CC BY
118
Вып5,Ч.3, с.420-424.
4. Волокитина И.В, Протасьев В.Б., Плахотникова Е.В. Метрологическое обеспечение системы менеджмента качества образовательной деятельности. - Тула: Издательство ТулГУ, 2008. 132 с.
5. Волокитина И.В., Протасьев В.Б., Нуждин Г.А. Экспертный метод с применением логического эксперимента для оценки качества // Контроль. Диагностика. 2007. №12. С.73-76.
V.B. Protasiev, E.S. Petrenko
APPLICATION OF METHOD OF PLANNING EXPERIMENTS USING THE METHOD OF G.TAGUTY FOR EXAMPLE OF THE PRODUCTION OF CARDBOARD CORES
Presented advantages of using logical experiments for determine the tendency of improving the process of production. Shows the procedure for carrying out the logical experiment according to the method G. Taguchi.
Key words: planning of experiment, analysis, T-test, orthogonal matrix, the expert
opinion.
Получено 24.08.12
УДК 691.32:623 073; 691.217:620.3
М.С. Закуражнов, асп., +7910-555-71-77, Ы gmakz @шш1. ги
(Россия, Тула, ТулГУ)
МОДИФИЦИРОВАНИЕ МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ БЕТОНОВ ДОБАВКАМИ ЗОЛЯ НАНОКРЕМНЕЗЕМА
Проведены исследования свойств мелкозернистых бетонов при введенных в них высокоактивных минеральных нанодобавок. В качестве нанодобавок использовались гели аморфного нанокремнезема. Произведена оценка эффективности влияния нанодобавок на свойства мелкозернистого бетона.
Ключевые слова: модифицирование мелкозернистых бетонов, золи нанокремнезема, пуццоланический эффект.
Исследование свойств строительных материалов с наночастицами, нанодобавками и наноструктурами, развитие теоретических представлений, разработка конкретных технологий получения новых материалов -это инновационное направление в строительстве. Одним из наиболее распространенных способов модифицирования структуры цементных композитов является введение высокоактивных нанодобавок на основе аморфи-зированных оксидов.
В качестве нанодобавок в бетоне могут использоваться различные
нанодисперсные частицы, золи и гели различного происхождения, в том числе порошки и гели аморфного нанокремнезема, обладающие пуццоло-ническим эффектом действия. Известно, что одним из важных факторов, определяющих активность пуццолановых добавок, является содержание оксида кремния SiO2 в аморфной форме.
Пуццоланический эффект действия таких добавок в бетонах проявляется в химическом взаимодействии активного кремнезема с гидроксидом кальция Са(ОН)2, выделяющемся при гидратации портландцемента. Известно, что в полностью гидратированном портландцементе Са(ОН)2 составляет около 20-25% твердого вещества. В результате такой пуццолани-ческой активности добавка нанокремнезема связывает известь в низкоосновные гидросиликаты кальция. Образование гидросиликатов кальция обеспечивает повышение плотности и прочности цементного камня и, соответственно, бетона за счет вовлечения активной части кремнезема в формирующуюся структуру цементного камня. Кроме того, эти добавки обладают способностью уменьшать размеры пор в гидратированном портландцементном камне. Следовательно, бетоны, содержащие минеральные кремнеземистые добавки, более прочны и долговечны, чем бетоны без добавок.
Авторами проведены исследования влияния кремнеземистых добавок в виде золей нанокремнезема на физико-механические свойства мелкозернистого бетона (на плотность, прочность на растяжение при изгибе, прочность при сжатии).
Для исследований использовались золи нанокремнезема ООО НПФ «Наносилика» со следующим содержанием аморфного кремнезема SiO2: золь, обозначенный (ГВ) с содержанием SiO2 - 225 г/дм2; золь, обозначенный (МВ) с содержанием SiO2 - 175 г/дм ; золь, обозначенный (СН) с содержанием SiO2 - 140 г/дм ; Содержание SiO2 в нанокремнеземе составляет 95%. Для золя МВ минимальный размер частиц составил 25,0 нм. Среднее значение размера частиц 59 нм. Для золей ГВ, СН минимальный размер составил 45 нм и средний размер 60 нм.
В качестве вяжущего использовали общестроительный портландцемент ЦЕМ 1 42,5 Н по ГОСТ 31108-2003, ГОСТ30516-97 ООО «Тулаце-мент».
В качестве мелкозернистого заполнителя применяли речной песок по ГОСТ8736-93.
При проведении эксперимента приняты следующие дозировки золей нанокремнезема : 0,01; 0,05; 0,1(значения указаны в % от массы цемента в пересчете на сухое вещество).
При этом дозировка добавок золей рассчитывалась исходя из следующих данных:
для золя ГВ:
Плотность раствора золя р = 1143 г/дм2; Содержание аморфного SiO2 St = 225 г/дм2; для золя МВ:
Плотность раствора золя р = 1110 г/дм2; Содержание аморфного SiO2 St = 175 г/дм ; для золя СН:
Плотность раствора золя р = 1075 г/дм2; Содержание аморфного SiO2 St = 140 г/дм ;
Золи нанокремнезема вводились с водой затворения. Контрольный состав и экспериментальные составы приведены в табл. 1 и 2.
Таблица 1
Контрольный состав мелкозернистого бетона
Компоненты Дозировка
Портландцемент общестроительный ЦЕМ1 42,5 Н 500 г
Песок речной 1500 г
Вода 200 г
В/Ц 0,4
Таблица 2
Экспериментальные составы мелкозернистого бетона с золями
нанокремнезема
Компоненты Дозировка
Портландцемент общестроительный ЦЕМ1 42,5 Н 500 г
Песок речной 1500 г
Золь нанокремнезема ГВ 0,22; 1,1; 2,2 мл
Золь нанокремнезема СН 0,36; 1,8; 3,6 мл
Золь нанокремнезема МВ 0,29; 1,45; 2,9 мл
Вода 196 - 200 г (в зависимости от дозировки золей)
В/Ц 0,4
Изготовление образцов и определение прочности на сжатие и растяжение при изгибе экспериментальных образцов мелкозернистого бетона производилось в соответствии с ГОСТ 310.4-81, ГОСТ 30744-2001.
После изготовления образцов формы с образцами помещались в камеру тепловлажного твердения с изменяемыми параметрами температуры и влажности. Режим твердения контрольных экспериментальных образцов проходил по следующей схеме:
равномерный подъем температуры от 20 °С до 50 °С при относительной влажности 95% - 2часа;
изотермический прогрев образцов при температуре 50 °С при относительной влажности 0,5% - 8 часов;
остывание образцов от 50 °С до 20 °С при относительной влажности 95 % - 2 часа;
выдержки образцов до испытаний при температуре 20 °С и относительной влажности 50% - 4 часа;
Результаты испытаний контрольных и экспериментальных образцов мелкозернистого бетона приведены в табл. 3. Графические зависимости полученных результатов приведены на рис. 1, 2, 3.
Для каждого состава экспериментальных образцов проводились испытания 3-х образцов на изгиб и полученные после испытания на изгиб шесть половинок балочек испытывались на сжатие. В соответствии с Г0СТ310.4-81 значения прочности на растяжение при изгибе вычисляют как среднее арифметическое значений двух наибольших результатов испытания трех образцов. Значения прочности на сжатие вычислялись как среднее арифметическое значение четырех наибольших результатов испытания шести образцов.
Таблица 3.
Результаты испытания образцов с добавками золя нанокремнезема
на физико-механические свойства мелкозернистого бетона
№ п/п Составы 3 Ср ,и с е м с й О т 8 -С е « е ю ь т с о н т о л С Плотность бетона, рб., кг/м3 Предел прочности образцов на растяжение при изгибе, Rизr, МПа Среднее значение предела прочности на растяжение при изгибе двух наибольших испытаний трех образцов, й р , МПа Предел прочности образцов при сжатии, Rсж, МПа Среднее значение предела прочности при сжатии четырех наибольших испытаний шести об-^ разцов, | р , МПа
1 2 3 4 5 6 7 8
1 Контрольный 2388 2368 4,45 4,57 24 34,3 35,2
3,75 26,9 37
4,69 35,2 34,2
2 Экспериментальный с золем нанокремнезема ГВ (0,01%) 2390 2386 4,69 5,16 34,8 33,2 36,6
5,16 34,4 37,7
5,16 32,5 39,5
3 Экспериментальный с золем нанокремнезема ГВ (0,05%) 2390 2370 4,22 4,57 39,5 37,9 40,3
4,69 27 38,1
4,45 39,5 43,9
Продолжение
1 2 3 4 5 6 7 8
4 Экспериментальный с золем нанокремнезема ГВ (0,1%) 2395 2390 5,63 5,51 35,6 40,4 39,5
4,69 30,2 39,5
5,39 42,3
5 Экспериментальный с золем нанокремнезема СН (0,01%) 2370 2360 4,92 4,92 40,4 25,1 31,5
4,92 25,1 31,4
4,69 25,7 28,6
6 Экспериментальный с золем нанокремнезема СН (0,05%) 2389 2362 4,45 4,69 32,6 36,6 34,7
4,69 38,6 29,5
4,69 31,1 27,7
7 Экспериментальный с золем нанокремнезема СН (0,1%) 2398 2395 4,92 5,04 28,3 46,1 40,2
5,16 25,2 41,2
4,92 38,5 34,9
8 Экспериментальный с золем нанокремнезема МВ (0,01%) 2373 2369 4,45 4,57 33,2 39,5 35,1
4,69 30,0 23,9
4,22 37,7
9 Экспериментальный с золем нанокремнезема МВ (0,05%) 2386 2377 4,22 4,46 41,1 38,7 38,3
4,69 38,2 24,7
3,28 31.0 35.1
10 Экспериментальный с золем нанокремнезема МВ (0,1%) 2373 2369 5,16 5,04 30,8 34,7 35,7
4,92 30,6 33,5
4,92 33,5 41,2
^ 2450
0,01% 0,05% 0,1%
Расход добавки золя нанокремнезема, % от массы цемента в пересчете на сухое вещество
Рис. 1. Зависимость плотности мелкозернистого бетона от вида и расхода добавок золя нанокремнезема (ГВ, СН, МВ)
0,01% 0,05% 0,1%
Расход добавки золя нанокремнезема, % от массы цемента в пересчете на сухое вещество
Рис. 2. Зависимость прочности на растяжение при изгибе образцов мелкозернистого бетона от вида и расхода добавок золя нанокремнезема (ГВ, СН', МВ)
о
5 0,01% 0,05% 0,1%
Расход добавки золя нанокремнезема, % от массы цемента в пересчете на сухое вещество
Рис. 3. Зависимость прочности на сжатие образцов мелкозернистого бетона от вида и расхода добавок золя нанокремнезема (ГВ, СН, МВ)
По результатам испытания образцов мелкозернистого бетона с золями нанокремнезема установлено:
1. Плотность мелкозернистого бетона зависит от вида и расхода добавок золя нанокремнезема (ГВ, СН, МВ). При расходе добавок в диапазоне 0,01 - 0,1% от массы цемента, плотность бетона по сравнению с контрольным (бездобавочным) составом имеет тенденцию как повышения, так и понижения плотности, что нивелируется с прочностью бетона.
2. Прочность образцов мелкозернистого бетона на растяжение при изгибе зависит от вида и расхода добавок золя нанокремнезема (ГВ, СН, МВ). При расходах 0,01% прочность на растяжение при изгибе образцов с добавкой золя нанокремнезема ГВ возрастает на 12% по сравнению с контрольным; с добавкой золя нанокремнезема СН - на 8%. Золь нанокремнезема МВ при данной дозировке не изменяет прочность бетона. При расходах золей 0,05% происходит снижение прочности на растяжение при изгибе образцов бетона. При расходах золей 0,1% происходит рост проч-
243
ности на растяжение при изгибе образцов (для золя ГВ - на 21%, золя СН -на 10%, золя МВ - на 10%).
3. Прочность образцов мелкозернистого бетона на сжатие также зависит от вида и расхода добавок золя нанокремнезема (ГВ, СН, МВ). При расходе 0,01% прочность на сжатие образцов с добавкой золя ГВ возрастает на 12% по сравнению с контрольными (бездобавочными). Прочность образцов с золя СН и МВ при расходе 0,01% имеет тенденцию понижения. При расходах золей 0,05% наблюдается рост прочности на сжатие образцов бетона (с добавкой золя ГВ - на 14,4%, с золем СН - на 9% ). Такой расход золей ГВ и СН является оптимальным для прочности на сжатие. Для золя МВ оптимальным является расход 0,1%, приводящий к повышению прочности образцов при сжатии на 14,3%.
Заключение
1. Проведены исследования эффективности добавок в виде золя нанокремнезема с различным содержанием SiO2 и микрокремнезема на физико-механические свойства мелкозернистого бетона (на плотность бетона, прочность растяжения при изгибе, прочность при сжатии).
2. Для исследований использовались золи нанокремнезема со следующим содержанием SiO2:
золь, обозначенный ГВ с содержанием SiO2 - 225 г/дм3;
^ • 3
золь, обозначенный МВ с содержанием SiO2 - 175 г/дм ;
золь, обозначенный СН с содержанием SiO2 - 140 г/дм .
3. В исследованиях с золями использовались образцы из мелкозернистого бетона состава 1:3 с водоцементным отношением В/Ц=0,4. При исследовании эффективност микрокремнезема В/Ц принималось равное 0,5.
4. По результатам испытаний установлено, что наиболее эффективным является золь нанокремнезема ГВ. При расходе (дозировке) золя 0,1% от массы цемента прочность образцов мелкозернистого бетона на растяжение при изгибе возрастает на 21%, прочность при сжатии - на 14,4% по сравнению с прочностью контрольных (бездобавочных) образцов.
5. Золи аморфного нанокремнезема, обладая высокой пуццоланиче-ской активностью, способствуют дополнительному образованию и равномерному распределению самой структурно-активной гидратной фазы -гидросиликатов кальция.
Результатом такого структурированного действия добавки является существенное улучшение качественных показателей мелкозернистых бетонов, повышение прочности, плотности.
6. Добавление золей нанокремнезема в бетон вызывает следующие эффекты, ведущие к увеличению прочности и других свойств бетона:
уменьшение порообразования в цементном камне, что повышает плотность и прочность бетона;
образование дополнительных гидросиликатов кальция как первичных носителей прочности цементного камня посредством пуццолановой реакции;
упрочнение контактной зоны между цементным камнем и заполнителем вследствие изменения количества и размеров пор и образования дополнительных гидросиликатов кальция в этой зоне.
Список литературы
1. Баженов Ю.М. Технология бетона. Учебник. Ю.М. Баженов. М.: Изд-во АСВ, 2002. 500 с.
2. ГОСТ 310.4-81 Цементы. Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии. МТКС, 1982. 16 с.
3. ГОСТ 8736-93 Песок для строительных работ. Технические условия. М.: МТКС, 1994. 12 с.
4. ГОСТ 26633-91 Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия. М.: МТКС, 1992. 26 с.
5. ГОСТ 12730.1- 78 Бетоны. Методы определения плотности. М.: МТКС, 1994. 12 с.
6. ГОСТ 30744-2001 Цементы. Методы испытаний с использованием полифракционного песка. МТКС, 2002. 19 с.
7. ГОСТ 31356-2007 Смеси сухие строительные на цементном вяжущем. Методы испытаний. М.: МТКС, 2008. 28 с.
8. ГОСТ 53231-2008 Бетоны. Правила контроля и оценки прочности. М.: МТКС, 2009. 12 с.
Zakurazhnov Maksim
MODIFYING OF FINE-GRAINED CONCRETE BY ADDITIVES ZOLY OF NANOKREMNEZEM
Researches of properties of fine-grained concrete are carried out at the highly active mineral nanoadditives entered into them. As nanoadditives gels amorphous nanokremnezem were used. The assessment of efficiency of influence of nanoadditives on properties of finegrained concrete is made.
Key words: modifying of fine-grained concrete, zoly of nanokremnezem, puzzolani-chesky effect.
Получено 24.08.12
