CC BY
7Строкова В.В., д-р техн. наук, проф., Огурцова Ю.Н., инж.-иссл-ль, Боцман Л.Н., канд. техн. наук, доц.
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
ВЛИЯНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК АКТИВНОГО КОМПОНЕНТА НА СТЕПЕНЬ ПРОПИТКИ МЕЛКОЗЕРНИСТОГО БЕТОНА ПРИ ЭПИКРИСТАЛЛИЗАЦИОННОМ МОДИФИЦИРОВАНИИ*
В работе исследована возможность регулирования процесса эпикристаллизационного модифицирования цементно-песчаной матрицы за счет варьирования характеристик активного компонента. Установлены зависимости степени пропитки цементно-песчаной матрицы раствором полисиликатов натрия от вида кремнеземного сырья и количества щелочи, размера гранул активного компонента и их содержания в составе бетонной смеси. Исследованы микроструктурные особенности бетонной матрицы в зоне пропитки раствором полисиликатов натрия при различном содержании активного компонента.
Ключевые слова: активный компонент, мелкозернистый бетон, эпикристаллизационное модифицирование, кремнеземное сырье, раствор полисиликатов натрия, степень пропитки.
Введение. Структурообразование бетона с активным компонентом, например, гранулированным наноструктурирующим заполнителем (ГНЗ) [1, 2], отличается от традиционного присутствием этапа эпикристаллизационного модифицирования (ЭМ). В строительных композиционных материалах ЭМ выступает примером направленной реализации механизма техногенного метасоматоза для улучшения их свойств
[3].
Критерием эффективности реализации эпикристаллизационного модифицирования является достижение необходимых физико-механических (или гидро-, теплофизических) характеристик в сравнении с контрольными, не-модифицированными образцами. В частности, в зависимости от назначения проектируемого композита, это прочность на сжатие, теплопроводность, водопоглощение и др.
Результатом ЭМ матрицы композиционного строительного материала на нано- и микроуровнях выступает заполнение пор и микротрещин модифицирующим раствором, на макроуровне -формирование системы замкнутых пор с уплотненной контактной зоной «цементное вяжущее -активный компонент».
Регулирование эпикристаллизационного модифицирования возможно за счет управления следующими факторами: свойства и соотношение компонентов модификатора; свойства и соотношение компонентов матрицы композита; технологические параметры модифицирования.
В данной работе предлагается установить влияние на эффективность эпикристаллизаци-онного модифицирования состава, содержания и размера гранул активного компонента.
Для выявления влияния вышеуказанных факторов на эффективность ЭМ строительных
композитов был приготовлен гранулированный заполнитель на основе высокоактивного и активного кремнеземного сырья. Стоит отметить, что активность используемого кремнеземного сырья значительно влияет на структурообразо-вание при эпикристаллизационном модифицировании [1]. При изменении сырья, а, следовательно, силикатного модуля и объема образующегося раствора [4...6], меняется и его воздействие на цементно-песчаную матрицу, в т.ч. степень ее пропитки.
Методология. Для установления зависимости степени пропитки цементно-песчаной матрицы раствором полисиликатов натрия от вида кремнеземного сырья и количества щелочи (рис. 1) при приготовлении образцов мелкозернистого бетона использовался активный компонент (ГНЗ) фракции 10 мм на основе: высокоактивного (кремневая кислота Ка = 76 %) и активного (опока (респ. Мордовия) Ка= 40,5 %, диатоми-товый порошок Diasil (Ульяновская обл.) Ка = 40,1 %, трепел (Брянская обл.) Ка = 39,2 %) кремнеземного сырья. Содержание щелочи составляло 15.50 % с шагом 5 %.
При приготовлении образцов, гранулы определенного состава помещали в бетонную смесь в одной плоскости, с расстоянием до края образца не менее 2 см. После предварительной выдержки и тепловлажностной обработки образцы распиливали в плоскости расположения гранул. Определение степени пропитки производилось путем измерения радиуса зоны распространения полисиликатов натрия в бетонную матрицу с точностью до 0,1 мм (рис. 1).
Для установления зависимости радиуса пропитки цементно-песчаной матрицы раствором полисиликатов натрия от диаметра активного компонента (рис. 2) для изготовления образ-
цов использовался активным компонент на основе опоки Алексеевского месторождения (респ. Мордовия), предварительно разделенный на фракции по диаметру от 2 мм до 10 мм. Содержание щелочи составляло 30 % от массы опоки. Приготовление и обработка осуществлялись по тому же принципу как в предыдущем опыте (рис. 2).
Для исследования зависимости степени пропитки цементно-песчаной матрицы раствором полисиликатов натрия от содержания активного компонента (рис. 3) по вышеуказанному методу были приготовлены образцы с содержанием активного компонента 25 %, 50 % и 75 % по объему.
Микроструктурные особенности образцов мелкозернистого бетона с использованием активного компонента (рис. 4) исследованы с использованием сканирующего электронного микроскопа высокого разрешения TESCAN MIRA 3 LMU.
Основная часть. Результаты определения зависимости степени пропитки цементно-песчаной матрицы раствором полисиликатов натрия от вида кремнеземного сырья и количества щелочи в составе активного компонента 7-1
(рис. 1) показали, что увеличение активности кремнеземного сырья и содержания №ОН в ядре активного компонента приводит к повышению радиуса пропитки цементно-песчаной матрицы раствором полисиликатов натрия. Это обусловлено более полным растворением аморфного кремнезема, а, следовательно, увеличением количества образующегося раствора полисиликатов с последующей его миграцией через оболочку активного компонента и пропиткой матрицы. Радиус пропитки цементно-песчаной матрицы значительно не изменяется при увеличении содержания щелочного компонента в составе ядра свыше 30 % от массы кремнеземного компонента, следовательно, применение такого активного компонента не целесообразно, в том числе и по причине уменьшения силикатного модуля нанострукту-рирующего раствора полисиликатов натрия, и, как следствие, увеличения рН среды цементно-песчаной матрицы, что снижает конечную прочность готовых бетонных изделий, а так же приводит к увеличению высолообразования карбонатов натрия, образующихся в процессе карбонизации оксида натрия при взаимодействии с углекислым газом окружающего воздуха.
ев
5-
4-
............. ~
. • ■ 1 —
кремневая кислота опока диатомит трепел
0
15
20
45
50
| I | I
25 30 35 40 Содержание щелочи, %
Рис. 1. Степень пропитки бетонной матрицы в зависимости от состава активного компонента
По результатам определения зависимости радиуса пропитки цементно-песчаной матрицы раствором полисиликатов натрия от диаметра активного компонента (рис. 2) установлено, что оптимальный размер заполнителя составляет 5...6 мм в диаметре, при котором радиус про-3 ■>"
£ й &
S V
Я;
питки равен 2...2,5 мм. Дальнейшее увеличение размера заполнителя не приводит к значительному росту радиуса пропитки, так, при диаметре гранул 6.10 мм, ее значение находится в интервале 2,5.2,7 мм.
I
5 S 7 К
I,- фу.гу.П- . Y Y
10
Рис. 2 Степень пропитки цементно-песчаной матрицы в зависимости от диаметра гранул активного компонента
С учетом полученных результатов, было ром полисиликатов натрия от содержания ак-проведено исследование зависимости степени тивного компонента (рис. 3). пропитки цементно-песчаной матрицы раство-
а) б) в)
Рис. 3. Фотографии образцов мелкозернистого бетона с различным содержанием активного компонента по объему: а - 25 %, б - 50 %, в - 75 %
При малых содержаниях заполнителя (25 %) (рис. 3, а), его распределение по объему образца неравномерно, что негативно сказывается на характеристиках бетона из-за зональных изменений свойств. При содержании активного компонента 50 % по объему (рис. 3, б), наблюдается равномерное распределение гранул по всему образцу, а при больших концентрациях заполнителя наблюдается перекрывание зон пропитки (рис. 3, в), что приводит к повышению в данных местах содержания оксида натрия, и, следовательно, способствует выщелачиванию гидросиликатов кальция, образованных в процессе гидратации минералов цемента, и снижению за счет этого прочности бетонной матрицы, а так же к увеличению высолообразования на поверхности изделий.
Анализ микроструктурных особенностей бетонной матрицы в зоне пропитки раствором полисиликатов натрия при различном содержании активного компонента (рис. 4) позволяет отметить повышение ее монолитности, и снижение количества трещин при увеличении содержания активного компонента.
При одинаковых условиях обработки образцов в структуре с меньшим содержанием активного заполнителя наблюдаются многочисленные трещины (рис. 4, а). Неравномерное распределение пропитки в данном случае снижает эффективность эпикристаллизационного модифицирования и обуславливает формирование трещин при пробоподготовке, отслоение гидра-тированного цементного камня от поверхности мелкого заполнителя. При повышении степени пропитки (рис. 4 б, в) количество трещин и пор в структуре композита снижается.
Объемная пропитка в данном случае выступает примером некоторых процессов техногенного метасоматоза - процесса замещения фаз с изменение химического состава, формирования новых парагенезисов, преобразования свойств конечного материала. При оптимальной пропитке модифицирующим раствором микроструктура является более плотной и однородной, поверхность зерен покрыта микро- и наноразмер-ными новообразованиями различной морфологии. В случае же минимального количества активного агента микроструктура является рыхлой и дефектной, с четко выраженными границами контакта цементной матрицы и зернами заполнителя.
Выводы. В ходе исследования возможности регулирования процесса ЭМ бетонной матрицы установлено влияние на функционирование активного компонента, т.е. степень (радиус) пропитки бетонной матрицы раствором полисиликатов натрия, следующих факторов: вида кремнеземного сырья и количества щелочи; размера и содержания активного компонента. Для достижения оптимальных значений радиуса пропитки цементно-песчаной матрицы полисиликатами натрия, содержание щелочи в составе ядра должно быть не выше 30 %, диаметр гранул 5.6 мм, содержание активного компонента около 50 % по объему. Полученные результаты станут основой для разработки принципов проектирования модифицирующих компонентов, способных к активному химическому взаимодействию с цементной матрицей, повышению ее водостойкости и прочности, снижению теплопроводности композита.
а
в
Рис. 4. Микроструктура мелкозернистого бетона с различным содержанием активного компонента по объему:
а - 25 %, б - 50 %, в - 75 %
*Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, проект 14-41-08024; в рамках стипендии Президента Российской Федерации молодым ученым и аспирантам; с использованием оборудования Центра высоких технологий БГТУ им. В.Г. Шухова.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Строкова В.В., Жерновский И.В., Максаков А.В., Огурцова Ю.Н., Соловьева Л.Н. Последовательность процессов формирования це-
менто-песчаной матрицы бетона при использовании гранулированного наноструктурирующе-го заполнителя // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 6; URL: http://www.science-education.ru/106-7874 (дата обращения: 24.12.2012).
2. Лесовик В.С., Мосьпан А.В., Беленцов Ю.А., Ряпухин Н.В. Силикатные изделия на гранулированных заполнителях для сейсмостойкого строительства // Вестник Белгородского
государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2012. №4. С. 62-65.
3. Лесовик В.С., Володченко А.А. К проблеме техногенного метасоматоза в строительном материаловедении // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2015. №4. С. 38-41.
4. Филиппович Е.Н., Хацринов А.И., Егорова Т.В. Выбор оптимальных условий щелочной обработки диатомита Инзенского месторождения для получения кристаллических силикатов натрия // Вестник Казанского технологического университета. 2010. № 8. С. 272-276.
5. Кудяков А.И., Иванов М.Ю. Зернистые теплоизоляционные материалы на основе силикат-натриевых композиций с добавками продуктов сульфатно-целлюлозной переработки древесины. Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2009. № 4. С. 78-88.
6. Митина Н.А., Верещагин В.И. Строительные материалы на основе активированного кварцевого песка // Известия Томского политехнического университета. 2009. Т. 314. № 3. С. 11-14.
Strokova V.V., Ogurtsova Y.N., Botsman L.N.
INFLUENCE OF ACTIVE COMPONENT CHARACTERISTICS ON THE DEGREE OF IMPREGNATION OF FINE-GRAINED CONCRETE IN THE EPICRYSTALLIC MODIFICATION
We have studied the possibility of managing the process of cement-sand matrix epicrystallic modification by varying the characteristics of the active component. The dependences of the saturation degree of cement-sand matrix with a solution of sodium polysilicates from the type of silica raw materials and the amount of alkali; granular size of active component and its content in the composition of the concrete mix were stated. Microstructural features of the concrete matrix in the area of saturation with of sodium polysilicates with different contents of the active component were examined.
Key words: the active component, fine-grained concrete, epicrystallic modification, silica raw material, solution of sodium polysilicates, saturation degree.
