С С. КАПРИЕЛОВ, А. В. ШЕЙНФЕЛЬД кандидаты техн. наук (КМИЖБ); Ю. Р. КРИВОБОРОДОВ, канд. техн. наук (НИИцемент), Влияние структуры цементного камня с добавками микрокремнезема и суперпластификатора на свойства бетона

Известно, что микрокремнезем (МК) в сочетании с водоредуцирующей добавкой повышает прочность, водонепроницаемость, сульфатостойкость и другие свойства бетонов Особенности структуры цементного камня с МК заключаются в характере распределения пор. Они свойственны цементному камню и бетонам с добавкой МК, содержащей диоксид кремния не менее 85 %. Так как МК является отходом производства, его физико-химические свойства, в частности дисперсность и содержание диоксида кремния, во многом зависят от качества сплавов [3].

В НИИЖБе исследовали особенности структуры цементного камня, прочность н проницаемость бетонов в зависимости от вида и количества МК, а также водоредуцирующей добавки. При этом рассмотрели три вида МК, отличающихся содержанием диоксида кремния и дисперсностью. Образцы МК являлись отходами производства кристаллического кремния Братского алюминиевого завода, низкомарочного ферросилиция Ермаковского и ферросиликохрома Актюбинского ферросплавных заводов (марки Бкр, Ефс, Афсх). Основные физико-химические свойства МК приведены в табл. 1.

Для экспериментов применяли портландцемент марки 400 Подольского завода без минеральных добавок, соответствующий ГОСТ 10178, кварцевый песок фракции 0...5 мм с Мк=2,1, а также гранитный щебень фракции 5...20 мм. В качестве водоредуцирующей добавки служил суперпластификатор С-3.

Исследования цементного камня проводили на образцах, составы которых приведены в табл. 2. Особенность составов заключалась в одинаковом содержании воды (В/(Ц+МК)=0,28) и равной дозировке трех разных видов МК. Дозировку С-3 подбирали для обеспечения одинаковой пластичности суспензий, соответствующей нормальной густоте цементного теста, В одном случае дозировку С-3 увеличили для определения влияния ее количества иа свойства цементного камня.



Пористость определяли взаимно дополняющими методами протонного магнитного резонанса с диапазоном измерений пор диаметром 1 • 1(Х3...1 • 10-1 мкм [4J; малоугловой рентгеновской дифракцией с диапазоном измерений 2-10 А..3-10-1 мкм; ртутной по- рометрией с диапазоном измерений 1-10 1 ...4 -10 мкм; оптической микроскопией шлифов с диапазоном измерений 4-10... 1-103 мкм.

Метод определения пористости цементного камня с помощью протонного магнитного резонанса, разработанный в Санкт-Петербургском физико-техническом институте. основан на размерном эффекте температуры плавления льда, содержащегося в порах материала — температура плавления понижается при уменьшении их размера.

С помощью рентгенофазового анализа определяли степень гидратации цемента и содержание низкооснбвных гидросиликатов кальция — CSH (I). Идентификацию фаз проводили по международной таблице. Степень гидратации определяли по интенсивности основного рефлекса C3S. Количество CSH (1) устанавливали в результате сравнения интенсивности основного рефлекса P-CS, полученного на обожженных при 1000 °С образцах цементного камня, с эталоном (кварцем).

Результаты определения пористости исследуемых образцов цементного камня приведены в табл. 3. Из нее следует, что при несущественной (менее 9 %) разнице в общей пористости образцы отличаются характером распределения пор разного диаметра.

Используя одну из известных классификаций структуры цементного камня по уровню дисперсности [5] условно разделили поровое пространство исследованных образцов на поры надмолекулярного (1 • 10 3

В надмолекулярный уровень вписываются поры геля, образованные наиболее дисперсными новообразованиями, которые, в основном, и определяют прочность цементного камня [6]. Во второй уровень попадает основная часть гидратных новообразований и микрокапилляры, которые преимущественно определяют водо- и газонепроницаемость цементного камня. Микроскопический уровень включает некоторые новообразования, например Са(ОН)2. дефекты структуры в виде микротрещин и макрокапилляры, также влияющие на прочность и проницаемость цементного камня. Макроскопический уровень характеризуется дефектами и порами технологического свойства — вовлеченным воздухом, раковинами и т. д.

При введении в состав смесей МК объем пор геля изменяется в зависимости от вида и дозировок МК и С-3. При увеличении дозировок МК с 10 до 30 % массы цемента, гелевая пористость по сравнению с контрольным образцом возрастает на 3,5...6,4 %. Повышенное количество С-3 способствует увеличению гелевой пористости на 3,3 %- В меньшей степени на гелевую пористость влияет вид МК. Разница между крайними значениями пористости при одинаковых дозировках микрокремнезема и пластичности смесей всего 1,9 %. Однако в образцах с Бкр, содержащего повышенное количество диоксида кремния, и Еф., имеющего наибольшую дисперсность, гелевая пористость все- таки выше.

С увеличением дозировки МК возрастают степень гидратации цемента, содержание низкоосновных гидросиликатов кальция, прочность цементного камня (рис. 1). Повышение дозировки суперпластнфикатора также способствует росту степени гидратации, содержанию CSH (•) и прочности (рис. 2). Некоторое замедление степени гидратации с повышенной дозировкой С-3 в возрасте до 14 сут связано с экранирующим эффектом избыточного количества органической добавки в ранние сроки (см. рис. 2).




Сравнение фазового состава цементного камня с разными образцами МК показало, что наиболее благоприятным с точки зрения повышения степени гидратации, образования CSH (1) и прочности цементного камня является образец Бкр (рис. 3).

Объем капиллярных пор цементного камня с МК меньше, чем в контрольном образце. Пористость, особенно субмикроскопического уровня.

Технологическая пористость — с введением МК увеличивается. При этом образцы цементного камня с одинаковым количеством трех разновидностей МК имеют практически одинаковую пористость на макроскопическом уровне (3.7...4.3), которая, очевидно, зависит от факторов, не связанных с химическими свойствами микронаполнителей.

Естественно ожидать влияния рассмотренных особенностей структуры цементного камня на свойства бетонов, которые исследовали на образцах, составы которых приведены в табл. 4. Смеси имели одинаковое водосодержание (В/(Ц-(-МК) =0,44) и пластичность (О.К. = 6...8 см). Дозировки С-3 подбирали для обеспечения необходимой пластичности.

Водо- и воздухопроницаемость определяли на образцах-цилиндрах диаметром 150 мм, 50 мм, твердевших 28 сут в нормальных условиях в соответствии с ГОСТ 12730.5. Газопроницаемость устанавливали по эффективному коэффициенту диффузии ССГ в карбонизированном слое бетона на образцах-кубах с ребром 100 мм [7]. Морозостойкость определяли также на образцах-кубах при насыщении в 5%-иом растворе NaCl и замораживании на воздухе в соответствии с ГОСТ 10060.

В табл. 4 приведены данные о прочности, водо- и газонепроницаемости, а также морозостойкости бетонов с МК Как видно из результатов испытаний, добавки МК при всех дозировках повышают прочность и снижают водо- и газопроницаемость бетонов. Морозостойкость бетонов с МК остается на уровне контрольного только при дозировке МК 10 % массы цемента. Бетоны с повышенным содержанием МК менее стойки в условиях замораживания и оттаивания.

Таким образом выявляется четкая связь между свойствами бетона и особенностями структуры цементного камня — увеличение количества низкоосновных гидросиликатов кальция, повышенная гелевая и меньшая капиллярная пористость особенно на субмикр скопическом уровне, предопределяют рост прочности и снижение проницаемости бетона.

Выводы

Введение в состав цементного теста и бетонных смесей добавок МК и С-3 изменяет структуру цементного камня: увеличивается количество пор геля диаметром (1...5) 10_3 мкм уменьшается количество капиллярных нор диамет- ,ром 5-10_3..,4-10 мкм. Общая пористость остается на уровне обычного цементного камня.

Изменение гелевой и капиллярной пористости связано с изменением состава твердой фазы цементного камня: увеличением степени гидратации цемента и количества дисперсных низкоосновных гидросиликатов кальция CSH (1).

Особенности структуры цементного камня предопределяют свойства бетонов — повышение прочности, снижение водо- и газопроницаемости бетона.

Морозостойкость бетонов с добавкой МК до 10 % массы цемента остается на уровне контрольного бетона. Повышенные дозировки МК снижают стойкость к замораживанию и оттаиванию.

Бетон и железобетон, 1992