр. 0 – 0,14 мм; 2 – фр. 0,14 – 0,315 мм; 3 – фр. 0,315 – 1,25 мм

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

Рис.10. Зависимость изменения плотности МЗБ от количества углеродосодержащей добавки и гиперпластификатора «MasterGlenium51» – для изопластичных смесей, кг/м3

Из полученных результатов исследований видно, что использование углеродосодержащей добавки (фр.0-0,14 мм) и ГП «MasterGlenium51» позволяет увеличить подвижность смеси на 132 % (В/Ц=0,4) и прочность при сжатии на 22 %. Для изопластичных смесей прочность при сжатии увеличилась на 28 %.

Повышение прочности цементной системы в присутствии тонкодисперсного угля, по-видимому, обусловлено адсорбцией ионов кальция из цементного раствора. В дальнейшем поверхность частиц угля с адсорбированными ионами кальция служит центром направленной кристаллизации гидроксида кальция из пересыщенного раствора затворённого цемента. При изучении закономерностей адсорбции ионов кальция из раствора гидроксида кальция на угле было установлено, что величина максимальной адсорбции при 22°С оказалась равной 38 мг/г.

Для подтверждения вышеизложенного предположения было исследовано влияние другой тонкодисперсной добавки, содержащей кальций (КСД) и полученной путём химического синтеза. По нашему мнению, данная добавка может служить центром начала кристаллизации первичных продуктов гидратации цемента, в частности гидроксида кальция.

Для изучения влияния химической добавки КСД на физико-механические свойства цементного камня проводилась серия экспериментов по описанной выше методике. Результаты представлены на рис. 11-13.

Рис.11. Зависимость изменения прочности цементного камня на сжатие от количества вводимой добавки КСД:

1 – ПО «Мордовцемент»; 2 – ПО «Азия Цемент»

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

Рис.12. Зависимость изменения прочности цементного камня на растяжение при изгибе от количества вводимой добавки КСД:

1 – ПО «Мордовцемент»; 2 – ПО «Азия Цемент»

Рис.13. Изменение подвижности смеси от количества вводимой добавки КСД: 1 – ПО «Мордовцемент»; 2 – ПО «Азия Цемент»

Полученные результаты (см. рис.11–12) показали, что применение КСД существенно увеличивает прочность цементного камня: при сжатии – на 58 %, при изгибе – на 15 % (для портландцемента ПО «Мордовцемент»); при сжатии – на 22 %, при изгибе – на 7 % (для портландцемента ПО «Азия Цемент»). Подвижность смеси (см. рис.13) изменилась незначительно.

С целью определения совместного влияния КСД и ГП «MasterGlenium51» на физико-механические свойства МЗБ проводилась серия экспериментов с применением методов математического планирования эксперимента. В качестве матрицы планирования использовали план Коно, состоящий из 9 опытов. Варьируемыми факторами служили: Х1 – количество добавки, % от массы цемента; X2 – содержание ГП, % от массы цемента. В качестве вяжущего был принят портландцемент ПО «Мордовцемент». Для первой серии образцов водотвёрдое отношение принято 0,4 (рис.14-17), для второй серии (рис.18–20) водотвёрдое отношение понижалось до расплыва на встряхивающем столике 108–115 мм.

После проведения статистической обработки результатов эксперимента получены графические зависимости изменения физико-механических свойств МЗБ.

Проведённые исследования показали, что использование добавки КСД и ГП «MasterGlenium51» приводит к увеличению подвижности смеси на 140 % (В/Ц=0,4) и повышению прочности при сжатии на 16 %. Для изопластичных смесей прочность при сжатии увеличивается на 65 %, на растяжение при изгибе – на 21 %.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

Рис.20. Зависимость изменения плотности МЗБ от количества КСД и ГП «MasterGlenium51» – для изопластичных смесей, кг/м3.

Из вышерассмотренных результатов экспериментов выявлено, что оптимальное содержание ТДД в цементной системе находится в пределах 2 % от массы цемента, при этом возможное увеличение прочности составляет более 50 %.

Список литературы

1.Баженов, Ю.М. Модифицированные высококачественные бетоны / Ю.М. Баженов, В.С. Демьянова, В.И. Калашников.– М.: АСВ, 2006. – 368 с.

2.Батраков, В.Г. Модифицированные бетоны / В.Г. Батраков. – М.: Стройиздат, 1998. – 768 с.

3.Портландцемент с добавкой химически модифицированного диатомита и суперпластификатора / В.Д. Черкасов, В.И. Бузулуков, А.И. Емельянов, Д.Н. Пронин // Вестник Приволжского территориального отделения. – 2016. – Вып.19. – С. 229 – 231.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

4.Черкасов, В.Д. Модификация цементного камня комплексной добавкой на основе супер-, гиперпластификатора и углеродного порошка / В.Д. Черкасов, В.И. Бузулуков, Д.Н. Пронин // Региональная архитектура и строительство. – 2016. – № 4 (29). –

С. 40 – 49.

5.Портландцемент, модифицированный активными минеральными добавками на основе диатомита / В.Д. Черкасов, В.Т. Ерофеев, А.И. Емельянов, Д.В. Черкасов, О.В. Тараканов // Региональнаяархитектураистроительство. – 2014. – № 4 (21). – С. 5–9.

References

1.Bazhenov, Yu.M. Modified high-quality concretes /Yu.M. Bazhenov, V.S.Demyanova, V.I. Kalashnikov. – M.: Publishing Association of Building universities, 2006. – 368 p.

2.Batrakov,V.G. Modifiedconcretes /V.G. Batrakov.– M.: Stroyizdat, 1998. – 768 p.

3.Portland cement with the addition of chemically modified diatomite and superplasticizer / V.D. Cherkasov, V.I. Buzulukov, A.I. Emelyanov, D.N. Pronin // The Bulletin of the Privolzhsky territorial department. – 2016. – Iss. 19. – P. 229–231.

4.Cherkasov, V.D. Modification of cement stone with a complex additive based on super-, hyperplasticizer and carbon powder / V.D. Cherkasov, V.I. Buzulukov, D.N. Pronin

//Regional architecture and engineering. – 2016. – No. 4 (29). – P. 40–49.

5. Portland cement modified with active mineral additives based on diatomite / V.D. Cherkasov, V.T. Erofeev, A.I. Emelyanov, D.V. Cherkasov, O.V. Tarakanov // Regional architecture and engineering. – 2014. – No. 4 (21). – P. 5–9.