CC BY
2DOI 10.53980/24131997_2023_2_97
Н.П. Лукутцова, д-р техн. наук, проф., e-mail: [email protected] Е.Ю. Горностаева, канд. техн. наук, доц., e-mail: [email protected]
А.А. Пыкин, канд. техн. наук, доц., e-mail: [email protected] С.В. Васюнина, канд. техн. наук, доц., e-mail: [email protected] Е.А. Фёдоров, магистрант, e-mail: [email protected]
Брянский государственный инженерно-технологический университет, г. Брянск
УДК 691.327.3
СВОЙСТВА АРБОЛИТА С НАНОМОДИФИЦИРУЮЩЕЙ ДОБАВКОЙ НА ОСНОВЕ МИКРОКРЕМНЕЗЕМА
Исследованы физико-механические свойства конструкционно-теплоизоляционного крупнопористого арболита для стеновых неармированных изделий с использованием наномодифицирующей добавки (НМД), полученной способом ультразвукового диспергирования микрокремнезема в водной среде суперпластификатора С-3. Определены гранулометрический состав и микроструктура микрокремнезема как активного минерального компонента техногенного происхождения для НМД, состоящего из полидисперсных частиц аморфного диоксида кремния сферической формы средним диаметром 1150 нм. Выполнен анализ показателей размерности и агрегативной устойчивости НМД. Диспергирование микрокремнезема в интенсивном ультразвуковом поле, возбуждаемом в водной среде С-3, приводит к образованию агрегативно-устойчивой суспензии с дисперсной фазой средним диаметром 400 нм в интервале от 56 до 614 нм. Разработанная наномодифицирующая добавка позволяет ускорить набор прочности арболита в ранние сроки твердения и повысить его прочность на сжатие в проектном возрасте, а также снизить открытую пористость при незначительном увеличении средней плотности и коэффициента теплопроводности.
Ключевые слова: арболит, наномодифицирующая добавка, микрокремнезем, суперпластификатор С-3, ультразвуковое диспергирование, физико-механические свойства.
N.P. Lukuttsova, Dr. Sc. Engeneering, Professor E.Yu. Gornostaeva, Cand. Sc. Engeneering, Assoc. Prof A.A. Pykin, Cand. Sc. Engeneering, Assoc. Prof S.V. Vasyunina, Cand. Sc. Engeneering, Assoc. Prof E.A. Fyodorov, P.G. student
PROPERTIES OF ARBOLITE WITH NANOMODIFYING ADDITIVE
BASED ON MICROSILICA
The article studies physical and mechanical properties of structural and heat-insulating large-pore arbolite for wall unreinforcedproducts with a nanomodifying additive. The nanomodifying additive is obtained by ultrasonic dispersion of microsilica in an aqueous medium of superplasticizer C-3. It determined granulo-metric composition and microstructure of microcstrap as an active mineral component of technogenic origin for NMA, consisting of polydisperse particles of amorphous spherical silicon dioxide with an average diameter of 1150 nm. The paper analyses indicators of dimensionality and aggregative stability of NMA. Dispersion of microcstrap in intensive ultrasonic field, excited in the С-3 aquatic environment, results in formation of aggregate-stable suspension with a disperse phase of an average diameter of 400 nm in the range of 56 to 614 nm. The developed nanomodifying additive makes it possible to accelerate the early strength maturing of ar-bolite and increase its compressive strength at the design age, as well as reduce effective porosity with a slight increase in medium density and heat conductance.
Key words: arbolite, nanomodifying additive, microsilica, superplasticizer C-3, ultrasonic dispersion, physical and mechanical properties.
Введение
В настоящее время лиственные породы древесины (береза, осина и др.) становятся все более востребованными в деревообрабатывающей промышленности в связи с сокращением хвойных пород более чем на 8 млрд. м3. При этом актуальным является исследование возможности использования отходов от их переработки в виде заполнителя в арболите - легком бетоне на цементном вяжущем, древесной дробленке и химических добавках.
Основную опасность для арболита представляют экстрагируемые вещества (ЭВ) - лег-кодиффундируемые через стенки клеток древесины и вымываемые водой частицы размером до 1 мкм, которые оказывают негативное влияние на гидратацию вяжущего, сроки схватывания и твердения арболитовой смеси, снижают прочность материала [1-4].
Для нейтрализации ЭВ в древесном заполнителе (ДЗ) применяются специальные технологические приемы, такие как замачивание и выдерживание ДЗ в воде или растворе извести, ультразвуковая обработка ДЗ, введение кольматирующих добавок [5-8].
Исходя из технико-экономической целесообразности и упрощения процесса производства арболита и строительных изделий из него большой научно-практический интерес представляет собой использование активных кремнеземистых добавок (АКД), способствующих кольматации пор и блокированию выхода экстрагируемых веществ из древесного заполнителя в поровое пространство цементной системы.
Механизм действия АКД обусловлен в основном химическим взаимодействием кремнезема SiO2 с гидроксидом кальция Ca(OH)2, выделяющимся в значительном количестве в результате гидролиза трехкальциевого силиката кальция CзS цемента, и определяется наличием свободных реакционноспособных силанольных групп (^ЮН) на поверхности частиц SiO2, содержание которых зависит от их дисперсности. При этом формируются кристаллы низкоосновных гидросиликатов кальция волокнистой морфологии, полукристаллические и аморфные гидраты кальциевых силикатов в виде CSН геля, приводящие к уплотнению, упрочнению и снижению проницаемости цементной матрицы бетона.
Известно, что ультра- и нанодисперсные кремнеземы заметно активнее влияют на концентрацию ионов Са2+ и ОН" в жидкой фазе цемента уже в первые минуты гидратации, что приводит к сокращению длительности индукционного периода. В присутствии ультра- и на-ночастиц SiO2 образование продуктов гидратации в ранний период происходит в непосредственной близости от их поверхности, цементные зерна в меньшей степени блокируются новообразованиями, что способствует интенсификации процесса гидролиза и гидратации клинкерных минералов [9-14].
Целью работы является исследование влияния наномодифицирующей добавки (НМД) на основе микрокремнезема (МК) на физико-механические свойства конструкционно-теплоизоляционного крупнопористого арболита для стеновых неармированных изделий.
Материалы и методы исследования
Для изготовления образцов арболита использовались: нормальнотвердеющий портландцемент типа ЦЕМ I, класса прочности 42,5 по ГОСТ 31108-2020 (РПТ УП «Управляющая компания холдинга "Белорусская цементная компания"», Республика Беларусь); дробленка из свежесрубленной древесины лиственных пород в виде смешанных (1:1) березовых и осиновых пластинчатых и игольчатых частиц длиной от 2 до 20 мм по ГОСТ 19222-2019 (ГУП «Брянский лесхоз», Брянская область); наномодифицирующая добавка на основе неуплотненного конденсированного микрокремнезема марки МК-85 с содержанием аморфного диоксида кремния ^Ю2) в количестве не менее 85 % по ГОСТ Р 58894-2020 (ООО «Микросилика», г. Пермь) и нафталинформальдегидного суперпластификатора С-3 в виде сухого вещества по ТУ 5870002-58042865-03 (АО «ГК Полипласт», Московская область); питьевая вода по ГОСТ 237322011 (Брянская область).
Получение НМД проводилось путем 7-минутного ультразвукового диспергирования (УЗД) водной суспензии с концентрацией твердой фазы 3 %, содержащей (по массе) 70 % МК
и 30 % С-3, в механоактиваторе ПСБ-4035-04 кавитационного типа действия с частотой ультразвука 35 кГц.
Арболитовые смеси изготовляли в лабораторном смесителе принудительного действия при указанной последовательности загрузки компонентов: древесная дробленка, смоченная 2/3 частями воды; портландцемент из расчета 380 кг на 1 м3; наномодифицирующая добавка, растворенная в 1/3 части воды. Затем способом послойного уплотнения тщательно перемешанных смесей формовались образцы-кубы арболита с размером ребра 7,07 см, которые выдерживались 28 сут в камере с естественными условиями твердения при температуре (20 ± 2) °С и относительной влажности воздуха (70 ± 10) %.
При проведении исследования применялись следующие методы: сканирующая электронная микроскопия на микроскопе TESCAN MIRA 3 LMU и лазерная гранулометрия на приборе Analysette 22 NanoTec Plus (для анализа микроструктуры и гранулометрического состава МК); фотонно-корреляционная спектроскопия и электрофоретическое светорассеяние на анализаторе ZetaPlus (для изучения показателей размерности и устойчивости НМД); стандартные методы определения средней плотности, открытой пористости, коэффициента теплопроводности и прочности на сжатие арболита (по ГОСТ 19222-2019).
Результаты исследования и их обсуждение
Данные сканирующей электронной микроскопии (рис. 1) и лазерной гранулометрии (рис. 2) показали, что микрокремнезем, используемый в качестве активного минерального компонента техногенного происхождения для НМД, состоит из полидисперсных частиц аморфного диоксида кремния сферической формы средним диаметром 1150 нм.
а б
Рисунок 1 - Микроструктура микрокремнезема: a - (*20000); б - (*50000)
Доля частиц, попадающих в нанодиапазон (до 100 нм), составляет 0,1 %; ультрадиапазон (от 100 до 1000 нм) - 39,5 %; микродиапазон (от 1000 до 10000 нм) - 58,3 %; макродиапазон (более 10000 нм) - 2,1 %.
Ультразвуковое диспергирование твердого материала в водной среде приводит к эрозии его поверхности в результате кавитации - образования в воде пульсирующих парогазовых пузырьков, которые концентрируются на неровностях поверхности и в микротрещинах.
Многократные гидравлические удары, возникающие при захлопывании пузырьков, вызывают локальное разрушение поверхности. Под действием акустических микропотоков вода проникает внутрь образовавшихся углублений, где разрушающее действие ударных волн становится еще более эффективным.
100000 1000000 Диаметр частиц, нм Рисунок 2 - Гранулометрический состав микрокремнезема
В суспензиях на границе раздела «дисперсная фаза - вода» возникает двойной электрический слой (ДЭС) - пространственное распределение электрических зарядов, которое появляется в непосредственной близости от поверхности частиц, контактируемых с дисперсионной средой.
Для количественного анализа величины заряда в ДЭС используется электрокинетический потенциал, или дзета-потенциал, который позволяет определить характер взаимодействия между твердыми фазами суспензий и их устойчивость к процессу агрегации.
Для агрегативно-неустойчивых суспензионных систем положительное или отрицательное значение дзета-потенциала колеблется в интервале от 0 до 30 мВ [15].
Методами фотонно-корреляционной спектроскопии и электрофоретического светорассеяния установлено, что УЗД микрокремнезема в водной среде без С-3 приводит к уменьшению среднего диаметра его частиц от 1150 до 780 нм. При этом образуется суспензия, дисперсная фаза которой размерами от 78 до 2558 нм и дзета-потенциалом -4,95 мВ является неустойчивой к агрегации (рис. 3 а).
Diam. (nm) = 78.89 Rel.Vol.-1.29 Cum. Vol. - 100.00 Diam. (nm) = 2558.10
а
Рисунок 3 - Распределение по размерам частиц микрокремнезема после ультразвукового диспергирования: а - в водной среде
100
0s
и 75 и ее Г
% 50 Ю
О
25
( 1
5000.0(
Диаметр частиц, нм
Rel. Vol. - 8.02 Cum. Vol. = 100.00 Diom. (nm) - 611.03
б
Рисунок 3 (продолжение) - Распределение по размерам частиц микрокремнезема после ультразвукового диспергирования: б - в водной среде С-3
В то же время ультразвуковое диспергирование МК в водной среде С-3 способствует образованию суспензии с дисперсной фазой, устойчивой к агрегации, средним диаметром 400 нм в интервале от 56 до 614 нм и дзета-потенциалом, равным -52,91 мВ (рис. 3 б).
Эффект стабилизации частиц МК от агрегации суперпластификатором С-3 вызван тем, что его адсорбционные слои повышают дзета-потенциал от -4,95 мВ до -52,91 мВ, т. е. агрега-тивная устойчивость частиц МК обусловливается преимущественно их электростатическим отталкиванием.
Полученная наномодифицирующая добавка в виде агрегативно-устойчивой водной суспензии микрокремнезема, стабилизированного С-3, содержащей до 24 % частиц диаметром 56 нм, вводилась в состав арболитовой смеси для исследования ее влияния на набор прочности и физико-механические свойства арболита.
Кинетика набора прочности арболита в зависимости от количества НМД (рис. 4) определялась методом осевого кратковременного статического сжатия на гидравлическом прессе Matest C040N и оценивалась по процентному отношению ^сжп/К^ж28^100 %) прочностного показателя образцов в промежуточном возрасте (п = 3, 7, 14 сут) к его значению в проектном возрасте (28 сут).
ев
G
Е
s
о ев
К &
о о к
V о а G
14
28
НМД = 0 %
НМД = 0,03 %
Срок твердения, сут НМД = 0,06 %
Рисунок 4 - Кинетика набора прочности на сжатие арболита
Выявлено, что арболит контрольного состава (без НМД) характеризуется следующим изменением прочности на сжатие: 32 % через 3 сут, 47 % через 7 сут, 86 % через 14 сут твердения.
3
7
При введении НМД в количестве 0,03-0,2 % (в пересчете на сухое вещество от массы портландцемента) прирост прочности на сжатие арболита через 3 сут твердения составляет 32-33 %, через 7 сут - 68-79 %, через 14 сут - 91-93 % (рис. 4).
Результаты испытаний показали, что использование НМД в количестве до 0,2 % позволяет ускорить набор прочности арболита в ранние сроки твердения (в первые 3 сут) от 0,19 до 0,42 МПа и повысить его прочность на сжатие в проектном возрасте от 0,64 до 1,28 МПа, а также снизить открытую пористость от 60 до 40 % при незначительном увеличении средней плотности (на 3 %) и коэффициента теплопроводности (на 7 %) (табл.).
Таблица
Физико-механические свойства арболита
№ состава Количество наномодифицирующей добавки Средняя плотность, кг/м3 Открытая пористость, % Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-°С) Прочность на сжатие, МПа
3 сут твердения 28 сут твердения
1 Контрольный состав 609 60 0,235 0,19 0,64
2 НМД - 0,03 % 610 58 0,242 0,25 0,77
3 НМД - 0,06 % 611 53 0,243 0,28 0,85
4 НМД - 0,09 % 614 50 0,245 0,3 0,92
5 НМД - 0,13 % 619 45 0,248 0,34 1,02
6 НМД - 0,16 % 622 43 0,250 0,36 1,1
7 НМД - 0,2 % 628 40 0,253 0,42 1,28
Повышение прочности арболита обусловлено тем, что наномодифицирующая добавка на основе микрокремнезема, стабилизированного С-3, приводит к ускорению гидратации клинкерных минералов портландцемента.
За счет взаимодействия портландита Ca(OH)2 с наночастицами аморфного диоксида кремния в поровом пространстве цементного камня твердеющего арболита формируется дополнительное количество низкоосновных гидросиликатов кальция и CSH геля, способствующих уплотнению и соответственно упрочнению структуры бетона, что подтверждается данными сканирующей электронной микроскопии на микроскопе TESCAN MIRA 3 LMU (рис. 5).
а б
Рисунок 5 - Микроструктура цементного камня в арболите контрольного состава (а, б) и с наномодифицирующей добавкой (в, г) в возрасте 28 сут: а, в - (*5000); б, г - (*10000)
Рисунок 5 (продолжение) - Микроструктура цементного камня в арболите контрольного состава (а, б)
и с наномодифицирующей добавкой (в, г) в возрасте 28 сут: а, в - (*5000); б, г - (*10000)
Заключение
В результате исследования влияния наномодифицирующей добавки на физико-механические свойства конструкционно-теплоизоляционного крупнопористого арболита для стеновых неармированных изделий установлено, что разработанная добавка в виде агрегативно-устойчивой водной суспензии микрокремнезема, стабилизированного С-3, содержащей до 24 % частиц диаметром 56 нм, позволяет ускорить набор прочности арболита в ранние сроки твердения и повысить его прочность на сжатие в проектном возрасте в 2 раза, а также снизить открытую пористость при незначительном увеличении средней плотности и коэффициента теплопроводности.
Библиография
1. УрхановаЛ.А., Лхасаранов С.А., ОчировБ.О. Опилкобетон, полученный с применением древесных отходов Республики Бурятия и ультрадисперсных добавок // Вестник ВСГУТУ. - 2021. -№ 2(81). - С. 69-74.
2. Русина В.В., ДубровинаЮ.Ю., Чернов Е.И. Бетоны для ограждающих конструкций на основе отходов механической переработки древесины // Строительные материалы. - 2017. - № 9. - С. 32-35.
3. Лаушкина В.А., Иващенко Ю.Г., Тимохин Д.К. Современные тенденции технологии арболи-товых изделий // Техническое регулирование в транспортном строительстве. - 2017. - № 3(23). -С.46-48.
4. Шевченко В.А., Лебедева Т.Г., Киселев В.П. и др. Исследование свойств вторичного древесного заполнителя для арболита // Современные наукоемкие технологии. - 2018. - № 3. - С. 112-116.
5. Федосов С.В., Лапидус А.А., Соколов А.М. и др. Показатели технологии изготовления изделий из арболита с применением электротепловой обработки // Строительные материалы. - 2023. - № 3. -С. 4-10.
6. Патент РФ № 2732164, С 04 В 18/26, 20/10. Способ подготовки древесного заполнителя для арболита / Лукутцова Н.П., Чивикова Е.В., Головин С.Н. - Опубл. 14.09.2020. - Бюл. № 26.
7. Сафин Р.Р., Барсик С., Назипова Ф.В. и др. Ультразвуковая экстракция «цементных ядов» в производстве арболита // Деревообрабатывающая промышленность. - 2015. - № 2. - С. 26-30.
8. Шешуков А.П., Лычагин Д.В., Макаров Е.Я. Исследование процессов формирования структуры арболита при химической активации древесины // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. - 2014. - № 3(44). - С. 145-152.
9. Смирнова О.Е., Пичугин А.П., Хританков В.Ф. Композиционные материалы на основе органического сырья с наноразмерными добавками // Строительные материалы. - 2023. - № 1-2. - С. 76-81.
10. Иващенко Ю.Г., Лаушкина В.А., Тимохин Д.К. Механизм гидратации и структурообразова-ние арболита // Инженерный вестник Дона. - 2018. - № 2(49). - С. 1-10.
11. Тюкавкина В.В., Касиков А.Г., Гуревич Б.И. Структурообразование цементного камня, модифицированного добавкой нанодисперсного диоксида кремния // Строительные материалы. - 2018. -№ 11. - С. 31-35.
12. Баженов Ю.М., Лукутцова Н.П., Матвеева Е.Г. Исследования влияния наномодифициру-ющей добавки на прочностные и структурные характеристики мелкозернистого бетона // Вестник МГСУ. - 2010. - № 2. - С. 215-219.
13. Штарк Й. Гидратация цемента и микроструктура бетона // Цемент и его применение. -2011. - № 2. - С. 90-94.
14. Брыков А.С., Камалиев Р.Т. Влияние кремнеземсодержащих добавок на гидратацию портландцемента в ранний период // Цемент и его применение. - 2010. - № 1. - С. 146-148.
15. LukuttsovaN.P., Pykin A.A. Stability of Nanodisperse Additives Based on Metakaolin // Glass and Ceramics. - 2015. - Vol. 71. - P. 383-386.
Bibliography
1. Urkhanova L.A., Lkhasaranov S.A., Ochirov B.O. Sawdust concrete obtained with the use of wood waste from the Republic of Buryatia and ultrafine additives // Bulletin of the ESSTUM. - 2021. - N 2(81). -P. 69-74.
2. Rusina V.V., Dubrovina Yu.Yu., Chernov E.I. Concrete for enclosing structures based on waste from mechanical processing of wood // Stroitel'nye materialy (Construction Materials Russia). - 2017. - N 9. -P.32-35.
3. Laushkina V.A., Ivashchenko Yu.G., TimokhinD.K. Modern trends in the technology of wood concrete products // Technical regulation in transport construction. - 2017. - N 3 (23). - P. 46-48.
4. Shevchenko V.A., Lebedeva T.G., Kiselev V.P. et al. Investigation of the properties of recycled wood filler for wood concrete // Modern high technologies. - 2018. - N 3. - P. 112-116.
5. Fedosov S.V., Lapidus A.A., Sokolov A.M. et al. Indicators of the technology of manufacturing products from arbolite using electric heat treatment // Stroitel'nye materialy (Construction Materials Russia). -2023. - N 3 - P. 4-10.
6. The patent of the Russian Federation № № 2732164, C 04 B 18/26, 20/10. Method of preparing wood filler for wood concrete / Lukuttsova N.P., Chivikova E.V., Golovin S.N. - Published 14.09.2020. - Release N 26.
7. Safin R.R., Barsik S., Nazipova F.V. et al. Ultrasonic extraction «cement poisons» in the production of wood concrete // Derevoobrabativaushaya promishlennost' (Woodworking industry). - 2015. - N 2. -P.26-30.
8. Sheshukov A.P., Lychagin D.V., Makarov E. Ya. Investigation of the processes of formation of wood concrete structure during chemical activation of wood // Journal of Construction and Architecture. - 2014. -N 3(44). - P. 145-152.
9. Smirnova O.E., Pichugin A.P., Khritankov V.F. Composite materials based on organic raw materials with nanosized additives // Stroitel'nye materialy (Construction Materials Russia). - 2023. - N 1-2. - P. 76-81.
10. Ivashchenko Yu.G., Laushkina V.A., Timokhin D.K. The mechanism of hydration and structure formation of wood concrete // Engineering Journal of Don. - 2018. - N 2(49). - P. 1-10.
11. Tyukavkina V.V., Kasikov A.G., Gurevich B.I. Structure formation of cement stone modified with additive of nano-disperse silicon dioxide // Stroitel'nye materialy (Construction Materials Russia). - 2018. -N 11. - P. 31-35.
12. Bazhenov Yu.M., Lukuttsova N.P., Matveeva E.G. Studies of the effect of a nanomodifying additive on the strength and structural characteristics of fine-grained concrete // Vestnik MGSU. - 2010. - N 2. -P.215-219.
13. Stark J. Cement hydration and concrete microstructure // Cement and its Applications. - 2011. -N 2. - P. 90-94.
14. Brykov A.S., Kamaliev R.T. The effect of silica-containing additives on the hydration of Portland cement in the early period // Cement and its Applications. - 2010. - N 1. - P. 146-148.
15. Lukuttsova N.P., Pykin A.A. Stability of Nanodisperse Additives Based on Metakaolin // Glass and Ceramics. - 2015. - Vol. 71. - P. 383-386.
