Модификация бетонов наночастицами и органическими веществами Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 666.969.1.3

МОДИФИКАЦИЯ БЕТОНОВ НАНОЧАСТИЦАМИ И ОРГАНИЧЕСКИМИ ВЕЩЕСТВАМИ

© А.И. Христофоров, И.А. Христофорова, О.Л. Еропов

Ключевые слова: бетон; модификация; органические вещества; оксид кремния.

Расширение, развитие и совершенствование строительного производства требует совершенствования существующих строительных материалов. Одним из наиболее распространенных и надежных материалов является бетон. Модификация бетонов наноразмерными частицами и органическими веществами в небольших количествах способствует повышению физико-механических характеристик бетонной смеси и бетона. Введение данных добавок позволяет повысить прочность бетона при сжатии до 80 % и увеличить подвижности бетонной смеси до 5 %.

Расширение, развитие и совершенствование строительного производства невозможно без разработки новых и модификация надежных и зарекомендовавших себя строительных материалов. В многоэтажном строительстве широко применяется бетон, обладающий высокой прочностью при сжатии, низкой пористостью и водопоглощением, высокой морозо- и пожаростойко-стью и др. [1-2]. Совершенствование основных физико-механических характеристик бетона - главная задача, стоящая перед учеными. С развитием науки все острее стоит вопрос в создании высокоэффективных добавок, позволяющих эффективнее использовать основной компонент бетона - цемент [3-5]. Уменьшение цемента в бетонной смеси с сохранением или повышением физико-механических характеристик ведет к понижению стоимости бетона, экономии средств на возведение зданий и понижению стоимости строительства.

Наиболее востребованными и значимыми показателями бетонной смеси являются прочность при сжатии и подвижность бетонной смеси. Введение в бетонную смесь малого количества добавок, позволяющих повысить прочность бетона при сжатии в 1,2-1,8 раза, является основной задачей. Такими добавками могут служить наночастицы, которые представляют собой наноструктурирующий элемент бетона, и вещества, влияющие на подвижность бетонной смеси. А также за счет частичного снятия усадочных напряжений при твердении бетона.

На данный момент известны добавки, позволяющие повысить прочность бетона, только они практически не применяются в строительстве по причине высокой стоимости или малоизученности. Рассмотрим влияние оксида кремния и тетраэтоксисилана на прочность при сжатии бетона и подвижность бетонной смеси. Данные добавки будем вводить в воду в малом количестве. Проверка прочности бетона при сжатии выполнялась в соответствии с ГОСТ 10180-90 [6], подвижность бетонной смеси выполнялась в соответствии с ГОСТ 10181-2000 [7].

Основные компоненты бетонной смеси:

- мордовский цемент М500 Д0 по ГОСТ 311082003 [8];

- карьерный кварцевый песок Улыбышевского месторождения Владимирской области дисперстно-стью меньше 0,63 мм;

- вода по ГОСТ 23732-93 [9].

Образцы составов бетонных смесей:

1) контрольный образец;

2) образец с добавкой оксида кремния;

3) образец с добавкой оксида кремния и тетра-этоксисилана.

Оксид кремния (БЮ2) [10] - очень чистый аморфный чрезвычайно легкий белый порошок с выраженными адсорбционными свойствами, размер частиц от 5 до 40 нм, который в тонком слое кажется полупрозрачным, голубоватым. Оксид кремния пожаро- и взрывобезопасен, не токсичен.

Тетраэтоксисилан (ТЭОС) [11] - прозрачная жидкость со слабым эфирным запахом, растворяется в инертных органических растворителях, реагирует с водой, высшими спиртами. Обоснованием выбора тет-раэтоксисилана послужило то, что в результате гидролиза тетраэтоксисилан выделяет этанол и наноразмер-ные частицы оксида кремния. Эти частицы оксида кремния служат центром структурообразования при формировании цементного камня.

Взаимодействие оксида кремния с бетонной смесью было проверено рядом опытов. В качестве образцов были взяты следующие составы бетонных смесей:

Образец 1: цемент - 100 мас. ч., песок - 300 мас. ч., вода - 65 мас. ч.; имеет прочность при сжатии через 28 суток - 17,5 МПа, подвижность бетонной смеси - 7 см (рис. 1).

Ввиду того, что бетон имеет частично аморфную структуру, количественный фазовый анализ образцов выполнить не удалось. Рентгенограмма минерального состава, позволяющая оценить качественный состав бетона образца 1, представлена на рис. 2.

Присутствие гидроксида кальция указывает на прохождении реакции гидратации алита с водой. Из представленной рентгенограммы видно незначительная активность кристаллов алита (С3Б) и белита (С2В). Это свидетельствует о прошедшей реакции гидратации во время образования бетонного камня:

3СаО • 8Ю2 + 5Н2О = 2СаО • ЗЮ2 • 4Н2О + Са(ОН)2; 2СаО • 8Ю2 + 4Н2О = 2СаО • 8Ю2 • 4Н2О.

Значительная интенсивность дифракционного отражения $Ю2 обусловлена большим содержанием песка в бетонной композиции - 3 части песка на 1 часть цемента.

Образец 2: в смесь песка - 300 мас. ч. и цемента -100 мас. ч. вводилась вода с добавкой, подготовленная следующим образом: вода - 70 мас. ч., оксид кремния -0,015 мас. ч., перемешанные мешалкой в течение 15 мин. Полученная бетонная смесь имела осадку конуса 8 см. Прочность бетона при сжатии через 28 суток со-

ставляет 26,4 МПа. Изменение прочности бетона со временем представлено на рис. 1.

Рентгенограмма минерального состава бетона с добавкой оксида кремния (рис. 3) показывает качественный состав основных минералов бетонной смеси. Из приведенной рентгенограммы видно, что интенсивность дифракционного отражения от кристаллов алита и белита в бетоне незначительная, что указывает на прохождение реакции гидротации. Наблюдается значительная интенсивность дифракционного отражения от кристаллов гидроксида кальция, образовавшегося в процессе гидратации алита с водой. Интенсивность оксида кремния обусловлена значительным количеством вводимого песка в композицию.

Время созревания бетона, сут.

Рис. 1. Зависимость прочности мелкозернистого бетона от времени созревания и состава смеси: 1) песок фракции < 0,63 - 300 мас. ч., цемент - 100 мас. ч., вода - 70 мас. ч.; 2) песок фракции < 0,63 - 300 мас. ч., цемент - 100 мас. ч., вода - 70 мас. ч., оксид кремния -0,015 мас. ч.

н

К

20 30 40 50 60 70 80 90 20, °

Рис. 2. Рентгенограмма минерального состава контрольного образца бетона: 1. Са(ОН)2 - гидроксид кальция; 2. 8Ю2 - оксид кремния; 3. С38 - алит (трехкальциевый силикат); 4. С28 - белит (двухкальциевый силикат)

[г

5

20

20,

Рис. 3. Рентгенограмма минерального состава бетона с добавкой оксида кремния. 1. Са(ОН)2 - гидроксид кальция; 2. $Ю2 оксид кремния; 3. С38 - алит; 4. С2$ - белит

5 мкм

Рис. 4. Поверхность бетона с добавкой оксида кремния, полученная при увеличении в 10 тыс. раз

Время созревания бетона, сут.

Рис. 5. Зависимость прочности мелкозернистого бетона от времени созревания и состава смеси: 1) песок фракции < 0,63 -300 мас. ч., цемент - 100 мас. ч., вода - 70 мас. ч.; 2) песок фракции < 0,63 - 300 мас. ч., цемент - 100 мас. ч., вода - 70 мас. ч., оксида кремния - 0,015 мас. ч., тетраэтоксисилан - 0,15 мас. ч.

О

т

н

К

20

“Г

50

т-

60

~г

70

~г

80

Рис. 6. Рентгенограмма минерального состава бетона с добавкой олеата натрия и тетраэтоксисилана: 1. Са(ОН)2 ция; 2. 8Ю2 - оксид кремния; 3. С38 - алит; 4. С28 - белит

20, ° гидроксид каль-

Бетон имеет плотную структуру, поверхность - зернистая, при увеличении в 10 тыс. раз видно, что расположение заполнителя - хаотичное, плавающее (рис. 4).

Образец 3: в смесь песка крупностью < 0,63 мм -300 мас. ч. и цемента М500 Б0 - 100 мас. ч. вводилась вода с добавкой, подготовленная следующим образом: вода - 65 мас. ч., диоксид кремния - 0,015 мас. ч. и ТЭОС - 0,15 мас. ч., перемешанные мешалкой в тече-

ние 15 мин. Изменение прочности бетона при сжатии со временем представлено на рис. 5.

Полученная бетонная смесь имела осадку конуса 8 см. Прочность бетона при сжатии через 28 суток составляет 23,8 МПа.

Рентгенограмма качественного минерального состава бетона с добавкой оксида кремния и тетраэтокси-силана представлена на рис. 6.

Интенсивность дифракционных отражений алита и белита в образце 3 ниже по сравнению с контрольным образцом, что объясняется их большей гидратацией при взаимодействии с водой. Интенсивность дифракционного отражения оксида кремния и гидроксида кальция в образце 3 значительно ниже, что объясняется их более полным взаимодействием. Общий уровень закристаллизованности образца 3 выше, чем у контрольного образца.

Были проведены исследования поверхности бетонного камня на электронном растровом микроскопе, результаты которых приведены на рис. 7. Структура бетона - плотная, поверхность - зернистая, при увеличении в 10 тыс. раз видно, что расположение заполнителя - хаотичное, плавающее. Видно, что преобладают конгломераты небольшого размера.

Опытным путем было установлено, что применение олеата натрия и тетраэтоксисилана с оксидом кремния в бетонную смесь в качестве добавок повышают подвижность бетонной смеси до 14 %, повышают прочность бетона при сжатии в 1,36-1,5 раза. Это происходит за счет понижения поверхностного натяжения на границе раздела фаз «цемент-вода», тем самым уменьшается внутреннее напряжение за счет уменьшения контракции пор, а также за счет того, что в результате гидролиза тетраэтоксисилана образуются нано-размерные частицы оксида кремния, которые служат центром структурообразования при формировании цементного камня и за счет удержания избыточного количества влаги оксидом кремния.

Модифицирующие добавки позволяют получить бетонную смесь с повышенной подвижностью и бетон с повышенной прочностью при сжатии. Приведенные составы бетонных смесей возможно использовать на практике при производстве бетонных полов, штукатурки стен и потолков, в качестве ремонтных составов, а также в других элементах здания.

ЛИТЕРАТУРА

1. Комар А.Г. Строительные материалы и изделия: учеб. для инж.-экон. спец. строительных вузов. 5-е издание, перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1988. 527 с.

2. Рыбье в И. А. Строительное материаловедение: учеб. пособие для строит. спец. вузов. 2-е изд., испр. М.: Высш. шк., 2004. 701 с.

3. Афанасьев Н.Ф., Целуйко М.К Добавки в бетоны и растворы. К.: Будивэльнык, 1989. 128 с.

4. Христофоров А.И., Христофорова И.А., Кузьмин Д.И. Механизм структурообразования модифицированного мелкозернистого бетона // Строительство и реконструкция. 2011. № 1. С. 80-84.

5. Христофоров А.И., Христофорова И.А., Кузьмин Д.И. Мелкозернистый бетон, модифицированный органическими соединениями Ыа+ // Строительство и реконструкция. 2011. № 2 (34). С. 102-107.

6. ГОСТ 10180-90. Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам.

7. ГОСТ 10181-2000. Смеси бетонные. Общие требования.

8. ГОСТ 31108-2003. Цементы общестроительные. Технические условия.

9. ГОСТ 23732-93. Вода для бетонов и растворов. Технические условия.

10. ГОСТ 14922-77. Аэросил. Технические условия.

11. ТУ 6-09-5230-85. Тетраэтоксисилан.

Поступила в редакцию 22 марта 2012 г.

Kristoforov A.I., Khristoforova I.A., Eropov O.L. UPDATING OF CONCRETE BY NANOPARTICLES AND ORGANIC SUBSTANCES

The expansion, development and improvement of the construction industry require the improvement of existing building materials. One of the most common and durable materials is concrete. Modification of the function of concrete nanoparticles and organic substances in small amounts improves the physical and mechanical characteristics of concrete and concrete. The introduction of these additives can increase the strength of the concrete in compression up to 80 % and increase the mobility of the concrete mix to 5 %.

Key words: concrete; modification; organic substance; oxide of silicon.