Нанодобавки из кремне- и железосодержащего (III) золя для тяжелого бетона на рядовых цементах

Л.Б. СВАТОВСКАЯ и др. Нанодобавки из кремне- и железосодержащего (III) золя для тяжелого бетона дной из задач современного материаловедения является создание бетона улучшенного качества и повышенной долговечности при рациональном расходовании тепловых и материальных ресурсов.

Решение задач такого рода может быть достигнуто при использовании высокоэффективных добавок нового поколения. В качестве добавок такого типа рассмотрены золи – это, как известно, коллоидные растворы, содержащие дисперсии разной природы размером от 1 до 100 нм.

Основная идея применения в качестве добавки золя состоит в использовании золя для создания дополнительного наноструктурного элемента в бетонной смеси; при этом полагалось, что вводимые новые структурные элементы будут, с одной стороны, нивелировать возникающие отрицательные явления внутри камня, обусловленные повышенными расходами цемента, а с другой – увеличивать гидратационную активность твердеющей системы за счет связывания продуктов реакции с соответственным повышением прочности, плотности, твердости и долговечности цементного камня.

В работе исследовалось изменение свойств бетона при использовании в качестве добавки золя кремниевой кислоты, в виде SiO2•nH2O и золя гидроксида железа (III), и при этом установлено, что наибольшим активирующим эффектом обладает золь кремниевой кислоты, модифицированный калием железистосинеродистым K4[(FeCN)6] в количестве 0,75 мас.% от массы цемента.

Было определено, что модифицированный золь кремниевой кислоты повышает прочность на сжатие образцов из цементной пасты в раннем возрасте на 85%, а в проектном возрасте – на 46%. Введение модифицированного золя кремниевой кислоты в бетонную смесь способствует значительному повышению прочности на растяжение при изгибе и, соответственно, трещиностойкости материала, что подтверждается данными, представленными в таблице 1.

Данные таблицы 1 показывают, что рост прочности на растяжение при изгибе у активированного бетона (независимо от расхода цемента) выше, чем рост прочности на сжатие, как в раннем, так и в проектном возрасте, что и способствует повышению трещиностойкости высоко-

Л.Б. СВАТОВСКАЯ и др. Нанодобавки из кремне- и железосодержащего (III) золя для тяжелого бетона

Таблица 1

Изменение прочности бетона в присутствии модифицированного золя кремниевой кислоты

Расход материала на 1 м3 бетона, кг В/Ц ОК, см Прочность, МПа/% Коэфициент трещино-стойкости, Ктр = Rизг/Rсж Ц П Щ Добавка, масс.% от массы цемента На сжатие На растяжение при изгибе Время, сут. 3 28 3 25 500 610 1100 – 0,38 2,0 31/100 43/100 4,9/100 6,3/100 0,15 620 1105 0,75 0,35 2,0 51/164 62/144 9,2/188 10,8/171 0,17 600 566 1006 – 0,36 2,0 39/100 55/100 6,2/100 7,6/100 0,14 580 1028 0,75 0,32 2,0 63/162 76/138 11,5/185 13,1/172 0,17 прочного бетона. Расчетно-экспериментальным путем определено, что коэффициент трещиностойкости у активированного бетона увеличивается более чем на 10% по отношению к контрольному составу и по данным микроскопических исследований (рис. 1) установлено, что при использовании модифицированного кремнезоля формируется более плотная структура камня, т. к. общая пористость активированного образца уменьшается и преобладают преимущественно мелкие капиллярные поры, что и отражается на увеличении прочности активированного бетона.

аб

Рис. 1. Структура искусственного камня (увеличение х10): а – контрольного; б – с модифицированным кремнезолем

Л.Б. СВАТОВСКАЯ и др. Нанодобавки из кремне- и железосодержащего (III) золя для тяжелого бетона

Физико-химическими исследованиями установлено, что при активировании бетона модифицированной добавкой на основе золя кремниевой кислоты в нормальных условиях образуются низкоосновные тобер-моритоподобные гидросиликаты типа CSH(I). Полученные результаты были положены в основу создания высокопрочного бетона при максимальном увеличении расхода цемента ПЦ400 Д0–Д20 в присутствии модифицированного золя кремниевой кислоты.

Экспериментально установлено, что бетон достигает максимального значения прочности 106,0 МПа при расходе цемента 950 кг/м3 бетона. Кинетика изменения прочности представлена в таблице 2, причем следует отметить заметный пластифицирующий эффект кремнезоля, особенно заметный при больших расходах цемента, близкий к действию органических суперпластификаторов.

Таблица 2

Кинетика изменения прочности бетона нормального твердения

№ образца	Расход материалов на 1 м3, кг					В/Ц	ОК, см	Вязкость, пз	Прочность на сжатие, МПа/% к контр.
	Ц	П	Щ	Добавка, %	В				Возраст, сут.
									3	7	28	45	60
1	950	174	987	–	295	0,31	1,0	306,7	38/100	47/100	76/100	68/100	62/100
2	950	184	1049	2 й щ’ Рч Я	223	0,23	1,0	306,9	62/163	74/157	106/139	113/166	118/190

Установлено, что прочность активированного бетона превышает прочность контрольного состава на 63 и 39% в раннем и проектном возрасте соответственно, причем прочность активированного бетона даже в более позднем возрасте имеет тенденцию к увеличению, в отличие от контрольного состава, у которого в возрасте 60 суток наблюдается уменьшение прочности. Комплексные физико-механические исследования активированного бетона показали, что кроме прочности повышается долговечность бетона, морозостойкость соответствует марке F900, водонепроницаемость марке W20.

( к содержанию 3

Л.Б. СВАТОВСКАЯ и др. Нанодобавки из кремне- и железосодержащего (III) золя для тяжелого бетона

Таблица 3

Изменение прочности мелкозернистого бетона в присутствии золя железа (III)

Класс бетона	Расход на 1 м3 бетона, кг		В/Ц	Прочность, МПа
	ПЦ400, Д20	Золь гидроксида железа		на сжатие		на растяжение при изгибе
				Возраст, сут.
				7	28	7	28
22,5	360	–	0,51	10,8/100	15,4/100	1,9/100	2,8/100
	360	0,9	0,50	15,9/147	22,2/144	3,0/159	4,4/157
30,0	410	–	0,50	12,7/100	20,8/100	2,3/100	3,7/100
	410	1,025	0,49	18,7/147	30,3/144	3,7/159	5,8/157

В работе исследовано влияние железосодержащих (III) дисперсий коллоидного размера на цементную твердеющую систему. С этой целью использовали коллоидный раствор гидроксида железа (III) и портландцемент ПЦ400 Д20 Пикалевского объединения «Глинозем». Золь гидроксида железа 0,1% концентрации получали путем гидролиза солей трехвалентного железа. При введении золя гидроксида железа (III) (таблица 3) прочность на растяжение при изгибе повышается в большей степени, чем прочность на сжатие, но степень роста прочности ниже, чем при использовании в качестве добавки модифицированного золя кремниевой кислоты.

Физико-химические исследования образцов камня в присутствии золя гидроксида железа (рис. 2) показали усиление степени гидратации цемента и появление новой фазы, представленной гетитом FeOOH (d/n = (4,18; 2,69; 2,45; 2,18)•10–10 м). У образцов искусственного камня с добавкой золя гидроксида железа на 17% увеличивается содержание химически связанной воды, что свидетельствует об увеличении степени гидратации цемента и подтверждает образование новой фазы гетита FeOOH, видно также появление эндоэффекта при температуре 380оС и экзоэффекта при температуре 680оС.

Новая фаза гетит (FeOOH) имеет игольчатую структуру, поэтому его образование может оказывать армирующее действие на формирующуюся структуру бетона, следствием чего и является повышение прочности на растяжение при изгибе.

( к содержанию з

Л.Б. СВАТОВСКАЯ и др. Нанодобавки из кремне- и железосодержащего (III) золя для тяжелого бетона

Рис. 2. Рентгенограммы образцов цементного камня (возраст 28 суток):

1 – контрольный; 2 – с добавкой Fe(III)-золя

Дальнейшие исследования позволят определить влияние природы заполнителя в присутствии золя гидроксида железа (III) на формирование проектной прочности бетона. С этой целью использовали в качестве заполнителя щебень разной природы. Полученные значения прочности представлены на рис. 3.

Сравнительный анализ представленных данных показывает, что разница в значении прочности бетона при использовании традиционного гранитного щебня и высокопрочного базальтового или известнякового щебня изменяется в пределах 5% относительно прочности активированного бетона на гранитном щебне, что позволяет получать бетон повышенной прочности на традиционном гранитном щебне в присутствии золя гидроксида железа.

Проведенные комплексные физико-механические исследования активированного бетона показали, что водопоглощение уменьшается более чем на 25% (относительных). В результате повышения плотности бетона увеличивается его морозостойкость на 50% и водонепроницаемость на 2 ступени, при этом понижается истираемость бетона на 48%, которая не превышает значения 0,5 г/см2. Потенциостатическими ис-

Л.Б. СВАТОВСКАЯ и др. Нанодобавки из кремне- и железосодержащего (III) золя для тяжелого бетона

Рис. 3. Прочность на сжатие бетона в возрасте 28 сут. при использовании заполнителей разной природы в присутствии золя Fe(III)

следованиями установлено, что в присутствии золя гидроксида железа (III) происходит самопроизвольное пассивирование арматуры, поскольку на поляризационной кривой отсутствует область активного растворения металла и при этом плотность понижается.

Вышеизложенное позволяет сделать следующие выводы:

• 1.    Коллоидные добавки увеличивают степень гидратации цемента и намного повышают прочность на растяжение при изгибе относительно прочности на сжатие при увеличении расхода цемента до 950 кг/м³ бетона. При этом получается высокопрочный бетон на традиционном цементе ПЦ400 Д20 классов В80, F900, W20.

• 2.    Установлено, что при использовании добавки коллоидного раствора, например, гидроксида железа, возможно проектировать высокопрочный бетон на традиционном гранитном щебне.

• 3.    Определено, что при использовании коллоидного раствора повышается плотность формирующейся структуры, в том числе и за счет пластификации бетонной смеси.

Л.Б. СВАТОВСКАЯ и др. Нанодобавки из кремне- и железосодержащего (III) золя для тяжелого бетона

Уважаемые коллеги!

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

Сватовская Л.Б., Соловьева В.Я., Степанова И.В., Старчуков Д.С. Нанодобавки из кремне- и железосодержащего (III) золя для тяжелого бетона на рядовых цементах // Нанотехнологии в строительстве: научный Интернет-журнал. М.: ЦНТ «НаноСтроительство». 2010, Том 2, № 5. C. 61–68. URL: (дата обращения: __ ____________).

Dear colleagues!

The reference to this paper has the following citation format:

Svatovskaya L.B., Solovyova V.Ya., Stepanova I.V., Starchukov D.S. SiO2-nH2O and Fe(OH)3-sol additives for heavy concrete made from ordinary cement. 2010, Vol. 2, no. 5, pp. 61–68. Available at: nb/ (Accessed _____________). (In Russian).