Effect of cement activity on kinetics of wood-cement composite hardening and strength

Full Text

Определяющей особенностью кинетики твердения и прочности древесно-цементных композиционных материалов (арболита, фибролита, цементно-стружечных плит и др.) является влияние экстрактивных веществ древесного заполнителя на процессы гидратации и твердения цемента. По своей природе органический заполнитель и цемент антагонистичны [1–6].

Под воздействием воды и высокощелочной жидкой фазы цемента так называемые экстрактивные вещества древесины — элементы, содержащиеся в древесине (сахара, дубильные вещества, органические кислоты, пектины, крахмал), переходят в раствор древесно-цементного композита и отрицательно влияют на процессы гидратации и твердения портландцементов [3, 5–10]. Наибольшее отрицательное влияние на процессы гидратации и твердения цемента оказывают моносахара, которые активно замедляют скорость схватывания и твердения цемента, а при их высокой концентрации прекращаются процессы гидратации цемента. Экстрактивные вещества древесины рассматриваются как поверхностно-активные, которые образуют вокруг зерен цемента гидрофильные адсорбционные слои, тормозящие дальнейшее растворение и тем самым замедляющие гидратацию цемента, а также задерживающие образование кальцийсодержащих новообразований. Механизмы действия углеводов на процессы гидратации и твердения цемента до настоящего времени изучены недостаточно [4, 11–15].

В настоящее время в качестве минеральных вяжущих веществ для производства древесно-цементных композиционных материалов — рекомендуется использовать портландцемент и сульфатостойкий цемент (кроме пуццоланового) [6, 16–22], который должен соответствовать требованиям ГОСТ Р 31108–2020 и ГОСТ Р 22266–2013 и быть не ниже марок: 300 — для изготовления теплоизоляционных древесно-цементных композитов и 400 — для композитов конструкционного назначения.

Прочность древесно-цементных композитов зависит от расхода, вида и марки вяжущего вещества, других составляющих и технологии.

Одним из основных технологических факторов при производстве древесно-цементных композитов, определяющий их конечные физико-механические характеристики, является процесс тепловой обработки изделий.

Повышение прочности древесно-цементных композитов в ходе тепловой обработки зависит не только от температурно-влажностных условий, но и от особенностей твердения использованных для их изготовления видов цемента. В настоящее время не установлена обобщенная физико-механическая зависимость прочности древесно-цементных композитов, которая бы учитывала влияние расхода цемента, вида и его марки, поскольку прочность цементного камня очень сложным образом зависит от «истинного» водоцементного отношения, содержания сахаров, в первую очередь вблизи адгезионного слоя — наиболее слабого места в структуре композита. Оценку их проектируемой прочности можно провести прежде всего экспериментальным путем.

Прочность древесно-цементного композита так же, как и прочность бетона [4–8, 26, 33, 34, 36] растет с повышением марки цемента, увеличением его расхода. В отличие от бетона, произведенного на минеральных заполнителях, прочность древесно-цементного композита в возрасте 28 сут. существенно изменяется при использовании цемента от разных заводов-изготовителей [16, 17, 23–25, 29–32]. Изменение прочности древесно-цементного композита при применении цемента одной марки, но от разных заводов-изготовителей, по-видимому, можно объяснить различным влиянием на цемент замедлителей твердения — экстрактивных веществ древесины [1, 4–6, 15, 26, 35]. Критерии оценки эффективности использования рядовых видов цемента для изготовления древесно-цементного композита в настоящее время не разработаны. Не существует единого мнения о классификации видов цемента как по минеральному, так и по химическому составу, наиболее эффективному при тепловой обработке. В нормативных документах установлено требование только по марке цемента, что не может обеспечить точность прогноза прочности древесно-цементного композита.

Эффективность цемента в условиях тепловой обработки бетона определяется минералогическим составом клинкера и степенью его закристаллизованности, видом и количеством вводимых при помоле добавок, тонкостью помола минерального вяжущего и его гранулометрическим составом; тепловыделением цемента в момент твердения и т. д.

Для оценки эффективности видов цемента при тепловой обработке бетона используется предложенный Научно-исследовательским, проектно-конструкторским и технологическим институтом бетона и железобетона (НИИЖБ) коэффициент пропаривания (k_п), определяемый по выражению

$k_{п}=\frac{R_{ц.п}^{}}{R_{ц}^{28}},$ (1)

где k_п — коэффициент эффективности пропаривания;

R_ц.п — активность цемента при пропаривании, МПа;

$R_{ц}^{28}$ — активность цемента нормального твердения в возрасте 28 сут. по ГОСТ 310.4–81.

В зависимости от коэффициента пропаривания все виды цемента разделены на группы эффективности при пропаривании:

I — высокоэффективный цемент, k_п > 0,68;

II — среднеэффективный цемент, k_п = 0,57 ‒ 0,67;

III — низкоэффективный цемент, k_п = < 0,56.

При этом виды цемента близкого минерального состава могут иметь абсолютно разные значения коэффициента пропаривания, и, наоборот, — близкие значения коэффициента пропаривания имеют различные по минеральному составу виды цемента. Для цемента, выпускаемого одним предприятием, коэффициент пропаривания не зависит от марки цемента [4].

Для производства древесно-цементных композитов эти особенности обусловлены минеральным, вещественным и гранулометрическим составом цемента, его дисперсностью, тепловыделением, влиянием на него повышенного количества экстрактивных веществ древесины, структурой и степенью закристаллизованности клинкеров и т. д.

Количественную характеристику кинетической направленности цемента при твердении в условиях температурно-влажностной обработки отражает коэффициент пропаривания.

Применение цемента с высоким значением коэффициента пропаривания позволяет снизить температуру температурно-влажностной обработки бетона, и, наоборот, при использовании цемента с низким значением коэффициента пропаривания необходимо удлинять цикл при повышенных значениях температуры [17].

Низкие допустимые значения температуры тепловой обработки древесно-цементного композита и повышенная концентрация замедлителей твердения ограничивают скорость роста прочности материала. При этом высокое значение требуемой распалубочной прочности в суточном цикле твердения исключает варьирование температуры прогрева для оптимизации режима. Температуру изотермического выдерживания целесообразно поддерживать на предельно допустимом максимальном уровне.

В этой ситуации использование цемента с высокой скоростью начального твердения в древесно-цементном композите приобретает актуальность и служит одним из важных путей ускорения твердения. Однако по материалам выполненных ранее работ [10, 19, 27, 28] можно предположить, что ускоренное твердение цемента влияет на повышение прочности в древесно-цементном композите как в процессе тепловой обработки, так и в проектном возрасте. При этом возможно изменение эффективности их использования при температурно-влажностной обработке древесно-цементного композита. Виды цемента, позволяющие тяжелому бетону достигать в определенном температурном режиме бóльшую долю прочности относительно прочности, достигаемой в проектном возрасте, по сравнению с менее эффективными видами, у древесно-цементного композита могут утратить эту способность.

Цель работы

Цель работы — рассмотрение способа повышения прочностных свойств древесно-цементных композитов и совершенствование технологии их производства путем влияния активности цемента на кинетику твердения в режиме температурно-влажностной обработки.

Материалы и методы

На основе классификации видов цемента по эффективности при пропаривании, приведенной в работах [4, 6, 14, 16, 17], были выбраны марки цемента от следующих производителей:

• «Щуровский цемент» и «Воскресенскцемент» — высокоэффективные;
• «Себряковцемент» и «Белгородский цемент» — среднеэффективные;
• «Вольскцемент» — низкоэффективные.

Характеристика прочностных свойств видов цемента, использованных при проведении исследований, и значения коэффициентов пропаривания приведены в таблице.

 

Активность цемента и коэффициенты пропаривания

The activity of cements and their efficiency coefficients during steaming

Завод-изготовитель цемента	Активность цемента		Коэффициент пропаривания, kп
	нормального твердения в 28 сут. $R_{ц}^{28}$, МПа	при пропаривании, Rц.п, МПа
«Щуровский цемент»	42,9	32,6	0,76
«Воскресенскцемент»	40,6	27,6	0,68
«Себряковцемент»	51,1	31,2	0,61
«Белгородский цемент»	42,6	25,1	0,59
«Вольскцемент»	36,9	20,7	0,56

 

Образцы древесно-цементного композита (арболита) подвергались температурно-влажностной обработке — прогревались в режиме, исключающем потерю прочности в проектном возрасте при максимальном ускорении в период теплового воздействия:

• предварительная выдержка до подъема температуры среды — 4 ч;
• скорость подъема температуры среды — 10 °С/ч при относительной влажности в этот период 20…40 %;
• температура и относительная влажность среды при изотермической выдержке — соответственно 45 °С и 80…96 % (высокая относительная влажность среды обеспечивала разогрев образцов до температуры, близкой к температуре среды);
• максимальная продолжительность температурно-влажностной обработки — 48 ч.

Для возможности сравнения результатов прочности прогретого арболита, полученных в различных режимах тепловой обработки, экспериментальные данные сопоставлялись в показателях относительной прочности:

$r_{отн}=\frac{R_{т.о}}{R_{н.т}^{28}};$ (2)

$r_{отн}^{28}=\frac{R_{т.о}^{28}}{R_{н.т}^{28}};$ (3)

где r_отн и $r_{отн}^{28}$ — относительная прочность арболита на сжатие, прошедшего тепловую обработку и твердевшего после окончания температурно-влажностной обработки в нормальных условиях соответственно 28 сут. и 4 ч, %;

R_т.о, $R_{т.о}^{28}$ — прочность образцов арболита на сжатие, прошедшего тепловую обработку и твердевшего после окончания температурно-влажностной обработки в нормальных условиях соответственно 28 сут. и 4 ч, МПа;

$R_{н.т}^{28}$ — прочность арболита на сжатие нормального твердения в возрасте 28 сут., МПа.

Анализ результатов экспериментов по значениям относительной прочности позволяет исключить влияние колебаний среднего значения плотности образцов, формуемых для разных экспериментов по температурно-влажностной обработке, на кинетику твердения арболита в процессе прогрева и потери прочности после его окончания.

Результаты и обсуждение

Результаты исследований по влиянию активности цемента на рост относительной прочности арболита r_отн (средней плотностью в сухом состоянии 650 кг/м³) и кинетику твердения древесно-цементного композита в процессе двухсуточного прогрева представлены на рис. 1.

 

Рис. 1. Зависимость относительной прочности древесно-цементного композита (арболита), прошедшего температурно-влажностную обработку 48 ч при температуре 45 °C, от вида цемента разных заводов-изготовителей: 1 — «Щуровский цемент»; 2 — «Воскресенскцемент»; 3 — «Себряковцемент»; 4 — «Белгородский цемент»; 5 — «Вольскцемент»

Fig. 1. The dependence of the relative strength of a wood-cement composite (arbolite) that has undergone temperature and humidity treatment for 48 hours at 45 °C on the type of cement of the manufacturing plants: 1 — «Shchurovsky cement»; 2 — «Voskresenskcement»; 3 — «Sebryakovcement»; 4 — «Belgorod cement»; 5 — «Volskcement»

 

Анализ полученных результатов показал резкое отличие в кинетике роста относительной прочности арболита от тяжелых видов бетона. Относительная прочность образцов арболита, изготовленных на марках цемента «Воскресенскцемент» (вторая группа), в начальный период имела даже более высокие значения, чем у образцов цемента завода «Щуровский цемент» (первая группа). К концу тепловой обработки вследствие более интенсивного роста прочности арболит на цементе первой группы достигает и превосходит по прочности арболит, изготовленный на цементе завода «Воскресенскцемент» (вторая группа). Прочность арболита, изготовленного на цементе завода «Себряковцемент» (третья группа) значительно уступает арболиту, изготовленному на цементе первой и второй групп.

Анализ прочности арболита нормального твердения (рис. 2) в возрасте 28 сут. показал наличие связи между активностью цемента при пропаривании R_ц.п и прочностью арболита $R_{н.т}^{28}$. С ростом величины R_ц.п увеличивается $R_{н.т}^{28}$, при этом коэффициент корреляции, рассчитанный в соответствии c методикой, изложенной в работе [5], составляет 0,91. Между прочностью арболита $R_{н.т}^{28}$ и активностью цемента нормального твердения $R_{н.т}^{28}$, а также и между коэффициентом пропаривания k_п коэффициент корреляции оказался не значимым для уровня значимости 0,05.

 

Рис. 2. Зависимость прочности арболита в возрасте 28 сут. от активности цемента: 1 — при пропаривании, R_ц.п; 2 — нормального твердения,  от заводов-изготовителей: 1 — «Вольскцемент»; 2 — «Белгородский цемент»; 3 — «Себряковцемент»; 4 — «Воскресенскцемент»; 5 — «Щуровский цемент»

Fig. 2. Dependence of the strength of arbolite at the age of 28 days on the activity of cements: 1 — during steaming, R_ц.п; 2 — normal hardening , cement manufacturers: 1 — «Volskcement»; 2 — «Belgorod cement»; 3 —«Sebryakcement»; 4 — «Voskresenskcement»; 5 — «Shchurovsky cement»

 

Полученные данные подтверждают сделанное ранее предположение о том, что прочность арболита должна зависеть именно от абсолютного значения прочности R_ц.п, приобретаемой цементом в начальный период твердения, а не только от его активности нормального твердения $R_{ц}^{28}$ и относительной скорости твердения этого цемента, характеризуемой коэффициентом пропаривания k_п.

Выявленная связь между прочностью арболита $R_{н.т}^{28}$ и активностью цемента при пропаривании позволяет использовать ее в качестве критерия оценки эффективности цемента в производстве арболита.

Учитывая, что $R_{ц.п}=R_{ц}^{28}·k_{п}$, наиболее эффективным является цемент высоких марок и быстрого твердения. В этом смысле наиболее приемлемыми должны быть марки цемента первой группы по эффективности при пропаривании, менее эффективны цементы второй группы (см. рис. 1).

Наименьшую прочность имеет арболит, изготовленный на основе цементов третьей группы (см. рис. 1). С увеличением марки используемого цемента одного завода-изготовителя прочность арболита возрастает.

Применяя цемент марки 500, но от разных заводов-изготовителей, можно получить различную прочность арболита. Например, используя цемент «Себряковскцемент», имеющего k_п = 0,61 [4], с активностью нормального твердения в возрасте 28 сут. $R_{н.т}$ = 55,1 МПа, можно получить арболит с прочностью, меньшей почти на марку по сравнению с арболитом, полученным при использовании цементов первой группы — от заводов-изготовителей «Щуровский цемент» или «Воскресенскцемент» той же активности.

Таким образом, к требованиям по использованию высоких марок цемента в соответствии с ГОСТ 19222–2019 на арболит целесообразно добавить и другое, заключающееся в применении цемента в первую очередь первой и второй групп по эффективности при пропаривании (см. рис. 1).

Объем выпуска портландцемента и портландцемента с минеральными добавками (первая группа) марок 400 и 500, эффективных для арболита, составляет более 20 % общего объема выпуска цемента общестроительного назначения. Использование цемента второй группы позволит увеличить объем применяемых эффективных марок цемента на 25…30 %.

Выводы

Использование высокоэффективных видов цемента при пропаривании дает возможность повысить прочность арболита в проектном возрасте. Однако их влияние на ускорение твердения арболита по показателю r_отн наблюдается только при длительном режиме температурно-влажностной обработки. Отличие в твердении арболита от бетона на минеральных заполнителях заключается в том, что изготовленный на цементе одной марки он в возрасте 28 сут. может приобретать различную прочность при использовании видов цемента, проявляющих разную эффективность при пропаривании. В процессе твердения различия в его относительной скорости зависят значительно меньше от этой характеристики цемента, чем у бетона на минеральных заполнителях. Повышенное количество углеводов резко замедляет начальное, возможно, до нескольких месяцев, твердение цемента, но не снижает его максимальную прочность через длительный период, поскольку в связи с замедленным твердением вследствие влияния экстрактивных веществ древесины арболит не достигает в возрасте 28 сут., уровня прочности, близкого к максимальному, и тем значительнее, чем менее эффективен использованный вид цемента. Малое влияние эффективности цемента при пропаривании в процессе температурно-влажностной обработки объясняется тем, что в формуле относительной прочности арболита (2), по которой оценивается интенсивность его твердения, оказываются зависимыми от эффективности цемента как числитель R_т.о, так и знаменатель — $R_{н.т}^{28}$, в отличие от бетона, в котором от него зависит лишь прочность в процессе тепловой обработки. Одновременная зависимость R_т.о и $R_{н.т}^{28}$ арболита от эффективности цемента обеспечивает относительную прочность арболита в процессе тепловой обработки значительно меньшую чувствительность к этому критерию, чем в бетоне на минеральных заполнителях.

Исходя из изложенного, можно предположить, что чем меньше будет количество экстрактивных веществ древесины, тем больше должна быть чувствительность относительной прочности древесно-цементного композита r_отн к эффективности используемого цемента и тем меньше будет зависеть от него прочность арболита в возрасте 28 сут., и наоборот.

About the authors

Vyacheslav I. Zaprudnov

BMSTU (Mytishchi branch)

Author for correspondence.
Email: zaprudnovvi@bmstu.ru

Dr. Sci. (Tech.), Professor

Russian Federation, 1, 1st Institutskaya st., 141005, Mytishchi, Moscow reg.

Sergey P. Karpachev

State Fire Academy of EMERCOIM of Russia

Email: karpachevs@mail.ru

Dr. Sci. (Tech.), Professor

Russian Federation, 4, Boris Galushkin st., 129366, Moscow

Vladimir V. Nikitin

BMSTU (Mytishchi branch)

Email: nikitinvv@bmstu.ru

Dr. Sci. (Tech.), Associate Professor

Russian Federation, 1, 1st Institutskaya st., 141005, Mytishchi, Moscow reg.

Georgiy A. Makhnin

BMSTU

Email: makhninga@student.bmstu.ru

Student

Russian Federation, 5, Block 1, 2nd Baumanskaya st., 105005, Moscow

References

Supplementary files