Formation of foam-concrete structure with thermomodified peat additive at early period of hardening.pdf Введение Согласно развиваемой концепции современного строительного материаловедения, все строительные материалы и технологии их получения должны отвечать семи фундаментальным критериям. К ним относятся: технологическая доступность и эффективность; ресурсоэнергосбережение; экологи- 35 И.А. Прищепа, А. И. Кудяков, Ю.С. Саркисов и др. ческая безопасность, природная сбалансированность и биосовместимость; экономическая целесообразность; этическая приемлемость применения на практике; эстетическая выразительность и социальная направленность. Всем этим требованиям в полной мере отвечают пенобетоны [1-3]. Однако до сих пор остаются актуальными вопросы регулирования физикохимических, физико-механических и эксплуатационных характеристик изделий на их основе. Сдерживающим фактором в производстве пенобетона неавтоклавного твердения является неоднородная и трудно регулируемая пористая структура. Основная причина - это расслоение пенобетонной смеси из-за большой средней плотности цементной матрицы, формирующей межпоровые перегородки [4, 5]. Управляя вязкостью, пористостью и структурообразованием, можно обеспечивать параметры качества стеновых материалов в широких пределах [6]. В настоящей работе выдвинута следующая гипотеза: направленно изменяя электрофизические характеристики строительной смеси модифицированного торфяной добавкой пенобетона, можно эффективно управлять его свойствами как в ранние, так и в поздние сроки структурообразования. Цель исследования заключается в выявлении закономерностей влияния синтезированной торфяной добавки на процессы твердения цементного камня и свойства пенобетона. Материалы и методика эксперимента При проведении лабораторных исследований цементного камня и пенобетона использовались: портландцемент Топкинского цементного завода ЦЕМ I 42,5 Б (ГОСТ 31108-2003); вода водопроводная (ГОСТ 23732-2011), пенообразователь Бенотех ПБ-С (ГОСТ 24211-2008, ТУ 2481-010-587711622007), термомодифицированная торфяная добавка ТМТ600, полученная путем термообработки низинного торфа в реакторе с ограниченным доступом воздуха при температуре 600°С [6]. По химическому составу термомодифицированная добавка представляет собой комплекс углеродных и температуроустойчивых органоминеральных соединений, обеспечивающих армирующий и структурирующий эффекты при твердении цементного камня пенобетона [7, 8]. При определении кратности пенообразования и стабильности пены готовился водный раствор с добавкой пенообразователя в металлическом сосуде, а пена взбивалась пеногенератором в течение трех минут. Подбор состава пенобетонной смеси проводился с учетом требований СН 277-80. Параметры качества пенобетона в соответствии с требованиями следующих национальных, стандартов: предел прочности на сжатие - ГОСТ 10180-2012; плотность - ГОСТ 12730.1-78; водопоглощение -ГОСТ 12730.3-78; показатель пористости - ГОСТ 12730.4-78; коэффициент теплопроводности - ГОСТ 7076-99. Определение коэффициента теплопроводности проводилось с помощью прибора ИТС-1. 36 Формирования структуры пенобетона Электрическая емкость и сопротивление в начальные сроки структурообразования цементного теста нормальной густоты исследовались на прецизионном измерителе RLC Agilent E4890А в диапазоне частот 20 Гц -2 МГц с помощью самодельной конденсаторной измерительной ячейки. Ячейка представляет собой плоский конденсатор, состоящий из двух прямоугольных пластин из нержавеющей стали толщиной 1 мм размерами 51,0 х 39,5 мм. Расстояние между пластинами 9,5 мм. Измерения проводились в течение суток с интервалом 30 мин с помощью программы, написанной в среде LabVIEW. Фото- и киносъемку процессов пенообразования осуществляли с помощью микроскопа EAKINS HD720P. Оценка качества пенобетона осуществлялась по ГОСТ 25485-2019. Результаты и обсуждение Образование припленочного слоя из минеральных частиц (так называемый процесс минерализации пен) связано с механическим упрочнением, или «бронированием», пленок пены частицами твердой фазы и хемосорбционными процессами между молекулами ПАВ и заряженными минеральными частицами. Эффективность действия минеральных добавок на пенную пленку определяется их зарядом поверхности, дисперсностью и формой частиц, наибольшим допустимым расстоянием между ними. Наблюдается сильное хемосорбционное взаимодействие между заряженными воздушными пузырьками и минеральными частицами, которое подтверждается данными по кратности пены (рис. 1). t, мин “ _ Бенотех ПБ-С с ТМТ600 Рис. 1. Зависимость значений кратности пены от времени выдержки 37 И.А. Прищепа, А. И. Кудяков, Ю.С. Саркисов и др. Установлено, что при введении добавки ТМТ600 в пену значения ее кратности в течение 30 мин сопоставимы в сравнении с пеной без добавки. В дальнейшем этот показатель сохраняется в течение времени, соответствующего началу схватывания цементного теста, что является важным фактором в процессе формирования структуры цементного камня. По данным фото- и киносъемки процесса формирования пены с добавкой ТМТ600, микрочастицы торфа интенсивно мигрируют по границам раздела фаз пены, формируются агрегаты достаточно крупных размеров, особенно в узлах ребер Плато-Гиббса (рис. 2). Рис. 2. Формирование структуры пены с добавкой ТМТ600 Узлы каналов Плато-Гиббса Добавка ТМТ600 Газовая фаза Жидкая пленка Добавка ТМТ600 распределяется на границах раздела фаз пенообразователя, где сосредоточена наибольшая нескомпенсированная энергия сил поверхностного натяжения. Массоперенос частиц осуществляется не только диффузионным, но и конвективным путем. Ускоренное перемещение частиц, на наш взгляд, может осуществляться также за счет электростатического взаимодействия зарядов на поверхности как пены, так и торфяной добавки. Геометрия пены имеет преимущественно вид пяти- и шестиугольников. При этом концентрация добавки ТМТ600 в узлах и на поверхности границы раздела фаз пены обеспечивает ее устойчивость. Портландцемент является полиминеральным веществом. В процессе гидратационного твердения портландцемента с модифицирующей добавкой ТМТ600 минералы вступают в химическое взаимодействие с водой. Степень энергетической связи полярных молекул воды в системе и упорядоченность ее структуры определяют важнейшие свойства цементного камня, матрицы пенобетона и в первую очередь механическую прочность. В табл. 1 представлены свойства цементного теста и цементного камня с добавкой ТМТ600. Как видно из табл. 1, при введении добавки ТМТ600 в портландцемент при близких значениях нормальной густоты цементного теста ускоряются сроки схватывания и повышается прочность при сжатии цементного камня в 1, 14, 28-суточном возрасте соответственно на 13,7, 25,6 и 54,2%. 38 Формирования структуры пенобетона Уменьшение сроков схватывания и существенное повышение прочности цементного камня позволяют предполагать, что на ранней стадии гидратации минералов цемента образуются продукты с более высокой степенью дисперсности и кристалличности. Так как концентрация добавки ТМТ600 составляет всего 0,5 мас. % от массы цемента, то можно предположить и ее каталитическое действие на процесс гидратации цемента. Таблица 1 Влияние добавки ТМТ600 на свойства цементного теста и цементного камня Состав ТМТ600, мас. % Нормальная густота, % Сроки схватывания цементного теста, ч:мин Кинетика набора прочности цементного камня, МПа начало конец 1 сутки 14 суток 28 суток Контрольный образец - 26,0 01:20 04:10 14,6 30,9 32,3 С добавкой ТМТ600 0,5 25,6 01:00 03:40 16,6 38,8 49,8 В процессе гидратации цемента, самопроизвольного диспергирования частиц цемента в воде и последующего структурообразования происходят существенные изменения концентрации и подвижности ионов, образующихся на определенной стадии твердения, а также изменения свойств и состава самой жидкой фазы [9-11]. В силу этого измерения электропроводности и диэлектрической проницаемости или связанных с ними величин электрической емкости и сопротивления измерительной ячейки, заполненной твердеющими цементными системами, позволяют достаточно точно оценивать протекающие в них процессы, определять временные интервалы соответствующих этапов структурообразования [12, 13]. Этот метод чувствителен к изменениям водотвердого отношения, температуры смеси и к другим факторам, влияющим на скорость твердения. Электрическая емкость в системе «цемент-вода» является результатом возникновения двойного электрического слоя (ДЭС) на границе раздела фаз «зерно цемента - электролит». Поверхность зерна в первоначальный момент затворения вяжущего водой представляет собой продукты гидратации цемента, а электролит - подвижную водную фазу растворенных ионов. Твердотельная поверхность цементной частицы заряжена отрицательно, а приэлектродный ионный слой, состоящий из плотной положительно заряженной (гельмгольцевской) и диффузной частей, компенсирует избыточный отрицательный заряд поверхности. Следует отметить, что исследования взаимосвязей электрофизических параметров с технологическими и физико-механическими свойствами цементного теста (камня) с добавкой термомодифицированного торфа не проводились. В данной работе представлены результаты суточных измерений изменения электрической емкости (С) и сопротивления (R) цементного теста 39 И.А. Прищепа, А. И. Кудяков, Ю.С. Саркисов и др. контрольных образцов (рис. 3, а) и с добавкой термомодифицированного торфа (рис. 3, б) через часовые интервалы времени. f, Гц f, Гц Рис. 3. Зависимости значений электрической емкости (С) ячейки от частоты f): а - контрольный образец; б - образец с добавкой ТМТ600 в концентрации 0,5 мас. % Согласно рис. 3, наибольшие временные изменения электрической емкости обоих образцов происходят на частотах до ~ 1 000 Гц. Далее они существенно снижаются. Величины сопротивления R (рис. 4, а, б) в обоих случаях быстро уменьшаются на частотах до ~ 100 Гц, а затем меняются слабо с ростом частоты. Минимальные величины R ~ 17 Ом на частотах > 200 Гц имеют контрольные образцы. С ростом времени выдержки наблюдается увеличение сопротивления у обоих образцов, однако у образца с добавкой ТМТ600 сопротивление растет быстрее и после суточной выдержки в два раза превышает величину R контрольного образца (см. рис. 4, б). 0 60 1000 10000 100000 1000000 f, Гц 0 100 250 - 225 200 - 175 1502 . 0 125 - 01 100 - 75 50 25 0 .................. '''ІІІІіІІІІІІІІІІІІІІІІІІІІІІІІІІІІІІИіІ 'III НН III III INI III III nil III III INI I 10 100 1000 10000 100000 1000000 f, Гц Рис. 4. Зависимости значений сопротивления (R) ячейки от частоты (f): а - контрольный образец; б - образец с добавкой ТМТ600 в концентрации 0,5 мас. %. Разное время измерений выделено цветом маркеров В связи с вышеизложенным анализ временных зависимостей емкости и сопротивления для исследованных образцов был проведен для частоты 200 Гц. Результаты измерений представлены на рис. 5. 40 Формирования структуры пенобетона 200 Hz ■ 200 Hz t, мин t, мин Рис. 5. Кинетика изменения емкости (а) и сопротивления (б) в системе «цемент-вода» в первоначальные сроки твердения: 1 - контрольный образец; 2 - образец с добавкой ТМТ600 в концентрации 0,5 мас. %. Разное время измерений выделено цветом маркеров Согласно рис. 5, а, в начале выдержки (с момента затворения цемента водой) наблюдается рост емкости как контрольного образца, так и образца с добавкой до времени ~ 200 мин. После прохождения максимума величины С наблюдается снижение в течение всего времени эксперимента. Причем если у контрольного образца емкость убывает плавно, то у образца с добавкой ТМТ600 процесс убывания величины емкости происходит гораздо быстрее, с резким падением при временах выдержки ~ 300 мин. Меньшее значение электрической емкости образца с добавкой ТМТ600 по сравнению с контрольным в первоначальный момент времени можно объяснить тем, что в плотный слой Г ельмгольца наряду с противоионами первоначально встраиваются и объемные частицы торфяной добавки. При этом в электролите уменьшается число заряженных частиц. Это подтверждается данными рис. 5, б, который показывает существенное увеличение сопротивления раствора электролита при введении добавки ТМТ600. На зависимости R = f(t) образца с добавкой в момент времени ~ 300 мин наблюдается скачок сопротивления образца, тогда как зависимость R = ft) контрольного образца не имеет особенностей. В основе этих явлений лежат процессы растворения, гидратации, гидролиза, диспергирования, кристаллизации, ионного обмена, адсорбции и укрупнения частиц. Увеличивается доля связанных между собой новообразований, изменяется состояние воды, и, как следствие, концентрация высокоподвижных ОН- и Н+ ионов уменьшается [12]. Указанные и ряд других многочисленных процессов, протекающих в твердеющей системе, могут совершаться скачкообразно, по мере накопления критической массы химических продуктов в коллоидном и (или) аморфно-кристаллическом состояниях, что и отражается на кривых рис. 5, особенно заметных на образцах с торфяной добавкой. Следует отметить, что в настоящее время сложно выделить процессы, наиболее ответственные за изменение электрической емкости и сопротивления твердеющей цементной системы. Что касается изменений значений емкости и частоты, то здесь как для контрольного, так 41 И.А. Прищепа, А. И. Кудяков, Ю.С. Саркисов и др. и для модифицированного образца наблюдается существенное уменьшение значений электрической емкости на частотах выше 1 200 Гц (см. рис. 4, а, б). Учитывая этот факт, можно предположить, что поворот таких частиц в ДЭС не успевает следовать за частотой изменения внешнего потенциала. Для пенобетонных смесей важной характеристикой является показатель удобоукладываемости. Однако в ряде случаев не менее важным показателем является и пластическая прочность, например для определения момента распалубки отформованных изделий, что на практике поможет существенно скоординировать временные интервалы при проведении пенобетонных работ или по реологическим кривым выполнить анализ структуры композитных систем [14, 15] и др. Оценку влияния добавки ТМТ600 на интенсивность межчастичных взаимодействий, возникающих сразу после завершения перемешивания компонентов в исследуемых дисперсно-зернистых системах, осуществляли по величине пластической прочности (Р) (рис. 6). t, мин Пенобетон _ _ Пенобетон с TMT 600 Рис. 6. Пластическая прочность пенобетонной смеси Из полученных результатов можно сделать вывод, что пенобетонные смеси с добавкой ТМТ600 в начальные сроки твердения имеют более высокие показатели пластической прочности, которые через 3 ч твердения увеличиваются по сравнению с контрольными составами на 65%. Данные результаты можно объяснить тем, что при введении добавки ТМТ600 в пенобетонную смесь дополнительно поризуются межпоровые 42 Формирования структуры пенобетона перегородки, что, с одной стороны ведет к увеличению пластической прочности смеси, а с другой - к уплотнению частиц в межпоровых перегородках, т.е. к появлению стесненного состояния при гидратации цемента. Таким образом, введение в пенобетонную смесь добавок ТМТ600 позволяет ускорить процесс начального структурообразования пенобетона, повысить агрегативную устойчивость пенобетонных смесей. Смеси, содержащие тонкодисперсную добавку, не имеют признаков расслоения и усадки. Т аблица 2 Физическо-механические свойства пенобетона Свойства пенобетона Контрольный С добавкой ТМТ600 Средняя плотность, кг/м3 660,0 633,0 Пористость, %: общая 37,2 50,2 открытая 33,2 22,5 закрытая 4,2 27,7 Водопоглощение, %: по объему 33,2 22,5 по массе 50,8 39,2 Теплопроводность, Вт/мК 0,12 0,09 Предел прочности при сжатии, МПа 2,6 3,45 Экспериментальные исследования влияния добавки ТМТ600 на свойства пенобетона представлены в табл. 2. Заключение Исследованы физико-химические и электрофизические свойства пенобетонной смеси при введении активного пористого минерального дисперсного наполнителя в виде термодифицированного торфа в концентрации 0,5 мас. %. Показано, что путем регулирования электрофизических параметров строительной смеси можно эффективно управлять свойствами пенобетона как в ранние, так и в поздние сроки структурообразования. По результатам проведенных исследований установлено, что введение термомодифицированной добавки приводит к ускорению сроков схватывания цементного теста, повышению прочности при сжатии цементного камня, увеличению общей и закрытой пористости, уменьшению теплопроводности пенобетона.

Скачать электронную версию публикации