CC BY
22УДК 666.972: 666. 972.16
Л.А. УРХАНОВА, д-р техн. наук, С.А. ЛХАСАРАНОВ, инженер, Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления (Улан-Удэ, Республика Бурятия); С.П. БАРДАХАНОВ, д-р физ.-мат. наук,
Институт теоретической и прикладной механики СО РАН (Новосибирск)
Бетон повышенной прочности на композиционном вяжущем
Одним из основных направлений технического прогресса в области строительства является создание бетона высокого качества и долговечности. Повышение качества бетона требует применения вместо обычного портландцемента новых композиционных вяжущих, обладающих улучшенными физико-механическими характеристиками. Вместе с тем механическое измельчение портландцемента с минеральными добавками в наиболее распространенных помольных агрегатах — шаровых мельницах приводит к увеличению энергопотребления. Использование современного интенсивного помольного оборудования позволяет существенно ускорить измельчение и снизить энергозатраты.
Кроме того, широкие возможности в технологии высокопрочных бетонов открывают добавки-наномоди-фикаторы, которые приводят к значительному изменению структуры композита.
Были проведены исследования по получению высокопрочного мелкозернистого бетона (МЗБ) с использованием вяжущих низкой водопотребности (ВНВ) и на-нодисперсных порошков диоксида кремния Таркосил-05, Таркосил-20.
ВНВ получали совместным помолом стекловидного и закристаллизованного перлитов Мухор-Талинского
месторождения Республики Бурятия с портландцементом ПЦ400Д0 в присутствии суперпластификатора СП-1 (1—2 мас. %) до удельной поверхности 440—480 м2/кг.
Нанодобавки Таркосил-05, Таркосил-20 получены на ускорителе электронов по методу [1—3]. Средний размер первичных частиц порошка Таркосил-05 около 53 нм, с удельной поверхностью 50,6 м2/г по данным прибора для измерения удельной поверхности «Сорби-М»; Таркосил-20 имеет средний размер частиц 20 нм, удельная поверхность 139 м2/г. Таркосил-20 обладает гидрофильными свойствами, на поверхности частиц концентрация ОН-группы — 2—3 группы на квадратный нанометр поверхности. Таркосил-05 условно гидрофобный, концентрация ОН-группы — 0,4—0,5 группы на квадратный нанометр поверхности.
Электронно-микроскопический анализ (JEOL-JSM-6510LV, ЦКП «Прогресс» ВСГУТУ) вяжущих композиций показал изменение структуры при введении модифицирующих добавок (рис. 1).
В исходном цементном камне после 28 сут твердения наблюдается меньшее количество коагулированного геля, игольчатых кристаллов и гексагональных пластинок гидросиликатов кальция (ГСК), а также гидро-сульфоалюминатов кальция (ГСАК) на поверхности
¡'А ®
научно-технический и производственный журнал
март 2012
23
60
50
40
30
20
10
ПЦ М400 Д0
ВНВ-70
ВНВ-100
100
5 80 -
60
40
20
ПЦ М400 Д0
ВНВ-70
ВНВ-100
| | Контрольный Таркосил-05 Таркосил-20
Рис. 2. Влияние вида вяжущего и добавок Таркосил-05, Таркосил-20 на прочность при сжатии бетона в возрасте, сут: а - 3; б - 28
5
и 4
^ 3
ч о со
2
1
ПЦ М400 Д0 | | Контрольный
ВНВ-70 Таркосил-05
ВНВ-100
Таркосил-20
Рис. 3. Влияние вида вяжущего и добавок Таркосил-05, Таркосил-20 на водопоглощение бетона
непрогидратированных цементных зерен (рис. 1, а). Вводимый нанодисперный диоксид кремния Таркосил-05 существенно влияет на гидратацию в системе цемент (цемент+перлит) — вода — модификатор (рис. 1, б). Нанодисперсный диоксид кремния, находящийся в высокодисперсном состоянии в активно ги-дратируемой среде, конденсируется на ребрах, вершинах и сколах кристаллов исходных клинкерных мине-
ралов и образует дополнительные центры кристаллизации, вокруг которых группируются новообразованные кристаллы в виде друз, игольчатых кристаллов, идентифицируемые на микрофотоснимках 28-суточных образцов.
В ВНВ-70 без добавки Таркосил-05 все частицы цемента окружены кристаллогидратами коллоидного размера и игольчатыми кристаллами. Образующийся при протекании реакций гидратации коагулированный гель гидросиликатного состава заполняет поры в физической структуре затвердевшего камня, вызывая повышение его плотности. На фрагменте поверхности ВНВ-70 после 28 сут твердения видна более плотная структура камня по сравнению с обычным портландцементом: игольчатые кристаллы — ГСК и ГСАК идентифицируются на поверхности. Оболочки на частицах исходных клинкерных минералов утолщаются, и структура дифференцируется: во внешней части оболочки, обращенной в межзерновое пространство, растут хорошо оформленные игольчатые кристаллы преимущественно ГСК (рис. 1, в). Введение в состав ВНВ в качестве модификатора Таркосила-05 позволяет создать более плотную структуру цементного камня, полностью проросшую столбчатыми новообразованиями (рис. 1, г). Размер отдельных кристаллов достигает 0,5—1 мкм.
Микроструктура цементного камня ВНВ-100 более плотная, чем ВНВ-70, но в том и другом случае пространство между частицами цемента заполнено волни-
б
а
0
0
6
0
Состав высокопрочного бетона, кг/м3
Вяжущее Заполнитель Таркосил-20 Таркосил-05 Вода
Портландцемент ВНВ-70 ВНВ-100 Песок М=2,1 кр Гранитные отсевы, фр.=2,5-5 мм
550 687 687 209
550 687 687 0,89 209
550 687 687 0,89 209
550 687 687 170
550 687 687 0,89 154
550 687 687 0,89 160
550 687 687 165
550 687 687 0,89 150
550 687 687 0,89 152
научно-технический и производственный журнал ''й'/г^С^Т^У^^Ь]3 "24 март 2012 Ы ®
стыми пластинками типа фольги и гексагональными кристаллами (рис. 1, д).
С использованием ВНВ на основе стекловидного перлита, а также с применением нанодобавок Таркосил-05, Таркосил-20 были разработаны составы мелкозернистого бетона (таблица).
Анализ экспериментальных данных (рис. 2) позволяет сделать вывод, что введение добавок Таркосил-05 и Таркосил-20 в состав бетона на основе портландцемента повышает прочность МЗБ на 67—100% в возрасте 3 сут, а в возрасте 28 сут — на 54—79%.
При замене портландцемента на ВНВ-70 и ВНВ-100 на контрольных составах наблюдается рост прочности на 32 и 57% в раннем возрасте твердения и на 11 и 34% соответственно в проектном возрасте. Введение добавок Таркосил-05, 20 в состав бетона на ВНВ-70, ВНВ-100 приводит к увеличению прочностных показателей в сравнении с контрольными составами в раннем возрасте в среднем на 35—45% и на 50—60% в возрасте 28 сут. Прочностные характеристики бетона с добавкой Таркосил-05 выше, чем у бетона с добавкой Таркосил-20 в среднем на 10—15%. Это связано с разным характером поверхности нано-дисперсных добавок; концентрация ОН-группы у Таркосил-05 ниже, что обусловливает более гидрофобные свойства. Это подтверждается данными по водопоглощению бетона, где наблюдается тенденция снижения показателей при применении нанодисперс-ных добавок (рис. 3).
Таким образом, на основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы. Во-первых, современные интенсивные помольные агрегаты позволяют получать композиционные вяжущие без значительного увеличения энергопотребления. Применение
в композиционных вяжущих перлитовых пород, которые ранее использовались только в качестве сырья для вспученного перлита, является энергетически и экономически эффективным.
Во-вторых, замена обычного портландцемента на ВНВ в составе бетона приводит к увеличению его прочности. Введение нанодобавок Таркосил-05, Таркосил-20 позволяет существенно улучшить прочностные и гидрофизические характеристики бетона.
Ключевые слова: композиционное вяжущее, вяжущее высокой водопотребности, нанодисперсный диоксид кремния.
Список литературы
1. Патент 2067077 РФ. Способ получения ультрадисперсной двуокиси кремния, устройство для его осуществления и ультрадисперсная двуокись кремния / В.П. Лукашов, С.П. Бардаханов, Р.А. Салимов, А.И. Корчагин, С.Н. Фадеев, А.В. Лаврухин // Опубл. 27.09.1996. Бюл. № 27.
2. Бардаханов С.П., Корчагин А.И., Куксанов Н.К., Лаврухин А.В., Салимов Р.А., Фадеев С.Н., Черепков В.В. Получение нанопорошков испарением исходных веществ на ускорителе электронов при атмосферном давлении // Доклады Академии наук. 2006. Т. 409. № 3. С. 320-323.
3. Bardakhanov S.P., Korchagin A.I., N.K. Kuksanov, Lavrukhin A.V., Salimov R.A., Fadeev S.N., Cherepkov V.V. Nanopowder production based on technology of solid raw substances evaporation by electron beam accelerator // Materials Science and Engineering, B. 2006. V. 132. № 1-2. Pp. 204-208.
ïA ®
научно-технический и производственный журнал
март 2012
25
