В данной статье рассматривается актуальная задача разработки новых композиционных вяжущих, таких как гипсоцементно-пуццолановые вяжущие (ГЦПВ), которые способны улучшить свойства бетонов и снизить использование традиционных компонентов. Целью исследования является оптимизация составов ГЦПВ для мелкозернистого бетона. В экспериментальных испытаниях были использованы разные соотношения компонентов, и добавлены ингибиторы схватывания, такие как лимонная кислота и добавка поликарбоксилатного суперпластификатора, что значительно повлияло на процесс схватывания и прочностные характеристики мелкозернистого бетона.

Ключевые слова: композиционные вяжущие, гипсоцементно-пуццолановые вяжущие, мелкозернистый бетон, пуццолановые добавки, лимонная кислота, суперпластификатор, микрокремнезем, прочность, сроки схватывания, гидратация.

В современном строительстве постоянно возрастают требования к эффективности, экологичности и экономичности используемых материалов. В этом контексте разработка новых композиционных вяжущих, обладающих улучшенными свойствами и позволяющих снизить расход традиционных материалов, становится актуальной задачей. Среди перспективных направлений исследований — создание вяжущих на основе комбинации различных компонентов, сочетающих в себе преимущества каждого из них.

Одним из таких перспективных направлений является использование гипсоцементно-пуццолановых вяжущих (ГЦПВ) для получения мелкозернистого бетона. Традиционные цементные вяжущие, несмотря на широкое применение, имеют ряд недостатков, таких как высокое энергопотребление при производстве и значительные выбросы углекислого газа. Гипсовые вяжущие, напротив, производятся при более низких температурах, что делает их более экологичными, но обладают меньшей водостойкостью и прочностью по сравнению с цементом.

Пуццолановые добавки, представляющие собой природные или искусственные материалы с кремнеземистым или алюмосиликатным составом, способны вступать в реакцию с гидроксидом кальция, образующимся при гидратации цемента, формируя дополнительные прочные соединения.

Использование таких вяжущих для получения мелкозернистого бетона, в котором роль крупного заполнителя выполняют песок или другие мелкие фракции, открывает широкие возможности для создания строительных материалов с заданными характеристиками, применимых в различных областях строительства — от монолитного домостроения до изготовления сборных элементов и ремонтных составов.

Целью работы является определение оптимальных составов ГЦПВ для получения мелкозернистого бетона с улучшенными эксплуатационными свойствами, способного стать альтернативой традиционным материалам и способствовать развитию ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий в строительстве.

Коровяков В. Ф. в своей статье рассматривает механизм разрушения гипсоцементных систем (ГЦПВ) и факторы, влияющие на их прочность и долговечность. Основное внимание уделяется эттрингиту — минералу, который играет ключевую роль в процессе твердения и деструкции камня ГЦПВ. Автор отмечает, что разрушение ГЦПВ зависит не только от наличия эттрингита, но и от времени и скорости его образования, что подтверждается мнениями исследователей Т. И. Книгиной и Л. Г. Тимофеевой [1].

Потапова Л. И., Хамза А. К., Галиев Т. Ф. в данной статье анализируют влияние различных типов цемента и функциональных добавок на характеристики гидравлического цемента, в частности на его прочностные качества. Основная мысль заключается в том, что состав цемента в материалах, таких как гидравлические цементные производные вяжущие (ГЦПВ), не оказывает значительного влияния на прочность, однако имеет решающее значение для их водо-, морозо- и коррозиестойкости. Отдельно рассматривается влияние добавок. Введение функциональных добавок в ГЦПВ положительно сказывается на его свойствах, позволяя достичь коэффициентов водостойкости и сульфатостойкости выше 0,8, а также обеспечивая низкую потерю прочности при циклах замораживания и оттаивания, что делает материалы более долговечными и устойчивыми к внешним негативным воздействием [2].

Статья Манушиной А. С., Ахметжанова А. М., Потаповой Е. Н. посвящена оценке коррозиестойкости гипсоцементно-пуццоланового (ГЦПВ) камня, которая изучается с использованием двух различных методов: погружением образцов в агрессивный раствор с добавлением 3 % Na2SO4 и тестированием в камере солевого тумана. Основная цель исследований заключается в определении химической стойкости ГЦПВ в зависимости от используемых добавок и методик испытаний. Результаты показывают, что наибольшая устойчивость к агрессивным условиям наблюдается у ГЦПВ, модифицированного комплексом функциональных добавок, который включает 0,2 % Melflux 5581, 0,5 % Vinnapas 8034H и 0,5 % Hercules 7591 [3].

Зырянов М. С., Манушина А. С., Потапова Е.Н в своей статье провели экспериментальное исследование, посвященное воздействию различных химических модификаторов на свойства гипсоцементных вяжущих (ГЦПВ), изготовленных на основе белого портландцемента, гипсового вяжущего и метакаолина. Основное внимание уделено анализу пластифицирующих добавок, при этом ключевым исследованным компонентом стал суперпластификатор REOTECH DR 8500S [4].

Мухаметрахимов Р. Х., Галаутдинов А. Р. в своей статье рассматривают активность различных природных активных минеральных добавок (АМД) в контексте их влияния на гидравлическую активность, реологические свойства и прочностные характеристики гипсоцементно-пуццолановых (ГЦПВ) систем. Основная мысль исследования заключается в том, что правильный выбор АМД может значительно улучшить эксплуатационные характеристики строительных материалов, что является актуальной задачей в современных строительных технологиях. Наиболее высокую активность по поглощению Са(ОН)2 показали метакаолин и метакаолин-А, что позволяет сократить их количество в составе ГЦПВ до 20 % от массы цемента и 4 % от общей массы вяжущего [5].

Состав мелкозернистого бетона, подобранный для лабораторных испытаний: соотношение вода/вяжущее (ГЦПВ) =1/2, соотношение вяжущее (ГЦПВ)/песок =1/3. ГЦПВ получали из смеси 75 % гипса, 15 % цемента, 10 % пуццолановой добавки (микрокремнезем МКУ 85).

Для лабораторного испытания использовали смеситель для растворов. Первой задачей необходимо было определить возможное время работы с бетонной смесью, так как в составе есть гипс, имеющий быстрые сроки схватывания.

Начало схватывания мелкозернистого бетона на ГЦПВ происходит уже через 5 минут после затворения водой, что означает практически мгновенное прекращение пластичности и возможность формования. Полное завершение процесса схватывания наступает через 7 минут 30 секунд, что свидетельствует о стремительном переходе материала в стадию твердения.

При контакте с водой полуводный гипс быстро превращается в двуводный гипс, образуя кристаллическую структуру, которая и обеспечивает быстрый набор начальной прочности и схватывание. Хотя сам цемент гидратируется медленнее, продукты его гидратации могут влиять на растворимость и кристаллизацию гипса, ускоряя эти процессы. Пуццолановые добавки в основном участвуют в более поздних стадиях твердения, реагируя с гидроксидом кальция, их присутствие может косвенно влиять на ранние процессы. Некоторые пуццоланы могут содержать активные компоненты, способные незначительно влиять на ионный состав раствора затворения и тем самым влиять на скорость гидратации гипса.

Это может быть, как преимуществом (например, при необходимости быстрого формования или ремонта), так и ограничением (требует очень быстрой работы с материалом после затворения).

Для замедления процесса схватывания мелкозернистого бетона на гипсоцементно-пуццолановом вяжущем вводили добавки. Добавка лимонной кислоты 0,5 % от массы вяжущего оказывает выраженное замедляющее действие на процесс схватывания: начало схватывания 14 минут 15 секунд, конец схватывания 18 минут. Начало схватывания увеличивается более чем в два раза, а конец схватывания — почти в 2,5 раза. Это свидетельствует о том, что лимонная кислота эффективно ингибирует процессы гидратации, лежащие в основе быстрого схватывания, вероятно, за счет образования комплексов с ионами кальция и замедления растворения и кристаллизации гипса и цементных фаз.

Добавка суперпластификатора 0,5 % от массы вяжущего увеличила начало схватывания до 47 минут, конец схватывания не определялся. Начало схватывания увеличивается почти в 9,5 раз. Столь существенное увеличение начального срока схватывания указывает на мощное диспергирующее и адсорбирующее действие поликарбоксилатного суперпластификатора на частицы вяжущего, что препятствует их быстрому контакту с водой и замедляет начало гидратации.

Для определения механических характеристик бетонов изготавливали призмы размерами 40*40*160 мм, которые испытывали на гидравлическом прессе в возрасте 28 суток. Призмы набирали прочность после распалубки в шкафу нормального твердения.

Анализ данных по прочности на сжатие и изгиб четко демонстрирует, что введение лимонной кислоты и особенно поликарбоксилатного суперпластификатора оказывает существенное положительное влияние на прочностные характеристики мелкозернистого бетона на гипсоцементно-пуццолановом вяжущем.

Мелкозернистый бетон на ГЦПВ без добавок имеет прочность на сжатие 22,24 МПа. Это является базовым показателем для сравнения. Добавка лимонной кислоты значительно увеличивает прочность на сжатие до 39,79 МПа. Это увеличение составляет примерно 79 % по сравнению с контрольным составом. Такое существенное повышение прочности, несмотря на замедление сроков схватывания, может быть связано с несколькими факторами:

Замедление схватывания дает больше времени для протекания процессов гидратации как гипса, так и цемента, что приводит к формированию более плотной и прочной структуры цементного камня. Возможно, замедление схватывания способствует формированию более равномерной структуры пор с меньшим количеством крупных дефектов, что положительно сказывается на прочности. Замедление схватывания может способствовать более эффективной пуццолановой реакции между пуццолановой добавкой и гидроксидом кальция, образующимся при гидратации цемента. Это приводит к образованию дополнительных прочных гидросиликатов кальция.

Добавка поликарбоксилатного суперпластификатора оказывает поразительное влияние на прочность на сжатие, увеличивая ее до 81,16 МПа. Это увеличение составляет примерно 265 % по сравнению с контрольным составом и 104 % по сравнению с составом с лимонной кислотой. Суперпластификатор эффективно диспергирует частицы вяжущего, обеспечивая их более равномерное распределение и более полный контакт с водой, что способствует более эффективной гидратации.

Прочность при изгибе мелкозернистого бетона на ГЦПВ без добавок составляет 0,73 МПа. В отличие от прочности на сжатие, добавка лимонной кислоты не оказывает заметного влияния на прочность при изгибе, сохраняя ее на уровне 0,73 МПа. Это может указывать на то, что лимонная кислота, хотя и улучшает общую плотность и прочность на сжатие, не приводит к существенным изменениям в структуре, которые бы значительно повышали сопротивление материала растягивающим напряжениям при изгибе.

Добавка поликарбоксилатного суперпластификатора значительно увеличивает прочность при изгибе до 1,51 МПа. Это увеличение составляет примерно 107 % по сравнению как с контрольным составом, так и с составом с лимонной кислотой. Прочность при изгибе более чувствительна к дефектам структуры и улучшение микроструктуры, достигаемое с помощью суперпластификатора, оказывает более выраженное положительное влияние.

Выводы

Мелкозернистый бетон на ГЦПВ без добавок обладает низкой прочностью, особенно при изгибе. Быстрое схватывание, характерное для этого типа вяжущего, вероятно, не позволяет сформироваться оптимальной структуре.

Лимонная кислота эффективно замедляет схватывание и значительно повышает прочность на сжатие, но не оказывает существенного влияния на прочность при изгибе. Это делает ее полезной для увеличения времени работы с материалом и улучшения прочности на сжатие.

Суперпластификатор оказывает наиболее сильное положительное влияние на прочностные характеристики. Значительно повышает как прочность на сжатие (более чем в 3,5 раза), так и прочность при изгибе (более чем в 2 раза). Этот эффект обусловлен в первую очередь возможностью резкого снижения водовяжущего соотношения и улучшением микроструктуры цементного камня.

Таким образом, для получения высокопрочного мелкозернистого бетона на гипсоцементнопуццолановом вяжущем, введение поликарбоксилатного суперпластификатора является крайне эффективным решением. Выбор добавки должен определяться требуемыми прочностными характеристиками и необходимостью регулирования сроков схватывания.

Литература:

1. Коровяков В. Ф., Гипсовые вяжущие и их применение в строительстве // Российский химический журнал. 2003. № 4. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/gipsovye-vyazhuschie-i-ih-primenenie-v-stroitelstve (дата обращения: 06.05.2025).
2. Потапова Л. И., Хамза А. К., Галиев Т. Ф., Влияние добавок поликарбоксилатного типа на технологические свойства гцпв // Инновационная наука. 2016. № 6–2. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-dobavok-polikarboksilatnogo-tipa-na-tehnologicheskie-svoystva-gtspv (дата обращения: 06.05.2025).
3. Манушина А. Н., Ахметжанов А. М., Потапова Е. Н., Влияние добавок на свойства гипсоцементно-пуццоланового вяжущего // Успехи в химии и химической технологии. 2015. № 7 (166). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-dobavok-na-svoystva-gipsotsementno-putstsolanovogo-vyazhuschego (дата обращения: 06.05.2025).
4. Зырянов М. С., Манушина А. С., Потапова Е. Н., Влияние вида цемента на свойства гипсоцементно-пуццоланового вяжущего // Успехи в химии и химической технологии. 2017. № 3 (184). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-vida-tsementa-na-svoystva-gipsotsementno-putstsolanovogo-vyazhuschego (дата обращения: 06.05.2025).
5. Мухаметрахимов Р. Х., Галаутдинов А. Р., Роль активных минеральных добавок природного происхождения в формировании структуры и свойств гипсоцементно-пуццоланового вяжущего // Вестник Казанского технологического университета. 2017. № 6. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/rol-aktivnyh-mineralnyh-dobavok-prirodnogo-proishozhdeniya-v-formirovanii-struktury-i-svoystv-gipsotsementno-putstsolanovogo (дата обращения: 06.05.2025).