Моделирование процессов раннего структурообразования и твердения цементных материалов с органоминеральными добавками

Автор: Тараканов О.В., Ерофеева И.В., Белякова Е.А., Москвин Р.Н., Санягина Я.А., Христофорова И.А.

Журнал: Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал @nanobuild

Статья в выпуске: 6 т.16, 2024 года.

Бесплатный доступ

В настоящее время в технологии бетонов широко применяются химические модификаторы, большинство из которых являются комплексными. Развитие теории и практики высокопрочных бетонов нового поколения повлекло за собой разработку и внедрение комплексных органоминеральных добавок, в состав которых входят современные суперпластификаторы (СП) и тонкомолотые минеральные наполнители. Высокопрочные бетоны - это многофункциональные бетоны, сочетающие в себе, наряду с высокой прочностью, другие важнейшие свойства - высокие показатели морозостойкости, водонепроницаемости, упруго-пластических свойств и др. Материалы и методы исследования. Достижение высоких показателей бетонов возможно за счет применения СП совместно с тонкомолотыми микронаполнителями - каменной мукой, в том числе с наночастицами и дисперсной арматурой. В данной работе основной задачей является моделирование развития микроструктуры цементного камня с органоминеральными добавками. С этой целью была разработана модель развития микроструктуры во времени с учетом возможных механизмов влияния компонентов на состав продуктов гидратации и характер раннего структурообразования. Результаты и обсуждение. Показано, что анализ структурной топологии и моделирование процессов формирования микроструктуры наполненных цементных композиций, выполняемых совместно с анализом продуктов гидратации и кинетики твердения, позволяют прогнозировать возможные механизмы действия комплексных добавок и, в определенном смысле, прогнозировать возможные сценарии развития микроструктуры цементного камня, во многом определяющей основные физико-химические свойства бетона и его долговечность.

Еще

Структурообразование, органоминеральные добавки, микронаполнители, наногидросиликатные технологии, центры кристаллизации, высокопрочные бетоны

Короткий адрес: https://sciup.org/142243711

IDR: 142243711 | DOI: 10.15828/2075-8545-2024-16-6-510-524

Список литературы Моделирование процессов раннего структурообразования и твердения цементных материалов с органоминеральными добавками

Alharbi, Y. R., Abadel, A. A., Mayhoub, O. A., & Kohail, M. Effect of using available metakaoline and nanomaterials on the behavior of reactive powder concrete. Construction and Building Materials, 121344. http://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.121344
Wang, J., Dong, S., Wang, D., Yu, X., Han, B., & Ou, J. Enhanced Impact Properties of Concrete Modified with Nanofiller Inclusions. Journal of Materials in Civil Engineering. 31(5); 04019030. http://doi.org/10.1061/(asce)mt.1943-5533.0002659
Wang J., Dong S., Zhou C., Ashour A., Han B. Investigating pore structure of nano-engineered concrete with low-field nuclear magnetic resonance. Journal of Materials Science. 2021; 56(1):243–59.
Maroliya M.K. Micro structure analysis of reactive powder concrete. International Journal of. Engineering research and Development. 2012; 4(2):68-77.
Edward G. Fundaments of High Performance Concrete / G. Edward, P. Nawy; 2001.
Meng W., Khayat K.H. Effect of graphite nanoplatelets and carbon nanofibers on rheology, hydration, shrinkage, mechanical properties, and microstructure of UHPC. Cement and concrete research. 2018; 105:64–71.
Wu B., Jin H. Compressive fatigue behavior of compound concrete containing demoulded concrete lumps. Construction and Building Materials 2019; 210:140–56.
Wang X., Dong S., Ashour A., Zhang W., Han B. Effect and mechanisms of nanomaterials on the interface between aggregates and cement mortars. Construction and Buildinging Materials 2020; 240:117942.
Cassagnabère F., Escadeillas G., Mouret M. Study of the reactivity of cement / metakaolin binders at early age for specifc use in steam cured precast concrete. Construction and Building Materials. 23(2):775-784. http://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2008.02.022
Максимова И.Н. Структура и конструкционная прочность цементных композитов / И.Н. Максимова, Н.И. Макридин, В.Т. Ерофеев, Ю.П. Скачков. М.: Издательство АСВ, 2017. 400 с.
Миронов С.А. Теория и методы зимнего бетонирования. М.: Стройиздат, 1975. 700 с.
Макридин Н.И., Максимова И.Н., Овсюкова Ю.В. Долговременная прочность модифицированной структуры цементного камня. Часть 1 // Строительные материалы. 2010. № 10. С. 74–77.
Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Основы бетоноведения. Санкт-Петербург: Строй Бетон, 2006. 691 с.
Yalçınkaya Ç., Yazıcı H. Effects of ambient temperature and relative humidity on ear-ly-age shrinkage of UHPC with high-volume mineral admixtures. Construction and Building Materials. 2017. http://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.03.198
Yazici H., Deniz E., Baradan B. The effect of autoclave pressure, temperature and du-ration time on mechanical properties of reactive powder concrete. Construction and Building Materials. 2013; 42:53–63. http://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2013.01.003
Shen P., Lu L., Chen W., Wang F., Hu S. Efficiency of metakaolin in steam cured high strength concrete. Construction and Building Materials. 2017; 152:357–66. http://doi.org/10.1016/j. conbuildmat.2017.07.006
Калашников В.И., Ерофеев В.Т., Мороз М.Н., Троянов И.Ю., Володин В.М., Суздальцев О.В. Наногидросиликатные технологии в производстве бетонов // Строительные материалы. 2014. № 5. С. 88–91.
Hiremath P.N., Yaragal S.C. Effect of different curing regimes and durations on early strength development of reactive powder concrete. Construction and Building Materials. 2017; 154:72–87. http://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.07.181
Helmi M., Hall M.R., Stevens L.A., Rigby S.P. Effects of high-pressure/temperature curing on reactive powder concrete microstructure formation. Construction and Building Materials. 2016; 105:554–62. http://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.12.147
Arabi N. Formation of C-S-H in calcium hydroxideblast furnace slag-Quartz-water system in autoclaving conditions / N. Arabi, R. Jauberthie, N. Chelghoum, L. Molez. Advances in Cement Research. 2015; 27(3):153–162.
Тейлор Х. Химия цемента. М.: Мир, 1996. 560 с.
Ратинов В.Б., Розенберг Т.И. Добавки в бетон. М.: Стройиздат, 1989. 187 с.
Рамачадран В.С., Фельдман Р.Ф., Коллепарди М. и др. Добавки в бетон: справ. пособие. М.: Стройиздат, 1988. 575 с.
Коренькова С.Ф., Шеина Т.В. Основы и концепция утилизации химических осадков промстоков в стройиндустрии. Самара: Сам. гос. архитектур.-строит. ун-т, 2004. 208 с.
Тараканов О.В. Цементные материалы с добавками углеводов. Пенза: Пенз. гос. архитектур.-строит. акад., 2003. 165 с.
Тараканов О.В., Пронина Т.В. Гидратация и твердение цементных материалов с добавками минеральных шламов. Пенза: Пенз. гос. ун-т архитектуры и стр-ва, 2006. 150 с.
Zanni H., Cheyrezy M., Maret V., Philippot S., Nieto P. Investigation of hydration and pozzolanic reaction in reactive powder concrete (RPC) using 29Si NMR. Cement and Concrete Research. 1996. http://doi.org/10.1016/0008-8846(95)00197-2
Кузнецова Т.В. Алюминатные и сульфоалюминатные цементы. М.: Стройиздат, 1986. 208 с.
Сычев М.М. Твердение вяжущих веществ. Л.: Стройиздат, 1974. 80 с.
Kurdowski W. The Properties of Cement Paste. Cement and concrete chemistry. 2014. http://doi.org/10. 1007/978-94-007-7945-7
Taylor H. Cement chemistry. Acad. Press; 1990. https://doi.org/10.1016/S0958-9465(98)00023-7
Golewski G.L., Szostak B. Application of the C-S-H phase nucleating agents to im-prove the performance of sustainable concrete composites containing fly ash for use in the precast concrete industry. Materials. 2021; 14(21):6514.
Bobrishev A.A., Shafigullin L.N., Erofeev V.T., Treshchev A.A., Sotnikov M.I., Kozin V.A. Study of Effects of Redispersable Latex Powders On Hardening Kinetics of Cement-Sand Composites. Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences, 2016, 7(4):795–802.
Erofeev V., Bobryshev A., Lakhno A., Shafigullin L., Khalilov I., Sibgatullin K., Igtisamov R. Theoretical evaluation of rheological state of sand cement composite systems with polyoxyethylene additive using topological dynamics concept. Solid State Phenomena, 2016, 871:96–103.
Thomas J.J., Jennings H.M., Chen J.J. Influence of nucleation seeding on the hydration mechanisms of tricalcium silicate and cement. The Journal of Physical Chemistry. 2009; 113(11): 4327-4334. http://doi.org/10.1021/jp809811w
Вернигорова В.Н. Физико-химические основы образования модифицированных гидросиликатов кальция в композиционных материалах на основе системы Cao-SiO2-H2O. Пенза: ЦНТИ, 2001. 393 с.
Feldman R.F. The effect of sand cement ration and silica fume on the microstructure of mortars / R.F. Feldman. Cement and Concrete Research. 1986;16(3):31–39.
Golewski G.L. The beneficial effect of the addition of fly ash on reduction of the size of microcracks in the ITZ of concrete composites under dynamic loading. Energies 2021; 14(3):668.
Fedortsov A., Fedortsov V., Ashchepkov M.V., Rusakov K.V., Gladkin S., Erofeev V. Improving the strength and resistance of cement composites to the external environment by utilizing complex additives. E3S Web of Conferences. 2021; 281: 03014. https://www.scopus.com/inward/record.uri?eid=2-s2.0- 85144858704&doi=10.1051%2fe3sconf% 2f202128103014&partnerID=40&md5=4503030c26aa434ed0fdb620f11caf62
Ji T., Chen C.Y., Zhuang Y.Z. Evaluation method for cracking resistant behavior of reactive powder concrete. Constr Build Mater 2012; 28:45–9. http://doi.org/10.1016/j. conbuildmat.2011.08.060
Aïtcin P.C. Cements of yesterday and today – concrete of tomorrow. Cement and Concrete Research. 2000. http://doi.org/10.1016/S0008-8846(00)00365-3
Richard P. Composition of Reactive Powder Concrete. Scientific Division Bougies / P. Richard, M. Cheurezy. Cement and Concrete Research. 1995; 25(7):1501–1511.
Sanchez F., Sobolev K. Nanotechnology in concrete – a review. Construction and Building Materials. 2010. http://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2010.03.014
Melián G., Barluenga G., Hernández-Olivares F. Toughness increase of self compacting concrete reinforced with polypropylene short fibers. Materials de Construcción. 2010; 60(300). http://doi.org/10.3989/mc.2010.52309
Dong S., Wang Y., Ashour A., Han B., Ou J. Uniaxial compressive fatigue behavior of ultra-high performance stainless concrete reinforced with super-fine wires. International Journal of Fatigue. 2021; 142:105959.
Richard P., Cheyrezy M. Composition of reactive powder concretes. Cement and Concrete Research. 1995; 25:1501–11. http://doi.org/10.1016/0008-8846(95)00144-2
Shi C, Wu Z, Xiao J, Wang D, Huang Z, Fang Z. A review on ultra high performance concrete: Part I. Raw materials and mixture design. Construction and Building Materials. 2015; 101:741–51. http://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.10.088
Хозин В.Г., Хохряков О.В., Сибгатуллин И.Р. Карбонатные цементы низкой водопотребности. М.: Изд-во АСВ, 2021. 364 с.
Белов В.В., Смирнов М.А. Формирование оптимальной структуры строительной смеси // Строительные материалы. 2009. № 9. С. 88–90.
Andreasen A.H.M. Ueber die Beziehungen zwischen Kornabstufungen und Zwischenraum in Produkten aus losen Körnern (mit einigen Experimenten), Kolloid-Zeitschrift 50: 1930; 217–228 (in Ger. Zeitschrif).
Funk J.E., Dinger D.R. Predictive Process Control of Crowded Particulate Suspensions, Applied to Ceramic Manufacturing. Bost: Kluwer Acad. Press; 1994.
Zheng J., Johnson P.F., Reed J.S. Improved equation of the continuous particle size dis-tribution for dense packing. Journal of the American Ceramic Society. 73(5):1392-1398. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1990.tb05210.x
De Larrard F. Concrete mixture proportioning: a scientific approach. London; New York. 1999. https://doi.org/10.1017/CBO9781107415324.004
Goltermann P., Johansen V., Palbøl L. Packing of aggregates: an alternative tool to determine the optimal aggregate mix. ACI Mater J 1997. http://doi.org/10.14359/328
De Larrard F. Ultraﬁne particles for the making of very high strength concretes. Cement and Concrete Research. 1989. http://doi.org/10.1016/0008-8846(89)90079-3
Kwan AKH, Chan KW, Wong V. A 3-parameter particle packing model incorporating the wedging effect. Powder Technology. 2013. http://doi.org/10.1016/j.powtec. 2013.01.043
Wong V., Kwan A. K. H. A 3-parameter model for packing density prediction of ternary mixes of spherical particles. Powder Technology. 2014. http://doi.org/10.1016/j.powtec. 2014.08.036.
Roussel N., Geiker M.R., Dufour F., Thrane L.N., Szabo P. Computational modeling of concrete ﬂow: general overview. Cement and Concrete Research. 2007. http://doi.org/10.1016/j.cemconres. 2007.06.007
Тараканов О.В., Акчурин Т.К., Белякова Е.А., Москвин Р.Н. Расширение базы комплексных органоминеральных добавок в технологии бетонов // Вестник ВолгГТУ. Серия: Строительство и архитектура. 2022. № 3 (88). С. 97–107.
Гаркави М.С., Фетисова Л.А., Шумова Л.В. и др. Активация структурообразования при твердении вяжущих веществ // Достижения, проблемы и направления развития теории и практики строительного материаловедения. Материалы X Академических чтений РААСН. 2006. С. 89–94.
Эбелинг В. Образование структур при необратимых процессах. М.: Мир, 1979. 279 с.
Zhang W., Han B., Yu X., Ruan Y., Ou J. Nano boron nitride modified reactive powder concrete. Construction and Building Materials. 2018. http://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.05.244
Li Z., Di S. The microstructure and wear resistance of microarc oxidation composite coatings containing nano-hexagonal boron nitride (HBN) particles. Journal of Materials Engineering and Performance. 2017. 26:1551–1561. http://doi.org/10.1007/s11665-017-2582-1
Wang T., Wang M., Fu L., Duan Z., Chen Y., Hou X., et al. Enhanced thermal conductivity of polyimide composites with boron nitride nanosheets. Scientific Reports 8(1). 2018. http://doi.org/10.1038/s41598-018-19945-3
Han B.B, Li Z., Zhang L., Zeng S., Yu X., Han B.B, et al. Reactive powder concrete reinforced with nano SiO2-coated TiO2. Construction and Building Materials. 2017; 148:104–12. http://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.05.065
Irshidat M.R., Al-Saleh M.H. Thermal performance and resistance of nanoclay modified cementitious materials. Construction and Building Materials. 2018. http://doi.org/10.1016/j.conbuildmat. 2017.10.127
Yazici H., Yiǧiter H., Karabulut ASß, Baradan B. Utilization of ash and ground granulated blast furnace slag as an alternative silica source in reactive powder concrete. Fuel. 2008; 87:2401–7. http://doi.org/10.1016/j.fuel.2008.03.005
Баженов Ю.М. Технология бетона. М.: АСВ, 2002. 500 с.
Tarakanov O.V., Belyakova E.A., Kalashnikov V.I., Grintsova O.V. Makridin N.I. The Influence of Plasticizers on the Composition of Cement Stone Hydration Products. International Symposium on Mechanical Engineering and Material Science (ISMEMS 2016). Advances in Engineering Research. 2016; 93:186-191. http://doi.org/10.2991/ISMEMS-16.2016.33
Калашников В.И., Нестеров В.Ю., Хвастунов В.Л., Комохов П.Г., Соломатов В.И. и др. Глиношлаковые строительные материалы. Пенза. 2000. С. 206.
Самченко С.В. Формирование и генезис структуры цементного камня [Электронный ресурс]: Монография / С.В. Самченко: М-во образования и науки Рос. Федерации. Нац. исследоват. Моск. гос. строит. ун-т. Электрон. дан. и прогр. (14 Мб). М.: НИУ МГСУ, 2016.
Калашников В.И., Хвастунов Л.В., Викторова О.Л., Журавлев В.М., Степанов В.И. Теоретические предпосылки высокой поверхностной реакционной активности карбонатов в формировании прочности карбонатно-цементных и карбонатно-шлаковых вяжущих // Современные проблемы строительного материаловедения. V акад. чтения РААСН. 1999. Воронеж. С. 181–187.
Макридин Н.И., Тараканов О.В., Максимова И.Н., Суров И.А. Фактор времени в формировании фазового состава структуры цементного камня // Региональная архитектура и строительство. 2013. № 2 (16). С. 26–31.
Макридин Н.И., Тараканов О.В., Максимова И.Н., Суров И.А. Фазовый состав и механические свойства модифицированной структуры цементного камня многолетнего твердения // Вестник ВолгГАСУ. Серия. Строительство и архитектура. 2013. № 31 (50). С. 136–144.
Штарк Й., Больцман К., Зайфарт К. Является ли эттрингит причиной разрушения бетона // Цемент и его применение. 1998. № 2. С. 13–22.
Тараканов О.В., Акчурин Т.К., Белякова Е.А., Душко О.В. Перспективы применения комплексных органоминеральных добавок в бетонах нового поколения // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2023. Вып. 2(91). С. 88–98.

Еще

Статья научная