Мелкозернистый цементный бетон с нанодисперсным модификатором

Л.А. УРХАНОВА и др. Мелкозернистый цементный бетон с нанодисперсным модификатором недрение в технологию бетона новых эффективных модификаторов структуры и свойств, композиционных вяжущих веществ, тонкодисперсных добавок, волокнистых наполнителей и совершенствование, с учетом их воздействия, структуры и технологии бетона позволяют существенно повысить прочность бетона и получить новые перспективные их виды. Широкие перспективы открывает применение в технологии бетона наноматериалов, в которых изменение размеров частиц приведет к возникновению нового качества материала [1]. Целью представленных исследований является реализация нанотехнологического подхода при производстве мелкозернистого бетона с использованием сырьевых материалов Забайкалья.

В качестве наномодификатора в цемент и бетон вводили наноди-сперсный диоксид кремния SiO2 (нанокремнезем) марки Таркосил Т-20, получаемый на ускорителе электронов способом, описанным в [2], с удельной поверхностью 123 м2/г (по данным прибора для измерения удельной поверхности «Сорби-М») и средним размером первичных частиц около 22–23 нм (рис. 1).

Рис. 1. Дифференциальная кривая распределения частиц нанокремнезема по размеру

Л.А. УРХАНОВА и др. Мелкозернистый цементный бетон с нанодисперсным модификатором

Нанодисперсный порошок состоит более чем на 99% из аморфного кремнезема, содержание примесей, в масс.%: Al – 0,01, Fe – 0,01, Ti – 0,03. Ранее авторами [3] было получено износостойкое лакокрасочное покрытие на основе перхлорвиниловой и глифталевой смол путем модификации краски нанодисперсным порошком диоксида кремния.

В исследованиях были использованы водные суспензии наноди-сперсного модификатора при его концентрации от 0,01 до 0,1% от массы цемента. Для лучшего диспергирования агломератов наночастиц диоксида кремния в воде был использован ультразвуковой диспергатор УЗДН-А. Установлено, что оптимальное время ультразвуковой обработки воды затворения с наночастицами кремнезема – 10 мин.

Авторами работы исследовано влияние модифицированной крем-неземсодержащими наночастицами воды затворения на характеристики цементного теста и камня. Установлено, что у цемента, затворенного водой, которая содержит нанопорошок различной концентрации, сокращаются сроки схватывания, в частности, начало схватывания. Одновременно возрастает подвижность цементного теста и её первоначальная сохраняемость во времени. Так, в зависимости от концентрации добавки, эффект повышения пластичности в начальный момент после завершения перемешивания составляет 50% и через 150 мин. достигает максимума – 80%.

Сокращение времени схватывания цемента при добавлении нанокремнезема связано с изменением скорости связывания Ca(OH)₂ в жидкой фазе. За счет интенсивной протонизации зерен цемента происходит переход избыточного количества Ca(OH)₂ в гидратный раствор, связывание молекул портландита аморфным кремнеземом. Развитие ионного обмена Ca²⁺ ↔ 2H⁺ приводит к высвобождению новых молекул воды, что способствует увеличению пластификации цементного теста. Повышению пластичности цементного теста способствует и высвобождаемая иммобилизованная вода при пептизации агрегатов из флоккул цемента [4].

На рис. 2 приведены результаты изменения прочностных характеристик цементного камня, полученных при равной водопотребности исследуемых цементов при введении различной концентрации наноди-сперсного модификатора. При увеличении концентрации нанокремнезема происходит увеличение прочности цементного камня в 1,6–1,8 раза

Л.А. УРХАНОВА и др. Мелкозернистый цементный бетон с нанодисперсным модификатором

Рис. 2. Влияние количества добавки нанодисперсного модификатора на прочность цемента при одинаковом водоцементном отношении, при этом происходит значительное увеличение подвижности цементного теста.

Полученные данные об изменении прочностных характеристик хорошо коррелируются с изменениями, происходящими при формировании структуры наномодифицированного цементного камня. Исследование структуры цементного камня с помощью сканирующего электронного микроскопа JSM-6510LV JEOL (Центр коллективного пользования «Прогресс» ВСГТУ) подтвердило уменьшение пористости при введении наномодификатора (рис. 3). Нанодисперсный кремнезем, заполняя поры в структуре твердеющего камня, способствует повыше- а б

в

Рис. 3. Микрофотографии поверхности скола цементного камня:

а – цемента (х500); б – цемента с частицами нанокремнезема 0,02% (х500);

в – цемента с частицами нанокремнезема 0,1% (х500)

Л.А. УРХАНОВА и др. Мелкозернистый цементный бетон с нанодисперсным модификатором нию его плотности (рис. 3 б, в). При этом наблюдается уменьшение содержания открытых пор, изменение распределения пор по размерам.

Высокая удельная поверхностная энергия наночастиц кремнезема изменяет термодинамические условия химических реакций и приводит

Рис. 4. Рентгенограммы цементного камня:

а – ПЦ + нанокремнезем (0,02%); б – ПЦ + нанокремнезем (0,1%); в – ПЦ

Л.А. УРХАНОВА и др. Мелкозернистый цементный бетон с нанодисперсным модификатором к появлению продуктов измененного (по сравнению с цементом без модификатора) минералогического, морфологического и дисперсного составов. Введение добавки ускоряет пуццолановую реакцию, снижается интенсивность пиков, относимых к портландиту (рис. 4). Ускорение пуццолановой реакции и образование большого количества гидросиликатов кальция (ГСК), преимущественно низкоосновных, типа CSH(I), благодаря наночастицам аморфного нанокремнезема, увеличивает прочность ПЦ.

Учитывая, что использование высокопрочного мелкозернистого бетона (МЗБ) для монолитного строительства является актуальной задачей, в работе проводилась разработка составов и изучение свойств МЗБ на основе модифицированного цемента. Для широкомасштабного внедрения МЗБ необходимо решить проблему снижения расхода цемента и деформативных характеристик композита. Теоретическими предпосылками этого направления является модификация цементной матрицы и применение мелкого заполнителя с высокоплотной упаковкой.

Одним из возможных путей повышения эффективности использования МЗБ в монолитном строительстве является применение промышленных отходов – отсевов дробления горных пород вместо природных средне- и крупнозернистых песков, дефицит которых весьма ощутим в настоящее время в РФ [5]. Как известно, все методики расчета состава бетонной смеси основаны на использовании модуля крупности заполнителя, который позволяет учитывать плотность упаковки для определе-

Результаты расчета гранулометрического состава заполнителей для МЗБ

Таблица 1

Вид бетона	Ситовые фракции, мм	Плотность упаковки
Бетон на природном песке	0,14–2,5	0,675
Бетон с песком и гранитными отсевами	0,14–2,5 2,5–5	0,62
Бетон с высокоплотной упаковкой	0,14–0,315 1,25–2,5	0,657
Бетон с наполнителями А и Б	0,14–2,5	0,74

Л.А. УРХАНОВА и др. Мелкозернистый цементный бетон с нанодисперсным модификатором ния расхода вяжущего на обволакивание зерен заполнителя, создания контактной зоны и заполнения межзернового состава. Анализ плотности упаковки различных фракций природного песка, песка с гранитны-

Таблица 2

Физико-механические характеристики мелкозернистого бетона с добавкой нанокремнезема

Показатели	Вид бетона
	ф м £ S ft в	’S о 3 и g о я я В VO 5 о ч^ Ф S " ® в § в	в g   я В О и § О     Я Ен V S  И Ф Ф В Ф й   5 v ж н     Ен V А О В	=8 и i ° 3 g к о ° м MSB О 5 VO ^ ф 5 о хР у   и М   В О я в в " 2*3 о S я V	в Ч И 7 О в 1 ч о   я ®   У и И о g и у я я о 5	ч ® я 2 й ® 2 s S 1 Ф Я   я я я В   О
Состав бетона, кг/м3: – вяжущее (цемент)	550	550	550	550	550	550
– песок природный	1375	1375	687	687	фр. 1,25– 2,5 – 344; фр. 0,14– 0,315 – 344	1375
– гранитный отсев (2,5–5)	–	–	687	687	687	–
– наполнитель А (80–160 мкм)		-		-	-	172
– наполнитель Б (40–80 мкм)	–	–	–	–	–	64
– вода, л/м3	225	204	209	204	220	220
Средняя плотность, кг/м3	2170	2330	2325	2245	2140	2425
Прочность при сжатии (3 сут.), МПа	20	38	28	32	21	28
Прочность при сжатии (28 сут.), МПа	35	53	44	60	30	40

Л.А. УРХАНОВА и др. Мелкозернистый цементный бетон с нанодисперсным модификатором ми отсевами дробления, песка с определенными фракциями зерен, песка с микронаполнителями двухфракционного состава (А=160–80 мкм, Б=80–40 мкм) показал увеличение плотности упаковки с использованием полифракционного песка и микронаполнителей (табл. 1). С использованием представленных заполнителей был проведен расчет состава МЗБ и определение его свойств при нормальном твердении с использованием нанодисперсного модификатора.

Анализ проведенных испытаний бетонов, изготовленных из нано-модифицированных бетонных смесей при разном В/Ц, позволяет сделать вывод, что применение наномодификатора приводит к повышению прочностных показателей, улучшению гидрофизических, снижению деформативных свойств МЗБ (табл. 2, рис. 5). Установлено, что при затворении бетонной смеси наномодифицированной водой затворения происходит повышение подвижности смеси при одинаковом водоцементном отношении или снижение расхода воды при одинаковой подвижности бетонной смеси. Также выявлено значительное повышение времени сохранения свойств наномодифицированных бетонных смесей

Рис. 5. Водопоглощение (масс. %) МЗБ:

1 – МЗБ на песке; 2 – МЗБ на песке + добавка;

3 – МЗБ на песке и гранитной крошке; 4 – то же + добавка;

5 – МЗБ с определенной фракцией песка + добавка;

6 – МЗБ с микронаполнителями + добавка

Л.А. УРХАНОВА и др. Мелкозернистый цементный бетон с нанодисперсным модификатором до 2–2,5 раз, что благоприятным образом сказывается на возможности их транспортировки на значительное расстояние.

При использовании наноразмерных частиц кремнезема возникает их агломерация, снижающая дисперсность и равномерность распределения частиц в объеме бетона, и, как следствие, однородность физикомеханических свойств. Для устранения этого недостатка нанокремнезем вводили в бетонную смесь в сочетании с суперпластификатором Полипласт СП-1, что привело к дополнительному снижению В/Ц отношения бетонных смесей и получению высокопрочного бетона (табл. 3).

Таблица 3

Физико-механические характеристики МЗБ с добавкой нанокремнезема (0,1%) + суперпластификатор СП-1

Показатели	Вид бетона
	Бетон с песком и гранитными отсевами	Бетон с песком и гранитными отсевами и с добавкой нанокремнезема + СП-1 (0,1%)	Бетон с песком и гранитными отсевами и с добавкой нанокремнезема + СП-1 (0,5%)	Бетон с песком и гранитными отсевами и с добавкой нанокремнезема + СП-1 (1%)
Состав бетона, кг/м3: – вяжущее (цемент)	550	550	550	550
– песок природный	687	687	687	687
– гранитный отсев (2,5–5 мм)	687	687	687	687
– вода, л/м3	209	175	170	165
– суперпластификатор СП-1		0,55	2,75	5,5
Средняя плотность, кг/м3	2325	2430	2240	2350
Прочность при сжатии (3 сут.), МПа	28	32	35	38
Прочность при сжатии (28 сут.), МПа	44	62	64	69

Л.А. УРХАНОВА и др. Мелкозернистый цементный бетон с нанодисперсным модификатором

Авторами работы было апробировано введение модифицирующей добавки не только в бетон на основе цемента, но и в бесцементные вяжущие и бетоны на их основе. На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

• 1.    На основе анализа современного состояния вопроса использования нанотехнологий в строительстве показана перспективность применения нанокремнезема, полученного методом испарения вещества релятивистским пучком электронов, в качестве модификатора, способного повышать эксплуатационные свойства строительных материалов как на основе цемента, так и бесцементного вяжущего.

• 2.    Разработана методика совмещения наномодификатора с водой затворения, позволяющая получать суспензии с высокой седиментационно-агрегативной устойчивостью.

• 3.    На основании изучения физико-механических свойств цементных композиций определен интервал наномодификатора, введение которого позволяет регулировать реологию цементного теста, структуру и физико-механические характеристики цементного камня. Показан рост прочности наномодифицированного цементного камня, составляющий в среднем 1,6–1,8 раза.

• 4.    На основании проведенных исследований разработаны составы на-номодифицированных бетонных смесей и бетонов, обеспечивающие увеличение подвижности (до 1,5 раз) и сохраняемости (до 2,0 раз) бетонной смеси, повышение прочности (до 50–60%) бетонов.

Л.А. УРХАНОВА и др. Мелкозернистый цементный бетон с нанодисперсным модификатором

Уважаемые коллеги!

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

Урханова Л.А., Лхасаранов С.А., Номоев А.В., Лыгденов В.Ц. Мелкозернистый цементный бетон с нанодисперсным модификатором // Нанотехнологии в строительстве: научный Интернет-журнал. М.: ЦНТ «НаноСтроительство». 2010, Том 2, № 4. C. 42–52. URL: (дата обращения: ______________).

Dear colleagues!

The reference to this paper has the following citation format:

Urkhanova L.F., Lkhasaranov S.A., Nomoev A.V., Lygdenov V.Ts. Fine cement concrete with nanodispersed modificator. Nanotechnologies in Construction: A Scientific Internet-Journal, Moscow, CNT «NanoStroitelstvo». 2010, Vol. 2, no. 4, pp. 42–52. Available at: (Accessed _____________). (In Russian).