Исследование наномодифицированного мелкозернистого бетона

ИССЛЕДОВАНИЕ НАНОМОДИФИЦИРОВАННОГО МЕЛКОЗЕРНИСТОГО БЕТОНА

RESEARCHING OF THE NANOMODIFIED FINE-GRAINED

CONCRETE

Ю.М. Баженов

U. Bagenov

ГОУ ВПО МГСУ

Н.П. Лукутцова, Е.Г. Матвеева

N. Lukutsova, E. Matveeva

ГОУ ВПО БГИТА

В работе представлены результаты исследований влияния нанодисперсной добавки, представляющей собой стабилизированный ацетат-ионами золь кремниевой кислоты, на структурные характеристики мелкозернистого бетона.

The résultés of research of influencing of nanostructural addition - silisic sol, on strength and structural descriptions of fine-grained concrete are presented.

Термин «нанодисперсный кремнезем» объединяет многообразные разновидности дисперсного кремнезема (золи, гели, суспензии, пасты), встречающиеся в естественных условиях (кварц, опал, халцедон) или создаваемые человеком в процессе технологической деятельности (аэросил, гидрозоли). Нанодисперсный кремнезем — важнейший природный объект и основной компонент оксидных материалов, получаемых золь-гель методом. Наиболее интересными и важными представителями нанодисперс-ного кремнезема являются золи (ультрамикрогетерогенные дисперсные системы с жидкой дисперсионной средой и твердой дисперсной фазой), частицы которых участвуют в броуновском движении [1].

Широко распространено понятие «коллоидный кремнезем», данное в монографии Айлера [3], как стабильные дисперсии или золи, состоящие из дискретных аморфных частиц. Гидрозоли кремнезема — представители нанодисперсных оксидных систем, чрезвычайно широкое применение которых обусловлено полимерной природой частиц, наличием высокоразвитой поверхности и функциональных (силанольных) групп, что обеспечивает высокую реакционную способность частиц и возможность адсорбционного модифицирования поверхности.

Основным химическим процессом при получении золей является реакция поликонденсации, обусловленная существованием силанольных групп. Ее протекание обеспечивает образование и рост частиц, а также связующие свойства золей. Характерная особенность гидрозолей кремнезема как лиофильных систем — способность к

гелеобразованию. Образование геля это переход от свободнодисперсной системы к связиодисперсиой. Золь-гель технология обладает преимуществами но сравнению с традиционными методами получения материалов, так как позволяет обеспечивать высокую чистоту исходных материалов и гомогенность получаемого продукта, регулировать микроструктуру материалов на начальной стадии процесса, изменять реологические свойства дисперсной системы в широких пределах.

Процессы, получения коллоидного кремнезема и переход золей в гели лежат в основе многих современных технологий, связанных с производством материалов самого разнообразного назначения, обладающих уникальными свойствами и регулируемой структурой. Щелочные силикатные суспензии широко используются при получении строительных материалов.

Химия коллоидного кремнезема и области ее применения достаточно подробно рассмотрены в литературе, тем не менее, интерес к этим системам не ослабевает, что проявляется в разработке на основе кремнезема новыхмяериалов, обладающих уникальными свойствами.

Целью данной работы является исследование влияния нанодисперсного кремнезема на структуру мелкозернистого бетона.

В работе проводилось исследование структурных параметров мелкозернистого бетона на портландцементе М 500 Д0 ОАО «Мальцовский портландцемент» и кварцевом песке Мкр=1,2 и В/Ц=0,38. Нанодисперсный кремнезем вводили в виде стабилизированного ацетат-ионами золя кремниевой кислоты в количестве 10%. Содержание наноразмерного кремнеземистого компонента составляет 0,23%. При рН 4,1 содержание частиц размером от 20 до 100 нм составляет 92 %. Регулирование подвижности бетонной смеси осуществляли суперпластификатором С-3 в количестве 1% от массы цемента[2].

Размер частиц кремнезема определяли фотон-корреляционной спектроскопией (PSC) квазиупруго рассеянного света (QELS) с помощью многоугловой системы для определения размеров частиц 90Plus/Bi-MAS.MAS-0PTI0N представляет собой автоматическую систему, позволяющую фиксировать размеры частиц концентрированных суспензий, либо макромолекул. Для изучения микроструктуры использовался растровый ионно-электронный микроскоп Quanta 200 3D. Рентгенофазовый анализ проводили на дифрактометре ARLX'TRA фирмы ThermoScientific (Швейцария); термический анализ с помощью термоанализатора SETARAMLABSYS -методами термогравиметрии и дифференциальной сканирующей калориметрии при t=600°C и скорости нагрева 10°/мин.

Для выявления влияния изменения размера частиц нанокремнезема в разработанной добавке, в связи с их агрегацией с течением времени, на прочностные параметры мелкозернистого бетона, ее исследовали в возрасте 1, 3, 5, 7,10 и 14 суток.

Зависимость влияния предела прочности при сжатии МЗБ от содержания нанокремнезема добавке в возрасте от 1 до 14 суток представлены в таблице 1.

Как видно из таблицы 1, содержание наноразмерного кремнезема в добавке через 3 суток увеличивается с 6 до 94%, а через 14 суток снижается до 56%. Максимальное значение предела прочности при сжатии МЗБ достигается при использовании золя кремниевой кислоты в возрасте от 3 до 14 суток, оно в 2 раза превышает значение предела прочности при сжатии контрольных образцов.

В результате проведенного качественного и количественного фазового анализа по методу Ритвельда установлено снижение интенсивности отражения портландита в модифицированных образцах на 14% (4,91; 2,63; 2,75; 2,70 А), повышение интенсив-

ности отражения эттрингита (9,81; 3,86; 2,57; 5,62 А) на 8%, увеличение отражения гидроксидов типа СБИ (12,6; 11,84; 10,2; 3,07 А) на 18 % по сравнению с контрольным образцом, в котором в отличие от модифицированного, зафиксировано отражение моногидросульфоалюмината (8,93 А), что свидетельствует о частичной перекристаллизации эттрингита [4].

_Таблица 1

№ Состав мелкозернистого бетона Содержание частиц нанодисперс-ного кремнезема размером до 100 нм, % Возраст золя, сут. Предел прочности при сжатии через 28 суток твердения, МПа

1 МЗБ контрольный - - 29

2 МЗБ + золь 6 1 54

3 МЗБ + золь 94 3 58

4 МЗБ + золь 92 5 59

5 МЗБ + золь 94 7 56

6 МЗБ + золь 90 10 57

7 МЗБ + золь 56 14 56

Известно, что для Са(ОН)2 характерна рыхлая структура, представленная слоистой гексагональной решеткой, построенной из трехслойных пакетов НО-Са-ОН. Для портландита характерны крупные тетраэдрические пустоты, в которые могут проникать не только атомы ( до 25 % от общей массы БЮ2), но и более крупные анионы А1, Бе. При этом образуются твердые соединения, в которых атомы одного элемента (Б1) не заменяет полностью атомы Са, а расположены в промежутках между ними в свободных пустотах. Внедренные в структуру атомы несколько изменяют положение атомов кислорода, что ведет к расширению пиков Са(ОН)2 , что наблюдается на рентгенограмме модифицированного образца ( рисунок 1, 2).

ТВ: ЛОТН ИТ*?. п.лшс : 1«. Ы Т|ТЩ1 ТЧ.Й'Г

0й1е; 03/09/10 г[! . В.011Г 11[-.:т1:Цт. I1.SC] 1Г- V:-.I. |Гшг; КР£]

Рагчв: 1.0011 - ЯО.ООВ' Сань. 5алп * 3-Я0 ['/ил] ноге. !№!(: [иед]

« « " . 1 '41 Г' в  £ - < " г * х ч Цл/ + * к « * " * Р 3 * »* в - 2 1 % № < Ч9 - * " 1 ' о Г и 1 ^ * Л *! ** " « V " - ^ ^ 0 ^ в . ^ л Я 1 -* * 1 ; - ~ а 4 „ г « - 1 Г

1ft.fl 7П.П 1(1. П 40.fl !ЯМ Л А .И т.й ял

Рисунок 1 - Рентгенограмма контрольного образца мелкозернистого бетона

ьашле 10: цы ГА кг А 2 л,1 л,)' папе: аЬг2ЛкЬ4п£1 . челт; 2П.9'С

03/09/10 12:57 М т? I О.ОаО* 1|||сцгаИин 1т: 0.960 ней Уп I 3| 11е II:. 11 :

Дшиш; 4.000 - 8П.ООО' с-:.г.. Знал Яй1с: 7.300 I 1«. и Ли: . Xl.i1 г №111: [<|ш|1

Рисунок 2 - Рентгенограмма модифицированного образца мелкозернистого бетона

Термический анализ, проведенный совместно методами ДСК и ТГА показывает, что для полученных кривых характерны общие закономерности при нагревании в интервале температур 475 - 500 °С на кривой ТГА наблюдается вторая ступень потери массы, на кривой ДСК - соответствующий ей эндотермический эффект с максимумом при температуре 486°С, что соответствует потере кристаллизационной воды соединениями 3СаОБЮ2, 2СаОБЮ2 гидратированного цементного камня. Для всех образцов присутствует ярко выраженный эндотермический эффект с максимумом при температуре 575°С. При интеграции пиков, характерных для портландита, на кривых ТГА и ДСК выявлено незначительное снижение теплового эффекта на 14%, а также потери массы - на 25% для модифицированного образца по сравнению с контрольным.

Вместе с тем на дериватограмме модифицированного образца выявлен экзотермический эффект при температуре 320-340°С, что свидетельствует об увеличении Н4БЮ4, образующейся и мигрирующей в фазу твердения при гидратации, при этом повышается степень полимеризации гидросиликатов кальция (рисунок 3, 4).

Рисунок 3 - Дериватограмма контрольного образца мелкозернистого бетона

4/2010

ВЕСТНИК _МГСУ

Рисунок 4 - Дериватограмма модифицированного образца мелкозернистого

бетона

Данные электронной микроскопии подтверждают снижение открытой пористости в модифицированных образцах и монолитность структуры мелкозернистого бетона с нанодисперсным кремнеземом (рисунок 5).

б)

Рисунок 5 - Микростуктура образцов мелкозернистого бетона х10000: а) контрольные образцы, б) модифицированные образцы

Применение нанодисперсного кремнезема способствует снижению содержания портландита, увеличению гидросиликатов типа CSH в модифицированных образцах за счет дополнительного их образования, что приводит к омоноличиванию структуры композита в целом.

Литература

1. Айлер, Р. Химия кремнезема [Текст]/Р.Айлер -. М.:Мир,1982. ч 1 - 416 с.

2. Лукутцова, Н.П. Наномодифицированный мелкозернистый бетон. [Текст] / Н.П. Лукутцова, Е.Г.Матвеева//Научно-технический журнал Вестник МГСУ.-2009.-спецвыпуск №3.-с. 84-102.

3. Шабанова, H.A. Основы золь-гель технологии нанодисперсного кремнезема. [Текст] / H.A. Шабанова, П.Д. Саркисов. - М.: ИКЦ « Академкнига», 2004. - 208 с.

4. Садыков, П.И. Особенности гидратации цементов, содержащих редиспергируемые дисперсионные полимерные порошки. [Текст] / П.И.Садыков, З.А. Естемесов, Б.Б Дусипов//Технологии бетонов.-2008.-№11 .-с.68-69.

References

1. R. Ailer, Chemistry of Silica/ R. Ailer -. M.: Mir, 1982. h 1 - 416pp. 2 Lukuttsova, N. Nanomodifiedfine concrete. [Text] / N.

2. Lukuttsova E. Matveeva//Scientific and Technical Journal Herald MGSU.-2009.-special issue numder 3.-pp/ 84-102.

3. Shabanova, N. Fundamentals of sol-gel technology nanodisperse silica. [Text] 3 N. Shabanova, P. Sarkisov. - M.: ICC "Academkniga, 2004. - 208 pp.

4. Sadykov, P. Peculiarities of hydration of cement containing redisperst dispersion polymer powders. [Text] / P. Sadykov, Z. Estemesov, B. Dusipov / Technology of concrete.-2008 .- № 11.-p.68-69.

Ключевые слова: мелкозернистый бетон, наномодифицирующая добавка, золь кремниевой кислоты, предел прочности при сжатии, структура, качественный и количественный фазовый анализ

Key-words: Fine-grained concrete, nanomodified admixture, Silica sol, compressive strength, structure, qualitative and quantitative phase analisis

Почтовый адрес авторов: Лукутцова Н.П.: 241037, г. Брянск, ул. Горбатова, д.1, кв.7, тел.: 89158014419 МатвееваЕ.Г.: 241037, г. Брянск, ул. Свердлова, д.37, 89208404388

e-mail авторов: Лукутцова Н.П.: natluk58@mail.ru Матвеева Е.Г. molekulka.22@mail.ru

Рецензент: Орешкин Дмитрий Владимирович, докт. тех. наук, профессор Московского государственного строительного университета