CC BY
14Доклады ¡V Академических чтений «Актуальные вопросы строительной физики»
УДК 666.3/7
Н.В. ПАВЛЕНКО, канд. техн. наук, В.В. СТРОКОВА, А.В. ЧЕРЕВАТОВА, доктора техн. наук, И.В. ЖЕРНОВСКИЙ, канд геол.-мин. наук, В.В. НЕЛЮБОВА, канд. техн. наук, М.Н. КАПУСТА, студент, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
Эффективность применения наноструктурированного вяжущего при получении ячеистых композитов
В условиях развития и быстрого роста монолитного и малоэтажного коттеджного строительства ячеистые бетоны являются перспективным материалом для создания эффективных стеновых конструкций, в качестве вяжущего при получении которых, в большинстве случаев, применяется цемент.
Высокие энергозатраты при производстве и отрицательное влияние цементных заводов на экологию в современных условиях обусловливают необходимость сокращения использования портландцемента в бетоне.
Наноструктурированное вяжущее (НВ) является перспективным видом бесцементного вяжущего негидрата-ционного типа твердения. НВ — вяжущие с существенной функционально-структурообразующей ролью нано-системной компоненты [1], получаемые по технологии высококонцентрированных вяжущих систем (ВКВС).
Специфика технологии НВ позволяет использовать в качестве основного сырьевого компонента широкий спектр кремнеземистых и алюмосиликатных пород природного и техногенного происхождения. Вяжущую систему получают мокрым постадийным измельчением сырья при повышенной температуре (60—80оС) в оптимальной области значений рН, что позволяет осуществлять процесс в условиях предельной концентрации твердой фазы с последующей стабилизацией суспензии по реологическому принципу — механическим гравитационным перемешиванием.
Подобные вяжущие были получены ранее, но применялись они, как правило, для производства материалов специального назначения, что прежде всего связано с тоннажностью производства. Ограничение возможности применение ВКВС при производстве строительных
а 100
ч
ф
ср
о
80
60
40
20
■ ■
1 1 In
0,01
0,1 0,5
Диаметр частиц, мкм
материалов, прежде всего связано со спецификой реологических характеристик вяжущей системы [2].
Высококонцентрированные вяжущие подвергаются комплексной модификации, что позволяет направленно изменять структуру на наноразмерном уровне и регулировать реологические и технологические свойства. Сохраняя высокую концентрацию твердой фазы, полученное нано-структурированное вяжущее становится высокоподвижной, стабильной во времени системой, что дает ей существенные технологические преимущества [3].
НВ обладает высокой агрегативной устойчивостью за счет содержания нанодисперсного компонента. Наличие наноразмерной составляющей подтверждается гранулометрическим анализом вяжущей системы1 (рис. 1).
Специфика наноструктурированных вяжущих позволяет рекомендовать их для производства теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных ячеистых бетонов.
Ранее была установлена возможность получения пенобетона с использованием НВ на основе силикатного и алюмосиликатного минерального сырья [1, 4].
Управление процессами структурообразования при получении теплоизоляционных материалов, является основополагающим при синтезе ячеистых композитов. Применение НВ позволяет получать материалы с оптимальной ячеистой структурой, которая характеризуется равномерно распределенными, полидисперсными, замкнутыми порами, с глянцевой поверхностью припоро-вого слоя, разделенными тонкими плотными, одинаковыми по сечению межпоровыми перегородками. Уменьшение пористости межпоровой перегородки обосновано наличием нанодисперсных частиц в НВ и в формовочных системах на его основе (рис. 2, а, в).
б 100
ч
ф
ср
о
80
60
40
20
0,01
0,05 0,1
Диаметр частиц, мкм
Рис. 1. Распределение частиц по размерам в НВ: а - фракция менее 0,6 мкм; б - фракция менее 60 нм
1 Анализ проводили на лазерном анализаторе частиц Sald-7101 в центре Shimadzu в Японии
0
0
научно-технический и производственный журнал Q'fprjyTj'iJJbrlbJ^ TÍ июнь 2012
Доклады IV Академических чтений «Актуальные вопросы строительной физики»
Рис. 2. Ячеистые бетоны на основе наноструктурированного вяжущего
С целью обоснования эффективности применения НВ в качестве вяжущего для ячеистых бетонов и положительного влияния нанодисперсного компонента в системе на процессы структурообразования, был проведен сравнительный анализ микроструктуры пенобето-нов на основе НВ и кварцевой суспензии, полученной при соответствующей концентрации сырьевых компонентов, но без соблюдения технологических и временных параметров.
Пенобетон на основе НВ отличается ярко выраженной ячеистой струк-турой с четкими гранями между отдельными порами. В материалах, полученных путем пе-нообразования на основе кварцевой суспензии, пористость прослеживается слабо, наблюдаются значительные дефекты в структуре. Это объяснимо низким уровнем полидисперсности, отсутствием частиц нанораз-мерного уровня. В связи с несоблюдением технологии производства НВ, отсутствием постадийной загрузки при механоактивации кварцевой суспензии, слабо проявляются вяжущие свойства в системе. Частицы кварца в суспензии характеризуются размером более 300 нм. Низкая концентрация коллоидного компонента в системе приводит к увеличению длительности процесса твердения, слабой активности и агрегативной устойчивости вяжущей системы (рис. 2, б, г).
При получении ячеистых композитов с использованием НВ частицы мини-мальных размеров, располагаются в зазорах между относительно крупными частицами матричной системы, что способствует созданию тонкой пленки минерализатора на поверхности воздушного пузырька. Это позволяет получить материал с низкой объемной массой (300—400 кг/м3) и высокими прочностными характеристиками (3—4 МПа).
Основными достоинствами наноструктурированного вяжущего являются низкая себестоимость и высокая технологичность. Низкая себестоимость обусловлена доступностью и широкой распространенностью минерального сырья для его производства и, как следствие, минимальными транспортными расходами, отсутствием энергозатрат на высокотемпературную обработку сырья при производстве вяжущего и неограниченным сроком хранения.
Ячеистые бетоны на основе цементного вяжущего имеют ряд недостатков: низкая огнестойкость, повышенный расход высококачественного цемента, склонность к расслоению при формовании массивов, высокие усадочные деформации в период твердении и эксплуатации, что может привести к трещинообразованию и разрушению. Использование НВ позволяет решить ряд проблем, связанных с низкой прочностью и деформационной стойкостью, получить ячеистые бетоны с улучшенными теплофизическими характеристиками без применения цемента.
Для повышения прочностных характеристик ячеистых бетонов на основе НВ применим принцип упрочнения, основанный на эффекте «холодного спекания». При этом высушенный материал подвергают выдержке в жидких химически активных средах (щелочах, кислотах, солях и др.) с последующей сушкой. Химически активный раствор играет роль холодной минерализующей добавки [4]. В зависимости от условий формирования ячеистой
Дйнв* •• -¿г* ^ г к у 1
в), кварцевой суспензии (б, г)
структуры припоровый слой может быть более рыхлым, чем основной материал межпоровой перегородки, равнопрочным, и более плотным и прочным. В последнем случае припоровый слой играет роль подкрепляющей зоны.
Упрочнение материалов можно объяснить незначительным растворением твердой фазы матрицы в процессе выдержки, и наблюдается явление ионного обмена между компонентами сырьевой массы и раствора. Пористый материал, подвергаемый упрочнению, отличается повышенным энергетическим потенциалом поверхности раздела, что благоприятствует протеканию малоактивационных процессов, реализуемых в присутствии активных центров.
Эффективность процесса структурообразования ячеистых бетонов на основе наноструктурированного вяжущего можно объяснить формированием пленочной кремниевой кислоты на поверхности частиц вяжущего в процессе механоактивации. Раствор кремнекислоты при структурообразовании способен полимеризоваться и создавать на контактах частиц устойчивые кристаллизационные связи.
Применение НВ позволяет получать ячеистые композиты с высокими технико-эксплуатационными характеристиками, применение которых позволит:
— создавать эффективные облегченные стеновые конструкции минимальной толщины, что обеспечивает увеличение полезной площади помещения, способствует уменьшению нагрузки на фундамент и повышению эффективности строительства;
— снизить себестоимость строительства за счет более дешевых технологий производства стройматериалов с улучшенными эксплуатационными характеристиками;
— обеспечить регионы, испытывающие дефицит цемента, альтернативным вяжущим. Применение НВ позволяет достичь оптимального
эффекта от реализации экологически чистой технологии получения энергоэффективных теплоизоляционных ячеистых композитов на их основе.
Ключевые слова: наноструктурированное вяжущее, ячеистые бетоны, кремнеземсодержащие и алюмосили-катные породы.
Список литературы
1. Мирошников Е.В., Строкова В.В., Череватова А.В., Павленко Н.В. Наноструктурированное перлитовое вяжущее и пенобетон на его основе // Строительные материалы. 2010. № 9. С. 105-106.
2. Пивинский Ю.Е. Теоретические аспекты технологии керамики и огнеупоров. С-Пб.: Строийздат, 2003. Т. 1. 544 с.
3. Шаповалов Н.А., Строкова В.В., Череватова А.В. Оптимизация структуры наносистем на примере ВКВС // Строительные материалы. 2006. № 9. С. 16-18.
4. Череватова, А.В., Павленко Н.В. Пенобетон на основе наноструктурированного вяжущего // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2009. № 3. С. 115-119.
5. Павленко Н.В. Особенности получения рациональной поровой структуры пенобетона на основе нано-структурированного вяжущего // Строительные материалы. 2009. № 10. С. 32-36.
¡■Л ®
научно-технический и производственный журнал
июнь 2012
13
