CC BY
8наука
УДК 666.9
тематический раздел журнала «Строительные Материалы»
В В. СТРОКОВА, д-р техн. наук, Л.Н. СОЛОВЬЕВА, канд. техн. наук,
А.В. МАКСАКОВ, инженер, Ю.Н. ОГУРЦОВА, студентка,
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
Механизм структурообразования строительных композитов с гранулированным наноструктурирующим заполнителем
Конструкционно-теплоизоляционные бетоны, обладая полифункциональным назначением, широко востребованы в промышленном и гражданском строительстве. Для повышения качества бетонов целесообразно разработать механизмы оптимизации структуры на всех размерных уровнях [1—3].
Физико-механические характеристики легких бетонов зависят от таких свойств заполнителей, как плотность, прочность, гранулометрический состав, количество и степень его адгезии к матрице. При рациональном подборе состава легких бетонов и достаточно прочном заполнителе наиболее слабым участком композита является контактная зона, по которой происходит разрушение. В связи с этим актуальным направлением является разработка заполнителей, способных к активному химическому взаимодействию с цементной матрицей, повышению ее водостойкости и прочности, снижению теплопроводности композита в целом.
Ранее была установлена принципиальная возможность получения гранулированного наноструктурирую-щего заполнителя (ГНЗ) пролонгированного действия, состоящего из ядра и защитной оболочки на основе скрытокристаллических кремнеземсодержащих минеральных образований и щелочных добавок [4]. Ядром является молотая смесь из кремнеземистого компонента, гидроксида щелочного металла и раствора жидкого стекла в определенном массовом соотношении. Защитная оболочка состоит из молотой извести и кремнефтористо-го натрия. В результате формируется гранулированный наноструктурирующий заполнитель с размером гранул 5—10 мм и насыпной плотностью 700—750 кг/м3 [4—7].
На основании проведенных исследований предлагается следующий механизм структурообразования материала с гранулированным наноструктурирующим заполнителем, который включает две стадии.
На первой стадии происходит схватывание цементного камня и набор прочности. Твердение композита протекает в естественных условиях. В этот период гранулированный заполнитель выступает как инертный компонент системы, т. е. происходит взаимодействие цементного камня с поверхностью гранулированного заполнителя, а содержимое гранул остается неизменным. На момент окончания первой стадии композит имеет плотную непористую структуру.
Согласно теоретическим представлениям о кинетике гидратации клинкерных минералов, а также экспериментальным исследованиям определено рациональное время, необходимое для достижения цементным камнем 30% прочности.
На второй стадии происходит создание монолитной крупнопористой структуры композита при тепловлаж-ностной обработке в пропарочной камере при температуре изотермической выдержки 80—90оС и режиме пропари-вания 3—6—2 ч. В этот период происходит взаимодействие компонентов содержимого гранулированного заполнителя. Оболочка гранул, состоящая из молотой извести и
кремнефтористого натрия, пропускает образующиеся в результате взаимодействия щелочных металлов с активным кремнеземом растворимые гидросиликаты, которые проникают в затвердевшую матрицу между гранулами, заполняя микропоры цементного композита. Таким образом, происходит монолитизация цементного каркаса композита, с одной стороны, и формирование пор на месте ядра гранулированного заполнителя — с другой.
Объем пор, сформированных гранулированным на-ноструктурирующим заполнителем, можно рассчитать по следующей формуле:
Гн.в. , (1)
V
v м.пор
VrH3 - Vo6.
где К
м.пор
объем макропор композита; УГНЗ — объем активного гранулированного заполнителя; Уоб. — объем плотной оболочки порового пространства ГНЗ; Унв. — объем непрореагировавшего вещества ГНЗ.
Плотная, прочная, водонепроницаемая оболочка порового пространства согласно данным количественного полнопрофильного РФА представлена минеральной композицией, мас. %: кальцит — 10, аморфная фаза — 90. Ее толщина определяется количеством вещества защитной оболочки.
Состав непрореагировавшего вещества и его количество определяются составом и реакционной способностью сырья, используемого для получения ГНЗ. Как показали результаты экспериментальных исследований, при использовании 100% реакционного кремнеземистого компонента, в качестве которого при проектировании модельных систем была использована кремне-кислота, объем непрореагировавшего вещества ГНЗ равняется нулю. Тогда формула (1) будет иметь вид:
пор.
КГН3
>об.
(2)
При использовании в качестве кремнеземистого компонента горных пород либо отходов промышленности, по минералогическому составу удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к сырью для получения ГНЗ, Ун в. будет определяться видом и количеством примесей.
Так, объем непрореагировавшего вещества при использовании опоки Коркинского угольного месторождения составляет не более 30% общего объема ГНЗ. Ввиду наличия плотной водонепроницаемой оболочки порового пространства данный остаток не оказывает существенного влияния на прочность и водопотребность композита в целом.
Истинная плотность композита на момент завершения как первой, так и второй стадий остается практически неизменной. Незначительное снижение происходит за счет испарения воды, не вступившей в реакцию гидратации с клинкерными минералами и испарившейся.
Формирование монолитной контактной зоны между ГНЗ и цементной матрицей пропиткой композита содержимым гранул позволяет перераспределить локальную плотность в композите. Это обеспечивает создание
научно-технический и производственный журнал Q'fffjyTf S JJbrlbJ" 64 сентябрь 2011 ы ®
Цементный камень
Снижение нанопористости
Рис. 1. Зоны гетеропористого композита
плотных стенок пор, препятствующих заполнению пустот водой, и способствует повышению прочности и водостойкости цементного камня. Таким образом, использование гранулированного наноструктурирующего заполнителя позволяет создать макропористую структуру композита с одновременной модификацией матрицы на нано- и микроуровне.
Для обеспечения последовательно направленной ге-терогенизации объема композита и интенсификации структурообразования на микроуровне ранее была рассмотрена возможность введения затравок кристаллизации в виде тонкомолотого частично прогидратирован-ного цементного камня (ТМЦК) [9].
Согласно анализу пористости отдельных участков бетона на основе ГНЗ по методу БЭТ1 зоны гетеропористого композита (рис. 1) проранжированы по степени снижения нанопористости в следующей последовательности: цементный камень2 ^ цементный камень с ТМЦК ^ зоны пропитки цементного камня содержимым гранул ^ оболочка порового пространства.
Таким образом, установленная совокупность процессов, протекающих при формировании разработанного композита, является инструментом для проектирования и управляемого синтеза гетеропористого материала через направленное воздействие на его макро-, микро- и наномасштабную структурную организацию (рис. 2).
Дальнейшие исследования направлены на расширение минерально-сырьевой базы компонентов гранулированного наноструктурирующего заполнителя пролонгированного действия с целью адаптации технологии производства материала в различных регионах и привязки к запасам кремнеземсодержащих сырьевых компонентов с достаточной реакционной активностью, а также на разработку экспресс-метода ее определения. С целью расширения области применения эффективных композитов планируется исследование их поведения в агрессивных средах, в том числе при геохимическом выветривании, и определение их долговечности.
Ключевые слова: структурообразование, гранулированный заполнитель, композит, гетеропористость.
Список литературы
1. Батраков В.Г. Модифицированные бетоны.
М.: Стройиздат, 1990. 395 с.
2. Бужевич Г.А. Технология и свойства новых видов
легких бетонов на пористых заполнителях.
М.: Стройиздат, 1971. 207 с.
Рис. 2. Структурная организация конструкционно-теплоизоляционного
бетона при использовании ГНЗ
3. Юдин И.В., Ярмаковский В.Н. Инновационные технологии в индустриальном домостроении с использованием конструкционных легких бетонов // Строительные материалы. 2010. № 1. С. 15—17.
4. Пат. 2358936 РФ, МПК7 C 04 B 28/04, C 04 B 20/00, C 04 B 40/02. Гранулированный заполнитель на основе кремнистых цеолитовых пород для бетонной смеси, состав бетонной смеси для получения бетонных строительных изделий, способ получения бетонных строительных изделий и бетонное строительное изделие / Гридчин А.М., Строкова В.В., Лесовик Р.В., Соловьева Л.Н., Мосьпан А.В. // Заявл. 15.11.07. Опубл. 20.06.09. Б.И. № 17. С. 9.
5. Пат. 2358937 РФ, МПК C 04 B 28/04, C 04 B 20/00, C 04 B 40/02, C 04 B 111/27. Гранулированный заполнитель на основе перлита пород для бетонной смеси, состав бетонной смеси для получения бетонных строительных изделий, способ получения бетонных строительных изделий и бетонное строительное изделие / Лесовик В.С., Строкова В.В., Лесовик Р.В., Соловьева Л.Н., Мосьпан А.В. // Заявл. 15.11.07. Опубл. 20.06.09. Б.И. № 17. С. 10.
6. Пат. 2361834 РФ, МПК C 04 B 28/04, C 04 B 20/00. Гранулированный заполнитель на основе природных осадочных высококремнеземистых пород для бетонной смеси, состав бетонной смеси для получения бетонных строительных изделий, способ получения бетонных строительных изделий и бетонное строительное изделие / Строкова В.В., Соловьева Л.Н., Ходы-кин Е.И., Гринев А.П., Сопин Д.М., Мосьпан А.В. // Заявл. 15.11.07. Опубл. 20.07.09. Б.И. № 20. С. 11.
7. Пат. 2361835 РФ, МПК C 04 B 28/04, C 04 B 20/00, C 04 B 40/02, C 04 B 111/27. Гранулированный заполнитель на основе стеклобоя для бетонной смеси, состав бетонной смеси для получения бетонных строительных изделий, способ получения бетонных строительных изделий и бетонное строительное изделие / Строкова В.В., Мосьпан А.В., Соловьева Л.Н., Лесовик Р.В. // Заявл. 15.11.07. Опубл. 20.07.09. Б.И. № 20. С. 8.
8. Ходыкин Е.И. Соловьева Л.Н., Мосьпан А.В. Перспективы использования кремнеземсодержащего сырья для получения гранулированного заполнителя легких бетонов // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2008. № 1. С. 9-11.
9. Строкова В.В., Соловьева Л.Н. Оценка влияния кристаллических затравок на процессы структурообра-зования цементного камня // Строительные материалы. 2009. № 3. С. 97-98.
1 По данным SoftSorЫ-П veг.1.0, БГТУ им. В.Г. Шухова.
2 При анализе нанопористости бездобавочный цементный камень использовали в качестве эталона для сравнения и выявления влияния ТМЦК. В разработанном композите он отсутствует.
Ы ®
научно-технический и производственный журнал
сентябрь 2011
65
