CC BY
141
УЕБТЫНС
мвви
УДК 666.97
А.П. Пустовгар, Н.П. Лукутцова*, А.Г. Устинов*
ФГБОУВПО «МГСУ», *ФГБОУВПО «БГИТА»
ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ МЕЛКОЗЕРНИСТОГО БЕТОНА МОДИФИЦИРОВАННОГО НАНОДИСПЕРСНОЙ ДОБАВКОЙ
СЕРПЕНТИНИТА
Приведены результаты исследования влияния добавки нанодисперсного серпентинита, полученной ультразвуковым способом в водной среде, на свойства мелкозернистого бетона.
Ключевые слова: серпентинит, мелкозернистый бетон, ультразвуковое диспергирование, нанодисперсная добавка, пластификатор.
Переход страны на рыночные отношения, сближение отечественных и зарубежных требований к экологии жилища и их дифференция в зависимости от запросов потребителей диктуют необходимость поиска резервов повышения гарантий определенного уровня экологической безопасности проживания при рациональном использовании современных технологий и строительных материалов, изделий и конструкций.
Целью работы является исследование эффективности добавки наноди-сперсного серпентинита, полученной ультразвуковым способом в водной среде, на свойства мелкозернистого бетона (МЗБ).
Для получения нанодисперсной добавки использовался серпентинит — плотная горная порода, образовавшаяся в результате изменения (серпентини-зации) гипербазитов при метаморфизме магматических пород группы перидотита и пикрита, иногда также доломитов и доломитовых известняков.
Рис. 1. Серпентинит
Серпентинит состоит главным образом из минералов группы серпентина и примеси карбонатов, иногда граната, оливина, пироксена, амфиболов, талька, а также рудных минералов магнетита, хромита и других. Общая формула состава MgзSi2O5(OH)4.
Окраска серпентинита зеленая с пятнами разных цветов. Богатство градаций зеленого тона зависит от присутствия тех или иных минеральных примесей, так, белый цвет обусловлен присутствием ветвящихся прожилков кальцита или доломита. Разнообразием цветовых оттенков отличаются серпентиниты Урала. Минерал серпентин включает в себя моноклинный и ромбический хризотил (волокна) и моноклинный и ромбический антигорит (пластинчатый), ромбовидный лизардит (плотный, пластинчатый). Общая формула минерала: Mg5[(OH)8|Si4O10]. Незначительное количество Si может замещаться на А1, а Mg — А1, Fe2+, Fe3+, №. Общие свойства минералов группы серпентина следующие: цвет зеленый, голубоватый, белый. Твердость 2,5, у антигорита изредка достигает 3,5. Все минералы группы серпентина, в т.ч. и волокнистые, обладают слоистой структурой. Различия между минералами группы серпентина обусловлены как химическим составом, так и различными способами наложения и соединения структурных элементов: кремнекислородных тетраэдров и бру-ситоподобных слоев — и деформациями их структур. Существует частично и полностью неупорядоченное наложение слоев друг на друга. Для минералов группы серпентина характерны изгибы слоев. Слои хризотила изогнуты вокруг оси с образованием полых цилиндров, вытянутых по оси. Разновидность хризотила — парахризотил — обладает изогнутыми слоями вокруг оси и волокнистостью параллельно оси. Минералы группы серпентина образуются преимущественно при изменении магнезиального оливина, ромбовидного и реже моноклинного пироксена. Ими сложены многие массивы серпентини-зированных гипербазитов; в меньшем количестве известны в контактово-ме-таморфизованных известняках и доломитах [1, 2]. В отличие от асбестовых амфиболовых пород серпентины являются экологически безопасным и общедоступным видом сырья.
Для изучения влияния добавок нанодисперсного серпентинита на струк-турообразование и свойства мелкозернистого бетона были получены и исследованы водные суспензии серпентинита. Характеристики используемого серпентинита приведены в табл. 1, его химико-минералогический состав — в табл. 2.
Табл. 1. Характеристики серпентинита
Химическая формула МЕ,3^°5(ОН)4
Примесь (химия) Роговая обманка, авгит, карбонаты
Цвет Темно-зеленый, оттенки черного, бурого
Цвет черты Белая
Блеск Стеклянный, жирный, восковой
Прозрачность Непрозрачен
Твердость, шкала Мооса 2,5...4
Спайность Отсутствует
Излом Раковистый
Плотность 2,2.2,9 г/см3
Табл. 2. Химико-минералогический состав серпентинита
1 SiO2 59,0% 8 TiO2 0,48%
2 A1A 15,9% 9 C2O3 0,19%
3 CaO 10,5% 10 MnO 0,18%
4 Fe2°3 8,45% 11 SO3 0,05%
5 MgO 3,20% 12 SrO 0,03%
6 Na2O 1,28% 13 VA 0,01%
7 K20 0,69% 14 ZnO 0,008%
Технология получения нанодисперсной добавки серпентинита включает следующие этапы: помол в чашечном истирателе ИЧ-1 в течение 0,5 ч до удельной поверхности 320...350 м2/кг, добавление стабилизатора нафталин-формальдегидного типа и обработку ультразвуком при частоте 35 кГц в при температуре воды (20 ± 2) °С.
Ультразвуковое диспергирование серпентинита, скорее всего, способствует высвобождению подвижных минеральных волокон, состоящих преимущественно из силикатов магния. Очищенные от примесей при дроблении поверхности волокон под действием ультразвуковых волн подвергаются эрозии и диспергированию, вследствие чего образуются более мелкие микро- и нано-размерные частицы. Использование стабилизатора С-3 препятствует агрегации частиц [3—7].
Для изучения влияния добавки нанодисперсного серпентинита на струк-турообразование и свойства мелкозернистого бетона изготавливали образцы размером 4^4^16 см. Использовался белый цемент СIMSA турецкого производителя, соответствующий требованиям ГОСТ 10178—931, и кварцевый песок ООО «Фирма Русеан» в соотношении 1:3. Образцы твердели в ванне с гидравлическим затвором. Испытания физико-механических свойств бетонных образцов производили согласно ГОСТ 10 1 80—902.
Для определения оптимального времени ультразвукового диспергирования (УЗД) использовалась нанодисперсная добавка с концентрацией серпентинита 0,01 % в пересчете на сухое вещество (табл. 3)
Табл. 3. Определение оптимального времени УЗД
Состав R изг Пределы прочности, МПа
R сж R изг R сж
Время УЗД Добавка 3 сут 28 сут
— — 1,8 10,6 4,6 39,2
5 0,01 % 2,6 10,8 4,8 47,6
1 ГОСТ 10178—93. Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия. Взамен ГОСТ 10178—85; введен 01.01.1997. М. : Госстандарт СССР; Издательство стандартов, 2000. 8 с.
2 ГОСТ 10180—90. Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам. Взамен ГОСТ 10180—78; введен 01.01.1991. М. : Издательство стандартов, 1991. 31 с.
ВЕСТНИК
МГСУ-
Окончание табл.
Состав R изг Пределы прочности, МПа
R изг R сж R изг R сж
Время УЗД Добавка, % 3 сут 28 сут
10 0,01 3,2 15,4 5,8 50,0
15 0,01 4,0 18,9 6,2 52,8
20 0,01 3,0 13,6 5,4 48,6
Установлено, что максимальная прочность при изгибе и сжатии модифицированного мелкозернистого бетона наблюдается при времени УЗД 15 мин. В дальнейшем нанодисперсную добавку с концентрацией серпентинита 0,01 % вводили в состав бетонной смеси в количестве 0,05; 0,10; 0,15 % от массы цемента в пересчете на сухое вещество вместе с водой затворения (табл. 4).
Табл. 4. Влияние добавки нанодисперсного серпентинита на прочностные свойства мелкозернистого бетона
Пределы прочности, МПа
Состав, % R изг R сж R изг R сж R изг R сж
1 сут 3 сут 28 сут
Без добавки 0,62 3,42 1,8 10,6 4,6 39,2
0,05 0,63 7,62 3,6 14,8 5,4 48,8
0,10 0,72 7,71 4,2 18,8 6,0 54,4
0,15 0,78 7,53 5,1 19,1 6,4 54,6
Установлено, что максимальный прирост прочности цементного камня наблюдается при введении добавки серпентинита в количестве 0,15 % от массы цемента. При этом через 28 сут твердения предел прочности при сжатии повышается в 1,5 раза, а при изгибе — в 1,3 раза, что позволяет снизить количество цемента без потери прочности до 10 %.
В результате исследований установлено, что нанодисперсная добавка серпентинита позволяет повысить прочность МЗБ на сжатие в ранние сроки твердения в 2,2 раза через 1 сут и в 2,5 раза через 3 сут твердения.
В табл. 5 приведены результаты экспериментов по определению средней плотности и водопоглощения мелкозернистого бетона контрольного состава и с добавкой серпентинита в количестве 0,05; 0,10; 0,15 % от массы цемента в пересчете на сухое вещество.
Табл. 5. Средняя плотность и водопоглощение мелкозернистого бетона, модифицированного нанодисперсной добавкой на основе серпентинита
Состав, % Средняя плотность, кг/м3 Водопоглощение по массе, %
Без добавки 2246 4,58
0,05 2317 3,20
0,10 2357 3,35
0,15 2424 2,63
Установлено, что введение в состав мелкозернистого бетона нанодисперс-ной добавки с концентрацией серпентинита 0,01 %, полученной при ультразвуковом диспергировании в течение 15 мин в количестве 0,15 % способствует повышению средней плотности от 2246 до 2424 кг/м3, снижению водопоглоще-ния от 4,58 до 2,63 %, т.е. в 1,7 раза.
Результаты сканирующей электронной микроскопии показывают, что структура мелкозернистого бетона с добавкой нанодисперсного серпентинита в возрасте 7 сут (рис. 2) отличается наличием в микропорах тонковолокнистых кристаллов с длиной до 10 мкм, шириной от 0,3 до 0,5 мкм, армирующих поры цементного камня. Кристаллы расположены перпендикулярно поверхности поры в виде пучков. Через 28 сут твердения наблюдается изменение формы и размеров кристаллических новообразований: они становятся в 1,5.2 раза короче, толще и сильно переплетаются между собой (рис. 3). Такие кристаллы характерны для гидросиликатов кальция типа CSH (I), обеспечивающих прочность бетона [8].
в
Рис. 2. Структура мелкозернистого бетона в возрасте 7 сут: а — х10000; б —х30000; в — х5000
а б
Рис. 3. Структура мелкозернистого бетона в возрасте 28 сут: а — х60000; б — х120000
Заключение. Таким образом, установлена эффективность модифицирования структуры мелкозернистого бетона экологически безопасной нанодисперс-ной добавкой серпентинита, позволяющей повысить предел прочности при сжатии в 1,5 раза, а при изгибе — в 1,3 раза, а также снизить водопоглощение в 1,7 раза.
Библиографический список
1. Геологический словарь : в 2-х т. / под ред. К.Н. Паффенгольца и др. М. : Недра. 1978.
2. Шуман В. Мир камня // Горные породы и минералы. М. : Мир, 1986. С. 134.
3. Лукутцова Н.П., Пыкин А.А., Чудакова О.А. Модифицирование мелкозернистого бетона микро- и наноразмерными частицами шунгита и диоксида титана // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2010. № 2. С. 67—70.
4. Лукутцова Н.П. Наномодифицирующие добавки в бетон // Строительные материалы. 2010. № 9. С. 101—104.
5. Баженов Ю.М., Лукутцова Н.П., Матвеева Е.Г. Исследование наномодифици-рованного мелкозернистого бетона // Вестник МГСУ 2010. № 4. Т. 2. С. 415—418.
6. Королев Е.В., Кувшинова М.И. Параметры ультразвука для гомогенизации дисперсных систем с наноразмерными модификаторами // Строительные материалы. 2010. № 9. С. 85—88.
7. Лукутцова Н.П., Чудакова О.А., Хотченков П.В. Строительные растворы с на-нодисперсной добавкой диоксида титана // Строительство и реконструкция. 2011. № 1. С. 66—69.
8. Анализ эффективности и экологической безопасности технологии получения наномодифицирующей добавки для бетонов / Н.П. Лукутцова, С.А. Ахременко, А.А. Пыкин, Е.В. Дегтярев // Биосферносовместимые города и поселения : материалы науч.-практ. конф. Брянкс : БГИТА, 2012. С. 82—88.
Поступила в редакцию в январе 2013 г.
Об авторах: Пустовгар Андрей Петрович — кандидат технических наук, директор Научно-исследовательского института строительных материалов и технологий, профессор кафедры строительства ядерных установок, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, [email protected];
Лукутцова Наталья Петровна — доктор технических наук, профессор кафедры производства строительных конструкций, ФГБОУ ВПО «Брянская государственная инженерно-технологическая академия» (ФГБОУ ВПО «БГИТА»), 241037, г. Брянск, проспект Станке Димитрова, д. 3, [email protected];
Устинов Александр Геннадьевич — аспирант кафедры производства строительных конструкций, ФГБОУ ВПО «Брянская государственная инженерно-технологическая академия» (ФГБОУ ВПО «БГИТА»), 241037, г. Брянск, проспект Станке Димитрова, д. 3, [email protected].
Для цитирования: Пустовгар А.П., Лукутцова Н.П., Устинов А.Г. Изучение свойств мелкозернистого бетона модифицированного нанодисперсной добавкой серпентинита // Вестник МГСУ 2013. № 3. С. 155—162.
A.P. Pustovgar, N.P. Lukuttsova, A.G. Ustinov
STUDY OF THE PROPERTIES OF FINE-GRAINED CONCRETE MODIFIED BY THE NANODISPERSE SERPENTINITE ADDITIVE
The purpose of the research consists in development of a nano-sized additive containing mineral serpentinite designated for fine-grained concretes. In this article, the results of research into the influence of nanodisperse mineral serpentinite additives on physical-mechanical properties of fine-grained concrete are provided.
Nano-sized particles are obtained by the milling of serpentinite together with C-3 plasticizer, the content of which is equal to 1 % of the mass of serpentine, and the milling time is 30 min. Milled nano-sized particles are dispersed in the water environment using the ultrasonic technology. The ultrasonic treatment frequency is 35 KHz, and the exposure time varies from 15 to 60 min.
The study of the effect of the nanodisperse additive is performed using samples of fine-grained concretes made of white-color cement and quartz sand and hardened according to the regular procedure.
If the concentration of serpentinite is equal to 0.01 % and the additive is obtained by the 15-minute exposure to ultrasonic dispersion, the 0.15 % content of the nanodisperse additive added to the fine concrete improves the compressive strength 1.5-fold, the bending strength — 1.3-fold, and improves the average density by 8%, while the water absorption rate goes down 1.7-fold. Resulting strength properties comply with the structure of cement identified with the help of an electronic microscope.
Key words: serpentinite, fine-grained concrete, ultrasonic dispersion, nanodisperse additive, plasticizer.
References
1. Paffengol'ts K.N. Geologicheskiy slovar' [Dictionary of Geology]. Moscow, Nedra Publ., 1978.
2. Shuman V. Mir kamnya. Gornye porody i mineraly [World of Stones. Rock and Minerals]. Moscow, Mir Publ., 1986, pp. 134.
3. Lukuttsova N.P., Pykin A.A., Chudakova O.A. Modifitsirovanie melkozernistogo be-tona mikro- i nanorazmernymi chastitsami shungita i dioksida titana [Modifying Fine-grained Concrete by Micro- and Nano-sized Particles of Schungite and Titanium Dioxide]. Vestnik BGTU im. V.G. Shukhova [Proceedings of Bryansk State Technical University named after V.G. Shukhov]. 2010, no. 2, pp. 67—70.
4. Lukuttsova N.P. Nanomodifitsiruyushchie dobavki v beton [Nano-modifying Concrete Additives]. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2010, no. 9, pp. 101—104.
5. Bazhenov Yu.M., Lukuttsova N.P., Matveeva E.G. Issledovanie nanomodifitsirovan-nogo melkozernistogo betona [Research into Nano-modified Fine-grained Concrete]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2010, no. 4, vol. 2, pp. 415—418.
6. Korolev E.V., Kuvshinova M.I. Parametry ul'trazvuka dlya gomogenizatsii dispersnykh sistem s nanorazmernymi modifikatorami [Parameters of the Ultrasound Used for Homogeni-zation of Disperse Systems Having Nano-sized Modifiers]. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2010, no. 9, pp. 85—88.
7. Lukuttsova N.P., Chudakova O.A., Khotchenkov P.V. Stroitel'nye rastvory s nanodis-persnoy dobavkoy dioksida titana [Building Mortars Having a Nanodisperse Titanium Dioxide Additive]. Stroitel'stvo i rekonstruktsiya [Construction and Restructuring]. 2011, no. 1, pp. 66—69.
8. Lukuttsova N.P., Akhremenko S.A., Pykin A.A., Degtyarev E.V. Analiz effektivnosti i ekologicheskoy bezopasnosti tekhnologii polucheniya nanomodifitsiruyushchey dobavki dlya betonov [Analysis of Efficiency and Safety of Technology of Recovery of a Nano-modifying Concrete Additive]. Biosfernosovmestimye goroda i poseleniya. Materialy nauch.-prakt. konf. [Towns and Settlements Compatible with the Biosphere. Works of the Scientific and Practical Conference]. Bryansk, BGITA Publ., 2012, pp. 82—88.
About the authors: Pustovgar Andrey Petrovich — Candidate of Technical Sciences, Director, Research and Scientific Institute for Construction Materials and Technologies, Professor, Department of Construction of Nuclear Installations, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected];
Lukuttsova Natal'ya Petrovna — Doctor of Technical Sciences, Professor, Bryansk State Academy of Engineering and Technology (BGITA), 3 pr. Stanke Dimitrova, Bryansk, 241037, Russian Federation; [email protected]; +7 (4832) 74-60-08, +7 (4832) 74-05-13;
Ustinov Aleksandr Gennad'evich — postgraduate student, Department of Production of Structural Units, Bryansk State Academy of Engineering and Technology (BGITA), 3 pr. Stanke Dimitrova, Bryansk, 241037, Russian Federation; [email protected].
For citation: Pustovgar A.P., Lukuttsova N.P., Ustinov A.G. Izuchenie svoystv melkoz-ernistogo betona modifitsirovannogo nanodispersnoy dobavkoy serpentinita [Study of the Properties of Fine-grained Concrete Modified by the Nanodisperse Serpentinite Additive]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 3, pp. 155—162.
