Влияние вида портландцемента и природных добавок на основные свойства смешанного вяжущего

Для выявления роли этих компонентов в МИСИ им. В. В. Куйбышева были проведены соответствующие исследования. Изучались разные составы рассматриваемых вяжущих. Результаты опытов (табл. 4), которые проводились на кубах размером 5х5х5 см, изготовленных из гипсоцементнопуццоланового теста или раствора, показали, что при твердении во влажных условиях в течение 5-10 лет прочность смешанных вяжущих почти всех составов непрерывно увеличивается. При этом образцы, твердевшие в воде и во влажном воздухе до трех лет, относительно мало различаются по прочности. И только после этого срока наблюдается отставание в росте прочности образцов водного хранения по сравнению с образцами, твердеющими во влажной среде.

Влияние вида и активности гидравлической добавки на прочность проявляется уже к 28-суточному сроку твердения.

Как видно из рис. 2 и табл. 4, наиболее эффективными добавками для портландцементов разных заводов являются вольский трепел (В) и сурская опока (С); менее эффективен хотьковский (Х) трепел. Образцы из ГЦПВ, содержащих Бельский трепел В или сурскую опоку, имели наиболее высокую прочность во все сроки твердения и лучшие показатели коэффициентов размягчения. Показатели коэффициента размягчения, которые с 0,46 у образцов из чистого гипса увеличивались до 0,63-0,80 у ГЦПВ, оказались лучшими у композиций с вольским трепёлом и сурской опокой. Менее интенсивный рост прочности и её снижение к 5 годам водного хранения во влажных условиях у образцов с малоактивным хотьковским трепелом свидетельствуют о том, что на водостойкость и долговечность этих вяжущих существенно влияет активность добавок.

Несколько по-иному ведут себя образцы, изготовленные на вяжущих с добавками вулканического происхождения. Несмотря на их пониженную активность по поглощению CaO, образцы водного твердения (на анийской и литоидной пемзе) набирают прочность при твердении в течение более 5 лет (см. табл. 4).

Чтобы определить как влияет повышенное количество трепела в составе ГЦПВ на их свойства, были проведены опыты на образцах из гипсоцементного теста и раствора составов 1:2 и 1:3 (вяжущее: песок) по весу. Тесто и раствор имели постоянное водовяжущее отношение, равное:0,60 и 0,55. Предел прочности при сжатии определяли на кубиках размером 5х5х5 см.

По данным табл. 5 и рис. 3, увеличение количества трепела или опоки в составе вяжущего значительно сказывается уже к 28-суточному сроку твердения с повышением их содержания возрастают предел прочности при сжатии, коэффициент размягчения (kP) и плотность образцов (уменьшается водопоглощение).

Прочность образцов на вяжущем с 40% и более комбинированной добавки, (цемент + пуццолана), твердевших в воде, больше, чем образцов влажного хранения. Следовательно, такие вяжущие способны к гидравлическому твердению.

Прочность образцов из вяжущих, содержащих цемент и трепел в соотношении 1:1,5 значительно выше (в 1,5-2 раза) прочности образцов из вяжущих с Ц: Д = 1:0,5. Это можно объяснить более интенсивным связыванием Ca(OH)2, выделяющегося при гидратации портландцемента, в гидросиликаты кальция, чему способствует также сульфат кальция.

В. М. Лежоев констатировал, что обработанный насыщенным известково-гипсовым водным раствором силикагель поглотил в течение 28 суток почти в 13 раз больше СаО, чем при обработке его насыщенным известковым раствором.

Содержание трепела, взятого в соотношении с цементом 1,5:1, значительно превосходит то количество, которое может быть связано в гидросиликаты гидратом окиси кальция, выделяющимся при твердении портландцемента. Поэтому можно предположить, что наряду с гидросиликатами кальция возникают и другие малорастворимые новообразования, которые еще больше упрочняют структуру камня.

В литературе имеются указания на возможность образования 3CaO*Аl2O3*СаSiO3*12Н2О. При надлежащих условиях это соединение может переходить в высокосиликатную форму 3CaO*Аl2O3*3СаSiO3*31Н2О.

Такие гидросиликоалюминаты кальция были также обнаружены в смесях С3S или С2S с С3A или С4AF при длительном хранении их в растворе гидроокиси кальция.

Низкосиликатная форма образуется сразу после затворения. По структуре она близка к низкосульфатной форме гидросульфоалюмината кальция.

На существование таких соединений называет и Богг, ссылаясь на работы Калоузека, Феррари. Он наблюдал поглощение сульфата кальция из раствора под действием пуццоланы в сильно сульфатированном пуццолановом цементе и считает возможным образование сложных сульфосиликатов. Мекке и П. П. Будников также придерживаются такой точки зрения.

Можно предполагать, что при твердении ГЦПВ, особенно содержащих значительное количество активных гидравлических добавок, создаются условия для образования не только гидросульфоалюмината кальция, но, возможно, и гидрогеленита (2CaO*Аl2O3*SiO2*8Н2О), а также гидрогранатов [3CaO*Аl2O3*nSiO2*(6-2n)Н2О].

Появление малорастворимых соединений способствует увеличению прочности и водостойкости смешанных вяжущих. Снижение прочности образцов или их разрушение свидетельствует о недостаточном количестве активной минеральной добавки в составе ГЦПВ.

Результаты испытаний (см. табл. 4 и 5, рис. 2) дают также возможность судить о влиянии портландцементов различного минералогического состава на свойства рассматриваемых вяжущих. Оно проявилось в первую очередь в росте прочности образцов во времени. У образцов с алюминатным цементом Г‚ имевших в некоторых случаях более высокую 28-суточную прочность, чем образцы на других цементах, к трем месяцам твердения при водном хранении она несколько снизилась. У образцов с низкоалюминатными цементами (С, Б) этого не было. При дальнейшем твердении прочность образцов снова возросла до прежнего значения, но в конечные сроки испытания стала все-таки ниже, чем у вяжущих малоалюминатных цементах.

Для определения влияния минералогического состава цемента на характер изменения прочности были также проведены опыты на балочках размером 4х4х16см. Их изготовляли из песчаного раствора состава 1:3 (по весу) при В/В = 0,60. Эти испытания (табл. 6) дали такие же результаты, как и предыдущие.

Особенность поведения рассматриваемых композиций может быть объяснена пониженной водостойкостью некоторых продуктов гидратации цемента, в частности гидратированных алюминатов и алюмоферритов кальция, на что имеются указания в работах ряда исследователей. С. В. Шестоперов и Г. Ю. Любимова отмечают, что гидросульфоалюминат кальция также обладает невысокой водостойкостью.

Следует отметить, что в наших опытах количество цемента в составе ГЦПВ было относительно небольшим (20-28%), и поэтому его минералогический состав не мог значительно повлиять на свойства вяжущего. Однако пониженная водостойкость гидратированных алюминатов, алюмоферритов и, возможно, гидросульфоалюминатов кальция явилась, очевидно, одной из причин снижения прочности образцов, в состав которых входил высокоалюминатный цемент. Восстановление прочности образцов и дальнейший ее рост свидетельствуют об определяющей роли гидросиликатов кальция при твердении ГЦПВ в более поздние сроки.

Как видно из результатов испытаний (см. табл. 5), на стойкость ГЦПВ влияет и содержание в портландцементе С3S. Образцы на еманжелинском портландцементе с повышенным количеством С3S разрушились уже в течение одного года, в то время как подобные же образцы на портландцементе с меньшим количеством С3З продолжают в воде набирать прочность до 6 лет (при соотношении цемента и опоки, равном 1 и 0,67).

Одновременно с изучением физико-механических свойств ГЦПВ определялась кинетика связывания гидравлическими добавками гидрата окиси кальция, выделяющегося при гидролизе клинкеров, в водных суспензиях гипса, портландцемента и гидравлической добавки (по методике, изложенной в приложении 1). Результаты этих опытов, приведенные на рис. 4, показывают, что регламентируемое снижение концентрации окиси кальция в растворах к 5 и 7 суткам (соответственно до 1‚1 и 0,85 г/л и ниже) зависит от активности гидравлической добавки и минералогического состава клинкера. Для связывания окиси кальция, образующейся при гидролизе портландцемента, вводят разное количество различных добавок в зависимости от их активности. Так, при использовании портландцемента завода «Гигант» соотношение между ними и наиболее активным вольским трепелом может быть 1:0,5, а с хотьковским трепелом 1:1 (не менее).

Для портландцемента Еманжелинского завода и хотьконского трепела х это соотношение повышается до 1:1,5. Следовательно, чем ниже активность добавки и чем выше содержание в клинкере С3S и С3А, тем больше добавки должно приходиться на единицу веса цемента. Это подтверждается и данными табл. 5 и рис. 4.

У всех составов ГЦПВ с концентрацией гидрата окиси кальция в растворе более 1,1 г/л на пятые сутки и 0,85 г/л на седьмые сутки обнаружились при длительном твердении либо снижение прочности, либо сильные деформации, вызвавшие разрушение образцов.

Те составы ГЦПВ в которых соотношение между портландцементом и пуццолановой добавкой по показателям концентрации окиси кальция к 5 и 7суткам установлено правильно, характеризуются длительным ростом прочности при твердении во влажных условиях и в воде. Результаты определения концентрации гидрата окиси кальция в растворе (см. рис. 4) показывают, что в композициях с достаточным количеством гидравлической добавки ее концентрация к 60 суткам снижается до 0,3-0,33 г/л и менее. При таких концентрациях Са(ОН)2 в жидкой фазе могут устойчиво существовать только наименее основные гидросиликаты кальция, в частности типа CSH(B), которые начинают разлагаться только при концентрации CaO, в растворе ниже 0,06-0,08 г/л. Гидроалюминаты кальция могут существовать в виде соединения 2CaO*Аl2O3 aq, для которого предельная концентрация окиси кальция составляет 0,36 г/л. Для гидросульфоалюмината предельная концентрация СаО равна 0,45 г/л. Гидроферриты кальция подвержены гидролизу при концентрации окиси кальция ниже 0,64 г/л.

Возможно, что для гидросиликоалюминатов‚ сходных по структуре с гидросульфоалюминатами‚ характерны также низкие предельные концентрации СаО в растворе и они могут существовать в ГЦПВ и при малой концентрации СаО в растворе.

Прочность и водостойкость ГЦПВ зависят в основном от количества новообразований при взаимодействии гипса и комбинированной добавки.

По результатам испытаний (см. табл. 5, 6 и рис. 4) видно, что при содержании в составе ГЦПВ 30…35% комбинированной добавки (цемент + пуццолана) при длительном хранении в воде (3…5 лет) прочность несколько снижается. Меняя количество комбинированной добавки, можно получить ГЦП бетон с требуемыми свойствами в зависимости от области применения.

Влияние содержания комбинированной добавки на свойства растворов состава 1:3 (по весу) при В/В = 0,60 было проверено при испытании балочек размером 4х4х16 см (рис. 5). Опыты показали что если в образцах 40% и более комбинированной добавки, то их прочность при твердении во влажном воздухе и в воде в течение многих лет непрерывно растет. Гипсовые растворы и при влажном, и при водном хранении уже к 28 суткам теряют значительную часть прочности.

Гипсоцементные растворы без трепела разрушаются при водном хранении к трем месяцам и при влажном – к 6-40 месяцам с характерным сульфоалюминатным разбуханием и распадом на отдельные куски.

Результаты испытаний показывают, что введение комбинированной добавки в количестве 20% веса ГЦПВ недостаточно для придания надлежащей водостойкости изделиям при длительном воздействии воды. Если содержание комбинированной добавки увеличить до 35…40%, то можно получить вяжущее, способное к длительному твердению в воде (в течение 12 лет).

Таким образом, содержание комбинированной добавки в составе ГЦПВ нужно устанавливать в зависимости от предполагаемых условий службы конструкций. При введении в состав ГЦПВ комбинированной добавки в количестве около 25% и более изделия становятся водостойкими и способными к гидравлическому твердению.

Увеличение же содержания до 35-40% обеспечивает полную их стойкость и при длительном твердении в непроточной воде.