Прочность наномодифицированных высокопрочных легких бетонов

тратегия социально-экономического развития России до 2020 года, подготовленная Министерством экономического развития РФ, предполагает достижение к 2020 году амбициозных задач по обеспечению высокого уровня благосостояния населения и укреплению роли страны в глобальной экономике [1]. Достижение этих целей возможно при развитии рынка высокотехнологичных услуг и увеличения доли выпускаемой инновационной продукции в промышленности.

Строительная отрасль как неотъемлемая часть промышленного комплекса России является одним из инструментов для решения поставленных задач и должна ориентироваться на развитие новых инновационных

А.С. ИНОЗЕМЦЕВ, Е.В. КОРОЛЕВ Прочность наномодифицированных высокопрочных легких бетонов и энергоэффективных технологий. Использование современных конструкторских решений, новейших строительных материалов с применением разработок в области нанотехнологии должны обеспечивать интенсивный переход к высокотехнологичному строительному производству.

Перспективным направлением для строительной индустрии является разработка материалов, обладающих универсальным сочетанием эксплуатационных свойств. Одним из таких направлений является разработка конструкционных материалов с низкой средней плотностью и высокой прочностью.

Отечественный и зарубежный опыт, направленный на решение этой задачи, известен с 1999 года. Мировой опыт [2…9] показывает, что высокие значения показателя удельной прочности бетона, который характеризует его конструкционные качества, достижимы только при ρ _ср ≥ 1800 кг/м³. При дальнейшем снижении средней плотности этот показатель, вычисленный по формуле:

R уд = R сж / ρ

отн

(где R _сж – предел прочности при сжатии, МПа; ρ _отн – относительная плотность) не превышает 30 МПа.

Отечественный опыт [10, 11] реализован в разработке нанобетонов на алюмосиликатных полых микросферах с дисперсной арматурой в виде базальтовой фибры, наномодифицированной углеродными частицами фулероидного типа, которые апробированы при реконструкции мостов через реки Волга и Вятка.

При этом отрасли необходимы высокопрочные легкие бетоны конструкционного назначения с удельной прочностью более 30 МПа.

Зарубежный и отечественный опыт по разработке высокопрочных легких бетонов показывает, что наилучшие результаты в этом направлении получены при использовании новых наполнителей – полых микросфер [12]. Сырьевой рынок микросфер ориентирован в основном на полимерные композиционные материалы [13], но в последнее время все больше этот наполнитель используется нефтегазодобывающей и строительной отраслью. Выделяют две группы микросфер: алюмосиликатные (керамические) и стеклянные. Их химический состав определяется содержанием сырьевых компонентов и способом получения.

Алюмосиликатные микросферы добывают на ТЭС, где зола от сгорания угля удаляется в виде водной пульпы. Микросферы, имея плот-

А.С. ИНОЗЕМЦЕВ, Е.В. КОРОЛЕВ Прочность наномодифицированных высокопрочных легких бетонов ность менее 1000 кг/м3, самопроизвольно всплывают на поверхность водных бассейнов золошлаковых отходов, после чего их собирают, сушат и классифицируют. Объемы производства таких микросфер ограничиваются производительностью и технологическими особенностями ТЭС. Авторами [14] проведен анализ зол ТЭС России, из которого следует, что стабильный объем добычи алюмосиликатных микросфер в Центрально-Европейском и Северо-Европейском регионах составляют 18 и 15 тыс. т/год, соответственно.

Другая часть сырьевого рынка ориентируется на промышленном производстве стеклянных микросфер. Большинство полых стеклянных микросфер производится путем пропускания мелких частиц, содержащих порообразователь, через высокотемпературную зону. Частицы плавятся или размягчаются в горячей зоне, а газообразователь формирует полость внутри частиц, расширяя их. При охлаждении сферы на воздухе ее стенки успевают затвердеть до момента уменьшения внутреннего давления газа [13]. Несмотря на высокие физико-механические свойства и инертность стеклянные микросферы имеют существенный недостаток, обусловленный их высокой стоимостью (в 8–10 раз по сравнению с алюмосиликатными микросферами).

В лабораториях НОЦ «Нанотехнологии» МГСУ разработаны составы энергоэффективных наномодифицированных высокопрочных легких бетонов, содержащие вяжущее, минеральную часть, наномо-дифицированный наполнитель, пластифицирующую добавку и воду. В качестве вяжущего вещества используется портландцемент марки ПЦ500 Д0, соответствующий ГОСТ 30118-2003. Наполнителем, определяющим среднюю плотность бетона, являются полые алюмосиликатные и/или стеклянные микросферы. Минеральная часть состоит из кремнеземистых заполнителей полидисперсного состава, обеспечивающих образование плотного каркаса за счет заполнения пустот между наполнителем. Для снижения водопотребности и увеличения подвижности смеси вводят пластифицирующую добавку на поликарбоксилат-ной основе Meflux 1641F.

Очевидно, что важнейшим фактором, оказывающим влияние на прочность легких бетонов на полых микросферах, является прочность оболочки микросфер. Исследования влияния вида и марки микросфер на удельную прочность высокопрочных легких бетонов показывают, что полые стеклянные микросферы, аморфные по природе, имеют бо-

А.С. ИНОЗЕМЦЕВ, Е.В. КОРОЛЕВ Прочность наномодифицированных высокопрочных легких бетонов лее высокие показатели удельной прочности (рис. 1). Это объясняется более прочной структурой материала оболочки микросфер и меньшим размером частиц, средний размер которых – 30…35 мкм, что обеспечивает формирование более плотноупакованной структуры. Составы на алюмосиликатных микросферах обладают приемлемым показателем удельной прочности Rуд ≥ 30 МПа, поэтому технически и экономически привлекательны полые алюмосиликатные микросферы.

Рис. 1. Влияние вида микросфер на удельную прочность высокопрочных легких бетонов: ПСМС – полые стеклянные микросферы; ПАСМС – полые алюмосиликатные микросферы; ПЗМС – полые золомикросферы

Разработана методика проектирования составов наномодифициро-ванных высокопрочных легких бетонов с различной маркой по плотности. Соотношение составных частей бетона определяется требуемыми физико-механических показателями изделия и проектируется для каждой марки по плотности индивидуально.

Определяющим фактором для физико-механических свойств бетона является наполнитель (полые микросферы). Его содержание позволяет регулировать плотность бетона и его прочность посредством регулирования плотности упаковки каркаса частиц. Прочность бетона при прочих равных условиях зависит от прочности оболочки микросфер и цементно-минеральной матрицы, обволакивающей частицы наполнителя. Для увеличения прочности оболочки полых микросфер пред-

А.С. ИНОЗЕМЦЕВ, Е.В. КОРОЛЕВ Прочность наномодифицированных высокопрочных легких бетонов лагается использовать комплексный наноразмерный модификатор на основе золь гидроксида железа и золь кремниевой кислоты. Приготовление модификатора основывается на новом способе синтеза золя кремниевой кислоты [15], который заключается в химическом связывании положительно заряженных ионов натрия. Выдвинута гипотеза о том, что комплексное воздействие наномодификатора обеспечит повышение гидратационной активности цемента и, как следствие, повышение прочности цементного камня. Адгезия цементно-минеральной матрицы к наполнителю увеличивается за счет образования на поверхности микросфер тоберморитопобоных гидросиликатов кальция типа CSH (I) и появления представленной гетитом FeOOH [16] новой фазы.

Зависимость физико-механических свойств высокопрочных легких бетонов от содержания алюмосиликатных микросфер (рис. 2) показывает, что введение указанного наполнителя способствует закономерному снижению предела прочности при сжатии. Однако показатель технической эффективности, характеризуемый удельной прочностью, изменяется менее интенсивно, что объясняется конструктивным влиянием комплексного наноразмерного модификатора. Применение нано-размерного модификатора позволяет увеличить предел прочность при сжатии бетона не менее 15% в зависимости от объемной степени наполнения микросфер.

Очевидно, что введение микросфер приводит к структурным преобразованиям в бетоне. Различными исследователями предложены структурные критерии [17…19]:

_к   1+Зф 1+Зф у„-у_п , /107»                              \3

(1+ф^    (1+ф) ^т где С – содержание вяжущего; П – пористость материала; ∆σ – упрочнение при текущем ψр; ∆σ0– максимальное упрочнение композита при ψр = 1; ϕr– коэффициент разделения фаз; ϑt, ϑp – объемные доли пле-

А.С. ИНОЗЕМЦЕВ, Е.В. КОРОЛЕВ Прочность наномодифицированных высокопрочных легких бетонов

а)

б)

Рис. 2. Физико-механические свойства наномодифицированных высокопрочных легких бетонов: а – зависимость предела прочности при сжатии и средней плотности от содержания микросфер; б – зависимость удельной прочности от содержания микросфер ночной и объемной фазы матрицы, соответственно; ϑp – объемная доля матрицы в композите; νm, νп – объемные доли матрицы и пор в композите, соответственно.

Зависимость удельной прочности высокопрочных легких бетонов от критериев L , ψ _p и K_hom представлены на рис. 3.

А.С. ИНОЗЕМЦЕВ, Е.В. КОРОЛЕВ Прочность наномодифицированных высокопрочных легких бетонов

Рис. 3. Зависимость удельной прочности высокопрочных легких бетонов от структурных критериев L, ψ _p и K_hom

Анализ рис. 3 показывает, что независимо от вида структурного критерия изменение удельной прочности от содержания наполнителя для разработанных легких бетонов имеет экстремальный характер. Это объясняется следующим образом. Микросферы, вводимые в высокопрочную цементную матрицу, являются естественными дефектами структуры. Очевидно, что увеличение концентрации дефектов приводит к снижению прочности материала (рис. 2, а). В теории перколяции [19] рассматриваются две пороговые концентрации содержания дисперсной фазы: ϑ _{f ,I} = 0,16 и ϑ _{f ,II} = 0,34. При достижении первого порога перколяции ϑ _{f ,I} формируется каркас из частиц наполнителя (микросферы), который обеспечивает непрерывность дисперсной фазы, а следовательно, дефектов структуры. Это способствует снижению прочности материала на ~26%. Дальнейшее увеличение количества микросфер до второго порога перколяции ϑ _{f ,II} приводит к формированию каркаса с достаточно плотным расположением микросфер (рис. 4), при котором трещины интенсивно ветвятся, что увеличивает энергетические затраты на разрушение и снижает скорость изменения прочности dR/dC _МС .

А.С. ИНОЗЕМЦЕВ, Е.В. КОРОЛЕВ Прочность наномодифицированных высокопрочных легких бетонов

а)

б)

Рис. 4. Микрофотография структуры наномодифицированных высокопрочных легких бетонов:

а – увеличение x100; б – увеличение x200

При этом скорость снижения средней плотности d ρ /dC _МС не изменяется: ρ _ср = f ( C _МС ) описывается линейной функцией (рис. 2, а). Кроме того, близкая к идеальной сфере форма наполнителя способствует высокой трещиностойкости бетона. Развитие трещин происходит при большей нагрузке за счет равномерного распределения напряжений, действу-

А.С. ИНОЗЕМЦЕВ, Е.В. КОРОЛЕВ Прочность наномодифицированных высокопрочных легких бетонов ющих на частицы правильной формы. Дополнительное усиливающее воздействие на границе наполнитель/цементно-минеральная часть, препятствующее распространению трещин, оказывает наноразмерный модификатор. Таким образом, формирование структуры при CМС ≥ ϑf,II приводит к увеличению Rуд. Кроме того, твердая оболочка микросфер обеспечивает закрытую пористость, сохраняя высокие эксплуатационные свойства бетона.

Микросферы, имея низкую насыпную плотность, в низковязких водонасыщенных системах поднимаются в верхние слои, что недопустимо. Применение поликарбоксилатных пластификаторов типа Melflux, обладающих высоким водоредуцирующим и пластифицирующим эффектом, позволяет получить стабильную, равномерную бетонную смесь умеренной подвижности без расслоения независимо от объемной степени наполнения микросфер.

На основе проведенных исследований получены составы наномоди-фицированных высокопрочных легких бетонов с высоким показателем технической эффективности R _уд ≥ 30 МПа, что позволяет существенно расширить область применения легких бетонов. Такие бетоны позволяют более чем на 40% уменьшить нагрузку на конструкционные элементы здания, сохранить несущие характеристики и улучшить теплофизические свойства (см. табл.).

Таблица

Некоторые свойства наномодифицированного высокопрочного легкого бетона

Наименование показатель	Значение
Средняя плотность, кг/м3	1300…1500
Предел прочности при сжатии, МПа	40,0…70,0
Удельная прочность, МПа	30,0…55,0
Водопоглощение, %	менее 2,5
Коэффициент теплопроводности, Вт/м·К	менее 0,60
Коэффициент температуропроводности, 10–7 м2/с	менее 5,00
Удельная теплоемкость (при T = 25oC), кДж/кг·К	0,80…1,15

А.С. ИНОЗЕМЦЕВ, Е.В. КОРОЛЕВ Прочность наномодифицированных высокопрочных легких бетонов

Экономическая обоснованность внедрения предлагаемых бетонов требует комплексного подхода, учитывающего все свойства и преимущества материала. В [20] сформулированы экономические предпосылки применения наномодифицированных высокопрочных легких бетонов, основанные на уменьшении общего веса конструкции здания, экономии на теплоизоляционных работах и сокращении материалоемкости.

Перспективность использования разработанных высокопрочных легких бетонов обусловлена положительными качествами и преимуществами по отношению к широко применяемым тяжелым и легким бетонам на пористых заполнителях.

Уважаемые коллеги!

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

Иноземцев А.С., Королев Е.В. Прочность наномодифицированных высокопрочных легких бетонов // Нанотехнологии в строительстве: научный Интернет-журнал. М.: ЦНТ «НаноСтроительство». 2013, Том 5, № 1. C. 24–38. URL: (дата обращения: ______________).

Dear colleagues!

The reference to this paper has the following citation format:

Inozemtсev A.S., Korolev E.V. Strength of nanomodified high-strength lightweight concretes. Nanotechnologies in Construction: A Scientific Internet-Journal, Moscow, CNT «NanoStroitelstvo». 2013, Vol. 5, no. 1, pp. 24–38. Available at: (Accessed _____________). (In Russian).

А.С. ИНОЗЕМЦЕВ, Е.В. КОРОЛЕВ Прочность наномодифицированных высокопрочных легких бетонов