Исследование процессов наноструктурирования в мелкозернистых бетонах с добавкой наночастиц диоксида кремния

Б.В. ГУСЕВ Исследование процессов наноструктурирования в мелкозернистых бетонах

О бъектом исследования были выбраны мелкозернистые бетоны для дорожных изделий с использованием портландцементов марок ПЦ500 ДО с расходом 450 - 500 кг/м³. Такие бетоны классом по прочности В30 и по морозостойкости F > 200 получают методом вибропрессования.

Авторам удалось путём совершенствования способов формования с использованием микрочастиц диоксида кремния получить бетон прочностью до 70 МПа [1, 2]. В настоящее время ведутся работы по получению наночастиц диоксида кремния на дезинтеграторе оригинальной конструкции ГГ500нп.7 [3]. Уникальность данного измельчителя заключается в совершенно ином физическом подходе к помолу материалов, который при небольших энергозатратах позволяет получить тонкодисперсный порошок диоксида кремния.

Для лабораторных исследований был применён также нанокремнезём, полученный путём криохимических технологий в лаборатории наноцентра Московского государственного университета инженерной экологии [4]. В исследованиях использовали портландцемент Вольский ПЦ500 ДО, в качестве заполнителя применен песок Тучковского месторождения модулем крупности Мк = 2,8 и кварцевые микронаполнители различных фракций.

Основная цель исследований состояла в получении высокопрочного бетона с высоким коэффициентом уплотнения за счёт использования эффективной гранулометрии составляющих компонентов бетона и силовых технологических приёмов. Также была поставлена цель, заключающаяся в выявлении определяющей роли нанонаполнителей в составе бетона.

Для решения этих задач предложена физическая модель получаемого наноструктурного бетона с использованием 3-фракционного наполнителя (рис. 1) [5]. Авторами была выдвинута гипотеза о том, что высокую плотность минерального скелета можно получить при условии, что соотношение объёмов каждой последующей фракции наполнителя к предыдущей составляет 7:3 (8:3) при диаметре частиц мелкой фракции в 8 - 10 раз меньше, чем крупной.

В работе использовался состав, указанный в таблице.

Цемент, кг/м3	Песок, кг/м3	Наполнитель, Н1, кг/м3	Наполнитель, Н2, кг/м3	Наполнитель, Н3, кг/м3	Вода, л	В/Т
477	1402	167	72	31	209	0,28

Б.В. ГУСЕВ Исследование процессов наноструктурирования в мелкозернистых бетонах

Согласно нашей гипотезе о максимальном заполнении пустот, количество тонкомолотых фракций песка определялось объёмом пустот предыдущей фракции. В результате использование микронаполнителей (Н) трёхфракционного состава (Н₁ = 6 - 7 мкм, Н₂ = 0,6 - 0,7 мкм, Н₃ = 50 - 90 нм) позволило в лабораторных условиях получить бетон по прочности при сжатии порядка 130 МПа.

б)

а)

Рис. 1. Наноструктурирование мелкозернистых бетонов:

а) фрагмент наноструктурирования: 1 – частицы песка; 2 – частицы цемента;

3 – тонкомолотые частицы песка; 4 – измельченные частицы нанопеска; б) фрагмент наноструктуры пространства между частицами цемента

Структуру бетона изучали с помощью электронных микроскопов TESLA scanning electron microscope BS 340 и FEI Quanta 200 3D DualBeamtm. В зависимости от необходимой чёткости изображения, эти приборы позволяют работать в трёх режимах: высокого вакуума, низкого вакуума и естественной среды. Микроскопы обладают широким диапазоном увеличения – от 45х до 100 000х раз.

Так, на рис. 2 представлены структуры бетона без наполнителей и с их использованием. По представленным рисункам отчетливо видно, что образец «а» достаточно пористый. Характерна его мозаичная структура. Инертный материал полностью обволочен цементной составляющей. Образец «б» с добавлением микронакопителя Н1 более плотный, поры практически отсутствуют, а трещины минимальны.

Для анализа эффекта нанонаполнителей при дальнейшем увеличении изображения образца «б» можно увидеть поверхность, усыпанную «усами» гидратных новообразований (рис. 3, 4). Причем это процесс не имеет локального характера и обеспечивает равномерную структуру по ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ 10                         ( к содержанию3

Б.В. ГУСЕВ Исследование процессов наноструктурирования в мелкозернистых бетонах всей поверхности образца. На рис. 4 на поверхности частички песка отчётливо видны игольчатые наросты порядка 0,1-0,3 мкм, что явно свидетельствует об активности нанонаполнителей.

а)                                         б)

Рис. 2. Структура песчаного бетона: а) без микронаполнителя; б) с микро- и нанонаполнителем

Рис. 3. Поверхность, усыпанная гидратными образованиями

2009 • Том 1 • № 3 / 2009 • Vol. 1 • no. 3

Nanc>b

Б.В. ГУСЕВ Исследование процессов наноструктурирования в мелкозернистых бетонах

Рис. 4. Игольчатые наросты на поверхности частички песка

Наличие этих игольчатых наростов может свидетельствовать об увеличении прочностных характеристик материала, так как они выполняют армирующую роль в структуре бетона.

По дополнительным исследованиям, проведённым на микроскопе FEI Quanta 200 3D DualBeamtm, получены данные, подтверждающие появление тонких игольчатых кристаллогидратов с наночастицами диоксида кремния толщиной > 36 нм, которые принимают участие в структурировании цементной матрицы (рис. 5). Гирлянды из подобных наноразмерных игольчатых структур выполняют дискретное наноструктурирование цементных систем (рис. 6).

Однако, помимо армирующего эффекта, наблюдается агломерация нанонаполнителя из множества наночастичек в виде сфер (рис.7). Это, скорее всего, характеризует степень активности наночастиц и их поверхностных сил, которые заставляют частички соединяться в такие формы. Такое агрегатирование происходит из-за недостаточно эффективного перемешивания бетонной смеси и наночастицы формируются в виде шаров диаметром 2 - 3 мкм, что свидетельствует о необходимости совмещения во времени режимов перемешивания и формования.

На основании данных исследований следует сделать вывод, что тонкомолотая составляющая (до 100 нм) песка начинает проявлять активность, образовывая мосты, связывающие её с цементной матрицей, а также выполнять роль дискретного армирования.

Б.В. ГУСЕВ Исследование процессов наноструктурирования в мелкозернистых бетонах

Рис. 5. Игольчатые кристаллогидраты с наночастицами диоксида кремния, участвующие в структурировании цементной матрицы

Рис. 6. Наноразмерные игольчатые структуры, выполняющие дискретное наноструктурирование систем

Рис. 7. Агломерация нанонаполнителя из множества наночастичек в виде сфер

В лабораторных условиях удалось получить материал с прочностью при сжатии в 3–4 раза больше обычного, использовав, согласно нашей гипотезе о гранулометрии, введение нанодисперсных составляющих до 30 кг/м³ или 2 - 3% от массы цемента.

Б.В. ГУСЕВ Исследование процессов наноструктурирования в мелкозернистых бетонах