CC BY
93
УДК 691.327:666.973.6
ПИМЕНОВА ЛАРИСА НИКОЛАЕВНА, канд. хим. наук, доцент, [email protected]
КУДЯКОВ АЛЕКСАНДР ИВАНОВИЧ, докт. техн. наук, профессор, [email protected]
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
ПЕНОБЕТОН, МОДИФИЦИРОВАННЫЙ СИЛИКАГЕЛЕМ
Установлена эффективность использования силикагеля в качестве модифицирующей добавки для повышения прочности пенобетона. Показана более высокая активность силикагеля в связывании гидроксида кальция твердеющего цементного камня в сравнении с микрокремнеземом. Установлено оптимальное содержание силикагеля 2,0-2,5 % от массы сухих компонентов, позволяющее повысить прочность конструкционнотеплоизоляционного пенобетона в 1,8-2 раза.
Ключевые слова: пенобетон; силикагель; адсорбция; гидроксид кальция; повышение прочности.
LARISA N. PIMENOVA, Ph. D., Assoc. Prof., [email protected]
ALEKSANDER I. KUDYAKOV, Dr. Tech. Sc., Prof., [email protected]
Tomsk State University of Architecture and Building,
2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia
FOAM CONCRETE MODIFIED WITH SILICA GEL
The efficiency of silica gel use as the modifying additive for increasing the foam concrete strength has been determined. Higher silica gel activity by comparison with microsilica in binding calcium hydroxide elaborated during hardening cement stone has been fixed. The optimum silica gel quantity, which is about 2,0-2,5 % in total mass of dry mixture, promotes the increasing of foam concrete compression strength in 1,8-2 times.
Keywords: foam concrete; silica gel; microsilica; calcium hydroxide; adsorbtion; increasing of compression strength.
Пенобетон, технология которого разработана в 1924 г. шведским архитектором А. Эриксоном, получил широкое применение в СССР в 30-е гг. прошлого столетия в качестве монолитной теплоизоляции кровель промышленных зданий. Однако в производстве изделий в заводских условиях пенобетон не выдержал конкуренции с газобетоном по причине более высокой прочности последнего после автоклавной обработки. У пенобетона во время автоклавной тепловой обработки образовывались трещины. В постперестроечный период в связи с резким ростом цен на энергоносители автоклавная обработка ячеистых бетонов стала энергетически невыгодной. Появилась необходимость разработки инновационных приемов и совершенствования технологии неав-
© Л.Н. Пименова, А.И. Кудяков, 2013
токлавного пенобетона. В настоящее время неавтоклавный пенобетон является одним из наиболее перспективных стеновых материалов, благодаря возможности его приготовления непосредственно на строительной площадке. Поровая структура пенобетона формируется в короткий промежуток времени, на стадии перемешивания, поэтому температура окружающей среды, точность дозирования компонентов в меньшей степени влияют на его свойства в сравнении с автоклавным газобетоном.
Существенным недостаткам пенобетона естественного твердения является замедление гидратации цемента в присутствии пенообразователя и, как следствие, снижение скорости структурообразования и прочности в ранние сроки твердения [1]. Стремление повысить прочность пенобетона естественного твердения путем увеличения содержания портландцемента приводит к образованию в изделиях трещин в поздние сроки твердения. Это объясняется образованием большего количества эттрингита на единицу объема пенобетона [2]. Таким образом, совокупность технологических приемов, способствующих снижению эттрингитообразования, может рассматриваться как эффективный способ увеличения прочности неавтоклавного пенобетона.
Основным компонентом, необходимым для образования эттрингита, является гидроксид кальция, выделяющийся при гидратации портландцемента. Снижение количества эттрингита может быть достигнуто за счет связывания гидроксида кальция в процессе начального структрообразования цементного камня в труднорастворимые соединения.
Целью работы являлось повышение прочности цементного пенобетона путем введения модифицирующих кремнийсодержащих добавок.
Классическим приемом связывания гидроксида кальция в цементном камне в труднорастворимые низкоосновные гидросиликаты является введение пуццолановых добавок, содержащих аморфный кремнезем. В качестве такой добавки для приготовления материалов и изделий из цементных композитов был рекомендован микрокремнезем [3, 4, 5, 6]. Упрочняющее действие микрокремнезема в пенобетонах было установлено в работах [3, 4, 5]. Так, пенобетон, содержащий 5-7 % микрокремнезема, имеет класс прочности, равный автоклавному газобетону.
В настоящей работе в качестве модифицирующей добавки в пенобетон был выбран силикагель. Подобно микрокремнезему силикагель является одной из форм аморфного диоксида кремния. Однако в генезисе этих материалов есть существенные различия. Микрокремнезем имеет пирогенное происхождение: это продукт конденсации паров оксида кремния (среднее содержание 8Ю2 - 87 %) при выплавке кремниевых сплавов, он состоит преимущественно из высокодисперсных дискретных чешуек-пластинок и сферических частиц диаметром 0,01-0,7 мкм. Удельная поверхность микрокремнезема 20 000-25 000 м2/кг, насыпная плотность - 150-130 кг/м3 [7]. Силикагель имеет гидрохимическое происхождение: это высушенный гель кремниевой кислоты, образующийся при подкислении водных растворов силикатов щелочных металлов. Структура силикагеля может рассматриваться как совокупность агрегатов сферических наночастиц диаметром порядка 0,01 мкм, представляющих собой нерегулярную сетку тетраэдров 8Ю4, со-
единенных между собой силанольными мостиками. Поверхность наночастиц покрыта силоксановыми группами, обеспечивающими гидрофильность силикагеля [8]. В отличие от микрокремнезема силикагель обладает развитой сетью пор со средним радиусом 10-3-10-2 мкм и, как следствие, высокой удельной поверхностью - 200 000 м2/кг и выше.
Активность различных форм кремнезема по отношению к гидроксиду кальция была изучена в настоящей работе методом прямой потенциометрии по изменению величины рН в суспензии известковая вода - кремнезём (табл. 1).
Таблица 1
рН-метрический контроль связывания гидроксида кальция
Анализируемая суспензия рН жидкой фазы при выдерживании суспензии в течение
0 мин 15 мин 40 мин 120 мин
Известковая вода - кварцевый песок Известковая вода - механоактивированный кварцевый песок Известковая вода - микрокремнезем Известковая вода - силикагель 12.70 12.70 12.70 12.70 12,69 12,67 12,25 11,29 12,66 12,63 12,20 11,09 12,61 12,61 12,20 10,63
Как видно из табл. 1, механическая активация песка сухим помолом до удельной поверхности 180 м2/кг практически не влияет на его активность по отношению к гидроксиду кальция. Микрокремнезем снижает рН известковой воды до 12,20. Контакт известковой воды с силикагелем приводит к снижению рН до 10,63, т. е. силикагель проявляет в 100 раз большую активность по отношению к гидроксиду кальция, чем микрокремнезем. Причем процесс сильно растянут во времени: равновесие в системе достигается не ранее чем через два часа контакта силикагеля с известковой водой, в то время как для микрокремнезема процесс практически завершается в первые пятнадцать минут контакта.
Более высокая активность силикагеля в сравнении с микрокремнеземом обусловлена не только разницей в величинах удельной поверхности и площади контакта с жидкой фазой, но и состоянием поверхности. Поверхность пироген-ного микрокремнезема представлена, в основном, силанольными группами, не способными к ионному обмену с гидроксидом кальция, а число силоксано-вых групп невелико. Поверхность силикагеля благодаря его гидрохимическому происхождению содержит большое количество силоксановых групп, которые ионизуются в щелочной среде с высвобождением протона [6]. Отрицательно заряженная поверхность добавки адсорбирует катионы кальция из жидкой фазы. Вышеизложенное является основанием для использования силикагеля в качестве активной модифицирующей добавки в цементных композициях, в том числе и в конструкционно-теплоизоляционных пенобетонах.
Для приготовления пенобетонной смеси в настоящей работе использовались следующие исходные материалы: вяжущее - портландцемент марки ПЦ500-Д0; кремнеземистый наполнитель - песок природный с модулем круп-
ности 2,0 и содержанием глинистых и пылеватых частиц 1,25 %; порообразу-ющая добавка - синтетический пенообразователь ПБ-2000; модифицирующая добавка - технический крупнопористый силикагель КСКГ с насыпной плотностью 400 кг/м3 и размером гранул 2-4 мм. Количество модифицирующей добавки силикагеля варьировалось в пределах 1,5-3,5 % от общей массы сухих компонентов. Особенность подготовки исходных материалов заключалась в сухом совместном помоле в шаровой мельнице песка и силикагеля, взятых в необходимом соотношении. Совместный помол обеспечивал равномерное распределение силикагеля по всему объему кремнеземистого наполнителя, а также, в связи с небольшой твердостью и хрупкостью силикагеля, частичное его измельчение до наноразмерных частиц.
Пенобетонную смесь готовили в лабораторном пенобетоносмесителе турбулентного типа. Из приготовленной смеси формовали опытные образцы-кубы, которые до испытания твердели в течение 28 сут в нормальных условиях. Среднюю плотность образцов определяли в состоянии их естественной влажности. Для изготовления контрольных образцов пенобетона песок подвергали сухому помолу без добавки силикагеля. Результаты испытаний приведены в табл. 2.
Таблица 2
Влияние содержания добавки силикагеля на свойства пенобетона
Состав смеси твердых компонентов, масс. % Расход воды, В/Т расход воды, В/Т Свойства пенобетона
№ состава Цемент Песок Силикагель Предел прочности при сжатии, МПа Средняя плотность, кг/м3 Коэффициент конструктивного качества
1 55 45 0 0,5 2.7 780 3,5
2 55 43,5 1,5 0,5 3,5 800 4,4
3 55 43 2.0 0.5 5.3 810 6,5
4 50 48 2,0 0,5 5,0 810 6,2
5 55 42,5 2,5 0,55 5.0 820 6,1
6 50 47 3,0 0,6 4,8 900 5,3
7 55 41,5 3,5 0,6 5,5 950 5,8
Как видно из табл. 2, оптимальным является содержание добавки силикагеля в количестве 2,0-2,5 % от общей массы сухих компонентов. В этом случае прочность пенобетона возрастает в 1,8-2 раза в сравнении с контрольными образцами при незначительном увеличении средней плотности. При меньшем содержании силикагеля прирост прочности пенобетона не превышает 30 %. При содержании силикагеля в количестве более 2,5 % повышается водопотребность пенобетонной смеси, т. е. увеличивается расход воды затворения для достижения необходимой растекаемости смеси, что приводит к значительному увеличению средней плотности пенобетона. В то же время
его прочность при сжатии, несмотря на повышенный расход воды затворения, в 1,8-2 раза выше в сравнении с контрольными образцами.
Таким образом, введение добавки силикагеля в пенобетонную смесь положительно сказывается на прочностных показателях цементного пенобетона. Эффект упрочнения обеспечивается, на наш взгляд, двумя факторами: связыванием гидроксида кальция в твердеющем цементе и снижением капиллярной пористости. Катионы Са2+ прочно адсорбируются силанольными группами в порах силикагеля. Кроме того, наночастицы силикагеля растворяются в воде затворения и затем образуют с гироксидом кальция С8И гель. Таким образом, формируется упрочняющий межфазовый слой [9]. Избыточная вода затворе-ния сорбируется силикагелем, что препятствует формированию капиллярных пор в цементном камне. Разработанный способ повышения качества пенобетона рекомендован для применения в технологии производства стеновых материалов в малоэтажном строительстве.
Библиографический список
1. Шахова, Л.Д. Технология пенобетона. Теория и практика / Л.Д. Шахова. - М. : Изд-во АСВ, 2010. - 248 с.
2. Величко, Е.Г. Рецептурно-технологические проблемы пенобетона / Е.Г. Величко, А.Г. Комар // Строительные материалы. - 2004. - № 3. - С. 26-29.
3. Горбач, П.С. Эффективный пенобетон на синтетическом пенообразователе : автореферат дис. ... канд. техн. наук. - Улан-Удэ, 2007. - 24 с.
4. Удачкин, И.Б. Ключевые проблемы развития производства пенобетона / И.Б. Удачкин // Строительные материалы. - 2002. - № 3. - С. 8-9.
5. Урханова, Л.А. Использование вторичного сырья для производства пенобетона / Л.А. Урханова, С.А. Щербин, А.И. Савенков // Строительные материалы. - 2008. -№ 1 - С. 34-35.
6. Зиновьев, А.А. Кладочные растворы повышенной высоло- и морозостойкости с добавками микрокремнезема и омыленного таллового пека / А.А. Зиновьев, А.И. Кудяков,
Н.В. Дворянинова. - Братск : Изд-во БрГУ, 2011. - 158 с.
7. Брыков, А.С. Ультрадисперсный кремнезем в технологии бетонов / А.С. Брыков. -СПб. : СПбГТИ(ТУ), 2009. - 27 с.
8. Айлер, Р. Химия кремнезема : [пер. с англ.] / Р. Айлер. - М. : Мир, 1982. - Ч. 2 - 712 с.
9. Баев, В.С. Теоретические аспекты селективного модифицирования межфазовых границ композиционных строительных материалов / В.С. Баев, А.П. Пичугин // Вестник ТГАСУ. - 2011. - № 1. - С. 139-144.
References
1. Shahova, L.D. Tehnologiya penobetona. Teoriya i praktika [Foam concrete technology. Theory and practice]. - Moscow, ASV Publ., 2010. - 248 p. (rus)
2. Velichko, E.G. Komar, A.G. Recepturno-tehnologicheskie problemi penobetona [Recipe-technological problems of foam concrete] // Stroitel’nye materially [Building materials]. -2004. - No. 3. - P. 26-29. (rus)
3. Gorbach, P.S. Effektivniy penobeton na sinteticheskom penoobrazovatele [Effective foam concrete with synthetic foam-forming additive]. - Ulan-Ude, 2007. - 24 p.(rus)
4. Udachkin, I.B. Kluchevie problemi razvitiya proizvodstva penobetona [Key problems of foam concrete production development] // Stroitel’nye materially [Building materials]. - 2002. -No. 3. - P. 8-9. (rus)
5. Urhanova, L.A., Sherbin, S.A., Savenkov, A.I. Ispolzovaniye vtorichnogo sirya dlya proizvod-stva penobetona [Second-rate raw materials utilization for foam concrete production] // Stroi-tel’nye materially [Building materials]. - 2008. - No. 1. - P. 34-35. (rus)
6. Zinovyev, A.A., Kudyakov, A.I., Dvoryaninova, N.V. Kladochniye rastvori povishennoy visolo-i morozostoykosti s dobavkami mikrokremnezema i omilennogo talovogo peka [Salt- and frost-resistant masonry mortars with additives of microsilica and saponified tall pitch]. -Bratsk, BrGu Publ., 2011. - 158 p. (rus)
7. Brikov, A.S. Ultradispersniy kremnezem v tehnologii betonov [Ultra ground silica in concretes technology]. - SPb, GTI(TU) Publ., 2009. - 27 p. (rus)
8. Ailer, R. Himiya kremnezema [Chemistry of silica]. - Moscow, Mir, 1982. Part 2. - 712 p. (rus)
9. Bayev, V.S., Pichugin, A.P. Teoreticheskiye osnovi selektivnogo modificirovaniya megfazovih granic kompozicionnih ctroitelnih materialov [Theoretical aspects of selective modification of interphase boundaries of building materials] // Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. - 2011. - No. 1. - P. 139-144. (rus)
