Исследования влияния наномодифицирующей добавки на прочностные и структурные параметры мелкозернистого бетона

2/2010 ВЕСТНИК

ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ НАНОМОДИФИЦИРУЮЩЕЙ ДОБАВКИ НА ПРОЧНОСТНЫЕ И СТРУКТУРНЫЕ ПАРАМЕТРЫ МЕЛКОЗЕРНИСТОГО БЕТОНА

Ю.М. Баженов, Н.П. Лукутцова, Е.Г. Матвеева

МГСУ, БГИТА

Представлены результаты исследований наномодифицирующей добавки и образцов мелкозернистого бетона, модифицированного разработанной добавкой.

Results of researches of the nanomodified admixture and samples of the nanomodified fine-graind concrete are presented.

Применение мелкозернистых бетонов(МЗБ) в современном строительстве является одним из наиболее перспективных направлений, ввиду относительно низкой энергоемкости производства и простоты технологии изготовления изделий. Необходимо создание принципов направленного формирования высокодолговечной структуры композитных материалов и повышения эффективности цементных бетонов с заданными эксплуатационными свойствами на основе местного сырья, отличающихся высокоплотной упаковкой и большей прочностью при максимальной простоте технологии производства и экономии дорогостоящих ресурсов.

Целью работы являлось исследование наномодифицирующей добавки - золя кремниевой кислоты, что включает в себя определение изменения размера частиц кремнезема, входящих в состав добавки, ввиду их агрегации с течением времени; исследование влияния наноструктурной добавки на прочностные и структурные характеристики мелкозернистого бетона.

В работе проводились исследование образцов мелкозернистого бетона на портландцементе М 500 Д0 ОАО «Мальцовский портландцемент» и кварцевом песке Мкр=1,6 и В/Ц=0,38.Рентгенофазовый анализ исследуемых образцов проводили на ди-фрактометре ARL X'TRA фирмы Thermo Scientific (Швейцария). Размер частиц кремнезема в разработанной добавке определяли с помощью многоугловой системы для определения размеров частиц 90 Plus/Bi-MAS. MAS-OPTION - автоматическая система для определения размеров частиц, используемая либо для концентрированных суспензий небольших частиц, либо для размеров макромолекул.Используемая техника -фотон-корреляционная спектроскопия (PSC) квазиупруго рассеянного света (QELS) -основана на корреляции флуктуаций около средней интенсивности рассеянного света лазера1.

Синтезирование добавки - золя кремниевой кислоты проводили химическим поликонденсационным методом. Золь кремниевой кислоты представляет собой некристаллическую конденсационную нанодисперсную структуру из метастабильных растворов. Золь характеризуется агрегативной неустойчивостью при изменении температуры, что приводит к образованию гидрогелей, а затем ксерогелей [1].

1 Исследования проводились в научно-образовательном исследовательском инновационном центреМГСУ.

ВЕСТНИК МГСУ

2/2010

Золь кремниевой кислоты получали методом титрования слабо разбавленного раствора силиката натрия уксусной кислотой до рН=4.3. Полученная добавка представляет собой прозрачную жидкость с плотностью р=1018 кг/м3 и содержанием частиц на-нокремнезема 0,23%. Процесс синтеза добавки описывается следующим уравнением реакции:

^БЮз • 9 Н2О +СН3СООН ^2СНзСООШ +Н2БЮз,

Химическая формула золя кремниевой кислоты приведена ниже.

(ш[Н2Б1О3]пН+ (п-х)СН3СОО-}х+хСН3СОО-

Известно, что молекулярная масса свежевыделенной кремниевой кислоты около 100 у. е. Через несколько дней молекулярная масса кислоты достигнет 1000 у. е. и более.Это объясняется чрезвычайной легкостью самоконденсации кислоты, сопровож-дающейсявыделением воды [3].

При этом агломерации частиц кремнезема не происходит. Для исследований использовали золь кремниевой кислоты в возрасте трех суток. Добавку вводили в количестве 10% с маточным раствором. Регулирование подвижности бетонной смеси осуществляли суперпластификатором С-3 в количестве 1%.

Побочным продуктом получения золя кремниевой кислоты является ацетат натрия, входящий в маточный раствор. При взаимодействии гидроксида кальция, с ацетатом натрия образуется ацетат кальция. Согласно [2], ацетаты кальция и другие кальциевые соли относятся к группе добавок, вступающих с вяжущими в реакции присоединения с образованием труднорастворимых смешанных полимерных солей - гидроацетоалю-минатов, кольматирующих поры цементного камня и композита в целом.

Исследование золя кремниевой кислоты проводили с целью выявления изменения размера наночастиц кремнезема, ввиду их агрегации с течением времени. Измерение размера частиц проводили в золе в возрасте 3,7,10,14 суток.Результаты исследований приведены на рис. 1-2.

а)

б)

зшрспво МсЦЧ |итЬ(пес1|

¡атсюг Гпт)

Рисунок 1. График распределения размеров частиц в наномодифицирующей добавке: а)трехсуточного возраста; б) семисуточного возраста

Как видно из рисунка 1, диапазон размеров частиц составляет 17,63 до 650 нм, что, по-видимому, обусловлено наличием механических примесей в растворе. Средний диаметр частиц составляет 561,8 нм. Размер частиц золя кремниевой кислоты в воз-

2/2010

ВЕСТНИК _МГСУ

расте 7 суток находится в диапазоне 46,83 до 560,5 нм. Средний диаметр установлен на уровне 136,5 нм.

Диспергация частиц обусловлена тем, что в системе продолжает устанавливаться равновесие.

Как видно из рисунка 2, размер частиц в золе кремниевой кислоты в возрасте 10 суток колеблется от 69,47 до 630,9 нм. Средний диаметр установлен в размере 207 нм. Наблюдается начало агрегации частиц. Размер частиц золя кремниевой кислоты в возрасте 14 суток находится в диапазоне 76,76 до 1132 нм, средний диаметр частиц составляет 522,4 нм. Происходит заметная агрегация частиц.

Анализ дисперсности наноструктурной добавки позволяет утверждать, что наибольшая эффективность ее использования наступает в возрасте добавки 3 суток.

Прочностные характеристики образцов МЗБ с добавкой золя кремниевой кислоты в возрасте 3 суток представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Прочностные характеристики образцов МЗБ с добавкой золя кремниевой кислоты в

№ Наименование Предел прочности при сжатии через 3 суток твердения Предел прочности при сжатии через 28 суток твердения

1 МЗБ контр. 9,6 29

2 МЗБ с 1 % С-3 12,2 37

3 МЗБ с 10% золя и 1% С-3 19,2 58,24

Рисунок 2. График распределения размеров частиц в наномодифицирующей добавке: а) в возрасте 10 суток; б) в возрасте 14 суток

Как видно из таблицы 1, предел прочности при сжатии образцов МЗБ с добавкой в 2 раза больше, чем предел прочности при сжатии контрольных образцов.

По результатам рентгено-фазового анализа в контрольном образце было обнаружено: эттрингит (9,68; 5,61; 3,83; 2,57; 2,23), портландит ( 4,91;2,63;1,93), гидросиликатов типа СБН не обнаружено, ватерит (3,31; 3,58; 2,74; 2,05), гидроалюминаты кальция не обнаружены, цементные составляющие, в том числе С3А (4,25; 4,21; 1,54; 1,92; 1,37).

В образце МЗБ с 10% добавки обнаружено: эттрингит (9,73; 5,61; 2,56; 2,22), портландит (4,91; 3,11; 2,63; 1,93), гидросиликаты типа СБН ( 9,8; 2,81; 2,88; 4,91; 3,03),

ВЕСТНИК 2/2010

ватерит ( 3,30; 2,75; 4,26), гидроалюминаты кальция (2,88; 2,86; 1,65; 1,66; 2,48; 2,79), цементные составляющие, в том числе С3А ( 4,22; 1,92; 1,54; 1,36)2.

В контрольном образце интенсивность отражения портландита на 35% больше,чем в образце МЗБ +10% добавки. Таким образом, наблюдается тенденция снижения содержания порландита при ведении разработанной добавки. Это объясняется связыванием Ca(OH)2 в низкоосновные гидросиликаты кальция наноразмерным кремнеземом, который содержится в модифицирующей добавке. Зависимость количества вводимой добавки от содержания портландита обратно пропорциональная. При повышенном расходе цемента в образцах также наблюдается высокая интенсивность отражения Ca(OH)2.

В контрольном образце интенсивность отражения трехкальциевого алюмината на 25% больше, чем в образце МЗБ +10% добавки. По-видимому, пониженное содержание С3А в образце МЗБ + 10 % добавки, объясняется связыванием его в гидроацетоа-люминаты кальция, образующиеся при взаимодействии ацетата кальция с трехкаль-циевым алюминатом.

Заключение

Таким образом, комплексное использование нанодобавки и пластификатора С-3, а также содержание в маточном растворе побочного продукта - ацетата натрия, взаимодействующего с гидроксидом кальция с образованием ацетата кальция, приводит к образованию труднорастворимых смешанных солей, кольматирующих поры. Одновременно с этим происходит частичное связывание Са(ОН)2 в гидросиликаты кальция типа СБН,что обеспечивает улучшение структурных и прочностных параметров МЗБ - получение образцов с пределом прочности при сжатии, в 2 раза превышающем значение предела прочности при сжатии контрольных образцов.

Литература.

1 Лукутцова, Н.П. Наномодифицированный мелкозернистый бетон / Н.П. Лукутцова, Е.Г. Матвеева, А.А. Пыкин, О.А. Чудакова// Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов/ Материалы V Междунар. конф., Волгоград, 2009.ч I.- с.166-170.

2 Ратинов, В.Б. Добавки в бетон. [Текст] /В.Б. Ратинов, Т.И. Розенберг. - М., 1989.-120 с.

3 Фролов, Ю.Г. Кремниевые кислоты: получение и применение гидрозолей кремнезема [Текст] /Ю.Г. Фролов.- М., 1979.-342 с.

Ключевые слова: мелкозернистый бетон, модифицированный мелкозернистый бетон, наномо-дифицирующая добавка, кремнезем, портландит, эттрингит, пластификатор, нанотехнологии.

Key-words: fine-grained concrete, modified fine-grained concrete, nanomodified admixture, silica, portlandite, ettringite, plastificate admixture, nanotechnology.

Статья представленна редакционным советом «Вестник МГСУ»

e-mail автора: molekulka.22@mail.ru

2 Рентгенограммы в данной публикации не приводятся.