Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
The published work presents an X-ray phase analysis of non-autoclaved foam concrete. According to the results of X-ray phase analysis of non-autoclaved foam concrete, it was found that by 56 days of normal hardening, further reactions of cement hydration and binding of $Ca(OH)_2$ occur, reflections of tobermorite-like low-basic calcium hydrosilicates CSH (II) increase with d = (3.07; 2.10 ) Å, which are involved in the hardening process, which consists in the monolithic foam concrete matrix, the formation of a glossy porous layer, the healing of defects in the interpore partitions, which leads to a significant increase in the operational characteristics of the material.
foam concrete, cement, fly ash, mineral, structure, X-ray, normal hardening, heat and moisture treatment, HMT, calcium hydrosilicate, CSH, ettringite
Введение
На сегодняшний день технология неавтоклавного пенобетона является весьма перспективной, а ее дальнейшее развитие, несомненно, имеет огромное практическое значение, однако существует ряд задач, требующих как научного, так и организационно-технического решения [1, 2].
К современным проблемам улучшения качества неавтоклавных пенобетонов относят:
- совместимость пенообразующих и водоредуцирующих химических добавок, а также их влияние на вяжущее;
- стабильность пен и пенобетонной массы;
- отсутствие тепловых агрегатов на существующих производственных линиях по изготовлению пенобетона;
- недостаточный профессиональный уровень обслуживающего персонала при производстве пенобетонов;
- отсутствие в оснащении технологических линий необходимой технологической документации.
Для улучшения качества пенобетона неавтоклавного твердения и ускорения строительства, ведущее к снижению расходов на материалы, применяют комплекс добавок: пенообразующие, водоредуцирующие и ускоряющие схватывание химические добавки, которые далеко не всегда могут быть совместимыми друг с другом.
При выборе вяжущего наибольшее предпочтение следует отдавать высокодисперсному портландцементу с низким содержанием алита (С3S). При получении пенобетона преимущественно используют цементы марок ЦЕМ I 42,5 Н, ЦЕМ I 52,5 Н.
К проблемам улучшения качества стоит также отнести выбор технологических приемов для неавтоклавного пенобетона, обеспечивающих высокую устойчивость пены и пенобетонной смеси, так как необходимым условием получения пенобетона высокого качества является стабильность пены в изготовленной пенобетонной массе.
При проектировании составов пенобетона зачастую прогнозируют и физико-механические показатели пенобетона. На сегодняшний день используют искусственную нейронную сеть, искусственный интеллект [3-6], а также регрессионный анализ на основе эмпирических зависимостей [7]. Результаты полученных данных могут быть подтверждены с помощью специальных методов физико-химического анализа, в том числе рентгенофазовым анализом.
Объекты и методы исследования
Объектом исследования являются пенобетоны неавтоклавного твердения на основе портландцемента и золы-уноса из смесей с низким водотвердым отношением.
Процессы структурообразования пенобетонов исследовались методом рентгенофазового анализа с помощью установки «Дрон-4-07». Условия съемки дифрактограмм для всех образцов одинаковые: медное излучении λκα1=1,5405 Å при ускоряющем напряжении 27 кВ и токе 15 мА. Щели для съемки 0,5×4×0,25 мм (0,5 – вертикальная коллимационная щель; 4 – горизонтальная коллимационная щель; 0,25 – щель на детекторе). Для отфильтровывания Кβ излучения использовали Ni фильтр. Съемка дифрактограмм осуществлялась в пошаговом режиме (2θ = 10-80 с шагом 0,1 и время экспозиции 5 с), трубка – БСВ27. Работа с полученными значениями интенсивностей основных минералов пенобетона выполнена в программном комплексе «Match! – Phase Identification from Powder Diffraction», а также со стандартными таблицами идентификационных характеристик [8, 9].
Результаты исследований
Исследование продуктов гидратации пенобетонов плотностью D600, представлены в 28 и 56 суток нормального твердения, а также после проведения тепловлажностной обработки (ТВО). Составы исследуемых пенобетонов приведены в таблице 1. Интенсивность дифракционных отражений минералов представлена в таблице 2.
Таблица 1.
Составы неавтоклавных пенобетонов D600 на 1м3
|
№ п/п |
Состав |
В/Т |
Ц, кг |
ЗУ, кг |
Хемикс Art-2, кг |
СН, кг |
ПО, кг |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
1 |
Контрольный, 100% Ц |
0,42 |
522 |
- |
- |
- |
1,0 |
|
2 |
50% Ц + 50% ЗУ+ +1,1%Хемикс +1%СН |
0,35 |
261 |
261 |
2,87 |
2,61 |
1,0 |
Рис. 1. Рентгенограммы: а) состав №1 в возрасте 28 суток нормального твердения, б) состав №1 в возрасте 56 суток нормального твердения,
в) состав №1 после ТВО, г) состав №2 в возрасте 28 суток нормального твердения, д) состав №2 в возрасте 56 суток нормального твердения, е) состав №2 после ТВО
Таблица 2.
Интенсивность дифракционных отражений минералов
|
2Q, град. |
d, Å |
Интенсивность рефлексов для образцов неавтоклавного пенобетона |
|||||
|
100% Ц, В/Т=0,42 |
50% Ц+50% ЗУ+1,1% «Art-2»+1% СН, В/Т=0,35 |
||||||
|
Нормальное твердение |
ТВО |
Нормальное твердение |
ТВО |
||||
|
28 сут. |
56 сут. |
28 сут. |
56 сут. |
||||
|
54CaO×16SiO2×Al2O3×MgO - алит |
|||||||
|
26,75 |
3,35 |
38,09 |
33,30 |
37,14 |
137,30 |
133,70 |
39,68 |
|
31,80 |
2,77 |
132,93 |
70,63 |
130,95 |
186,50 |
59,52 |
184,92 |
|
49,78 |
1,83 |
65,87 |
29,36 |
69,04 |
33,65 |
71,82 |
99,04 |
|
62,45 |
1,48 |
69,52 |
- |
77,77 |
59,52 |
34,12 |
61,90 |
|
$Ca(OH)_2$ - портландит |
|||||||
|
17,84 |
4,93 |
577,78 |
298,90 |
530,15 |
418,41 |
283,33 |
- |
|
28,50 |
3,11 |
73,01 |
- |
104,52 |
52,22 |
- |
- |
|
33,94 |
2,63 |
416,66 |
305,39 |
634,92 |
334,76 |
184,92 |
122,06 |
|
47,02 |
1,93 |
260,79 |
271,50 |
344,60 |
213,65 |
134,12 |
107,22 |
|
64,09 |
1,45 |
57,93 |
44,44 |
78,73 |
50,00 |
26,98 |
45,79 |
|
71,67 |
1,31 |
41,26 |
35,71 |
40,71 |
39,84 |
33,65 |
- |
|
CSH (II) |
|||||||
|
29,21 |
3,07 |
164,20 |
535,15 |
164,84 |
283 |
436,50 |
386,11 |
|
43,11 |
2,10 |
- |
171,90 |
45,79 |
95,23 |
144,12 |
97,33 |
|
CSH (I) |
|||||||
|
54,17 |
1,68 |
76,19 |
49,44 |
72,30 |
67,46 |
- |
- |
|
60,53 |
1,53 |
- |
48,80 |
- |
53,96 |
52,53 |
49,20 |
|
$CaCO_3$ |
|||||||
|
36,29 |
2,49 |
39,68 |
93,96 |
30,95 |
57,93 |
65,83 |
- |
|
60,53 |
2,27 |
59,52 |
169,20 |
54,20 |
94,28 |
155,5 |
- |
|
3CaOAl2O3·3CaSO4·32H2O - эттрингит |
|||||||
|
41,10 |
2,20 |
59,92 |
62,85 |
63,33 |
71,90 |
97,93 |
107,77 |
|
50,64 |
1,76 |
126,20 |
96,41 |
58,73 |
73,80 |
90,63 |
65,87 |
На основании проведенного сравнительного анализа вяжущих композиций в 28 суток нормального твердения (рис.1а) рефлекс d = 4,93Å, присущий портландиту Ca(OH)2, к 56 суткам нормального твердения (рис.1б) уменьшается, а рефлекс гидросиликата кальция CSH (II) с d = 3,07 Å стал более высоким и острым, что вероятно связано с лучшей закристаллизованностью композиции.
При пропаривании данного состава (рис.1в), рефлексы портландита Ca(OH)2 с d = (2,63; 1,93) Å выражены более четко, а рефлекс d = 4,93 Å практически не изменился в сравнении с 28 сутками нормального твердения, интенсивность и четкость рефлексов гидросиликатов кальция слабая.
Анализ рентгенограмм пенобетона пониженной водопотребности в возрасте 28 суток нормального твердения (рис.1г) показал, что интенсивность дифракционных рефлексов, присущих портландиту Са(ОН)2 с d = (4,93; 3,11; 2,63; 1,93; 1,45; 1,31) Å, уменьшается относительно состава №1, что является следствием его связывания в мелкозернистые кристаллы гидросиликатов кальция, прорастающих в массе кремнеземистого компонента и дополнительно уплотняет, а значит и упрочняет структуру пенобетонного композита. К 56 суткам нормального твердения (рис.1д), происходит дальнейшее протекание реакций гидратации цемента и связывание Са(ОН)2, увеличиваются рефлексы гидросиликата кальция CSH (II) с d = (3,07; 2,10) Å, наблюдается дальнейшее уменьшение рефлексов Са(ОН)2 с d = (4,93 2,63 1,93 1,45 1,31) Å.
После тепловлажностной обработки пенобетона пониженной водопотребности на рентгенограмме (рис.1.е) отсутствуют рефлексы Са(ОН)2 с d = (4,93; 3,11) Å и CaCO3 с d = (2,49; 2,27) Å, а рефлексы, принадлежащие гидросиликатам кальция CSH (II) с d = (3,07; 2,10) Å меньше чем в 56 суток, но больше чем 28 суток нормального твердения.
Выводы
Пенобетон из смесей низкой водопотребности состава №2 имеет более сложную минеральную структуру в сравнении с составом №1 из-за большего вовлечения в формирование связей химического потенциала цемента, кремнеземистого компонента и химических добавок. Достаточная прочность и низкая усадка данного состава обеспечивается за счет формирования тоберморитоподобных низкоосновных гидросиликатов кальция и расширяющего действия эттрингита.
1. Netsvet, D. D. Approaches to increasing the efficiency of non-autoclaved cellular concretes / D. D. Netsvet, M. N. Sivalneva, K. S. Sivalnev // Architectural and construction and road transport complexes: problems, prospects, innovations : Collection of materials of the VI International Scientific and Practical Conference, Omsk, November 25-26, 2021. - Omsk: Siberian State Automobile and Road University (SibADI), 2021. - P. 404-408. - EDN RZEEPJ.
2. Kurbatov, V. L. Application of cellular concrete in modern construction / V. L. Kurbatov, I. A. Degtev, Yu. V. Denisova // Universitetskaya nauka. - 2022. - No. 1(13). - S. 64-67. - EDN FQDFKU.
3. M. Nehdi, Y. Djebbar, and A. Khan, “Neural network model for preformed-foam cellular concrete,” ACI Materials Journal, vol. 98, no. 5, pp. 402-409, 2001.
4. A. Baykaso˘glu, H. GЁullЁu, H. Zanakzı, and L. Ё Ozbakır, “Prediction of compressive and tensile strength of limestone via genetic programming,” Expert Systems with Applications, vol. 35, no. 1-2, pp. 111-123, 2008.
5. T. Nguyen, A. Kashani, T. Ngo, and S. Bordas, “Deep neural network with high-order neuron for the prediction of foamed concrete strength,” Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering, vol. 34, pp. 316-332, 2019.
6. Z. M. Yaseen, R. C. Deo, A. Hilal et al., “Predicting compressive strength of lightweight foamed concrete using extreme learning machine model,” Advances in Engineering Software, vol. 115, pp. 112-125, 2018.
7. ACI Committee 523, Guide for Cast-in-Place Lowdensity Cellular Concrete, Farmington Hills, MI, USA, 2006.
8. Gorshkov, V.S. Methods of physico-chemical analysis of binders [Text] / V.S. Gorshkov, V.V. Timashev, V.G. Saveliev. - Moscow: High School, 1981. - 335 p.
9. Powder Diffraction File, inorganic phases. - international centre for diffraction data. - USA: JCPDS, 2003.
