Строительніе статьи 1996

Физико-химические и методологические основы получения многокомпонентных систем оптимизированного состава

Основной продукцией цементной промышленности России являются цементы с минеральными добавками. Они обладают высокими строительно-техническими свойствами, имеют повышенную коррозионную стой­кость, низкое тепловыделение, предотвращают щелоч­ную коррозию рсакционноспособпых заполнителей, а также обеспечивают снижение до 40 % потребление топлива при пх производстве. Один из существенных недостатков многокомпонентных цементов — пх более низкая прочность (на 8—16 МПа) по сравнению с бездобавочнымп, эквивалентная перерасходу цемента в бетоне в количестве 10—25 Г/с.

Основными проблемами при использовании мине­ральных добавок к вяжущим веществам для бетона, как показали исследования [I]. являются дисперсность п количество, которое допускается вводить в цементы без снижения пх прочности, а также способ введения минеральных добавок в бетон (в составе многокомпо­нентных цементов или раздельно с цементом).

Теоретическими и экспериментальными исследова­ниями показано, что активность многокомпонентных цементов обеспечивается на уровне бе. здобавочных при условии оптимизации гранулометрического состава та­ких систем путем измельчения компонентов до опти­мальной дисперсности н последующего их смешения п.111 раздельного введения в бетоносмеситель. Оптималь­ная дисперсность минеральной добавки может быть определена по разработанной для этой цели методике п должна па 120—200 м2/кг превышать дисперсность клинкерного компонента (цемента) [1, 2, 3]. При таком использовании минеральных добавок реализуется плот­ная упаковка исходной матрицы многокомпонентного цемента за счет распределения тонкодисперсных частиц в межзерно кых пустотах более грубодисперсных (рпс. 1), а при его твердении происходит более активное

Взаимодействие частиц добавок с гидроксидом кальция, образующимся при гидратации минералов клинкера с образованием высокопрочных ннзкоосновных и мелко­зернистых гидросиликатов кальция в виде полимеров [4]. Повышенная плотность цементного камня с мине­ральными добавками обуславливает высокую прочность бетона (рис. 2, 3), улучшает его деформатпвные п другие эксплуатационные характеристики.

Одним из основных вопросов получения многоком­понентного цемента смешением раздельно измельчен­ных компонентов является равномерное распределение частин тонкомолотого минерального наполнителя г клинкере. Это обусловлено тем. что в соответствии ■ принципом Гельмгольца в высококопнентрпровапш. •

Дисперсных системах самопроизвольно возникают про­странственные структуры, так как их образование сопровождается уменьшением избыточной межфазной энергии Гиббса, а процесс структурообразования завер­шается формированием термодинамически устойчивых структур [5]. Согласно выдвинутому положению о необходимости распределения частиц добавки (напол­нителя) в основном в межзерновых пустотах тонкоиз - мельченного клинкера такие две устойчивые системы, состоящие из частиц клинкера и более тонкодисперсной добавки, необходимо р'авномерно распределить одну в другой в процессе приготовления многокомпонентного цемента или в бетоносмесителе из раздельно измель­ченных компонентов.

Пространственные структуры состоят из агрегатов А-1 или кастеров, по определению В. И. Соломатова, представляющих собой структурообразующую частицу и рядовые (рис. 4). При формировании агрегатов вокруг «структурообразующей» частицы происходит ослабление сил взаимодействия на границах дальнодействия актив­ной частицы, так как энергия связи Е между взаимо­действующими частицами зависит от молекулярного взаимодействия с учетом электромагнитного запаздыва­ния дисперсных сил В, размера частиц <5 и расстояния между ними / [6]:

ПВ<5

Сила сцепления между частицами уменьшается в значительной степени по мере их удаления [6]:

ПВ<5

Ргр = -ТГ- (2)

Очевидно, что по мере сближения рядовых частиц со «структурообразующей» увеличивается Е и превра­щая образовавшийся структурный агрегат А-1 (агрегат нижнего масштабного уровня) в самостоятельный струк­турный элемент системы. Максимальное расстояние между частицами, при котором данная частица принад­лежит агрегату, может быть определено из условия равенства силы связи на границе агрегата силе тяжести, действующей на крайнюю контактирующую с ним частицу, и определяется зависимостью

Расчеты по формуле (3) показывают, что максималь­ное расстояние между частицами в агрегате составляет 1—1,5 мкм. Оно уменьшается с увеличением размера частиц <5, что подтверждает высокую концентрацию твердой фазы в единице объема, термодинамическую устойчивость и прочность агрегатов, состоящих из более тонкодисперсных частиц. Экспериментальными иссле­дованиями по специально разработанной методике показано, что агрегаты с тонкомолотыми шлаками и золами ТЭС, имеющими оптимальную дисперсность, имеют более высокую концентрацию твердой фазы (в 1,3—10,6 раза) относительно исходного цемента п соответственно более высокую прочность, а размер агрегатов равен 100—150 мкм (рис. 5).

Анализ результатов проведен при минимальной начальной нагрузке 200 Н. При увеличении нагрузки разрушение многокомпонентных систем происходит при меньших усилиях, чем разрушение бездобавочного цемента, что, очевидно, обусловлено возрастанием сил отталкивания в системе, в которую введены частицы с однородным зарядом (например, зола ТЭС). Поэтому для повышения прочности бетона на основе таких систем необходимо стремиться к использованию добавок с повышенной пуццолановой активностью, которые за счет увеличения скорости 1гуццолановой реакции обес­печивали бы более высокую прочность цементного камня.

Агрегаты тонкодисперсного клинкера и минеральной добавки при смешении взаимодействуют между собой через газовую или дисперсную среду по межагрегатной поверхности раздела (см. рис. 4). При смешивании в газовой среде систем, состоящих из агрегатов частиц минеральной добавки и клинкера, происходит смешение агрегатов с различными энергетическими уровнями, так как поверхностная энергия Е5 связана с поверхностным натяжением А и площадью поверхности 5, зависящей от размера частиц <5 [6]:

Е5 =о 5 . (4)

Агрегаты с большей поверхностной энергией выпол­няют роль коагулянтов и, взаимодействуя с граничными частицами агрегатов с меньшей поверхностной энер­гией, присоединяют эти частицы, пептизируя первичные

Лярпые силы способствуют сохранению агрегата как самостоятельной структурной единицы. По мере взаимо­действия минералов цемента с водой произойдет диффу­зионный перенос вещества (новообразований) в первую очередь к тонкодисперсным частицам добавки, которые будут служить центрами зародышеобразования, сокращая индукционный период и соответственно начало схватыва­ния системы. Связывание воды минералами цемента будет сопровождаться ее переходом из объемного состояния в пленочное и диффузией к внутриагрегатным частицам цемента и добавки, а ‘это значительно ускорит рост пластической прочности цементных систем, и особенно бездобавочных, т. е. с большим клинкерным фондом.

При смешении двух систем агрегатов А-1 из цемента и добавки в дисперсной среде, так же как и в газовой, произойдет образование вторичных агрегатов А-2 многоком­понентного цемента. При этом их смешение будет более эффективным, так как в процессе перемешивания будет происходить разрушение аграгатов А-1 и смачивание «структурообразующих» элементов (частиц внутри агрегата А-2), что вовлечет большее количество частиц цемента в гидратацию на ранней стадии твердения. Кроме того, наличие дисперсной среды между частицами агрегата уменьшит его размеры [6], а это будет способствовать увеличению числа межагрегатпых контактов в системе и соответственно большей прочности на ранней стадии ее твердения.

Таким образом, равномерное и эффективное распре­деление частиц клинкера и тонкодисперсной добавки (наполнителя) в многокомпонентном цементе с опти­мизированным гранулометрическим составом наиболее вероятно при их раздельном введении в бетоносмеситель и более полно осуществляется при подведении к системе значительных механических воздействий и введении поверхностно-активных веществ [6].

Лабораторными и промышленными испытаниями различных видов минеральных добавок доказано, что за счет использования тонкодисперсных вулканических пород с оптимальной дисперсностью можно экономить до 20 % клинкерного цемента с одновременным повышением прочности бетона на 20—25 %, за счет использования зол и золошлаковых смесей ТЭС — до 10—20 % и доменных гранулированных шлаков — до 60 % и более. Исследованиями установлена также высокая эффективность использования пластифициру­ющих и суперпластифицирующих добавок в многоком­понентных системах с оптимизированным грануломет­рическим составом.