CC BY
11наука
УДК 693.542.4:539.2
тематический раздел журнала «Строительные Материалы»
Е.В. ГОНЧИКОВА, канд. техн. наук (egonchikova@mail.ru),
Н.В. АРХИНЧЕЕВА, канд. хим. наук, Е.В. ДОРЖИЕВА, инженер, Восточно-Сибирский государственный технологический университет (Улан-Удэ, Республика Бурятия)
Наномодифицирование цементного камня введением многокомпонентного золя
Особая роль в задачах формирования оптимальной структуры цементных композитов отводится воде затво-рения как основному компоненту, который определяет кинетику обособленных процессов гидратации и струк-турообразования. В настоящее время большое количество исследований посвящено золь-гель-технологии в производстве строительных материалов [1—3].
Интерес к золь-гель-технологии связан с тем, что при использовании золя как добавки в бетон при небольших дозировках получается бетон с высокими физико-механическими свойствами. Существует несколько гипотез механизма действия золя, связанных либо со свойствами самих частиц, а именно с высокой удельной поверхностью, либо с их способностью воздействовать на воду, превращая ее в более активный компонент вяжущей системы. Но большинство авторов склоняются к идее, что использование золя как добавки в бетон состоит в создании дополнительного структур-
Таблица 2
Дозировка золя,% рН водного раствора затворения цемента рН водного раствора затворения бетонной смеси
0,2 5,8 5,1
0,4 5,4 4,8
0,6 4,9 4,6
0,8 4,5 4,5
1 4,1 4,4
ного элемента, обладающего высокой удельной поверхностью и повышающего гидратационную активность цемента, что в свою очередь способствует сокращению количества пор и микрокапилляров [1].
Следует отметить, что все известные работы посвящены исследованиям однокомпонентных золей, существующих в нейтральной среде, при этом они получены либо из щелочной среды путем разбавления жидкого стекла водой, либо из кислой среды при гидролизе хлорида железа и сульфата алюминия [3].
В данной работе исследовали многокомпонентный золь, содержащий одновременно кремниевую кислоту, гидроксид алюминия, гидроксид железа и хлорид кальция (табл. 1).
Учитывая, что для бетона существуют определенные требования к рН воды затворения (рН воды должен быть больше 4), а исследуемый золь имеет сильнокислую среду, представляло интерес исследовать значение рН водных растворов для цементных и бетонных композиций при водоцементных соотношениях соответственно 0,24 и 0,36. Значения В/Ц выбраны из расчета нормальной густоты цементного теста и получения жестких бетонных смесей. Дозировка вводимого золя составляла 0,2—1% (табл. 2).
Снижение рН с увеличением дозировки золя свидетельствует об изменении ионного произведения воды, вызванного сорбцией гидроксильных групп ОН- на поверхности введенного в жидкость золя. При специфической сорбции анионов воды на поверхности частиц золя возникает избыточный отрицательный заряд, изменяющий ориентацию дипольных молекул воды. Результатом этого является изменение равновесия в диссоциации кислотных и основных групп, приводящее к разрушению близкодействующих связей между молекулами воды и образованию избыточного количества активных ионов Н30+, Н+. Таким образом, в случае наноструктурного модифицирования введением золя происходит ориентацион-ное взаимодействие молекул воды с частицами золя,
Таблица 3
Таблица 1
рН р, г/см3 Расчетное содержание в 100 г золя, г
H4SiO4 А1(ОН)з Fe(OH)з СаС12
2,48 1,04 0,99 0,24 0,11 0,381
Время твердения, сут Условия твердения Количество золя, % массы цемента
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Предел прочности при сжатии, МПа
3 В воде 46 59 55,1 51,2 53,5 48,8
7 В воде 49 63 62 62 55,4 49,7
7 В воде, сушка 1 ч при t=100°С 51,8 77,5 89,8 87,2 80,5 69,7
28 В воде 60 65,4 70,9 68,5 66,1 62,5
28 В воде, сушка 1 ч при t=100°С 60,1 90,2 99,7 87 83,1 79
68
научно-технический и производственный журнал
сентябрь 2011
тематический раздел журнала «Строительные Материалы»
ноу
1
Дериватограммы образцов цементного камня с зольсодержащей добавкой в возрасте 28 сут: 1 - контрольный; 2 - с добавкой золя № 3
переводящее систему в активированное состояние. В водной среде с золем возникает новая структура, зависящая от межионного взаимодействия, в значительной мере искажающего собственную структуру чистой воды, при этом пространственная водородная сетка не разрушается, и ее устойчивость не нарушается. Частицы золя выступают как стабилизаторы процессов самоорганизации водной системы. Развитие данного процесса приводит к возникновению вторичной наноструктуры — фрактальной сетки, которая располагается во всем объеме воды.
Были изготовлены образцы цементного камня пластичного формования размером 2x2x2 см при постоянном В/Ц= 0,24 в количестве 6 шт. на каждую серию. Образцы хранились в стандартных условиях, использовали портландцемент М500Д0 Тимлюйского цементного завода. Полученные образцы испытывали на сжатие (табл. 3) и водопоглощение. С целью ускорения геле-образования часть образцов подвергали сушке до постоянной массы. Для определения оптимальной дозировки золь вводили в различных количествах 0,2—1% массы цемента.
Анализ полученных результатов выявляет тенденцию повышения прочностных характеристик при введении в цементный камень золя. Следует отметить, что гелеобразование не заканчивается в возрасте 28 сут, об этом свидетельствует повышение прочности при высушивании.
Ряд исследователей полагает, что механизм действия наночастиц золя может быть связан с воздействием на воду, превращением ее в более активный по отношению к вяжущему реагент. Поэтому представляло интерес исследовать влияние золя на свойства воды, в которой хранились образцы. Часть образцов из цементного теста без добавки и с добавкой золя хранили 7 сут в дистиллированной воде, часть — в воде с добавкой золя. В воду для хранения образцов вводили такое же количество золя, как и для затворения образцов. Значения предела прочности при сжатии в зависимости от условий хранения представлены в табл. 4.
Как показывают результаты, в обоих случаях прочность при хранении образцов в воде с добавкой золя немного повышается, что косвенно свидетельствует о повышении химической активности воды в случае добавления золя в воду для хранения образцов.
Известно, что наночастицы обладают высокой удельной поверхностью, что приводит не только к повышению гидратационной активности цемента, но и к кольматации пор и микрокапилляров цементного камня, к снижению водопоглощения. Данный факт под-
Таблица 4
Условия хранения Предел прочности образцов при сжатии, МПа, в возрасте 7 сут
без добавки с добавкой
В дистиллированной воде 53,7 61,7
В воде с добавкой золя 62,2 67,7
твержден определением водопоглощения цементных образцов с добавкой золя. Водопоглощение по массе и объему, характеризующее открытую пористость, понижается на 50—70%. Выявлено, что наибольшее снижение водопоглощения наблюдается в случае использования модифицированной воды затворения с концентрацией золя 0,4—0,6%. В этом же интервале концентраций золя в воде затворения наблюдается увеличение предела прочности при сжатии цементного камня.
Повышение гидратационной активности цемента в присутствии золя кремниевой кислоты, гидроксидов железа и алюминия подтверждается данными дерива-тографического анализа. На дериватограмме цементного камня с добавкой (см. рисунок) появляются более глубокие эндотермические эффекты по сравнению с контрольным образцом, связанные с удалением более прочно химически связанной воды при 185; 390; 580; 790оС. При этом критерием оценки повышения гидравлической активности является эндоэффект при температуре 510оС, связанный с дегидратацией извести, который на кривой ДТА образцов с добавкой меньше, чем у контрольных образцов. Это означает, что большее количество извести вступило в реакцию с кремнеземом с образованием гидросиликатов. Эндоэффект при температуре 790оС, связанный с дегидратацией силикатов, также более глубокий у образцов с добавкой. Появившиеся дополнительные небольшие эндоэффек-ты у образцов с добавкой при 185, 380 и 580оС обусловлены ступенчатой потерей воды из коллоидных гидроксидов железа и алюминия.
Наноструктурное модифицирование воды затворения, заключающееся в применении многокомпонентного золя, приводит к улучшению реологических характеристик цементного теста и физико-механических свойств цементного камня, изготовленного на его основе, за счет активации жидкой фазы и физико-химических процессов, сопровождающих формирование структуры композитов.
Ключевые слова: многокомпонентный золь, показатель рН, прочность, цементный камень, бетон.
Список литературы
1. Войтович В.А., Хряпченкова И.Н., Яворский А.А. Нанотехнологии в производстве силикатного кирпича // Строительные материалы. 2010. № 3 / Наука. С. 60-61.
2. Комохов П.Г. Золь-гель как концепция нанотехнологии цементного композита, структура системы и пути ее реализации // Строительные материалы. 2006. № 9 / Наука. С. 14-15.
3. Коробов Н.В., Которажук Я.Д., Старчуков Д.С. Высокопрочный бетон. Патент RU № 2331602 РФ, С04В28/04// 20.08.2008.
Ы ®
научно-технический и производственный журнал
сентябрь 2011
69
