Исследование влияния нанокремнезема и суперпластификаторов на свойства фибробетона

Актуальность развития технологии дисперсно-армированных бетонов с минеральными волокнами обусловлена тем, что минеральные волокна имеют более высокие физико-механические свойства единичных волокон при более низкой плотности по сравнению со стальными [1]. Однако при использовании минеральных волокон остается открытым вопрос химического взаимодействия их с щелочной средой твердеющего портландцемента [2-5]. Для повышения коррозионной стойкости базальтового волокна возможно применение кремнеземсодержащих добавок микроразмерного уровня [3], нанодисперсных углеродных добавок [4], обработка поверхности базальтового волокна [5].

Использование пирогенного нанокремнезема для повышения коррозионной стойкости базальтового волокна является перспективным, поскольку дозировки нанокремнезема существенно ниже по сравнению с микрокремнеземом, что влияет на себестоимость фибробетона. Немаловажным фактором является также то, что способ производства пирогенного нанокремнезема является промышленно развитым.

Одной из проблем при модификации бетона тонкими базальтовыми волокнами и нано-дисперсными добавками является равномерное распределение их по объему материала и снижение подвижности бетонной смеси. Для решения этой проблемы могут быть использованы суперпластификаторы, которые будут одновременно способствовать равномерному распределению добавок и повышать подвижность бетонной смеси.

Целью работы являются разработка составов и технологии получения мелкозернистых цементных бетонов, дисперсно-армированных базальтовым волокном и исследование взаимодействия суперпластификаторов и пирогенного нанокремнезема в составе фибробетона.

Материалы и методы

Для получения фибробетона в работе использовались следующие сырьевые материалы: портландцемент ЦЕМ I 42,5 Н ГОСТ 31108-2016 (ООО «Тимлюйцемент», Республика Бурятия), базальтовое волокно (БВ), кварц-полевошпатовый песок с модулем крупности М к =2,5, пирогенный нанокремнезем (НК) Аэросил А-300, суперпластификаторы поликарбоксилат-ного типа «Sika ViscoCrete-3300» и «Штайнберг GROS-63MВ» в оптимальной дозировке 0,5% по массе вяжущего. Суперпластификаторы совместно с нанокремнеземом вводились в воду затворения. Содержание нанокремнезема составило 0,1% от массы вяжущего.

Характеристики базальтового волокна приведены в таблице 1.

Таблица 1 Характеристики базальтового волокна

Характеристика	Значение
Средний диаметр волокон, мкм	10
Прочность на разрыв, МПа	1350
Температуростойкость, ° С	600
Химическая стойкость (потеря массы), % при обработке: - НС1 - KOH	69,3 91,5

Пирогенный нанокремнезем «Аэросил А-300» получен в результате сжигания тетрахлор-силана (SiCl 4 ) в токе водорода и кислорода. Содержание аморфного кремнезема в нем составляет 99,8%, средний размер первичных частиц 5-50 нм, удельная поверхность 150 м²/г.

Для определения физико-механических показателей использовались образцы цемента фиброцементных композитов, мелкозернистого бетона и фибробетона, твердевших в нормально-влажностных условиях, размерами 20х20х20 мм и 40х40х160 мм.

Структуру цементного камня изучали с помощью растровой электронной микроскопии (РЭМ) при использовании сканирующего электронного микроскопа JEOL-JSM-6510LV (ЦКП «Прогресс» ВСГУТУ).

Результаты и обсуждение

Ранее авторами проведены исследования по оценке коррозионной стойкости базальтового волокна в щелочной среде при введении нанокремнезема, полученного на ускорителе электронов [6]. Полученные результаты показывают, что применение НК за счет связывания портландита уменьшает агрессивное влияние щелочной среды цемента на базальтовое волокно, сохраняя его и повышая тем самым физико-механические характеристики композиций.

Введение добавок суперпластификаторов приводит к повышению прочности цемента на 25-30% (рис. 1). Механизм действия добавок поликарбоксилатного типа основан на адсорбции ее молекул на частицах цемента. Возникающие при этом силы электростатического отталкивания не позволяют частицам сближаться и образовывать конгломераты. Кроме эффекта электростатического отталкивания в механизме действия добавки присутствует и пространственный эффект, за который отвечают боковые цепи, являющиеся частью молекулы. Сумма этих двух эффектов приводит к высокому водоредуцирующему действию добавки и к повышению физико-механических показателей цементного камня.

7 сут 28 сут

Рисунок 1 – Физико-механические показатели портландцемента с различными добавками

Дополнительное введение нанокремнезема приводит к повышению прочности гидратного камня на 5-10%, что связано с комплексным воздействием нанокремнезема, который участвует в пуццолановой реакции, образуя дополнительные гидросиликаты кальция, и служит в качестве центра кристаллизации при гидратации портландцемента.

При подборе составов фиброцементных композитов содержание базальтового волокна составило 4% по массе (рис. 2). Введение БВ повышает прочность при сжатии в возрасте 28 сут на 28% по сравнению с контрольным составом. Применение НК дополнительно улучшает физико-механические показатели на 11%. Заметное увеличение прочности связано с армирующим действием БВ и при введении НК достигает максимальных показателей вследствие увеличения коррозионной стойкости БВ.

7 сут 28 сут

Рисунок 2 - Физико-механические показатели фиброцементных композитов с добавкой «Штайнберг Gros 63MB» и нанокремнеземом

Проектирование состава мелкозернистого фибробетона класса по прочности В20 включало выбор соотношения между портландцементном и песком, которое составило 1:5 по массе и определение его свойств при нормальном твердении с использованием БВ в количестве 4% и нанокремнезема (0,1%) (табл. 2).

Физико-механические и эксплуатационные свойства фибробетона

Таблица 2

Свойства	Единицы измерения	Показатели
		Цементный бетон	Фибробетон с добавкой «Штайнберг Gros 63MB»	Фибробетон с добавкой «Штайн-берг Gros 63MB» и НК
Средняя плотность	кг/м3	2320	2360	2360
Прочность при сжатии	МПа	25,3	28,3	32,1
Прочность при изгибе	МПа	9	13	15
Водопоглощение	масс. %	4,0	3,5	2,5
Морозостойкость	циклы	150	150	300

Введение базальтового волокна способствует увеличению прочностных показателей по прочности на сжатие на 10%, на изгиб – 40%. Состав фибробетона с применением пирогенного НК показал самые высокие показатели: улучшение прочности при сжатии на 25%, прочности при изгибе – 65% относительно контрольного бездобавочного состава. Бетоны с применением пирогенного НК характеризуются высокими эксплуатационными показателями – низким во-допоглощением и высокой морозостойкостью.

Улучшение физико-механических характеристик фибробетона связано с изменением его микроструктуры (рис. 3).

а

б

Рисунок 3 – РЭМ поверхности цементного бетона (а) и фибробетона с добавкой «Штайнберг Gros 63MB» и НК (б)

Структура фибробетона характеризуется более плотным строением по сравнению с контрольным составом. На поверхности скола состава с НК наблюдается большее количество игольчатых новообразований гидросиликатов кальция. Пирогенный нанокремнезем активно действует на процессы гидратации портланцемента и, связывая портландит, обеспечивает сохранность базальтового волокна. Управление структурообразованием на микро- и наноуровне позволяет получить фибробетон с высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами.

Выводы

Таким образом, на основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

• -    использование суперпластификаторов поликарбоксилатного типа совместно с пирогенным нанокремнеземом позволяет равномерно распределить его в цементном тесте и приводит к увеличению физико-механических показателей на 30-40% по сравнению с контрольным составом;

• -    фиброцементные композиты с базальтовым волокном показали высокие физико-механические показатели при совместном использовании добавки суперпластификатора и пирогенного кремнезема;

• -    получены составы фибробетона, характеризующиеся высокими физико-механичекими показателями;

• -    исследование микроструктуры фибробетона на основе базальтового волокна, суперпластификатора полкирабоксилатного типа и пирогенного нанокремнезема показало наличие большего количества гидросиликатов кальция.