От гипсоглиноземистого расширяющегося цемента к напрягающему цементу. Изменение кинетики расширения

Аннотация

И.В. Резван, А.В. Резван

Дата поступления статьи: 18.11.2013

Приведен состав, основные свойства и сферы применения двух основных типов расширяющихся вяжущих, исторически получивших наибольшее распространение в России: гипсоглиноземистого расширяющегося цемента и напрягающего цемента В.В. Михайлова. Рассмотрена кинетика расширения вяжущих в диапазоне от гипсоглиноземистого расширяющегося цемента к напрягающему цементу. Показана роль извести как добавки и как продукта гидратации портландцемента в процессе расширения. Рассмотрены негативные последствия избытка извести. Предложены критерии оптимизации кинетики расширения, направленные на получение проектного расширения в возрасте до 10 дней без внесения дополнительных химических добавок.

Ключевые слова: гипсоглиноземистый расширяющийся цемент, напрягающий цемент, кинетика расширения, известь

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

В ХХ веке в нашей стране получили распространение два основных типа расширяющихся вяжущих: гипсоглиноземистый расширяющийся цемент (ГГРЦ) и напрягающий цемент В.В. Михайлова (НЦ).
Как известно, ГГРЦ [1, 2] состоит из глиноземистого клинкера (ГЦ) и гипсового камня, молотых совместно в пропорции 70:30, что обеспечивает компенсацию усадки или даже незначительное расширение. Кроме того ГГРЦ обладает такими положительными свойствами как высокая водонепроницаемость и скорость твердения. Однако, для получения самонапряжения в железобетонных конструкциях ГГРЦ, как правило, не применяется. Сферой его применения ограничивается в основном устройством водонепроницаемых конструкций и заделкой всевозможных щелей и трещин, что вызвано кроме всего прочего высокой стоимостью основного компонента - глиноземистого клинкера.
Основным материалом для получения самонапряженных железобетонных конструкций исторически служит НЦ В.В. Михайлова [3 - 8], состоящий из портландцементного клинкера (ПЦ) и расширяющей добавки (РД) в пропорции примерно 75:25. РД аналогична по составу ГГРЦ при несколько меньшем содержании глиноземистого клинкера и возможном содержании извести до 2%. В отличие от ГГРЦ, расширение которого происходит в основном  в пределах первых трех суток, длительность процесса расширения НЦ может очень сильно варьироваться в зависимости от состава. При сохранении пропорции компонентов РД, аналогичной пропорции компонентов ГГРЦ, расширение НЦ может происходить достаточно быстро, но оставаться в пределах 0,1-0,2%. В тоже время попытки увеличить итоговое значение относительного расширения, заключающиеся в некотором смещении массового отношения компонентов РД в сторону увеличения доли гипса или внесения до 2 % извести приводят к затягиванию процессов расширения и достижения проектных величин за пределами возраста 28 суток при отсутствии возможности ТВО.
В тоже время за рубежом уже очень давно применяются расширяющиеся и напрягающие сульфоалюминатные вяжущие [9, 10], состав которых по существу отличается от состава ГГРЦ лишь наличием извести. Это еще раз подтверждает, что именно известь, образующаяся как продукт гидратации ПЦ или вносимая в чистом виде, отвечает за активизацию процесса расширения РД. К сожалению, избыток извести, способный при характерном для НЦ содержании РД оказывать некоторый положительный эффект в виде увеличения итоговой величины расширения приводит не только к затягиванию этих процессов[5], но и к снижению итоговой прочности цементного камня.
Соответственно на ряду с поисками механизма нейтрализации избыточной извести в НЦ [4,5,6], позволяющего с одной стороны затормозить процессы расширения до формирования минимально прочности цементного камня для восприятия внутреннего распора, а с другой ограничить их развитие марочным возрастом, возникает проблема поиска диапазона оптимального массового отношения ПЦ и РД с точки зрения получения проектного расширения в первые дни твердения. Так изменение пропорции между глиноземистым клинкером и гипсовым камнем до верхней границы диапазона, характерного для РД НЦ (путем уменьшения содержания ГЦ при сохранении его избытка) без добавки ПЦ приводит к замедлению набора прочности и избыточному расширению вплоть до саморазрушения.
В тоже время из рис. 1 очевидно, что действуя как ускоритель твердения, небольшое количество извести 2-4% стабилизирует систему «ГЦ + гипсовый камень», обеспечивая набор некоторого минимума прочности для восприятия внутреннего распора от образования эттрингита. Дальнейшее увеличение доли извести в системе приводило к активизации процессов расширения после погружения образцов в воду, что при отсутствии сдерживающей матрицы в виде продуктов гидратации ПЦ являлось причиной разрушения. До погружения образцов в воду четко прослеживался эффект ускорения схватывания и твердения с увеличением дозировки извести.

Рис.1. Влияние массовой доли извести на кинетику расширения гипсоглиноземистого вяжущего начиная с момента распалубки и погружения образцов в воду при соотношении масс ГЦ и гипсового камня 65:35.

Соответственно представляется логичным ввести нижний порог диапазона отношения масс ПЦ:РД из условия выделения в процессе гидратации ПЦ количества извести необходимого для стабилизации набора прочности РД, чтобы РД не являлась лишь источником исходных продуктов для образования эттрингита, но и вносила соответствующий вклад в набор прочности системы. Исходя из аналогичных побуждений, следует определять и верхний порог рассматриваемого диапазона, чтобы образование извести при гидратации минералов ПЦ не было избыточным и образование эттрингита не носило выраженный деструктивный характер для всей системы.
При подобном подходе следует учитывать, что количество и интенсивность выделения извести при гидратации ПЦ зависят от содержания основных минералов, таких как алит и белит, и будут индивидуальны для ПЦ различных заводов. Соответственно при стремлении к удешевлению продукта, т.е. минимизации массовой доли ГЦ как компонента РД в его составе следует предпочесть ПЦ с пониженным содержанием алита.
Достижение верхнего порога диапазона отношения масс ПЦ:РД при очень четко прослеживается по изменению характера кинетики расширения композиции (рис.2).

Рис.2. Влияние массовой доли ПЦ (завод «Пролетарий» в НЦ и пропорции компонентов РД (глиноземистого цемента Isidac-40 (ГЦ) и двуводного гипса (Г) ГЦ:Г 65:35 до 46:54): а) НЦ-1-1 – НЦ1-4: при доле ПЦ от 15% до 40% составы обладали минимальным сроком расширения с четкой последующей стабилизацией, б) НЦ2-1, НЦ-2-2: при доле ПЦ от 40% до 67% большая часть составов имела значительно более длительный срок расширения, в) НЦ3-1: при доле ПЦ 67% и более многие составы показали обратную кривизну графика расширения при длительном деформировании.

Для приведенного примера, очевидно, что доведение уровня содержания ПЦ до 67% и более может представлять определенную опасность при неконтролируемом увлажнении системы за пределами марочного возраста. Соответственно при проектировании составов, способных достигать проектную величину расширения в возрасте до 10 суток с последующей стабилизацией собственных деформаций наиболее простым способом является ограничение уровня содержания ПЦ завода «Пролетарий» на уровне 15-40% с поправкой на конкретную пропорцию масс компонентов РД. Очевидно, что использование данного цемента не позволяет минимизировать расход ГЦ для поставленных целей без дополнительных усилий по физико-химическому регулированию процессов расширения.
Тем не менее, составы, описанные выше обладают большей экономической эффективностью, чем гипсоглиноземистое вяжущее с добавкой извести, а их собственные деформации носят более предсказуемый характер вследствие меньшего влияния погрешности дозировки компонентов.

Литература:

1. Виноградова Е.В. Высокопрочный быстротвердеющий бетон с компенсированной усадкой: Дисс. ...канд. техн. наук: 05.23.05. – Ростов-на-Дону, 2006. - 216 с.
2. ГОСТ 11052-74. Цемент гипсоглиноземистый расширяющийся [Электронный ресурс] //http://www.gosthelp.ru/gost/gost17086.html (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. Рус.
3. Моргун. В.Н. Роль расширяющих добавок в управлении свойствами пенобетонов [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2009, №3. – Режим доступа: http://ivdon.ru/magazine/archive/n3y2008/90 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. Рус.
4. Резван И.В. Самоуплотняющийся высокопрочный напрягающий бетон для трубо-бетонных колонн // Строительные материалы. – 2012. – № 6. – С. 60 - 62.
5. Резван И.В., Резван А.В. О возможности физико-химического регулирования кинетики самонапряжения НЦ [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, №4, часть 1. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4p1y2012/1128  (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. Рус.
6. Резван И.В. Трубобетонные колонны из высокопрочного самоуплотняющегося напрягающего бетона: Дисс. ...канд. техн. наук: 05.23.05, 05.23.01. – Ростов-на-Дону, 2012. - 203 с.
7. ТУ 5734-072-46854090-98. Цемент напрягающий[Электронный ресурс] //http://www.gosthelp.ru/gost/gost17086.html (доступ платный) – Загл. с экрана. – Яз. Рус.
8. Чмель Г.В. Модифицирование расширяющихся вяжущих веществ с целью управления собственными деформациями и прочностью бетонов: Дисс. ...канд. техн. наук: 05.23.05. – Ростов-на-Дону, 2004. - 179 с.
9. Matusumoto S. Expansive Additive for Cement. CEER (May 1970) P. 220
10. Yan Fu, Jian Ding, J.J. Beaudoin. Expansion characteristics of a compounded-expansive additive and pre-hydrated high alumina cement based expansive additive // Cement and Concrete Research, Volume 25, Issue 6, August 1995.- P. 1295-1304