Главная
Новости
Ремонт
Каркасный дом
Несущие конструкции
Металлические конструкции
Прочность дорог
Дорожные материалы
Стальные конструкции
Воздухоопорные сооружения
Грунтовые основания




22.02.2018


22.02.2018


22.02.2018


22.02.2018


21.02.2018


20.02.2018


20.02.2018


20.02.2018


20.02.2018


20.02.2018





Яндекс.Метрика
         » » Цементные, полимерцементные, гипсовые и прочие композиции

Цементные, полимерцементные, гипсовые и прочие композиции

31.03.2016

Характеристики цементных композитов в большой степени определяются структурой и свойствами цементного камня. Изучению формирования его структуры посвящено большое количество работ как у нас в стране, так и за рубежом. Она включает гидратные новообразования, поры различных размеров и непрореагировавшие клинкерные зерна. Подобная структура, по представлениям И.А. Рыбьева, относится к конгломератным, а В.Н. Юнгом названа "микробетоном". Гидратными образованиями цементного камни являются гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроферриты кальция. Определенная часть клинкерных зерен не вступает в реакцию с водой. Согласно заключению исследователей, непрореагировавших зерен в цементном камне может быть 30 % и более. Они выполняют роль наполнителя. В связи с этим с экономической и экологической точек зрения целесообразно заменять клинкерные наполнители более дешевыми минеральными порошками и отходами промышленности, с помощью которых можно улучшить долговечность композитов. Известно, что наполнители, связывая гидрооксид кальция, способствуют повышению стойкости цементных композитов в растворах кислот.
Различными авторами проведено большое количество исследований по наполненным бетонам. Широко применяются композиты на смешанных цементах. Вяжущее для таких бетонов получают путем совместного помола портландцемента и кварцевого песка. Однако в последнее время установлена эффективность раздельного помола цемента и наполнителя и получения бетонных смесей по раздельной технологии. Новая технология в отличие от известной позволяет контролировать соотношение дисперсности цемента и наполнителя и проводить направленное структурообразование бетона как композиционного материала.
Актуальными являются исследования по подбору наполнителей, способствующих регулированию физико-технических свойств материалов. Механизмы взаимодействия цементных связующих с различными заполнителями наиболее изучены. Прочность сцепления возрастает в случае сродства кристаллических решеток цементного камня и минерала. Именно по этой причине прочность адгезии цементного камня с поверхностью известняка во много раз выше, чем с кварцем, гранитом и другими силикатными минералами и породами. Эффективными для цементов являются наполнители, обладающие гидравлической активностью. Они состоят в основном из аморфного кремнезема: диатомиты, опоки, пеплы, туфы, пемзы, трассы, гранулированные и доменные шлаки, золы тепловых электростанций и др.
При выполнении исследований в качестве наполнителей нами рассматривались отходы промышленности и местные материалы. Их влияние на прочность цементных композитов исследовалось на составах, содержащих связующее, наполнитель и воду. Смеси готовили с помощью лабораторного скоростного смесителя емкостью 6 л и со скоростью вращения рабочего органа 700 об/мин. Компоненты в смеситель вводились в определенной последовательности: цемент, наполнитель, вода. Время перемешивания составляло 4 мин. Образцы размером 1x1х3 и2х2х2 см в течение суток твердели в нормальных условиях, а затем при температуре 100 °C с режимом нагрева 1,5+6+1,5 ч и испытывались на изгиб и сжатие.
Цементные, полимерцементные, гипсовые и прочие композиции

В результате испытаний было установлено повышение прочности цементных композиций (рис. 4.20) при их наполнении отходами производства ферросилиция (ОПФ). Они представляют собой порошок с удельной поверхностью 10000—20 000 см2/г, с плотностью 2,23 г/см3 и насыпной плотностью 0,2—0,3 г/см3 и состоят в основном (на 98 %) из стекловидного кремнезема типа обсидиана с небольшим количеством его аморфной разновидности типа опала, 2—1,5 % оксидов железа и алюминия и до 1 %. Других компонентов (магний, марганец, натрий и др.). Аморфный кремнезем» взаимодействуя с гидроксидом, способствует образованию дополнительного количества низко-основных гидросиликатов кальция и тем самым уплотняет цементный камень. Кроме того, согласно литературным данным, такой микрокремнезем способствует уменьшению размеров пор в бетоне, усиливает контактную зону на границе заполнителя с цементным камнем и способствует ускорению твердения.
Цементные, полимерцементные, гипсовые и прочие композиции

Эффективна также замена части цемента порошкообразной золой (рис. 4.21). В исследованиях использовали золу, получаемую сжиганием горючего сланца месторождения Республики Мордовия. Она содержит (%); SiO2 49,4; Al2O3 — 15,9, Fe2O3 — 7,18; CaO — 16,2 MgO — 1,7 K2O — 2,58; Na2O — 1,57. Максимум прочности достигается при оптимальном содержании наполнителей. По графикам видно, что эффективность наполнения растет с увеличением водосодержания смесей. Однако при высоком его показателе происходит существенное падение прочности и плотности композиций.
Снижение водосодержания наполненных бетонов достигается за счет введения в их состав суперпластификаторов, путем обработки поверхности наполнителя полимерными соединениями, а также с помощью наполнителей, обладающих пластифицирующими свойствами. Такое воздействие на цементные композиции оказывает минерал белемнит (продукт отложения моллюсков, состоящий в основном из СаСО3). Его введение (до 50 %) не снижает подвижность композиций, однако по мере замены нм части цемента снижается их прочность (рис. 4.22, 4.23).
Цементные, полимерцементные, гипсовые и прочие композиции

С точки зрения направленного регулирования свойств цементных композиций наиболее оправданно применение наполнителей, способствующих повышению и прочности, и пластичности. Такая задача решена с помощью математических методов планирования эксперимента. Варьируемыми факторами приняты содержание белемнита и золы горючих сланцев. В качестве оптимизируемых показателей рассматривались прочность при изгибе, сжатии и модуль упругости. Общее водосодержание смеси контролировали по вязкости композиций. Матрица планирования и результаты эксперимента приведены в табл. 4.12. Испытания показали, что смесью белемнита и золы горючих сланцев можно заменить до 40 % цемента без ущерба для прочности композиций. При этом почти не увеличивается общее водосодержание. Линии равных значений оптимизируемых парам приведены на рис. 4.24.
Цементные, полимерцементные, гипсовые и прочие композиции

Отходы производства ферросилиция были использованы также при получении мелкозернистых цементных матричных композиций. При выполнении исследований образцы изготавливали с применением двух смесителей. Сначала в скоростном аппарате готовили композицию, содержащую цемент, наполнитель и воду. Наполнитель вводили взамен определенной части цемента. Boдоцементное отношение было принято постоянным — 0,6. Готовую цементную смесь в обычном смесителе совмещали с мелким заполнителем — кварцевым песком, количество которого во всех составах орали одинаковым — 300 мас. ч. на 100 мас. ч. смеси цемента и микронаполнителя. Образцы размером 4x4x16 см изготавливали при вибрировании. После твердения в нормальных температурно-влажностных условиях в течение суток образцы отверждали в воде. Кинетика набора прочности композитов во времени приведена на рис. 4.25. Результаты испытания свидетельствуют об увеличении прочностных показателей у мелкозернистых композитов, наполненных ОПФ более чем на 10 %.
Цементные, полимерцементные, гипсовые и прочие композиции

Структура и свойства цементных композитов регулируются также при введении в их состав различных полимеров. При выполнении исследований в качестве полимерной добавки нами изучалось эпоксидное связующее, которое отверждалось специальными Отвердителями, реализующими свою функцию в условиях 100 % влажности и в воде. В таких полимерцементных композициях реакция гидратации цемента протекает параллельно с отверждением полимера. В качестве связующих рассматривались диановые Эпоксидные смолы ЭД-20, Эпилок 20—20 (ФРГ) и ЕСС-36 (ФРГ) и отвердители следующих марок: аминосланцефенольный отвердитель АСФ-15; НВН-3 (ФРГ); полиаминоамид (ФРГ); телалит (Чехия).
Цементные, полимерцементные, гипсовые и прочие композиции

Полимерцементные композиции изготавливались по одинаковой технологии. Сначала в смесителе перемешивали смолу с отвердителем, затем в эту смесь вводили часть воды для затворения и при непрерывном перемешивании добавляли цемент, песок и оставшуюся воду, содержание которой определялось по показателю подвижности (все смеси изготавливались равноподвижными). Полимерную добавку вводили в различных количествах, соблюдая при этом оптимальное соотношение между смолой и ее отверждающим компонентом. Так, соотношения ЭД-20/АСФ-15, Эпилок 20 — 20/НВН-3, Эпилок 20 — 20/телалит, ECC-36/полиаминоамид принимались соответственно равными: 1:1; 1:1,4; 1:1,5; 1:1. Результаты испытания 28-суточных образцов размером 4x4x16 см на изгиб и сжатие приведены на графиках (рис. 4,26). Введение полимерной добавки способствует увеличению прочности цементных композитов при изгибе на 20—40 %. Отверждение полимерной добавки происходит одновременно с гидратацией цемента, при этом его щелочная среда усиливает степень отверждения эпоксидной смолы. В результате образуется структура из взаимопроникающих фаз полимера и цемента. При твердении смола адсорбируется на поверхности заполнители и способствует усилению сцепления полимерцементного камня с заполнителем. Этим объясняется повышение прочности цементных бетонов. Согласно результатам других исследователей, полимерная добавка снижает пористость цементного камня, а также повышает его трещиностойкость и химическую стойкость в сульфатных средах.
Цементные, полимерцементные, гипсовые и прочие композиции

Решающая роль принадлежит наполнителям и при структурообразовании гипсоцементно-пуццолановых связующих. С помощью активных минеральных наполнителей осуществляется разложение эттрингита, продукта взаимодействия минералов цемента с гипсом, в односульфатную форму, которая уже не вызывает появления опасных напряжений расширения.
В экспериментальных исследованиях в качестве активных наполнителей были изучены материалы месторождений Мордовии — диатомит и опока. Линии равных значений прочности и модуля упругости композиций с активными добавками, определенные согласно плану эксперимента, приведены на рис. 4.27, 4.28. Лучшие свойства приобретают гипсоцементно-пуццолановые связующие, в которых в качестве активной добавки выступает диатомит. Этот же наполнитель целесообразно использовать для композиций на гипсовых связующих. Уменьшая в незначительной степени предел прочности, диатомит увеличивает долговечность гипсовых композиций во влажных условиях (рис. 4.29).
Цементные, полимерцементные, гипсовые и прочие композиции

Оптимальные составы гипсоцементно-пуццолановых связующих применены для изготовления песчаных композиций равноподвижных составов. Состав композиций принимался 1:3 (связующие : кварцевый песок) по массе. Результаты испытания образцов — балочек размером 4х4х16 см после 28-суточного твердения в нормальных температурно-влажностных условиях приведены в табл. 4.13.
Цементные, полимерцементные, гипсовые и прочие композиции
Цементные, полимерцементные, гипсовые и прочие композиции

С большой эффективностью могут быть использованы термопластичные вяжущие при изготовлении изделий по каркасной технологии. В этом случае отпадает очень трудоемкая операция перемешивания наполненного термопластичного связующего с крупным заполнителем. Для исследований в качестве термопластичного связующего была выбрана техническая сера. Изучали связующие на образцах — кубиках с размером ребра 2 см. В композиции вводили кварцевые порошки различной дисперсности. На графиках (рис. 4.30) видно, что с увеличением дисперсности прочность композиций увеличивается, но при этом возрастает расход серного вяжущею. Изменение прочности серных композиций в зависимости от степени наполнения происходит идентично полимерным связующим. Для наполнителя определенной крупности существует своя область оптимального наполнения.
Цементные, полимерцементные, гипсовые и прочие композиции

Прочность и долговечность серных композиций зависят от природы наполнителя. Наши исследования показали, что хорошими качествами обладают материалы, наполненные пиритными огарками. При оптимальном наполнении ими прочность серных композиций составляет 64,3 МПа. Надо полагать, что повышение их прочности по сравнению с композициями на кварцевом порошке происходит за счет лучшего взаимодействия серы с пиритными огарками.
К новым связующим термопластичного характера можно отнести неорганические и органические кислоты, а также их ангидриды (борная и стеариновая кислоты, малеиновый и фталевый ангидриды и др.), которые дают нерастворимые соли с катионами второй и третьей группы Ca, Mg, Al и др. Испытании показали, что композиции на этих связующих, наполненные оксидами кальция и алюминия, имеют прочность более чем в 2 раза выше по сравнению с составами без наполнителя (рис. 4.31). Более высокими показателями характеризуются составы на фталевом ангидриде, однако с точки зрения технологичности белее эффективно применение композитов на малеиновом ангидриде, так как температура плавления последнего гораздо ниже, чем у фталевого.
Цементные, полимерцементные, гипсовые и прочие композиции

Прочность композитов на малеиновом ангидриде повышается при составлении на его основе специальных компаундов: мал ей новый ангидрид — сера; малеиновый ангидрид — альтакс; малеиновый ангидрид — фталевый ангидрид. Испытания на сжатие показали, что более высокую прочность имеют составы на компаунде, получаемом на малеиновом и фталевом ангидридах. Оптимальное их соотношение в компаунде по показателям прочности композита на сжатие составило 25:75 по массе при общем соотношении между наполнителем и связующим 1:1 по массе (рис. 4.32).