Цементные бетоны с нанодобавками синтетического цеолита

Технология бетона давно уже не встречается в классическом варианте, где эксплуатационные свойства обеспечивались подбором состава компонентов: вяжущего, заполнителей. В настоящее время широко распространены многокомпонентные системы с применением модификаторов бетона: пластификаторов, ускорителей твердения, воздухововлекающих и другие. Практическое применение модификаторов главным образом направлено на получение материалов с заданными эксплуатационными свойствами, экономию сырьевых материалов и энергоресурсов, повышение технологичности процессов производства.

Материаловедческая наука «шагает в ногу» с другими науками в приоритетном направлении развития научно-исследовательских институтов в сфере нанотехнологий, следуя мировым тенденциям развития наноиндустрии и потребностям российской экономики.

Последние исследования показывают высокую эффективность применения в качестве минеральных нанодобавок золей и гелей различного происхождения. Перспективным является изучение золей на основе цеолитов, содержащих щелочные оксиды в сочетании с оксидами алюминия и кремния.

Под определением «нанодобавка» понимаются частицы размером от 1 до 1000 нм, что соответствует коллоидной степени дисперсности. Подобные частицы могут быть минеральными и представлять собой молекулярные агрегаты, состоящие из цепочек в 10...20 молекул, или органическими, представляя собой углеводородную цепочку с невысокой молекулярной массой, т. е. мономер.

При обычных условиях минеральные ультра-дисперсные частицы склонны к агрегации и самопроизвольному увеличению размера вследствие высокой поверхностной энергии. Аналогией данного процесса является конденсация силикатных паров при возгонке кремния при температуре более 2000 °C. Первоначально диспергированный до молекул силикатный дым при обычных условиях конденсируется до агрегатов размером 5 и более мк, т. е. микроагрегатов. Диспергировать данную систему до наночастиц возможно только при создании соответствующей дисперсионной среды, которой являются различные жидкости, а в основном - вода. На этом основан «золь-гель» метод получения наноструктур [2].

Таким образом, в качестве минеральных нанодобавок следует рассматривать продукты молекулярной конденсации, способные самодисперги-роваться в водной среде. К таким системам могут относиться гели различного происхождения - силикатные, глиноземистые, цеолитные.

Формирование высокодолговечной структуры и улучшение свойств тяжелых бетонов возможны при изменении характеристик цементного камня, поэтому было проведено исследование влияния нанодобавки на свойства цементного камня.

Рассмотрим модифицирующее действие неорганических мономеров на примере цеолитного геля. Цеолиты - кристаллические водные алюмосиликаты щелочных или щелочноземельных металлов, соответствующие формуле MeO-Al2O3-nSiO2-H2O (где Me - ион металла) [3]. Содержание в цеолитах активных оксидов натрия, алюминия и кремния обеспечивает им высокую поверхностную активность и высокую адсорбционную способность.

Для получения цеолитного геля синтетический цеолит активировался мокрым помолом в вибромельнице совместно со стабилизатором и после выдержки до полного гелеобразования переводился в коллоидное состояние. Для оценки влияния на гидратационные процессы полученный коллоидный нанопродукт вводился в состав цементного теста в дозировках 0...0,35 % от массы цемента при В/Ц=0,3. Определялась прочность при сжатии цементного камня. На рис. 1 представлены зависимости прочности цементного камня в ранние и марочные сроки твердения от количества цеолитного геля.

Анализируя результаты по прочности цементного камня, можно сделать следующие выводы:

• -    эффективная дозировка цеолитного геля находится в пределах 0,05...0,1 %;

  -введение неорганического мономера в оптимальных пределах ускоряет набор прочности в начальные сроки твердения (7,5...8,0 %), и к марочному возрасту можно наблюдать 50 %-ный рост прочности цементного камня.

При таких малых дозировках механизм модифицирования не может быть объяснен химическим взаимодействием с составляющими цементного камня (свободным гидроксидом кальция). Необходимо учитывать поверхностные явления, возникающие при введении нанодобавки.

Дериватографические исследования показали, что при введении нанодобавки понижается содержание свободной кристаллической извести с 4,2 до 2,95 %. Увеличивается количество химически связанной воды, что характеризует более высокую степень гидратации цементного камня с нанодобавкой. В температурном интервале 700...800 °C процент удаленной воды выше, происходит образование закристаллизованных гидросиликатов кальция. Эти факторы в совокупности способствуют образованию прочной кристаллической структуры цементного камня (рис. 2).

Данные электронной микроскопии (рис. 3) демонстрируют монолитность структуры цементного камня с нанодобавкой, что является свидетельством повышения прочности и непроницаемости. Наблюдается эффект аморфизации структуры цементного камня.

При введении нанодобавки в мелкозернистые бетоны (рис. 4-7) наблюдается следующая тенденция: повышение конечной прочности при сжатии составляет от 20 до 40 %, прочности при изгибе- от 10 до 20 %.

Исследование влияния нанодобавки на свойства тяжелых бетонов (прочность и водонепроницаемость) марок 200 и 600 представлены на рис. 8-11.

Анализируя результаты исследований влияния добавки на свойства бетонов, можно сделать следующие выводы:

• •    Выявлены оптимальные дозировки нанодобавки в зависимости от водоцементного отношения: для бетонов невысоких марок по прочности дозировка находится в пределах от 0,05 до 0,1 % от массы цемента, а для бетонов более высоких марок по прочности с пониженным В/Ц - до 0,05 %;

• •    Наблюдается прирост прочности цементных бетонов при введении нанодобавки синтетического цеолита в оптимальных дозировках на 20.. .40 % в марочном возрасте;

• •    Нанодобавки способствуют аморфизации гидросиликатов кальция и омоноличиванию структуры цементного камня. В результате в пределах сверхмалых дозировок (до 0,1 %) достигается прирост водонепроницаемости в 2...3 раза, улучшаются технологические свойства цементных смесей.

Разработанная нанодобавка - синтетического цеолита позволяет решать ряд актуальных задач технологии бетонов:

Веж, МПа

Рис. 1. Зависимость прочности при сжатии цементного камня от количества вводимой нанодобавки: 1 - в 1 сут твердения; 2 - в 7 сут твердения; 3 - в 28 сут твердения

ТГ/%                                                                                            ДСК/(мкВ/мг)

а)

ТГ/%                                                                                             ДСК/(мкВ/мг)

Рис. 2. Дериватограммы цементного камня в 28 суток твердения: а - 0 % нанодобавки; б - 0,1 % нанодобавки

Рис. 3. Электронная микроскопия сколов цементного камня без добавки (а) и с нанодобавкой синтетического цеолита (6)

Рис. 4. Зависимость прочности при сжатии мелкозернистого бетона от изменения В/Ц и количества вводимой нанодобавки в 3сут твердения

Рис. 5. Зависимость прочности при сжатии мелкозернистого бетона от изменения В/Ц и количества вводимой нанодобавки в 28суттвердения

Рис. 6. Зависимость прочности при изгибе мелкозернистого бетона от изменения В/Ц и количества вводимой нанодобавки в 3 сут твердения

наиодо5авка,%

os ад

Рис. 7. Зависимость прочности при изгибе мелкозернистого бетона от изменения В/Ц и количества вводимой нанодобавки в 28 сут твердения

Рсж,Мпа

-*- сут п/п

—•—Зсуг

—•—28 сут

-■— 28 п/п

Рис. 8. Зависимость прочности при сжатии бетона марки 200 на Коркинском цементе от количества нанодобавки синтетического цеолита (п/п-после пропарки)

W, ати

Рис. 9. Зависимость водонепроницаемости бетона марки 200 на Коркинском цементе от количества нанодобавки синтетического цеолита

-♦—28 сут

-—28 П/П

• — *— сут п/п

• - —— 3 сут

• - ♦— 28 сут

• — ■—28 п/п

Рис. 10. Зависимость прочности при сжатии бетона марки 600 на Коркинском цементе от количества нанодобавки синтетического цеолита

28суг

1—28 П/П

нанодобавка, %

Рис. 11. Зависимость водонепроницаемости бетона марки 600 на Коркинском цементе от количества нанодобавки синтетического цеолита

• - обеспечить повышение прочности бетонов до 40 %;

• -    повысить водонепроницаемость от 50 до 150%;

• - увеличить сохраняемость монолитных бетонных смесей во времени до 2.. .3 раз;

• -    обеспечить снижение расхода цемента на

• 5... 10 %.