CC BY
22УДК 691.5
В.В. ЛЕСОВИК, д-р техн. наук, член-корр. РААСН,
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова; В.В. ПОТАПОВ, д-р техн. наук, Научно-исследовательский геотехнологический центр Дальневосточного отделения РАН (Петропавловск-Камчатский); Н.И. АЛФИМОВА, канд. техн. наук, О.В. ИВАШОВА, инженер, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
Повышение эффективности вяжущих за счет использования наномодификаторов
В основу создания бетона с заранее заданными высокими характеристиками положен принцип управления технологией на всех этапах: использование активных компонентов, разработка оптимальных составов, применение химических модификаторов, композиционных вяжущих и некоторых других приемов.
В настоящее время предложена широкая номенклатура композиционных вяжущих с использованием как природного, так и техногенного сырья, а также суперпластификаторов различной природы и различных производителей [1].
Применение композиционных вяжущих приводит к изменению микроструктуры и состава новообразований. При этом уменьшается не только капиллярная пористость, но и размер новообразований, основность гидросиликатов кальция, уменьшается количество микротрещин при твердении системы (рис. 1).
Будущее строительных материалов связано с управлением процессами синтеза новообразований наноди-сперсными модификаторами (НМ) [2].
Предлагается повышение эффективности вяжущих веществ за счет НМ, полученных двумя путями.
Первый вид модификатора был получен по технологии, сущность которой заключается в совместном мокром помоле до коллоидного состояния кварцсодержа-щих пород определенного генезиса с электролитами. Особенно эффективным для получения НМ является кварцитопесчаник зеленосланцевой степени метаморфизма, что объясняется его типоморфными особенностями, дефектностью кристаллической решетки, наличием газовых включений, флюидов и минералообразую-щей среды, т. е. кварцитопесчаник является генетически активированным материалом. В ходе помола на определенных стадиях производили контроль выходных параметров суспензии, а также дозагрузку сырья, что позволило получить НМ полифракционного состава (рис. 2).
При этом количество образовавшихся наноразмер-ных частиц в полученных суспензиях колебалось от 4 до 0,76% в зависимости от вида кремнеземсодержащего сырья.
Рис. 1. Микроструктура композитов: а - на основе портландцемента; б - на основе композиционных вяжущих
научно-технический и производственный журнал Г^рЦУГ/" 60 декабрь 2011 Ы ®
7
6
5
4
3
2
1
0 0,1
2
Г /N1 1
1
\ \
\
100
Возраст образца, сут Количество введенного нанодисперсного кремнезема, мас. % по отношению к цементу
0 0,0075 0,04 0,18
3 21,5 32,7 27,5 35,6
7 30,8 46,6 43,8 47,8
28 42,7 59,1 50,4 59
1 10 Размер частиц, мкм
Рис. 2. Кривая распределения частиц НМ по размерам: 1 - НМ на основе кварцевого песка; 2 - НМ на основе кварцитопесчаника
С использованием НМ были изготовлены композиционные вяжущие. Добавку нанодисперсных частиц вводили в состав вяжущего в пределах 0,38—2% массы цемента.
Введение полученного НМ в цементную систему позволяет повысить активность вяжущего на 35% при 50% экономии клинкерной составляющей. Прирост прочности при введении модификатора объясняется улучшением структуры цементного камня. Анализ микроструктуры (рис. 3) показал, что цементный камень с оптимальной дозировкой НМ отличается более плотной матрицей, состоящей из низкоосновных гидросиликатов кальция волокнистого строения, в то время как цементный камень без добавки представлен более высокоосновными гидросиликатами кальция и гексагональными пластинами портландита. Это объясняется тем, что нанодисперсные составляющие модификатора, способствующие более раннему связыванию портландита, интенсифицируют гидратацию клинкерных минералов. В то же время более крупные частицы НМ выступают в качестве центров кристаллизации, а также выполняют роль микронаполнителя, снижая усадочные деформации, улучшают эксплуатационные характеристики композита. Характерной чертой структуры цементного камня с НМ является существенно меньшее количество микротрещин.
Второй вид НМ был получен путем выделения из гидротермального раствора наночастиц кремнезема по двухстадийной технологической схеме. Для получения наночастиц кремнезема в качестве исходной среды использовали природные гидротермальные растворы. В условиях повышенного давления и температуры в недрах земли за счет растворения алюмосиликатных
минералов пород в гидротермальные растворы поступают молекулы ортокремневой кислоты (ОКК). После вывода раствора на поверхность давление и температура снижаются, раствор становится перенасыщенным и в нем проходят нуклеация и поликонденсация молекул ОКК, приводящие к формированию сферических нано-частиц кремнезема радиусом 5—100 нм.
В различных сериях испытаний получили порошки с насыпной плотностью 10—35 кг/м3 и высокой удельной площадью поверхности 110-103—400-103 м2/кг. Определения были проведены путем низкотемпературной адсорбции азота на порометре ASAP-2010 N МюготегМсв. Порошок, который вводили как нанодобавку в цементные образцы, имел удельную поверхность, равную 156-103 м2/кг.
Порошок кремнезема вводили в воду затворения. Однородность распределения частиц порошка в объеме жидкости достигали ультразвуковой обработкой.
Испытания образцов проводили на изгиб и сжатие. Ввод наночастиц кремнезема приводил не только к увеличению конечной прочности при сжатии, но и к увеличению скорости набора прочности образцами с нанодобавками. Эксперименты показали, что введение нанодисперсного кремнезема в количестве тысячных долей массового процента от цемента приводит к повышению активности вяжущего до 38% (см. таблицу).
Повышение активности вяжущего объясняется действием нанодисперсного кремнезема, который вступает в реакцию с гидроксидом кальция, освобождаемым при гидратации портландцемента. При этом синтезируется гидросиликат кальция второй генерации. Очень высокая удельная поверхность кремнезема способствует более эффективной и быстрой реакции. При надлежащем рассеивании тысячи реактивных сферических частиц окружают каждое зерно цемента, уплотняя цементный камень, заполняя пустоты проч-
Мвд = 100.00 К К
ЕНТ ■ м ¿-г л - СЕ: мзингмз
■ ] ^ РИа[о МО " 7795 3 Ос1 2007
Мвд = 100.00 К К
ент - 20.00 м - яж Д" Зё2 мзингмз
■ ] 7 РИа[о ма * 7773 3 Ос1 2007
Рис. 3. Характер новообразований: а - цементный камень; б - цементный камень с оптимальной дозировкой НМ
Г; научно-технический и производственный журнал
декабрь 2011
61
ными продуктами гидратации и улучшая сцепление с заполнителями.
Эффект заполнения пор гидросиликата кальция второй генерации способствует значительному уменьшению капиллярной пористости и проницаемости бетона. Фактически непроницаемый бетон можно получить при умеренном содержании НМ и сравнительно низком содержании обычного портландцемента.
Следует отметить универсальность добавки как дисперсии, влияющей на тиксотропные свойства системы, — изменение протяженности структурных элементов-цепочек и их перехода при контактных взаимодействиях в пространственные каркасные ячейки. Это условие соответствует минимальным значениям межфазного натяжения при максимальном развитии граничных поверхностей, что предполагает существование большого числа точечных коагуляционных контактов, вплоть до создания предельно наполненной системы, в которой коллективный переход к сцеплению в ближнем порядке вызывает резкое упрочнение. Такой этап гидрато-образования с коллоидацией кремнеземных частиц, за счет которых формируются пространственные упаковки, приводит к самоармированию твердеющей цементной системы композита. В целом добавка наноди-сперсного кремнезема является высокоэффективным модификатором структуры бетона как композиционного материала, полученного на основе наукоемкой технологии.
Таким образом, увеличение прочности композита при введении наночастиц кремнезема, полученных механической активацией в водной среде и выделенных из гитротермальных растворов, обеспечивается ускорением начальной стадии твердения за счет наличия дополнительных центров кристаллизации; образованием до-
полнительных контактов между кристаллогидратами за счет связывания, выделяющейся извести; обеспечением высокоплотной упаковки за счет полидисперсного состава добавки.
Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009—2013 гг. (госконтракт № 14.740.11.0012 по теме «Создание нового класса минеральных наноструктурированных вяжущих негидра-тационного типа твердения для производства высококачественных строительных материалов различного функционального назначения»).
Ключевые слова: композиционное вяжущее, наномоди-фикатор, гидротермальные растворы, композиционные материалы.
Список литературы
1. Лесовик В.С., Алфимова Н.И., Лесовик Р.В. Проблемы расширения номенклатуры вяжущих веществ: В мат. Междунар. конгресса производителей цемента. Белгород, 9-12 октября. 2008. С. 30-34.
2. Алфимова Н.И., Лесовик Р.В., Яковлев Е.А. и др. К проблеме повышения эффективности композиционных вяжущих // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2009. № 1. С. 30-33.
3. Лесовик В.С., Алфимова Н.И., Вишневская Я.Ю. и др. Высокоэффективные композиционные вяжущие с использованием наномодификатора // Вестник Центрального регионального отделения Российской академии архитектуры и строительных наук. 2010. С. 90-94.
(у \ БЕЛГОРОДСКАЯ ТОРГОВО-ПРОМЫШЛЕННАЯ ПАЛАТА
% БЕЛЭКСПОЦЕНТР
14-16 марта 2012
XVI межрегиональная специализированная выставка
БЕЛЭКСПОСТРОЙ
Т./ф.: (4722) 58-29-51, 58-29-66, 58-29-68, 58-29-48, 58-29-41
E-mail: belexpo@mail.ru; www.belexpocentr.ru г. Белгород, ул. Победы, 147а
научно-технический и производственный журнал
62
декабрь 2011
i&JVLIH.r-JJblJbJS jVJ ®
