Исследования влияния золь-гель процессов на свойства цементного камня

Е.В. ДОРЖИЕВА и др. Исследования влияния золь-гель процессов на свойства цементного камня настоящее время большое количество исследований посвящено области золь-гель технологий в производстве строительных материалов [1, 2, 3, 4]. Золь-гель методом называют процесс образования геля через стадию золя. Золь представляет собой высокодисперсную коллоидную систему с размерами частиц от 1 до 100 нм (минимум) и от 100 нм до 10 мкм (максимум) [2]. Концентрация этих частиц невелика, под действием химического инициатора частицы сшиваются друг с другом. В результате получается гель – желеобразное «почти твердое тело» [1], содержащее большое количество дисперсионной среды. Структура гелей весьма устойчива к неоднородности состава: введение грубых частиц не приводит к фазовому разделению. Гели обладают некоторыми свойствами твердых тел: способностью сохранять форму, прочностью, упругостью, пластичностью. Эти свойства гелей обусловлены межчастичными молекулярными силами различной природы и, в том числе, химией молекул, электронным строением молекулярных орбиталей [2].

Интерес к золь-гель технологиям связан с тем, что при использовании золи в качестве добавки в бетон, в небольших дозировках, получаются бетоны с высокими физико-механическими свойствами: прочностью, водонепроницаемостью, морозостойкостью, низкими усадочными деформациями. Существует несколько гипотез механизма действия золь-гель технологий, связанных либо со свойствами самих частиц, а именно с высокой удельной поверхностью, либо со способностью их воздействовать на воду, превращать ее в более активный компонент вяжущей системы. Но большинство авторов склоняется к выводу, что при использовании золя как добавки в бетон создается дополнительный структурный элемент, обладающий высокой удельной поверхностью и повышающий гидратационную активность цемента, что, в свою очередь, способствует сокращению количества пор и микрокапилляров. [1]. Известны исследования золь-гель технологий, применяемых к следующим веществам: золь кремниевой кислоты, диоксид титана, окислы железа, алюминия и др. При этом в большинстве освещена тема золей кремниевой кислоты. Следует отметить, что все известные работы посвящены исследованиям однокомпонентных золей, существующих в нейтральной сре-

Е.В. ДОРЖИЕВА и др. Исследования влияния золь-гель процессов на свойства цементного камня де, полученных либо из щелочной среды путем разбавления жидкого стекла водой [3], либо из кислой среды при гидролизе хлорида железа и сульфата алюминия [4].

В данной работе впервые исследуются многокомпонентные золи, содержащие одновременно золь кремниевой кислоты, гидроокись алюминия, гидроокись железа, отличающиеся концентрацией и РН. Определено влияние многокомпонентных золей на свойства цементного камня и бетонов на их основе, приведены характеристики трех видов золей (табл. 1).

Таблица 1

Состав и характеристики золей

№ золи	РН	p, г/см3	расчетное содержание в 100 г золи, г
			H4SiO4	AL(OH)3	Fe(OH)3	CaCl2
1	3,75	1,001	0,011	0,0027	0,0013	0,042
2	2,1	1,021	0,126	0,031	0,014	0,48
3	2,48	1,040	0,99	0,24	0,11	0,381

Концентрация соответствующих золей кремниевой кислоты, гидроокиси железа и алюминия отличаются в 10–90 раз, а РН отличается в 1,5 – 1,7 раза.

При данном способе получения золей, являющемся предметом ноу-хау, образуется хлористый кальций, известный как ускоритель твердения цемента. Таким образом, исследованные золи представляют собой комплексную добавку, содержащую три вида золей и ускоритель твердения цемента. О том, что полученные растворы являются коллоидными системами (золями), свидетельствует тот факт, что раствор № 3 (наиболее концентрированный), при хранении на открытом воздухе, через 14 суток переходит в желеподобное состояние – гель. Известно, что РН воды затворения для бетонов должен составлять не менее 4, исследуемые же золи имеют сильно кислую среду, поэтому интерес представляет исследовать значение РН водных растворов для цементных и бетонных композиций при водоцементных соотношениях 0,24 и 0,36. Значения В/Ц выбраны из расчета нормальной густоты цементного теста и получения жестких бетонных смесей. Дозировка вводимых золей составляла

Е.В. ДОРЖИЕВА и др. Исследования влияния золь-гель процессов на свойства цементного камня от 0,2 до 1%. Результаты исследований и значения РН водных растворов для затворения цементного камня и бетонов на их основе приведены в табл. 2.

Таблица 2

Значения РН водных растворов для затворения цементного камня и бетонов

№ золи	дозировка золи, %	РН водного раствора для затворения цементного камня	РН водного раствора для затворения бетонных смесей
1	0,2	5,5	6,7
	0,4	5,3	6,5
	0,6	5,0	6,5
	0,8	4,9	6,4
	1	4,7	6,35
2	0,2	4,5	4,8
	0,4	4,0	4,2
	0,6	3,9	3,9
	0,8	3,4	3,7
	1	3,2	3,6
3	0,2	5,8	5,1
	0,4	5,4	4,8
	0,6	4,9	4,6
	0,8	4,5	4,5
	1	4,1	4,4

Таким образом, золи № 1 и № 3 при всех дозировках в обеих композициях удовлетворяют требованиям, предъявляемым к воде затворения по ГОСТу, а золь № 2 – только при дозировках 0,2% и 0,4% от массы цемента, что связано с большей кислотностью исходного золя.

С целью исследования влияния золей на свойства цементного камня готовились образцы пластичного формования размерами 2х2х2 см при постоянном В/Ц = 0,24 в количестве 6 штук на каждую серию опыта. Образцы хранились в стандартных условиях. Испытания проводились на основе портландцемента М500 ДО Тимлюйского цементного завода.

Е.В. ДОРЖИЕВА и др. Исследования влияния золь-гель процессов на свойства цементного камня

Полученные образцы подвергались испытанию на сжатие и на водопо-глощение. С целью ускорения процесса гелеобразования часть образцов подвергалась сушке до постоянной массы. Полученные экспериментальные данные приведены в табл. 3.

Таблица 3

Влияние вида и количества золей на прочность цементного камня

№ золи	время твердения, сут.	условия твердения	Предел прочности на сжатие для растворов с различным %-ным соотношением золи относительно массы цемента, МПа
			0%	0,2%	0,4%	0,6%	0,8%	1,0%
1	3	в воде	48,0	63,8	67,0	71,0	65,0	–
	28	в воде	60,0	73,0	73,0	73,5	74,0
	28	в воде +1 час при t = 100оС	62,0	102,0	99,8	77,7	76,0	–
2	3	в воде	48,7	50,6	63,4	55,0	56,5	–
	28	в воде	60,0	66,0	72,0	71,0	70,1
3	3	в воде	46,0	59,0	55,1	51,2	53,5	48,8
	7	в воде	49,0	63,0	62,0	62,0	55,4	49,7
	7	в воде +1 час при t = 100оС	51,8	77,5	89,8	87,2	80,5	69,7
	28	в воде	60,0	65,4	70,9	68,5	66,1	62,5
	28	в воде +1 час при t = 100оС	60,1	90,2	99,7	87,0	83,1	79,0

С целью определения оптимальной дозировки золь вводилась в различных количествах от 0,2 до 1% от массы цемента. Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:

• •    все три вида золей при определенной дозировке повышают прочность цементного камня в условиях естественного твердения;

• •    оптимальной дозировкой для золи № 1 является 0,6–0,8% от массы цемента, для золи № 2 – 0,4–0,6%, для золи № 3 – 0,2–0,4%, что обусловлено разной концентрацией исходных золей.

Следует отметить, что процессы гелеобразования не заканчиваются на 28 сутках, о чем свидетельствует тот факт, что при высушивании об-

Е.В. ДОРЖИЕВА и др. Исследования влияния золь-гель процессов на свойства цементного камня разцов прочность значительно повышалась. Эффективность применяемых золей в качестве добавок представлена в табл. 4 и на рисунке.

Таблица 4

Эффективность добавки золя

№ золи	время твердения, сут.	условия твердения	Рост прочности в зависимости от дозировки золи (%-ного соотношения золи относительно массы цемента)
			0,2%	0,4%	0,6%	0,8%	1,0%
1	3	в воде	32	39,5	39,5	35,4	–
	28	в воде	21,6	21,6	22,5	23,3
	28	в воде +1 час при t = 100оС	64,5	60,9	25,3	22,5	–
2	3	в воде	5,4	32	24,8	17,7	–
	28	в воде	10	20	18,3	16,8
3	3	в воде	22,9	19,7	15,3	11	3,6
	7	в воде	28,5	26,5	26,5	13	1,4
	7	в воде +1 час при t = 100оС	49	73,3	68,3	55,4	39,5
	28	в воде	9,0	18	30,8	26,8	20,8
	28	в воде +1 час при t = 100оС	45,9	60,8	40,3	39	27,4

Все исследованные золи повышают гидратационную активность цемента, так как прирост прочности в возрасте 3 суток по сравнению с контрольными образцами без добавок составляет на оптимальных дозировках от 19,7% до 39,5%; в возрасте 7 суток на примере золи № 3 прирост прочности составляет от 26,5% до 28,5%; в возрасте 28 суток прирост прочности составляет от 9% до 25,3%.

Учитывая известный факт, что цементный камень при нагревании до 150оС не изменяет своих прочностных характеристик, повышение прочности цементного камня с добавкой после высушивания при температуре 100оС можно связать с процессом ускорения гелеобразования. Следовательно, для золи № 1 при естественном твердении оптимальной дозировкой является 0,6–0,8%, при сушке оптимальные значения со-

Е.В. ДОРЖИЕВА и др. Исследования влияния золь-гель процессов на свойства цементного камня

Рис. Эффективность добавки золь-гель ставляют 0,2–0,4%, при этом повышается прочность на 60,9–64,5% и составляет 102 МПа и 99,8 МПа соответственно, в то время, как контрольный образец имеет прочность на сжатие 60 МПа. Таким образом, золь № 1 можно вводить в пределах 0,2–0,8 %. Что касается золи № 3, то при оптимальных дозировках 0,2–0,4% процесс сушки образцов в возрасте 7 суток дает прирост прочности от 49 до 73,3%, в возрасте 28 суток прирост составляет от 45 до 60,8%.

Е.В. ДОРЖИЕВА и др. Исследования влияния золь-гель процессов на свойства цементного камня

Уважаемые коллеги!

При использовании материала данной статьи просим делать библиографическую ссылку на неё:

Доржиева Е.В., Гончикова Е.В., Архинчеева Н.В. Исследования влияния золь-гель процессов на свойства цементного камня // Нанотехнологии в строительстве: научный Интернет-журнал. М.: ЦНТ «НаноСтроительство». 2011, Том 3, № 6. C. 66– 73. URL: (дата обращения: ______________).

Dear colleagues!

The reference to this paper has the following citation format:

Dorjieva E.V., Gonchikova E.V., Arhincheeva N.V. The influence of sol-gel process on the properties of hardened cement paste. Nanotechnologies in Construction: A Scientific Internet-Journal, Moscow, CNT «NanoStroitelstvo». 2011, Vol. 3, no. 6, pp. 66–73. Available at: (Accessed _____________). (In Russian).