ЛЕГКИЕ БЕТОНЫ С ПЕНОСТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКИМ ЗАПОЛНИТЕЛЕМ, МОДИФИЦИРОВАННЫЕ МИКРО- И НАНО-КРЕМНЕЗЕМОМ

Ильина Лилия Владимировна; Тацки Людмила Николаевна; Молодин Владимир Викторович; Колесова Татьяна Дмитриевна

Научная статья УДК 691.32:666.972

ГРНТИ: 67 Строительство и архитектура

ВАК: 2.1.5 Строительные материалы и изделия

с1сн:10.51608/26867818_2023_3_80

ЛЕГКИЕ БЕТОНЫ С ПЕНОСТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКИМ ЗАПОЛНИТЕЛЕМ, МОДИФИЦИРОВАННЫЕ

МИКРО- И НАНО-КРЕМНЕЗЕМОМ

Аннотация. В работе представлены результаты модифицирования легких бетонов на пеностеклокристаллическом заполнителе за счет одновременного введения добавок микро- и нанокремнезема. Основная их роль может заключаться в связывании портландита и уплотнении твердеющей композиции, особенно переходной зоны от раствора к заполнителю.

Исследовано влияние нанокремнезема в количестве 0,001-0,025 % мас. и микрокремнезема - 4-12 % мас. от расхода портландцемента. Использовался микрокремнезем МК-85 производства ОАО «Кузнецкие ферросплавы» и кремнезоль - производства научно-технического центра «Компас» (г. Казань). Вяжущим веществом являлся портландцемент ЦЕМ I 42,5Б. В качестве легкого заполнителя использовался ГПСКМ «КЕРВУД». Развитая шероховатая поверхность заполнителя приводит к улучшению адгезии цементного камня с ним. Изучение микроструктуры гранул показало, что каждая пора окружена спекшейся оболочкой с мелкопористой структурой. Такая структура заполнителя приводит к низкому водопо-глощению гранул и, следовательно, к высокой морозостойкости композита, изготовленного на его основе. Путем математического планирования двухфакторного эксперимента на трех уровнях установлены оптимальные дозировки добавок и их влияние на свойства легкого бетона (пределы прочности при сжатии, изгибе и среднюю плотность), твердевшего в условиях тепло-влажностной обработки. В результате модификации легкого бетона на пеностеклокристаллическом заполнителе получен конструкционно-теплоизоляционный бетон с прочностью при сжатии 9,3 - 14,6 МПа и средней плотностью 958 - 1014 кг/м3.

Ключевые слова: легкие бетоны; пеностеклокристаллический заполнитель; микрокремнезем; нанокремнезем; теп-ловлажностная обработка; прочность при сжатии и изгибе

Для цитирования: Легкие бетоны с пеностеклокристаллическим заполнителем, модифицированные микро- и нано-кремнеземом / Л.В. Ильина, Л.Н. Тацки, В.В. Молодин, Т.Д. Колесова // Эксперт: теория и практика. 2023. № 3 (22). С. 8085. Сск10.51608/26867818_2023_3_80.

Ильина Лилия Владимировна

доктор технических наук, профессор

Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Россия, Новосибирск, e-mail: nsklika@mail.ru)

Тацки Людмила Николаевна

кандидат технических наук, доцент

Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Россия, Новосибирск, e-mail: stf@sibstrinl.ru) Молодин Владимир Викторович доктор технических наук, профессор

Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Россия, Новосибирск, e-mail: molodin@sibstrin.ru)

SPIN-код: 1654-0074 AuthorID: 713134 ORCID 0000-0001-7437-1128 ResearcherID: AGW-0849-2022 Scopus ID: 57208102141 SPIN-код: 3157-2314 AuthorID: 1206838 ORCID 0009-0001-0927-656X

Колесова Татьяна Дмитриевна

студент

Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Россия, Новосибирск, e-mail: t.kolesova@sibstrin.ru)

Original article

LIGHTWEIGHT CONCRETE WITH FOAM GLASS FILLER, MODIFIED MICRO AND NANO SILICA

doctor of technical sciences, professor

Novosibirsk state University of architecture and civil engineering

(Russia, Novosibirsk,e-mail: nsklika@mail.ru)

TATSKI Ludmila Nikolaevna

Candidate of Technical, Associate Professor

Novosibirsk state University of architecture and civil engineering

(Russia, Novosibirsk, e-mail: stf@sibstrinl.ru)

MOLODIN Vladimir Viktorovich

doctor of technical sciences, professor

Novosibirsk state University of architecture and civil engineering (Russia, Novosibirsk, e-mail: molodin@sibstrin.ru) KOLESOVA Tatyana Dmitrievna student

Novosibirsk state University of architecture and civil engineering (Russia, Novosibirsk, e-mail: t.kolesova@sibstrin.ru)

Abstract. The paper presents the results of modifying lightweight concretes on foam-glass-crystalline aggregate due to the simultaneous introduction of additives of micro- and nanosilica. Their main role may be to bind portlandite and compact the hardening composition, especially the transition zone from mortar to aggregate.

The effect of nanosilica in the amount of 0.001-0.025% wt. and microsilica - 4-12% wt. from the consumption of Portland cement. Microsilica MK-85 produced by OAO Kuznetsk Ferroalloys and silica sol produced by the Scientific and Technical Center Compass (Kazan) were used. The binder was Portland cement CEM I 42.5B. The KERWOOD GPSKM was used as a light filler. The developed rough surface of the filler leads to an improvement in the adhesion of the cement stone with it. The study of the microstructure of the granules showed that each pore is surrounded by a sintered shell with a finely porous structure. Such a structure of the filler leads to low water absorption of the granules and, consequently, to high frost resistance of the composite made on its basis.

By mathematical planning of a two-factor experiment at three levels, the optimal dosages of additives and their effect on the properties of lightweight concrete (compressive strength, bending and average density), hardened under heat-moisture treatment, were established. As a result of the modification of lightweight concrete on foam glass-crystalline aggregate, structural and heat-insulating concrete was obtained with a compressive strength of 9.3-14.6 MPa and an average density of 958-1014 kg/m3.

Keywords: lightweight concrete; foam glass-ceramic aggregate; microsilica; nanosilica; heat and moisture treatment; compressive and bending strength

For citation: Lightweight concrete with foam glass filler, modified micro and nano silica / L.V. Ilina, L.N. Tatski, V.V. Molodin, T.D. Kolesova // Expert: theory and practice. 2023. № 3 (22). Рр. 80-85. (In Russ.). doi:10.51608/26867818_2023_3_80.

Введение

Известно, что современные бетоныв большинстве своем содержат минеральные добавки-модификаторы. В зависимости от дисперсности их принято разделять на добавки-разбавители цемента (зола-унос, молотый доменный гранулированный шлак и др.) и добавки-уплотнители структуры бетона (дисперсные порошки горных пород, микрокремнезем, метакаолин и др.). Размер частиц послед-них,может быть,в 100 раз меньше цементных, удельная поверхность -30000 м2/кг. [1-2]. Основная роль микрокремнезема и метакаолиназаключается в связывании портландита и уплотнении твердеющей композиции, особенно переходной зоны от рас-

твора к заполнителю. Авторы [3-5] считают, что микрокремнезем и метакаолин, вступая в реакцию с портландитом, выделяемым при гидратации цемента, способен повышать прочность бетона, причем ограничивающим фактором является прочность заполнителя.

В публикации [6] представлена структура цементного камня без добавки и с добавкой 10 % микрокремнезема (МК) в возрасте 28 суток. В бездобавочном составе обнаружены высокоосновные гидросиликаты размером 10-15 мкм и эттрингит (ЗСаОАЬОз-ЗСаБОд-ЗИ-^О). Структура цементного камня с МК представлена в основном низкоосновными гидросиликатами кальция размером около

0,1-0,2 мкм, имеющими высокую прочность [7]. Авторы [5; 8] установили, что введение МК повышает прочность при сжатии мелкозернистого бетона. Испытание образцов размером 40x40x160 мм в 28-су-точном возрасте нормального твердения показало следующие результаты: добавка 12 мас. % микрокремнезема МК повысила прочность при сжатии на 55 %. Изменилась микроструктура материала: появились кристаллыгидросиликатов кальция игольчатого строения, существенно снизилась пористость [8]. Положительное влияние МК в составе бетона на его прочность является следствием реакции пуццолани-зации:

+ Са{0Н). + Н20 - тСаО -пБЮ^ дН20

С 2006 г. в России начали появляться публикации по нанотехнологиям, причем наиболее часто в нанокомпозитах на основе портландцемента используется нанокремнезем. Нано-БЮг содержит кремнезем в аморфном состоянии. Реакционная способность частиц нанокремнезема (НК) во многом зависит от содержания в них аморфной фазы. В добавке Таркосил ее содержится 97-99 % [9], а в Лэйксил НТ-40 - 40 % по массе [10]. Эксперименты, выполненные авторским коллективом [10] показали, что добавка Лэйксил НТ-40 при концентрации 0,001 мас. % от расхода цемента, позволила повысить прочность раствора при сжатии на 31 % в возрасте 28 суток. Повышение дозировки добавки до 0,005 % привело к снижению прочности до уровня бездобавочного состава. При этом прочность при изгибе,при изменение дозировки добавки, изменялась незначительно.

В публикации [11] установлено, что при концентрации кремнезолей от 15 до 30 мас. % БЮ2 максимальная прочность цементного камня достигается при дозировке 0,001 мас. % от расхода цемента. Эта же оптимальная дозировка добавки указана авторами [10]. Установлено что кремнезоль повышает свою устойчивость во времени в присутствии соединения К4[Ре(СИ)б]. Эту зольсодержащую композицию вводили в цементную пасту в количестве 0,75 % от массы цемента. При этом прочность при сжатии в возрасте 28 суток возросла на 46 %, морозостойкость более чем в 2 раза, водонепроницаемость в 1,75 раза [12]. При этом также уменьшаются усадка и во-допоглощение. Все это актуально и может использоваться в сибирских условиях при получении дорожных бетонов .

Нано-БЮг имеет размер частиц 10-20 нм, его присутствие в составе бетона обеспечивает более однородную его структуру по сравнению с микрокремнеземом. Наночастицы заполняют пустоты С-Б-Н геля, связывая их между собой. В результате реакции Са(ОН)2 с нанокремнеземом появляются новообразования меньшего размера и в меньшем количестве [13]. В публикации [14] приведена микро-

структура легкого нанобетона при увеличении в 200 раз. Установлено, что большинство пор является закрытыми при довольно высокой пористости, составляющей 8-16 %.

Материалы и методы исследований

В качестве вяжущего вещества использовался портландцемент ЦЕМ I 42,5Б Топкинского цементного завода .Свойства вяжущего соответствуют требованиям ГОСТ 31108 - 2020 «Цементы общестроительные. Технические условия» и ГОСТ 30515 - 2013 «Цементы. Общие технические условия».Физиче-ские и прочностные свойства цемента приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Свойства портландцемента ЦЕМ I 42,5 Б

Наименование показателя Нормативное значение Фактическое значение

Тонкость помола (остаток на сите № 008,%) не нормируется 8,8

Удельная поверхность, м2/кг не нормируется 307

Сроки схватывания, мин начало конец не ранее 60 не нормируется 126 193

Равномерность изменения объема, мм не более 10 0,8

Нормальная густота, % не нормируется 26

Предел прочности в возрасте 28 суток на сжатие, МПа на изгиб, МПа 42,5-62,5 не нормируется 42,9 8,9

Предел прочности на сжатие после ТВО, МПа более 27 39,5

В качестве заполнителя для легкого бетона использовалось калиброванное гранулированное пеностекло марки ГПСКМ (гранулированный пеностек-локристаллический материал) «КЕРВУД». Химический состав и основные характеристики гранулированного пеностекла представлены в таблицах 2 и 3 соответственно.

Таблица 2 - Химический состав гранулированного пеностекла «КЕРВУД»

Оксид SiÜ2 Na2O CaO MgO AhOs Остальное

Масс, 69,9 13,2 9,8 4,1 1,7 1,3

%

Таблица 3 - Основные свойства гранулированного пеностекла «КЕРВУД»

Фракционный состав,

Характеристика мм

0,3-0,6 0,6-1,25

Марка по насыпной плотности 380 330

Насыпная плотность, кг/м3 380±30 330±30

Теплопроводность в сухом состоя- не более не более

нии (при +25 °С), Вт/(м-К) 0,08 0,07

Прочность при сдавливании в ци- не менее не менее

линдре, МПа 2,5 1,3

а)

зема производства научно-технического центра «Компас» (г. Казань). В таблице 4 приведен химический состав микрокремнезема МК-85.

На рисунках 1 и 2 представлены внешний вид, поверхность и микроструктура заполнителя (гранул пеностекла). Поверхность заполнителя развитая, шероховатая. На поверхности гранул (рис. 1б) видны поры, что может привести к повышению сцепления заполнителя с цементным камнем. На рисунке 2 видно, что каждая пора окружена спекшейся оболочкой с мелкопористой структурой. Такая структура заполнителя приводит к низкому водопоглощению гранул и, следовательно, к возможно высокой морозостойкости композита, изготовленного на его основе.

Юрт JTÏOL 9/29/201

X 500 20. OJtV СОМРО SEW WD 10пап 16:02

Рис. 2 - Микроструктура гранул пеностекла, х500

Таблица 4 - Химический состав микрокремнезема МК-85

Содержание оксидов и химических элементов, мас. %

SiO2 AI2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O C S

93,2 0,74 0,68 0,81 0,91 0,79 1,38 1,20 0,29

Проявляющаяся на рентгенограмме в области углов 20-30 «горбушка» (рис. 3) показывает, что микрокремнезем в основном представлен аморфной фазой. Кристаллическая фаза проявляется интенсивным отражением с а2 = 2,52 и другими менее значимыми пиками. На рентгенограмме микрокремнезема кристаллической фазызначительно меньше.

Рис. 1 - а) внешний вид заполнителя; б) поверхность заполнителя, х 10

В качестве модифицирующих добавок использованы микрокремнезем МК-85 - побочный продукт при производстве кремния и ферросилиция, производства ОАО «Кузнецкие ферросплавы» и кремнезоль - коллоидный водный раствор наночастиц кремне-

ITITITIVNTI'ITI'ITH'ITITIVITH'ITITI ITHVITITiTITITITlVIIHTITITiTITIYITIT/ITITI'lTlTlfll'I'I'I'lVI'l'I'ITI'l

4 14 24 34 44 54 64 74 84 94

Рис. 3 - Рентгенограмма микрокремнезема МК-85

Сочетание высокой удельной поверхности частиц с их аморфной структурой придает микрокремнезему способность активно реагировать с гидрок-сидом кальция, выделяющемся при твердении цемента, образуя гидросиликаты, повышающие прочность композиции.

В таблице 5 приведены основные характеристики добавки «Лэйксил 40» (по данным производителя).

Таблица 5 -Свойства «ЛэйксилНТ-40»

№ п/п Наименование показателя Значение показателя

1 РН, ед. рН 9,6 - 10,7

2 Концентрация диоксида кремния, мас. % 39 - 41

3 Кинематическая вязкость, сСт, не более 15,0

4 Плотность, кг/м3 1296-1310

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Содержание наночастиц в добавке определялось с помощью лазерного дифракционного анализатора Н0ШВА1_А-950. Установлено, что основной размер мицелл оксида кремния составляет 60-100 нм (рис.4).

Исследования выполнялись на легких бетонах состава (кг): цемент - 600, ГПСКМ - 436, вода - 370. Добавка микрокремнезема изменялась от 4 до 12 мас. % от расхода цемента, а нанокремнезема от 0,001 до 0,025 мас. %. В работе использован метод ма -тематического планирования экспериментов.В таблице 7 приведены значения факторов варьирования.

J

I.......

* о

1000 3000

Наименование фактора Условное обозначение Уровень варьирования факторов

-1 0 +1

Массовая концентрация нанокремнезема, масс % от ПЦ Х1 0,001 0,005 0,025

Количество добавки микрокремнезема, масс % от ПЦ Х2 4 8 12

Результаты исследования

Результаты испытаний приведены в таб-

Приведенные в таблице 7 результаты показывают, что наибольшей прочности при сжатии (14,6 МПа) удалось достичь при добавлении МК 4 мас. % и НК 0,001 мас. % от расхода портландцемента. Данное упрочнение объясняется пуццолонизирующей способностью добавок. Однако повышение дозировки нано-БЮ2 от 0,001 до 0,005 % снизило прочность при сжатии легкого бетона, поэтому необходимо строгое соблюдение установленного оптимума. 25-кратное повышение дозировки НК способствует повышению прочности, однако ее величина не достигает ранее полученного оптимума.

Таблица 7 - Влияние количества добавок на свойства легкого бетона

Количество добавки, мас. % Прочность легкого бетона, МПа Средняя плотность, кг/м3

нано-кремнезем микрокремнезем прочность при сжатии прочность при изгибе

- - 9,2 0,4 998

0,001 4 14,6 0,4 1014

8 10,3 0,4 989

12 10,2 0,4 999

0,005 4 9,7 0,5 990

8 9,3 0,4 983

12 11,5 0,5 987

0,025 4 12,7 0,4 982

8 10,3 0,5 958

12 10,7 0,4 970

Рис. 4 - Содержание нано-частиц в добавке ЛейксилНТ-40 Таблица 6 - Значения факторов варьирования

Формовались образцы-призмы размером 40x40x160 мм, которые твердели в условиях тепло-влажностной обработки (ТВО) по режиму: 3 часа подъем температуры до 80 °С, изотермическая выдержка 6 час, охлаждение - 2 часа.

лице 7.

Анализ экспериментальных данных показал, что прочность при изгибе для отдельных составов изменялся от 0,4 до 0, 5 МПа, т.е. на 25 % не коррелируя при этом с прочностью при сжатии (табл. 7). Следует также отметить, что существенные различия в прочности при сжатии слабо сказывались на изменении средней плотности легкого бетона. Вместе с тем следует отметить, что средняя плотность снижается при увеличении количества НК. Для снижения средней плотности оптимальным количеством МК является 8 мас. % от портландцемента.

Выводы

1. Развитая шероховатая поверхность пено-стеклогристаллического заполнителя может привести к улучшению адгезии цементного камня с ним. Изучение микроструктуры гранул показало, что каждая пора окружена спекшейся оболочкой с мелкопористой структурой. Такая структура заполнителя приводит к низкому водопоглощению гранул и, следовательно, к возможно высокой морозостойкости композита, изготовленного на его основе.

2. Максимального упрочнения легкого бетона удалось достичь при введении 4 мас. % - микрокремнезема; 0,001 мас. % - нанокремнезема от массы вя-

жущего. Увеличение предела прочности при сжатии по сравнению с контрольным составом составило 59 %, а полученная абсолютная величина прочности после ТВО - 14,6 МПа.

3. Поскольку повышение дозировки нанокремнезема от 0,001 до 0,025 % приводит к снижению прочности при сжатии легкого бетона, необходимо строгое соблюдение установленного оптимума.

4. Предел прочности при изгибе для отдельных составов изменялся на 25 % не коррелируя при этом с прочностью при сжатии. Следует также отметить, что существенные различия в прочности при сжатии слабо сказывались на изменении средней плотности образцов. Причина этого требует исследования микроструктуры и фазового состава образцов с микро- и нанодобавками.

5. В результате модификации легкого бетона на пеностеклокристаллическом заполнителе получен конструкционно-теплоизоляционный бетон с прочностью при сжатии 9,3 - 14,6 МПа и средней плотностью 958 - 1014 кг/м3.

Библиографический список

1. Nguyen D.V.Q., Bazhenov Yu.M., Aleksandrova O.V. Effect of quartz powder and mineral admixtures on the properties of high-performance concrete // Vestnik MGSU. 2019. Т. 14. №1(124). С. 102-117.DOI: 10.22227/19970935.2019.1.102-117

2. Bazhenov Yu.M., Murtazaev S.-A.Yu., Alaskhanov A.H., Saydumov M.S., Bataev D.K-S., Murtazaeva T.S.A. High-strength concretes based on anthropogenic raw materials for earthquake resistant high-rise construction // Engineering Solid Mechanics. 2021. Т. 9. №3. С. 335-346.DOI: 10.5267/j.esm.2021.1.004

3. Оценка физико-химической эффективности минеральных добавок различного состава в цементных системах / Т. А. Низина, А. С. Балыков, Д. И. Коровкин [и др.] // Эксперт: теория и практика. - 2021. - № 5(14). - С. 41-47. - DOI 10.51608/26867818_2021_5_41. - EDN EXPXRE.

4. Гувалов А. А., Аббасова С. И., Кузнецова Т. В. Улучшение структуры высокопрочного бетона с применением модификаторов // Строительные материалы. 2015. № 12. С. 78-80.

5. Василовская Н. Г., Енджиевская И. Г., Дружин-кин С. В. и др. Структурные факторы управления прочностью высокопрочного монолитного бетона // Современные факторы управления прочностью высокопрочного монолитного бетона. 2012. № 4. С. 151-157.

6. Потапов В. В., Горев Д. С. Сравнительные результаты повышения прочности бетона вводом нанокремнезема и микрокремнезема // Современные наукоемкие технологии. 2018. № 9. С. 98-102. DOI: 10.17513/snt.37176

7. Ilina L. V., Mukhina I. N., Semenova M. M. Harder-ing cement conglomerates by mining industries waste // Solid State Phenomena. 2021. T. 316. P. 1061-1066.D0I:10.4028/www.scientific.net/SSP.316.1061

8. Ильина Л. В., Хакимулина С. А., Кадоркин Д. А. Влияние дисперсных минеральных добавок на прочность мелкозернистого бетона // Фундаментальные исследования. 2017. № 4-1. С. 34-38.

9. Демьяненко О. В., Копаница Н. О., Саркисов Ю. С. Исследования свойств наноразмерного диоксида кремния и его влияние на свойства цементного камня // Ресурсы и ресурсосберегающие технологии в строительном материаловедении. Международный сборник научных трудов. Стройсиб - 2016. Новосибирск. НГАУ. 2016. С. 121124. DOI: 10.31675/1607-1859-2020-22-4-147-156.

10. Ильина Л. В., Туляганов А. К., Литвинов М. Е. Влияние кремнезема на прочность цементных растворов // Материалы IV Международной научно-практической конференции «Качество. Технологии. Инновации». Новосибирск: НГАСУ (Сибстрин). 2021. С. 81-85.

11. Красиникова Н. М., Морозов Н. М., Кашапов Р. Р. Влияние кремнезоля на фазовый состав гидратирован-ного цемента с полифункциональной добавкой // Известия КГАСУ. Строительные материалы и изделия. 2016. № 1(35). С. 172-178.

12. Хрусталев Б. М., Яглов В. Н., Ковалев Я. Н., Ро-манюк В. Н. и др. Наномодифицированный бетон // Наука и техника. 2015. № 6. С. 3-8.

13. Попов М. Ю., Петрунин С. Ю., Ваганов В. Е., За-кревская Л. В. Легкие бетоны на основе пеностекла, модифицированные наноструктурами // Нанотехнологии в строительстве. 2012. № 6. С. 41-45.

14. Пономарев А. Н. Высококачественные бетоны. Анализ возможностей и практика использования методов нанотехнологии // Инженерно-строительный журнал. 2009. № 6. С. 25-33. DOI: 10.18720/MCE.8.1

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Статья поступила в редакцию 12.07.2023; одобрена после рецензирования 21.08.2023; принята к публикации 21.08.2023.

The authors declare no conflicts of interests. The authors made an equivalent contribution to the preparation of the publication. The article was submitted 12.07.2023; approved after reviewing 21.08.2023; accepted for publication 21.08.2023.

LIGHTWEIGHT CONCRETE WITH FOAM GLASS FILLER, MODIFIED MICRO AND NANO SILICA

Текст научной работы на тему «ЛЕГКИЕ БЕТОНЫ С ПЕНОСТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКИМ ЗАПОЛНИТЕЛЕМ, МОДИФИЦИРОВАННЫЕ МИКРО- И НАНО-КРЕМНЕЗЕМОМ»