CC BY
005.23.05 - СТРОИТЕЛЬНЫЕ МА ТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ (ТЕХНИЧЕСКИЕ НА УКИ)
Л.А. Урханова, д-р техн. наук, проф., e-mail: urkhanova@mail.ru С.А. Лхасаранов, канд. техн. наук, e-mail: solbon230187@mail.ru И.В. Ветошкин, магистр, e-mail: vetosh_i1995@mail.ru
УДК 691.32
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НАНОКРЕМНЕЗЕМА И СУПЕРПЛАСТИФИКАТОРОВ НА СВОЙСТВА ФИБРОБЕТОНА
В статье приведены результаты исследований по дисперсному армированию портландцемента и фибробетона минеральными базальтовыми волокнами. Для распределения волокна по объему фиб-робетона и защиты его от негативного влияния щелочной среды твердеющего портландцемента были использованы суперпластификаторы поликарбоксилатного типа и пирогенный нанокремнезем. Показано, что совместное использование суперпластификаторов поликарбоксилатного типа и нано-кремнезема приводит к равномерному распределению базальтового волокна и получению стабильных физико-механических показателей. Произведен подбор состава мелкозернистого тяжелого фибробетона класса по прочности В20 при использовании базальтового волокна, суперпластификатора и пи-рогенного нанокремнезема. Изучены и проанализированы физико-механические и эксплуатационные свойства фибробетона. Растровая электронная микроскопия образцов фибробетона показала изменение микроструктуры и наличие по сравнению с контрольным бездобавочным составом бетона.
Ключевые слова: фибробетон, портландцемент, базальтовое волокно, пирогенный нанокремне-зем, микроструктура.
L.A. Urkhanova, Dr. Sc. Engineering, Prof.
S.A. Lkhasaranov, Cand. Sc. Engineering I.V. Vetoshkin, Master student
STUDY OF THE INFLUENCE OF NANOSILICA AND SUPERPLASTICIZERS ON THE PROPERTIES OF FIBER-REINFORCED CONCRETE
The article presents the results of studies on the dispersed reinforcement of Portland cement and fiber concrete with basalt fibers. To distribute the fiber over the volume offiber-reinforced concrete and protect it from the negative influence of the alkaline environment of hardening Portland cement, polycarboxylate type superplasticizers and pyrogenic nanosilica were used. It is shown that the combined use of polycarboxylate type superplasticizers and nanosilica leads to a uniform distribution of basalt fiber and obtain stable physical and mechanical properties. The composition of the fine-grained fiber-reinforced concrete of class B20 was selected using basalt fiber, superplasticizer and pyrogenic nanosilicon. The physical, mechanical and performance properties offiber-reinforced concrete were studied and analyzed. Scanning electron microscopy of the samples of fiber-reinforced concrete showed a change in the microstructure and the presence of concrete compared to the control non-additive composition.
Key words: Fiber-reinforced concrete, Portland cement, basaltfiber, pyrogenic nanosilica, microstructure
Введение
Актуальность развития технологии дисперсно-армированных бетонов с минеральными волокнами обусловлена тем, что минеральные волокна имеют более высокие физико-механические свойства единичных волокон при более низкой плотности по сравнению со стальными [1]. Однако при использовании минеральных волокон остается открытым вопрос химического взаимодействия их с щелочной средой твердеющего портландцемента [2-5]. Для повышения коррозионной стойкости базальтового волокна возможно применение кремнеземсодержащих
добавок микроразмерного уровня [3], нанодисперсных углеродных добавок [4], обработка поверхности базальтового волокна [5].
Использование пирогенного нанокремнезема для повышения коррозионной стойкости базальтового волокна является перспективным, поскольку дозировки нанокремнезема существенно ниже по сравнению с микрокремнеземом, что влияет на себестоимость фибробетона. Немаловажным фактором является также то, что способ производства пирогенного нанокремнезема является промышленно развитым.
Одной из проблем при модификации бетона тонкими базальтовыми волокнами и нано-дисперсными добавками является равномерное распределение их по объему материала и снижение подвижности бетонной смеси. Для решения этой проблемы могут быть использованы суперпластификаторы, которые будут одновременно способствовать равномерному распределению добавок и повышать подвижность бетонной смеси.
Целью работы являются разработка составов и технологии получения мелкозернистых цементных бетонов, дисперсно-армированных базальтовым волокном и исследование взаимодействия суперпластификаторов и пирогенного нанокремнезема в составе фибробетона.
Материалы и методы
Для получения фибробетона в работе использовались следующие сырьевые материалы: портландцемент ЦЕМ I 42,5 Н ГОСТ 31108-2016 (ООО «Тимлюйцемент», Республика Бурятия), базальтовое волокно (БВ), кварц-полевошпатовый песок с модулем крупности Мк=2,5, пирогенный нанокремнезем (НК) Аэросил А-300, суперпластификаторы поликарбоксилат-ного типа «Sika ViscoCrete-3300» и «Штайнберг GROS-63MВ» в оптимальной дозировке 0,5% по массе вяжущего. Суперпластификаторы совместно с нанокремнеземом вводились в воду затворения. Содержание нанокремнезема составило 0,1% от массы вяжущего.
Характеристики базальтового волокна приведены в таблице 1.
Таблица 1
Характеристики базальтового волокна
Характеристика Значение
Средний диаметр волокон, мкм 10
Прочность на разрыв, МПа 1350
Температуростойкость, °С 600
Химическая стойкость (потеря массы), % при обработке: - На - KOH 69,3 91,5
Пирогенный нанокремнезем «Аэросил А-300» получен в результате сжигания тетрахлор-силана ^ЮЦ) в токе водорода и кислорода. Содержание аморфного кремнезема в нем составляет 99,8%, средний размер первичных частиц 5-50 нм, удельная поверхность 150 м2/г.
Для определения физико-механических показателей использовались образцы цемента фиброцементных композитов, мелкозернистого бетона и фибробетона, твердевших в нор-мально-влажностных условиях, размерами 20х20х20 мм и 40х40х160 мм.
Структуру цементного камня изучали с помощью растровой электронной микроскопии (РЭМ) при использовании сканирующего электронного микроскопа JEOL-JSM-6510LV (ЦКП «Прогресс» ВСГУТУ).
Результаты и обсуждение
Ранее авторами проведены исследования по оценке коррозионной стойкости базальтового волокна в щелочной среде при введении нанокремнезема, полученного на ускорителе электронов [6]. Полученные результаты показывают, что применение НК за счет связывания
портландита уменьшает агрессивное влияние щелочной среды цемента на базальтовое волокно, сохраняя его и повышая тем самым физико-механические характеристики композиций.
Введение добавок суперпластификаторов приводит к повышению прочности цемента на 25-30% (рис. 1). Механизм действия добавок поликарбоксилатного типа основан на адсорбции ее молекул на частицах цемента. Возникающие при этом силы электростатического отталкивания не позволяют частицам сближаться и образовывать конгломераты. Кроме эффекта электростатического отталкивания в механизме действия добавки присутствует и пространственный эффект, за который отвечают боковые цепи, являющиеся частью молекулы. Сумма этих двух эффектов приводит к высокому водоредуцирующему действию добавки и к повышению физико-механических показателей цементного камня.
70
ПЦ ПЦ+Штайнберг Gros ПЦ+Штайнберг Gros ПЦ+Sika ViscoCrete ПЦ+Sika
63МВ 63МВ +НК ViscoCrete+НК
■ 7 сут ■ 28 сут
Рисунок 1 - Физико-механические показатели портландцемента с различными добавками
Дополнительное введение нанокремнезема приводит к повышению прочности гидрат-ного камня на 5-10%, что связано с комплексным воздействием нанокремнезема, который участвует в пуццолановой реакции, образуя дополнительные гидросиликаты кальция, и служит в качестве центра кристаллизации при гидратации портландцемента.
При подборе составов фиброцементных композитов содержание базальтового волокна составило 4% по массе (рис. 2). Введение БВ повышает прочность при сжатии в возрасте 28 сут на 28% по сравнению с контрольным составом. Применение НК дополнительно улучшает физико-механические показатели на 11%. Заметное увеличение прочности связано с армирующим действием БВ и при введении НК достигает максимальных показателей вследствие увеличения коррозионной стойкости БВ.
100
89,1
ПЦ+БВ 1.2 ПЦ+БВ+Штайнберг Gros 63МВ 1.4 ПЦ+БВ+ Штайнберг Gros
63МВ+НК
■ 7 сут ■ 28 сут
Рисунок 2 - Физико-механические показатели фиброцементных композитов с добавкой «Штайнберг Gros 63MB» и нанокремнеземом
Проектирование состава мелкозернистого фибробетона класса по прочности В20 включало выбор соотношения между портландцементном и песком, которое составило 1:5 по массе и определение его свойств при нормальном твердении с использованием БВ в количестве 4% и нанокремнезема (0,1%) (табл. 2).
Таблица 2
Физико-механические и эксплуатационные свойства фибробетона
Свойства Единицы измерения Показатели
Цементный бетон Фибробетон с добавкой «Штайнберг Gros 63MB» Фибробетон с добавкой «Штайнберг Gros 63MB» и НК
Средняя плотность кг/м3 2320 2360 2360
Прочность при сжатии МПа 25,3 28,3 32,1
Прочность при изгибе МПа 9 13 15
Водопоглощение масс. % 4,0 3,5 2,5
Морозостойкость циклы 150 150 300
Введение базальтового волокна способствует увеличению прочностных показателей по прочности на сжатие на 10%, на изгиб - 40%. Состав фибробетона с применением пирогенного НК показал самые высокие показатели: улучшение прочности при сжатии на 25%, прочности при изгибе - 65% относительно контрольного бездобавочного состава. Бетоны с применением пирогенного НК характеризуются высокими эксплуатационными показателями - низким во-допоглощением и высокой морозостойкостью.
Улучшение физико-механических характеристик фибробетона связано с изменением его микроструктуры (рис. 3).
Рисунок 3 - РЭМ поверхности цементного бетона (а) и фибробетона с добавкой «Штайнберг Gros 63MB» и НК (б)
Структура фибробетона характеризуется более плотным строением по сравнению с контрольным составом. На поверхности скола состава с НК наблюдается большее количество игольчатых новообразований гидросиликатов кальция. Пирогенный нанокремнезем активно действует на процессы гидратации портланцемента и, связывая портландит, обеспечивает сохранность базальтового волокна. Управление структурообразованием на микро- и наноуровне позволяет получить фибробетон с высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами.
Выводы
Таким образом, на основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
- использование суперпластификаторов поликарбоксилатного типа совместно с пиро-генным нанокремнеземом позволяет равномерно распределить его в цементном тесте и приводит к увеличению физико-механических показателей на 30-40% по сравнению с контрольным составом;
- фиброцементные композиты с базальтовым волокном показали высокие физико-механические показатели при совместном использовании добавки суперпластификатора и пиро-генного кремнезема;
- получены составы фибробетона, характеризующиеся высокими физико-механичекими показателями;
- исследование микроструктуры фибробетона на основе базальтового волокна, суперпластификатора полкирабоксилатного типа и пирогенного нанокремнезема показало наличие большего количества гидросиликатов кальция.
Библиография
1. Рабинович Ф.Н. Композиты на основе дисперсно-армированных бетонов. Вопросы теории и проектирования, технология, конструкции. - М.: Изд-во АСВ, 2004. - 560 с.
2. Пухаренко Ю.В. Реставрация и строительство: потенциал фиброармированных материалов и изделий // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - № 4.
3. Степанова В.Ф., Бучкин А.В., Юрин Е.Ю. Исследование свойств тяжелого бетона на крупном заполнителе, армированного неметаллической базальтовой фиброй // Строительные материалы. -2018. - № 9. - С. 46-53.
4. Сарайкина К.А., Голубев В.А., ЯковлевГ.И. и др. Наноструктурирование цементного камня при дисперсном армировании базальтовым волокном // Строительные материалы. - 2015. - N° 2. - С. 34-38.
5. Бабаев В.Б., Строкова В.В., Нелюбова В.В. Базальтовое волокно как компонент для микроармирования цементных композитов // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. - 2012. - № 4. - С. 58-61.
6. Урханова Л.А., Лхасаранов С.А., Розина В.Е. и др. Повышение коррозионной стойкости ба-зальтофиброцементных композиций с нанокремнеземом // Нанотехнологии в строительстве. - 2014. -Т. 6, № 4. - С. 13-27. - URL: http://nanobuild.ru/ru_RU/ (дата обращения: 25.10.2018).
Bibliography
1. Rabinovich F.N. Composites based on dispersed-reinforced concrete. Questions of theory and design, technology, constructions. - M., 2004. - 560 p.
2. Pukharenko Yu.V. Restoration and construction: the potential of fibro-reinforced materials and products // Modern problems of science and education. - 2012. - N 4.
3. Stepanova V.F., Buchkin A.V., Yurin E.Yu. Study of the properties of heavy concrete on a coarse aggregate reinforced with non-metallic basalt fiber. Stroitel'nye materialy // Construction Materials. - 2018. -N 9. - P. 46-53.
4. Saraykina K.A., Golubev V.A., Yakovlev G.I. et al. Nanostructuring a cement stone at disperse reinforcing by basalt fiber. Stroitel'nye materialy // Construction Materials. - 2015. - N 2. - P. 34-38.
5. Babaev V.B., Strokova V.V., Nelyubova V.V. et al. The question of alkali resistance of basalt fiber in cement system // Bulletin of Belgorod state technological university named after V.G. Shukhov. - 2013. -N 2. - P. 63-66.
6. Urkhanova L.A, Lkhasaranov S.A, Rozina V.E. Increased corrosion resistance of basalt reinforced cement compositions with nanosilica. Nanotehnologii v stroitel'stve // Nanotechnologies in Construction. -2014. - Vol. 6, N 4. - Р. 13-27. - URL: http://nanobuild.ru/ru_RU/ (date of access 25.10.2018).
