Активированное твердение пенобетонов добавками твердых фаз наноразмера Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Юйцетехнические и социальные проблемы

Анализ результатов по достигнутому качеству композиционного материала позволяет считать, что данные результаты получены при использовании комплексной добавки, состоящей из СП ЦМИД, РПП Acronal S430, высокоглиноземистого цемента Ciment Fondu и модифицированной зольсодержащей добавки ортокремниевой кислоты и

следующем соотношении компонентов, масс.%:

СП ЦМИД......................................50,79

РПП Acronal S430 ............................ 31,75

высокоглиноземистый цемент Ciment Fondu......15,87

модифицированная зольсодержащая

добавка ортокремниевой кислоты................1,59

Комплексную высокоэффективную добавку указанного состава можно рекомендовать для гидроизоляционного композиционного материала. Рациональное количество добавки составляет 15,8 масс.% от массы цемента.

Заключение

1. Разработана высокоэффективная комплексная полимерсодержащая добавка с наноструктурными элементами, рекомендуемая для производства гидроизоляционного материала.

2. Разработан композиционный состав с использованием высокоэффективной комплексной добавки, который обеспечивает полученние гидроизоляционного безусадочного материала повышенной трещиностойкости, имеющего следующие характеристики: М500, F300, W14.

Библиографический список

1. Фундаментальные основы свойств материалов на цементной матрице / Л. Б. Сватовская. - СПб. : ПГУПС. - 2006. - 83 с. - ISBN 5-7641-0160-3.

2. Специальные цементы / Т. В. Кузнецова, М. М. Сычев и др. - СПб. : Стройиздат, 1997. - 313 с. - ISBN 5-87897-034-1.

3. Разработка и применение новых зольсодержащих добавок для повышения качества бетонов разной плотности : автореф. дис. ... канд. техн. наук / И. В. Степанова.- СПб. : ПГУПС, 2004. - 24 с.

4. Химическая добавка для сухой строительной смеси «Hardness-С» // ТУ 5743003-48930292-2002. - 12 с.

УДК 691.699.8

А. М. Сычёва, И. П. Филатов

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/2

Общетехнические и социальные проблемы

270

АКТИВИРОВАННОЕ ТВЕРДЕНИЕ ПЕНОБЕТОНОВ ДОБАВКАМИ ТВЕРДЫХ ФАЗ НАНОРАЗМЕРА

Экспериментально прослежено положительное влияние на качество пенобетона вводимых твердых коллоидных и неколлоидных размеров (наноразмера). Рассмотрены возможные механизмы влияния вводимых добавок на гидратационную активность пеноматериала и его свойства.

пенобетон, мицеллярное строение, коллоидные дисперсии, неколлоидные дисперсии, акцепторная способность.

Введение

В развитие идей, высказанных ранее [1],[2], в данной работе формулируется основная мысль о том, что улучшение качества пенобетонов и совершенствование технологий получения изделий из пенобетона возможно с учетом природы и размера вводимых твердых дисперсий, в том числе мицеллярного строения и клеящих способностей коллоидных (нано-) дисперсий труднорастворимых твердых фаз (ПР<10-5), а также акцепторной способности катиона неколлоидной и коллоидной дисперсии.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/2

Юбщетехнические и социальные проблемы

1 Классификация вводимых твердых дисперсий и возможный механизм их влияния на пеноматериал

На рис. 1 представлены активирующие области твердых дисперсий нано- и сверхнаноразмеров [2]; для активирования пенобетонов смысл, который вносят эти признаки, представлен в таблице 1, где показаны возможные механизмы влияния дисперсий твердых веществ на минеральную матрицу и свойства пенобетона.

I II

Область Область Область Область

существовани коллоидных неколлоидных грубых

я ионов, менее 1 нм (10-9м) дисперсий, 1...100 нм (наноразмер дисперсий, 102...104 нм (105) дисперсий, более 104(105)

диспер-сии) (сверхнаноразмер) нм

Не Не

рассматривает рассматривает

ся ся

Рис. 1. Области размеров твердых дисперсий для активирования (выделенная область) пенобетонов

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/2

Общетехнические и социальные проблемы

272

ТАБЛИЦА 1. Возможное влияние дисперсий твердых веществ из области I и II, рис.1 на активирование твердения и свойств пенобетонов

Размер вводимых, дисперсий, нм Назван ие Примеры твердых дисперсий Возможные механизмы проявления действия дисперсии в пеноматериале Влияние на механо-, теплофизические и другие свойства пенобетонов и изделий

1 2 3 4 5

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/2

ОбЩетехнические и социальные проблемы

1-100

{{ mSiO2 • nSiOl~ • 2(n - х)Н + }2• 2хИ + }° 1. Мицелла

заполняет микро- или

ядро адсорбционный диффузный слой слой v У \г мезопору, создавая наноструктуру. 2. Ионы Н+ из диффузного слоя являются активаторами гидратационных

Коллои Мицелла кремнезоля процессов,

ды {{(mAl2O3) • nAlO2“ • (и - x)И + }х~ ■ хИ + }° выделяющих ОН- -

(нанострукту группы;

ры), область ядро 3. Пластификация смеси

I, рис.1 У ^ адсорбционный диффузный слой слой Мицелла алюмозоля за счет нейтрализации ОН- групп при гидратации цемента; 4. Рассеивание фононов за счет роста количества аморфной фазы. 5. Адгезия за счет высокой удельной поверхность.

1 .Увеличение прочности при

сжатии и изгибе

2. Рост

долговечности.

3. Падение теплопроводности

4. Клеящие свойства

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/2

Общетехнические и социальные проблемы

274

Кислотно-

Сверх а) основной катализ 1. Увеличение

102...105 нано- А1(ОН)з гидратационных прочности при

структуры, Fe2O3 процессов изгибе.

(неколлоиды BaSO4 Усиление 2. Рост

), контактов по границе трещиностойкости и

область раздела фаз. падение

II, рис.1 Взаимодействие с теплопроводности

пенообразующим з. Увеличение

веществом, прочности при

б) Г идратационно активные рассеивание фононов сжатии.

вещества 4. Ускорение 4. Уменьшение

образования усадки

квазитвердого

состояния

твердеющей системы

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/2

Общетехнические и социальные проблемы

В порядке обсуждения таблицы 1 нужно отметить следующее. В соответствии с известными классификациями, в твердом теле существуют микро- и мезопоры, имеющие также наноразмер 0,6... 1,6 нм; 1,6... 100 нм соответственно; следовательно, возможно встраивание наночастиц в такие поры с созданием наноструктуры. Особенности ее проявления - как химические, связанные с мицеллярным строением, так и физические связанны с появлением участков с аморфной структурой. Химический эффект в таком случае сопровождается ростом гидратационной активности и прочности при сжатии и при изгибе, а аморфное строение способствует рассеиванию фононов и падению теплопроводности; т. е. наноразмер дисперсии твердой добавки отличается тем, что одновременно может оказывать влияние на разные свойства пеноматериала, что отражено в таблице 1.

Высокая удельная поверхность гидратсодержащих коллоидных частиц, или частиц наноразмера, способствует проявлению эффекта склеивания, что важно учитывать в некоторых пенобетонных технологиях, например резательных, при получении изделий.

Труднорастворимые вещества из неколлоидной области II (область сверхнаноразмера) могут играть роль активаторов гидратационного твердения за счет кислотно-основного катализа, а также за счет явлений на границе раздела цементная матрица - дисперсия твердой добавки; такого рода воздействие тем более заметно, чем выше акцепторная способность катиона, оцененная по орбитальной электроотрицательности, т. е. на ионе Al □, который имеет самую высокую орбитальную

электроотрицательность (6,01 эВ). Тогда в соответствии с кислотноосновным катализом может реализовываться схема 1, как пример каталитического воздействия.

Схема 1

—Al

+U OH2

A u oh- + h+ □

Отдельную группу веществ составляют гидратационно-активные твердые фазы. Роль таких фаз состоит в достаточно быстром создании квазитвердого тела, в условиях существования которого за счет структурообразования воды возможен более быстрый набор прочности и уменьшение усадки. 2

2 Физико-химические исследования и физико-механические характеристики пеноматериала с вводимыми добавками наноразмера (золи)

В данной части работы проверялись наноструктуры - как добавки в пенобетон из области I. Исследование тепловыделения пеносмеси в присутствии 1% золя ортокремниевой кислоты показало усиление

Общетехнические и социальные проблемы

276

эффектов, что свидетельствует о реализации химического влияния; тот же эффект подтвердили дериватограммы и рентгенограммы.

В таблице 2 приведены расходы материалов для получения пенобетонов разных средних плотностей при выполнении эксперимента. ТАБЛИЦА 2. Расходы материалов для пенобетона средней плотности

D500-800

Средняя плотность пенобетона, кг/м3 Расход материалов на 1м пенобетона, кг

Цемент Песок Вода, л Пена, л*

500 350 147 164 800

600 380 160 168 790

700 450 234 176 750

800 500 240 190 720

*Пенообразователь Addiment SB-31.

В таблице 3 показаны полученные результаты для пенобетона средней плотности D600, из которых видно, что при введении 1% кремнезоля повышаются прочностные, теплофизические и эксплуатационные параметры пенобетона.

Из дериватографического анализа следует (таблица 4), что при введении 1% кремнезоля количество химически связанной воды увеличивается более чем в 1,5 раза, а количество воды в гелеобразных гидратах повышается в 7 раз, что отражает присутствие кремнезоля в структуре пеноматериала.

На рентгенограммах образцов пенобетона, содержащего кремнезоль, отмечаются рефлексы, относящиеся к гидросиликату 3СаО^Ю2-(1,5-2)Н2О (C3SH2), и к ксонотлиту С^6И; на дериваторамме увеличивается интенсивность эндоэффекта в области дегидратации портландита и гидросиликатов.

В таблицах 5 и 6 приведена кинетика естественного твердения пенобетона средней плотности D600 и твердения при тепловлажностной обработке; в таблице 7 приведено влияние кремнезоля на твердение пенобетона других плотностей, которые подтверждают рост прочности материала при сжатии и при изгибе до 50% и снижение теплопроводности до 35%, а также улучшение других свойств.

Было обнаружено, что пенобетон с кремнезолем достигает уровня качества материала, сравнимого со свойствами автоклавного пенобетона (согласно ГОСТ), и поскольку золи могут быть разной природы, то их использование должно способствовать улучшению свойств аналогично описанному выше.

ОбИцетехнические и социальные проблемы

ТАБЛИЦА 3. Физико-механические свойства пенобетона средней плотности D 600

Наименова ние добавки « PQ ^ ч * о о Прочно сть при сжатии, Асж, МПа/% Прочно сть при изгибе, Rизг, МПа/% Коэф. теплопровод- ности А, Вт/(м-°С)/% Морозост ойкость F, цикл/% Паропрон ицаемость р, мг/(м^ч Па)/% Сорбцио нная влажность, %/%

— 0 2,4/100, 0 1,1/100, 0 0,14/100, 0 25/100,0 0,17/100,0 12/100,0

Золь ортокремн иевой кислоты 0 ,5 2,7/112, 5 1,1/100, 0 0,13/92,9 30/120,0 0,20/117,6 10/83,3

0 ,7 3,3/137, 5 1,2/109, 1 0,13/92,9 35/140,0 0,20/117,6 9/75,0

1 3,6/150, 0 1,7/154, 6 0,11/78,6 35/140,0 0,21/123,5 8/66,7

3 3,0/125, 0 1,0/90,9 0,14/100, 0 25/140,0 0,18/105,9 12/100,0

ТАБЛИЦА 4. Дериватографический анализ образцов пенобетона средней плотности D 600

Общетехнические и социальные проблемы

278

Доба вка Эндоэффек ты, °С Сумм арная потер я воды на эффектах, Am, мг/% Сумм арное кол-во химич ески связан ной воды, Dm, мг/% Кол-во воды в гелеобразных гидратах m, мг Проч ность при сжатии, Rсж, МПа/% Проч ность при изгибе, ^из^ МПа/% Тре щино- стойкость RH3r/ RJ% Коэф фициент теплопров одности X, Вт/(м°С)/%

20- 150 I V 5 00- 700 V 00- 950

Потери массы на эффектах, процент от суммарной потери воды на эффектах

— 5 2 9 6 140 100.0 143 100.0 3 2,4 1,1/10 0,0 0,46/ 100,0 0,14/1 00,0

Крем незоль/1, 0 0 2 8 230 164.3 252 176.2 21 3,6/15 0,0 1,7/15 4,6 0,47/ 102,2 0,11/7 8,6

ОбЩетехнические и социальные проблемы

ТАБЛИЦА 5. Кинетика прочности пенобетона средней плотности 600 при естественном твердении

№ п/п Наименование добавки % Естественное твердение, t>15°C

Прочность, МПа

при сжатии при изгибе

Время, сут 3 7 28/% 56/% 90/% 3 7 28/%

1 0 1,2 1,8 2,4/ 100 2,7/ 113 2,9/ 121 0,5 0,8 1,1/ 100

2 Кремнезоль 1 1,6 2,8 3,4/ 100 3,9/ 121 4,2/ 124 0,7 1,3 1,6/ 100,0

ТАБЛИЦА 6. Кинетика прочности пенобетона средней плотности 600 при пропарировании

/п Наименов ание добавки Тепловлажностная обработка (по режиму 4+3+6+3 ч), ?из =70+5°C

Прочность, МПа Трещиностойкость, RH3r/^сж

при сжатии при изгибе

Время, сутки 2 8/% 5 6/% 9 0/% 2 8/% 5 6/% 9 0/% 8 6 0

— ,8 ,2 2 ,4 / 100 2 ,7/ 1 13 3 ,1 / 129 ,8 ,0 1 ,1/ 1 00 1 ,3/ 1 18 1 ,5/ 1 36 ,44 ,45 ,46 ,48 0

Общетехнические и социальные проблемы

280

Кремнезо 3 3 4 1 1 2

ль ,5 ,0 ,6 ,9/ ,3 ,1 ,4 ,7/ ,9/ ,1/ ,44 ,47 ,47 ,49 ,49

/ 1 / 1 1 1

100 08 119 00 12 24

Общетехнические и социальные проблемы

ТАБЛИЦА 7. Физико-механические свойства пенобетона, активированного кремнезолем

яя а, Наимено- вание добавки Кол- Во, % Свойства пенобетона, активированного кремнезолем

Асж, МПа/% Аизг, МПа/% Аизг/Асж/% А, Вт/(м°-С)/% F, циклы/% Ц, мг/(м-ч-Па)/% Со влажно %/

— 0 1,8/100,0 0,9/100,0 0,50/100,0 0,12/100,0 25/100,0 0,20/100,0 12/

Кремне- золь 1 2,8/155,6 1,5/166,7 0,54/108,0 0,08/66,7 40/160,0 0,25/125,0 8/6

— 0 2,4/100,0 1,1/100,0 0,46/100,0 0,14/100,0 30/100,0 0,17/100,0 12/

Кремне- золь 1 3,6/150,0 1,7/154,6 0,47/102,2 0,11/78,6 45/150,0 0,21/123,5 8/6

— 0 3,1/100,0 1,4/100,0 0,45/100,0 0,18/100,0 35/100,0 0,15/100,0 12/

Кремне- золь 1 4,5/145,2 2,1/150,0 0,47/104,4 0,15/83,3 55/157,1 0,19/126,7 8/6

— 0 3,6/100,0 1,6/100,0 0,44/100,0 0,21/100,0 45/100,0 0,14/100,0 15/

Кремне- золь 1 5,4/147,2 2,5/156,3 0,46/105,2 0,17/81,0 75/166,7 0,18/128,6 9/6

Общетехнические и социальные проблемы

282

Заключение

В работе показана классификация вводимых для активирования твердения пеноматериала добавок по размеру частиц. Рассмотрены механизмы возможного воздействия вводимых веществ наноразмера на гидратационную активность пенобетона. Приведены физико-химические и физико-механические характеристики пеноматериала, полученного с использованием нанодобавок.

Библиографический список

Фундаментальные основы свойств композиций на неорганических вяжущих / Л. Б. Сватовская. - СПб. : ПГУПС, 2006. - ISBN 5-7641-0160-3. 83 с.

Активированное твердение пенобетонов / А. М. Сычева, Е. А. Попова, Д. И. Дробышев, И. П. Филатов. - СПб. : ПГУПС, 2007. - С 60. -ISBN 978-5-7641-0173-6.

УДК 691.54:620.17 А. М. Харитонов

ВЕРОЯТНОСТНО-ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ КОНЦЕПЦИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ НАНОУРОВНЯ ЦЕМЕНТНЫХ СИСТЕМ

Моделирование наноуровня структуры композиционных материалов основывается на вероятностно-геометрической концепции, заключающейся в том, что образование структур композиционных материалов заменяется моделированием процесса случайного заполнения объема геометрическими элементами с распределенными размерами, формами и ориентацией. Получаемая модель является основой для дальнейшего изучения различных свойств наноуровня композиционных материалов, например влажностной усадки.

наноуровень цементного камня, метод Монте-Карло, метод конечных элементов, влажностная усадка.

Введение

Современный этап развития строительного материаловедения характеризуется переходом от эмпирического познания, связанного с