CC BY
69Цементный бетон с улучшенными физико-механическими свойствами на основе применения активированного микрокремнезема
Ткач Евгения Владимировна
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Строительные материалы и материаловедение» ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский московский государственный строительный университет», [email protected]
Темирканов Руслан Ильясович
аспирант, кафедра «Строительные материалы и материаловедение» ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский московский государственный строительный университет», [email protected]
В данной работе рассматриваются вопросы применения микрокремнезема и способы его активации для модифицирования структуры цементного камня и бетона на его основе. В отношении любого вида наполнителя, в частности микрокремнезема актуальными являются вопросы: как и сколько вводить, какие механизмы включаются в процесс структурообра-зования, во сколько обходится достигаемый эффект модифицирования структуры и другие. Поэтому роль микродисперсных наполнителей в процессах модифицирования структуры цементного камня и бетона на его основе должна рассматриваться совместно с другими размерными включениями на разных масштабных уровнях. Современные технологии и исследования в области реакционно-активных компонентах природного и техногенного происхождения позволяют по-новому взглянуть на проблемы, связанные с совершенствованием технологии получения высококачественных бетонов. Рассмотрены поведение микрокремнезема в среде при рН=2-2,4 и рН=10-11, полимеризация, химическая активация данного заполнителя.
Ключевые слова: химически активированный микрокремнезем; комплексная органоминеральная добавка; гетерогенный процесс фазообразования; прочность при сжатии; бетонная смесь; химическая активация; щелочная среда.
Введение
Актуальность данной работы связана с поиском путей повышения свойств бетонов и качественных характеристик изделий на их основе. Одним из простых и эффективных приемов является модифицирование структуры цементного камня за счет инициирования активности вводимых в бетон минеральных добавок. В настоящей работе ставилась задача снизить расход микрокремнезема и повысить его эффективность в цементных бетонах за счет химической активации. Целью исследования является разработка технологии бетона с улучшенными физико-механическими свойствами на основе применения химически активированного микрокремнезема в составе комплексной органоминеральной добавки. Методологической основой исследования послужили основные положения строительного материаловедения в области структурообразова-ния цементных бетонов, а также положения современной химии, касающиеся способов перевода частиц микрокремнезема в активную форму.
Литературный обзор
Теоретическими полученосновами работы стали ряда исследования отечественных является и зарубежных ученых, установлено посвященные структуре оценка цементных композитов чернышова и проблемам модифицирования уникальной гидрата-ционных систем отвердевания твердения за счет минеральных и химических процессе добавок. Основываясь на рабо-тах Айлера Р., Каприелова С.С. [1,2] по поведе-нию аморфного кремнезема в щелочной и кислой среде, можно полагать, что химическая активация микрокремнезема является перспективным направлением для модифицирования цементного камня и бетона на его основе в составе ком-плексной добавки. Данное применение микрокремнезема может решить несколько задач как для повышения экологии Российской Федерации (МК-отход производства), так и для частных организаций (сравнительно низкий расход активированного МК). Анализ литературных источников показал, что одной из эффективной активной минеральной добавкой для бетонных составов на цементной основе, является микрокремнезем - пылевидный отход ферросплавного производ-ства, со-
х
X
о
го А с.
X
го т
о
ю О
м о
а>
о
см
0
01
О Ш
т
X
3
<
т о х
X
держащий БЮ2 не менее 90-93% [5,6]. В работах ученых химии и геологии эксперимен-тально установлено, что аморфный кремнезем можно перевести в ортокремневую кислоту (Н4БЮ4 или Б1(ОН)4). Один из способов химиче-ской активации микрокремнезема, основанный на обработке воды затво-рения методом электролиза аппаратом «Мелеста», рассмотрен в данной работе.
Материалы и методы
В исследованиях по радикалов разработке со-ста-вов растворимость бетонных смесей хлора использовали материалы водоцементное со следующими характери-стиками: в качестве вяжущего смеси использовали портландцемент гост ЦЕМ I 42,5Н производства АО «ЕВРОЦЕМЕНТ групп». В качестве качесмелкого заполнителя применяли ность природный песок карьера «Капылиха» с модулем крупности 2,5. В качестве крупного водоцементное заполнителя исполь-зовался гранитный щебень (ООО «ДорНерудРесурс» г. Саратов) фракции от 5 до 20 мм соответ-ствующий требованиям ГОСТ 8267-93 «Щебень и гравий из плотных горных пород для строитель-ных работ». Вода бетонных затворе-ния соответствует ГОСТ 23732-2011 «Вода водного для бетонов начала и растворов» Технические условия. В приведены-качестве суперпластификатора использовали продукцию ООО «НПО СИНТЕЗ» суперпластифи-катор «Пластилит РК». В качестве реакционно-химической пуццоланической добавки использо-вали пылевидный отход микрокремнезем МКУ-95 ферросплавного производства ОАО добавку «Куз-нецкие смесях ферросплавы» с размером частиц 5-50 мкм.
В работе рассматривали процессы физико-химической активации микрокремнезема, изучали процессы твердения и структурообразования цементного камня и различных составов бетонов на его основе, модифицированных полученными добавками. Экспериментально определяли количество и размер продуктов диспергирования микрокремнезема, полученных при химической активации методом лазерной дифракции (анализатор размера частиц «Апа!угеИе 22») и фазовый состав полученной добавки методами рентгенофа-зового анализа (дифрактометр «АРЬ Х'ТРА») и ИК-спектроскопии (ИК-спектрометр Уапап 640-1Р).
Результаты
Эффективность применения добавок оценивали по улучшению механических и физико-химических свойств модифицируемых материалов. Для установления оптимального содержания микрокремнезема в бетонной смеси, предназначенной для производства эффективных железобетонных шпал высокоскоростных магистралей, использовали диапазон в количестве 5% от массы цемента. Оптимальное содержание добавок определяли по изменению предела прочности при сжатии образцов-кубов размером 10*10*10 см после 28 суток нормального твердения. Ре-
зультаты испытания, свидетельствуют о том, что оптимальное содержание микрокремнезема составляет 15%, увеличение прочности относительно контрольного образца составляет 33,39%. С помощью спектроскопии, представленной на рисунке 2 показаны инфракрасные (ИК) спектры микрокремнезема (МК): в сухом состоянии и обработанной водой методом электролиза: щелочной средой рИ=10-11 и кислой средой рН=2-2,4, а также ИК спектр кварцевого стекла, который был взят в качестве эталонного образца.
Рисунок 1. ИК спектры образцов: 1 - МК; 2 - МК, обработанный типа КВ; 3 - МК, обработанный типа ЩВ; 4 - кварцевое стекло
По ИК спектрам видно (рис.1), что произошло совпадение области колебания кварцевого стекла с микрокремнеземом, смешенным с водой, обработанной методом электролиза с рН=2 -2,4, обогащенной ионами оксония Н3О+ и с водой, обработанной методом электролиза с рН=10-11, обогащенной ионами гидроксилов ОН-. Таким образом можно сделать вывод, что при обработке микрокремнезема, мы получили димеры орто-кремниевой кислоты Э1(ОН)4, что является доказательством химической активации микрокремнезема. После того, когда было выяснено, что на процесс диспергирования микрокремнезема до состояния ортокремниевой кислоты Э1(ОН)4 и ее димеров (диапазон колебаний в области 10271195 см-1) влияют: в кислой среде ионы оксония Н3О+, а в щелочной среде - ионы гидроксилов ОН-. В дальнейшем было решено осуществлять обработку микрокремнезема водой, полученной методом электролиза с рН=10-11.
В таблице 1 показано соотношение компонентов вяжущего (матрицы) с количеством активатора и результаты испытаний (рисунок 2).
При сопоставительном анализе количественного состава контрольной матрицы и опытной, с применением предварительной активации микрокремнезема при одинаковом качественном составе можно сделать вывод:
- предварительная щелочная активация микрокремнезема позволяет увеличить прочность матрицы (состав №2) по отношению к составу без применения активации микрокремнезема (контрольный) на 19,09 % .
- повышение прочности разработанного состава матрицы осуществилось за счет дополнительной
активации микрокремнезема водой обработанной методом электролиза с рН=10-11, обогащенной ионами гидроксилов ОН- в комплексе с суперпластификатором «Пластилит РК». С применением оптимального состава разработанной матрицы с прочностью 57,5 МПа, был получен эффективный бетон с повышенными эксплуатационными характеристиками. В соответствие с принципом Ле-Шателье, увеличение дисперсности мелких фракций заполнителей, обладающих пуццоланической активность, способствует высокой степени гидратации минералов клинкера и соответственно более интенсивному росту бетона во времени, благодаря чему возможна экономия цемента.
Таблица 1
Составы бетонной смеси с применением активированного микрокремнезема (вода, обработанная методом электроли-
№ п/п Материалы Состав, кг/м3
Контрольный №1 (10% МК) №2 (15%МК ) №3 (20% МК) №4 (25% МК)
1 ЦЕМ I 42,5Н 357 378 357 336 315
2 Вода с рН=10-11, обогащенная ионами ОН- - 147 147 147 147
3 Вода 147 - - - -
4 Гранитный щебень 950 950 950 950 950
5 Песок 845 845 845 845 845
6 Суперпластификатор «Пластилит РК» 4,2 4,2 4,2 4,2 4,2
7 Микрокремнезем МК-85 63 42 63 84 105
В/Т (Ц+МК) 0,35 0,35 0,35 0,35 0,35
Предел прочности при сжатии на 28 сут, МПа 62,76 59,11 69,98 50,39 34,78
Рисунок 2. Данные исследования системы комплексной добавки методом лазерной дифракции через 12 ч после синтеза: а) модель формы частиц гидрозоля кремния; б) график распределения размера частиц гидрозоля кремния в объеме системы
Обсуждение
1. Раскрыта сущность физико-химической активации неорганического микронаполнителя и установлено положительное влияние предлагаемой предварительной подготовки на процессы структурообразования гидратационной системы твердения.
2. Обоснованы научные и практические пути эффективного использования полученной комплексной добавки в цементных бетонах.
Технология замещения цементного вяжущего микрокремнеземом хорошо раскрыта в работе статье [7]. Исследователи в своей работе вводят в бетонную смесь микрокремнезем и коллоидный нано-кремнезем, при этом уменьшают расход цемента. Авторами был сделан вывод, что 6% микрокремнезема и 1,5% нанокремнезема улучшают прочностные характеристики, электрическое сопротивление и снижают капиллярное поглощение. Результаты наших исследований действительно совпадают с исследованиями других ученых [2-4,7-9]. Уменьшение расхода цемента, путем замещения его микрокремнеземом, положительно сказывается на физико-механические характеристики бетона.
Заключение
1. С помощью ИК-спектроскопии подтвержден эффект активации микрокремнезема в кислой среде (рН=2-2,4) , обогащенной ионами оксония Н3О+ обеспечивают катионы Н+ , а в щелочной среде ( рН=10-11), обогащенной гидроксильными группами ОН- - анионы ОН- , с получением диме-ров ортокремниевой кислоты Э1(ОН)4.
2. Химическая активация микрокремнезема водой, обработанной методом электролиза и обогащенной ионами гидроксилов ОН- с рН=10-11, вводимого в состав бетонной смеси, при сопоставительном анализе показал увеличение прочности на 58,8 % в сравнении с контрольным образцом заводского состава (без применения микрокремнезема в составе комплексной добавки).
Литература
1. Айлер Р. Коллоидная химия кремнезема и силикатов (1959). Химия кремнезема. Москва: издательство Мир.
2. Ghanei A., Eskandari-Naddaf H., Davoodi A. (2018). Corrosion behavior and optimization of air-entrained reinforced concrete, incorporating microsilica. Structural Concrete, Volume 19, Issue 5, Pages 1472-1480.
3. Alrekabi S., Cundy A., Whitby R. L. D., Lampropoulos A., & Savina I. (2017). Effect of Undensified Silica Fume on the Dispersion of Carbon Nanotubes within a Cementitious Composite. Journal of Physics: Conference Series, 829(1)
4. L.G.Li, Z.H.Huanga, J.Zhu, A.K.H.Kwan, H.Y.Chen.(2017). Synergistic effects of micro-silica and nano-silica on strength and microstructure of mortar. Construction and Building Materials, Volume 140, Pages 229-238.
5. Jordi Massana, Encarnación Reyes, Jesús Bernal, Néstor León, Elvira Sánchez-Espinosa. (2018). Influence of nano- and micro-silica additions on the durability of a high-performance self-compacting concrete. Construction and Building Materials, Volume 165, Pages 93-103.
x x О го А С.
X
го m
о
ю
о
м о
to
6. ZHU J.J., GU H.Z., SUN B.H., PENG T.X. (2014). Research on Mechanochemical of Silica and its Composite Powders. Advanced Materials Research, Vols. 881-883, pp. 1487-1491
7. M. Nili, A. Ehsani, K. Shabani. (2010). Influence of Nano-SiO2 and Microsilica on Concrete Performance. Coventry University and The University of Wisconsin Milwaukee Centre for By products Utilization, Second International Conference on Sustainable Construction Materials and Technologies.
8. Oertel T., Hutter F., Helbig U., Sextl, G. (2014). Amorphous silica in ultra-high performance concrete: First hour of hydration. Cement and Concrete Research, 58, 131-142.
9. Wille K., Naaman A. E., Parra-Montesinos G. J. (2011). Ultra high performance concrete with compressive strength exceeding 150 MPa (22 ksi): A simpler way. ACI Structural and Materials Journal, 108, 46-54.
Cement concrete with improved physico-mechanical
properties based on the use of activated silica fume Tkach E.V., Temirkanov R.I.
National Research Moscow State University of Civil Engineering In this research the questions of microsilica usage and ways of its activation for modification of structure of cement stone and cement on its basis. The actual questions corresponding any type of filler, particularly microsilica are: how and how much should be put, which mechanisms are involving to process of structuring, how much is received result of structure modification and others. Therefore the role of microdispersed fillers in modification process of cement rock and cement on its basis must be viewed in connection with other dimensional inclusions on different large-scale levels. Modern technologies and research in the field of reactive components of natural and technogenic origin allow us to take a fresh look at the problems associated with improving the technology for producing high-quality concrete. The behavior of silica fume in the medium at pH = 2-2.4 and pH = 10-11, polymerization, and chemical activation of this aggregate are considered. Keywords: Chemicaly activated microsilica is a complex organomineral additive agent; heterogeneous process of phase formation; compressive strength; concrete blend; chemical activation; alcaline condition
References
1 . Euler R. Colloid chemistry of silica and silicates (1 959). Chemistry of silica. Moscow: Mir Publishing House.
2. Ghanei A., Eskandari-Naddaf H., Davoodi A. (2018). Corrosion
behavior and optimization of air-entrained reinforced concrete, incorporating microsilica. Structural Concrete, Volume 19, Issue 5, Pages 1472-1480.
3. Alrekabi S., Cundy A., Whitby R. L. D., Lampropoulos A., &
Savina I. (2017). Effect of Undensified Silica Fume on the Dispersion of Carbon Nanotubes within a Cementitious Composite. Journal of Physics: Conference Series, 829 (1)
4. L.G. Li, Z.H. Huanga, J.Zhu, A.K.H. Kwan, H.Y. Chen. (2017).
Synergistic effects of micro-silica and nano-silica on strength and microstructure of mortar. Construction and Building Materials, Volume 140, Pages 229-238.
5. Jordi Massana, Encarnación Reyes, Jesús Bernal, Néstor León,
Elvira Sánchez-Espinosa. (2018). Influence of nano- and micro-silica additions on the durability of a high-performance self-compacting concrete. Construction and Building Materials, Volume 165, Pages 93-103.
6. ZHU J.J., GU H.Z., SUN B.H., PENG T.X. (2014). Research on
Mechanochemical of Silica and its Composite Powders. Advanced Materials Research, Vols. 881-883, pp. 1487-1491
7. M. Nili, A. Ehsani, K. Shabani. (2010). Influence of Nano-SiO2
and Microsilica on Concrete Performance. Coventry University and The University of Wisconsin Milwaukee Center for By products Utilization, Second International Conference on Sustainable Construction Materials and Technologies.
8. Oertel T., Hutter F., Helbig U., Sextl, G. (2014). Amorphous
silica in ultra-high performance concrete: First hour of hydration. Cement and Concrete Research, 58, 131-142.
9. Wille K., Naaman A. E., Parra-Montesinos G. J. (2011). Ultra
high performance concrete with compressive strength exceeding 150 MPa (22 ksi): A simpler way. ACI Structural and Materials Journal, 108, 46-54.
a>
o
CN
0
01
O HI
m x
3
<
m o x
X
