CC BY
71
Классификация размерностей наноструктур и свойства композиционных материалов.
П.Г.Комохов, А.М.Сычева, И.В.Степанова, И.П.Филатов
Развивая ранее высказанные представления [1, 2, 3, 4], можно отметить, что влияние на свойства бетонов и совершенствование технологий их получения возможно с учетом как природы, так и размера вводимых твердых фаз. При этом по мере уменьшения размера частицы до 1...100 нм проявляются те ее особенные свойства, которые определяют мицеллярное строение частицы и являются резервом повышения уровня свойств цементных бетонов.
Область существования ионов, менее 1 нм <10'м)
1. Энергетическая активность твердых дисперсий и их фазовых структур как конструктивного механизма формирования цементного композита
На рис. 1 представлена размерная шкала частиц и выделены области I, III, IV и область II по размерам [3] для активирования свойств бетонов. Физический смысл, который вносит учет размерных признаков, представленны в таблице 1, где показаны возможные принципиальные механизмы
II
Область коллоидных дисперсий, ¡...100 нм (наноразм е р дис п ере и и)
III
Область неколлоидных дисперсий, 10!... 104 нм (10') (сверх наноразмер)
IV
Область грубых дисперсий более Ю'ЦО') нм
кластеризация
стадия форми-
йоды на н о-тетины сверх наночаешцы
рования струк-
турных фаз
Рис. 1. Размерная шкала частиц
Таблица 1
Возможное влияние дисперсий твердых веществ на активирование свойств бетонов
влияния дисперсий твердых веществ на минеральную цементирующую матрицу, которые вскрывают резерв повышения уровня свойств бетонов разной средней плотности.
В порядке обсуждения таблицы 1 следует отметить следующее. Взаимодействие между наночастицами на расстоянии порядка 102...104 нм, т.е. порядка диаметра атома в молекулах делает устойчивой структуру геля и наделяет его макроскопическими свойствами. В соответствии с известными классификациями, в твердом теле существуют микро- и ме-зопоры, 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, связанные с появлением участков с аморфной структурой. Химический эффект в таком случае сопровождается ростом гид-ратационной активности и прочности при сжатии и при изгибе, аморфное же строение способствует рассеиванию фононов и падению теплопроводности, т.е. наноразмер дисперсии твердой добавки отличается тем, что одновременно может оказывать влияние на разные свойства бетонов, что отражено в таблице 1. Высокая удельная поверхность гид-ратсодержащих коллоидных частиц, или частиц наноразме-ра, способствует проявлению эффекта склеивания, что важно учитывать в некоторых бетонных технологиях, например, резательных при получении изделий или при формировании покрытий по поверхностным основаниям.
Труднорастворимые вещества из неколлоидной области II (область сверхнаноразмера) могут играть роль активаторов гидратационного твердения за счет кислотно-основного катализа [4], а также за счет явлений на границе раздела цементная матрица - дисперсия твердой добавки; при этом такого рода воздействие тем более заметно, чем выше акцепторная способность катиона, оцененная по орбитальной электроотрицательности: в таком строении на ионе А13+, который имеет самую высокую орбитальную электроотрицательность (6,01 эВ). Тогда в соответствии с кислотно-основным катализом может реализовываться схема 1 как при-
мер каталитического воздействия, проявление которого можно ожидать при использовании алюмозоля.
2. Физико-химические исследования и физико-механические характеристики бетонов с вводимыми добавками наноразмера (золи)
В данной части работы проверялось влияние наноструктур как добавок из области II при получении тяжелых бетонов тонкослойных покрытий. В качестве высокоэффективной добавки, содержащей нанодисперсии, рассмотрен золь ортокремниевой кислоты, который модифицирован комплексом калия, К4^в(СМ)6].
Экспериментально при помощи физико-химических методов исследований установлено, что цементосодержащие системы, активированные золем ортокремниевой кислоты, отличаются повышенным содержанием гидратных соединений.
Прослежено, что золь ортокремниевой кислоты оказывает существенное влияние и на формирование структуры цементного камня, обеспечивая получение особо плотной структуры. По данным микроскопических исследований определено, что общая пористость активированного материала уменьшается более, чем на 40%, по-видимому, за счет каль-матации пор соответствующего размера как продуктами гидратации, образующимися в повышенном количестве, так и нанодисперсиями, входящими в состав золь-добавок. Указанный эффект действия зольсодержащих добавок, а именно активирующий и уплотняющий, явился основанием создания высокопрочных и высокоплотных материалов на цементной основе. Результаты экспериментальных исследований, представленные в таблице 2, показали, что при использовании в качестве добавки золя ортокремниевой кислоты и традиционных сырьевых компонентов, таких как портлан-
Таблица 2
Физико-механические характеристики бетона, активированного кремнезолем
Расход материалов на 1 мJ кг Прочность*, МПа
№ п/п Ц п Щ золь, % от массы цемента В В/Ц О.К., см при сжатии при изгибе ./К'. усадка, мм/м 0> £ X ОТ 3 О с о с о =г о о морозостойкость цикл водонепроницаемо сть, атм.
1 500 610 1100 - 190 0,38 2,0 43,0 7,3 0,17 3,7 5,7 250 8
2 500 620 1105 0,75 175 0,35 2,0 62,0 13,0 0,21 0,36 2,6 600 14
3 600 566 1006 - 216 0,36 2,0 55,0 9,6 0,17 3,8 5,5 300 10
4 600 580 1028 0,75 192 0,32 2,0 77,0 16,7 0,22 0,36 2,5 700 16
5 700 536 954 0,75 210 0,30 2,0 82,0 16,4 0,20 0,34 2,4 700 16
6 800 480 890 0,75 232 0,29 2,0 85,0 13,6 0,16 0,34 2,4 700 16
* - 28-суточный возраст
4 2008 91
Физико-механические характеристики активированного
дцемент ПЦ400 Д20, песок для строительных работ с Мкр=2,3 и гранитный щебень фр. (5-20) мм, бетон в проектном возрасте достигает значения прочности, равного 82,0 МПа, что соответствует классу бетона В60.
Анализ полученных данных показывает, что активированный бетон характеризуется улучшенными физико-механическими характеристиками: прочность при сжатии увеличивается на 40-44%, при изгибе на 78%, что повышает трещиностойкость бетона, т.е. в присутствии золя формируется такая структура, которая позволяет получить бетон класса В60 на традиционных материалах. Отличительной особенностью и достоинством полученных высокопрочных бетонов является их повышенная морозостойкость, соответствующая марке F700, водонепроницаемость, соответствующая марке Ш16, при этом, усадка бетона не превышает значения 0,36 мм/м и затухает к 12-14 суткам.
Кремнезоль, обладающий уплотняющим эффектом, был рассмотрен при проектировании гидризоляционного защитного покрытия, основными и необходимыми параметрами которого являются повышенная плотность и прочность при сжатии и высокая адгезия (таблица 3).
Проведенные исследования подтвердили, что кремнезоль обеспечивает получение плотного мелкозернистого покрытия, водопоглощение которого понижается ~ на 25%, что подтверждается оценкой капиллярного подсоса. Кроме того, материал, активированный кремнезолем, характеризуется повышенной прочностью при сжатии на 40-45%, соответствуя марке М400, повышением прочности при изгибе до 60%, при этом соответственно повышается трещиностойкость материала, которая имеет принципиальное значение при использовании его в качестве защитного покрытия. Прослежено, что активированный золем материал характеризуется и повышенным значением адгезионной прочности, равной 2,7-3,2 МПа.
Таблица 3
кремнезолем гидроизоляционного защитного покрытия
Приведенный материал свидетельствует о том, что механизм воздействия кремнезоля на цементную матрицу вскрывает резервы композиционной системы за счет уплотнения собственно наночастицей пор и капилляров соответствующего размера (1...100нм), что приводит к росту прочности, водонепроницаемости, морозостойкости и поэтому долговечности, а также за счет мицеллярного строения наночас-тицы воздействия диффузного слоя на степень гидратации и количества гидросиликатов, что обеспечивает в том числе и повышение адгезионных характеристик композиционного материала на цементной основе.
Взаимодействие между наночастицами на расстоянии порядка 102 - 104 нм делают устойчивой структуру геля и наделяют его макроскопическими свойствами.
Резюмируя сказанное, следует отметить, что элементы нанотехнологии очень важны и энергетически активны для формирования структуры бетона в микроскопическом масштабе. Они затрагивают своего рода первоначальное проявление квантово-механических особенностей, обеспечивают вероятность, но не необратимость.
Список литературы:
1. Л.Б.Сватовская. Фундаментальные основы свойств композиций на неорганических вяжущих. С.-Петербург, ПГУПС, 2006.
2. П.Г.Комохов. Золь-гель как концепция нанотехнологии цементного композита. «Строительные материалы», 2006, №9, с.14-15.
3. А.М.Сычева. Активирование твердения пеноматериалов нано- и сверхструктурами. Сб. «Новые исследования в материаловедении и экологии». Вып. 7. С.-Петербург, ПГУПС, 2007.
4. А.М.Сычева, Е.А.Попова, Д.И.Дробышев, И.П.Филатов. Активированное твердение пенобетонов. С.-Петербург, ПГУПС, 2007.
Расход материалов, масс.% Ф X У го з о С о и СО =£ Щ 2 Р - з к £ г
№ п/п ц П, фракции (0-0,63) мм кремнезоль Н^О, В, л Б/Ц и § О. го £ о с го и >» X о го с X 5 ГО и х о. ГО с ^ аГ \о X (Ч а. с А л и О X У о а. с го X X о аГ ^ X 1 о с; О с § _о и О >х о (_) о £ го -а и О Е а» го ^ 5 X О о.
ш О О 33 о 41
3 э-о 3" О с£ го о С [4 а * о £ О =с
и ГО о. с с о 03 ш
1 30 55,5 156 0,52 15,0 го,г 4,2 2,2 2,8 0,12 200 10
г 30 52,5 3,0 147 0,49 15,0 28,5 6,7 2,7 2,1 0,08 300 14
3 35 50,5 171 0,49 15,0 23,4 4,8 2,3 2,7 0,4 200 10
4 35 47,5 3,0 164 0,47 15,0 33,2 7,7 2,9 2,0 0,07 300 14
5 40 45,5 - 188 0,47 15,0 28,6 6,0 2,5 2,5 0,1 200 12
6 40 42,5 3,0 176 0,44 15,0 40,6 9,5 3,1 1,9 0,05 300 16
7 45 40,5 - 202 0,45 15,0 33,1 7,0 2,6 2,5 0,1 200 12
8 45 37,5 3,0 193 0,43 15,0 41,1 10,1 3,2 1,8 0,05 300 16
9 50 35,5 - 210 0,42 15,0 35,3 7,5 2,6 2,5 0,1 200 12
10 50 32,5 3,0 195 0,39 15,0 42,3 10,8 3,2 1,8 0,05 300 16
92 4 2008
