Сухие строительные смеси с модифицирующей добавкой на основе кремнезема

Урханова Л.А., Лхасаранов С.А., Битуев А.В., Бадмаева Э.В. Сухие строительные смеси с модифицирующей добавкой на основе кремнезема // Нанотехнологии в строительстве. 2024. Т. 16, № 6. С. 525–532. – EDN: RTDYDR.

Внастоящее время в строительстве большое значение приобретает практика применения сухих смесей различного назначения. Широкая номенклатура видов сухих строительных смесей позволяет использовать их на разных этапах строительства зданий и сооружений. Сухие строительные смеси используются при выполнении бетонных, штукатурных, кладочных, плиточных, малярных, декоративных и облицовочных работ, при устройстве покрытий полов [1]. Анализ рынка сухих строительных смесей (ССС) в России за 2019–2023 гг. показал, что среди сухих смесей для строительства большие

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ перспективы имеют смеси для устройства напольных покрытий: легкие напольные смеси, ровнители, самовыравнивающиеся напольные смеси. При этом последние стали применяться не только для стяжек, но и для бесшовных финишных напольных покрытий для промышленных, сельскохозяйственных и общественных зданий [2].

Сухие строительные напольные смеси должны соответствовать жестким требованиям как по технологическим, так и по эксплуатационным свойствам. Среди требований к данным смесям можно отнести повышенную стойкость к ударным нагрузкам, низкую истираемость, хорошую адгезию к бетонному основанию [1, 3]. В самовыравнивающихся напольных смесях, помимо улучшения адгезии к основе, в значительной степени улучшаются также износостойкость, связность и долговечность [1, 4, 5]. Согласно требованиям ГОСТ 31358-2019, основными показателями качества затвердевших напольных растворов являются предел прочности на растяжение при изгибе, значения которых в зависимости от приложения нагрузки должны быть не менее 2,5 МПа; предел прочности при сжатии – соответственно не менее 10 МПа; деформация усадки – не более 1,5 мм/м.

В производстве напольных сухих смесей используются различные виды вяжущих материалов. Наиболее широко среди минеральных вяжущих применяются цемент, гипс, гашеная известь, возможно использование смешанных и композиционных вяжущих. Выбор вида вяжущего производится в зависимости от назначения, условий твердения, требуемых эксплуатационных свойств ССС.

В составе композиционных вяжущих, как правило, присутствуют тонкодисперсные наполнители на основе кремнеземсодержащих и карбонатсодержащих пород. Одним из способов получения композиционных вяжущих является совместный помол портландцемента и активных минеральных добавок. Зерна тонкодисперсного наполнителя заполняют пустоты в объеме строительного раствора, что способствует увеличению прочности контактов между частицами цемента и заполнителя. Высокая дисперсность и большая удельная поверхность таких наполнителей обуславливают улучшение реологических свойств, увеличение водоудерживающей способности строительных растворов [6]. Автором работы разработаны составы вяжущих низкой водопотребности – ВНВ-50 с активностью 40–50 МПа на основе кремнеземсодержащего компонента ме-таморфогенного и интрузивно-магматогенного происхождения с использованием поликарбоксилатного и меламинформальдегидного пластификатора и сухих самовыравнивающихся напольных смесей [2].

Учитывая, что при измельчении композиционных вяжущих происходит высвобождение части внутренней энергии вещества, которая реализуется в последующих физических и химических процессах, то целенаправленный поиск термодинамически нестабильных исходных компонентов природного и техногенного происхождения вяжущих композиций позволит не только снизить энергетические затраты при их получении, но и улучшить свойства композитов на их основе.

Для снижения деформаций усадки и повышения трещиностойкости ССС используются дисперсные армирующие компоненты, основной функцией которых является сдерживание развития микротрещин. Важным при улучшении деформативных свойств является правильный выбор вида волокон, а эффективность дисперсного армирования зависит от совместимости волокон с минеральной матрицей, процента армирования, равномерности распределения волокон в объеме материала и условий эксплуатации материала [7].

Для получения напольных смесей интересным является применение базальтового волокна. Базальтовое волокно превосходит по прочности сталь и за счет малого диаметра волокон (9-12 мкм) обладает гораздо большей удельной поверхностью сцепления с цементным камнем. Эффективное противодействие образованию микротрещин в материале при использовании базальтового волокна происходит благодаря низкому относительному удлинению при разрыве по сравнению со стальной фиброй [8].

Для обеспечения заданного набора свойств ССС используются химические добавки различного функционального назначения. В основном, это касается использования полимерных добавок, применение которых улучшает гидрофизические и механические свойства смесей [5–7], например, самовыравни-вающихся напольных смесей. Альтернативой использования традиционным полимерным добавкам являются минеральные добавки отечественного производства, при применении которых необходимо изучение свойств цементно-минеральной матрицы, а также структуры цементного камня.

В последнее десятилетие развиваются знания о влиянии добавок наноразмера в виде нанодисперс-ного кремнезема, фуллеренов, углеродных нанотрубок на свойства бетонов [9–13] и других материалов. Авторами работ исследовался эффект модифицирования структуры и свойств бетона с использованием нанокремнезема, полученного способом испарения вещества под действием электронного пучка, создаваемого электронным ускорителем [14] с названием Таркосил «Ts» [15, 16].

Цель настоящего исследования – выявление закономерностей между нормируемыми показателями качества затвердевших строительных растворов для устройства самовыравнивающихся полов от рецеп-

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ турных факторов состава смесей с использованием композиционных вяжущих, модифицирующих добавок, таких как нанодисперсный кремнезем, минеральное базальтовое волокно и ПАВ.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В проводимых исследованиях для получения вяжущих низкой водопотребности и сухих строительных смесей для напольных покрытий были использованы следующие материалы: портландцемент (ПЦ) ЦЕМ I 42,5 Н ООО «ТимлюйЦемент»; зола-уноса (ЗУ) Гусиноозерской ГРЭС Республики Бурятия, вулканический шлак (ВШ) Хурай-Цакирского месторождения Республики Бурятия, нанокремнезем (НК) Таркосил Т50, полученный на ускорителе электронов; суперпластификатор (СП) Sika®ViscoCrete® 225 P в виде порошка на основе эфиров поликарбоксилатов; кварц-полевошпатовый песок для строительных работ ОАО «Речной порт» (г. Улан-Удэ).

В качестве вяжущих для получения ССС использовали ПЦ и вяжущие низкой водопотребности (ВНВ). ВНВ получали совместным помолом до удельной поверхности 400–450 м2/кг портландцемента, золы уноса или вулканического шлака при различном соотношении компонентов и сухого суперпластификатора в стержневом виброистирателе.

Зола уноса Гусиноозерской ГРЭС относится к низкокальциевым золам, которые состоят, в основном, из алюмосиликатного стекла (66–81%). Согласно рентгенофазовому анализу, основными кристаллическими минералами в низкокальциевой золе-уносе являются SiO2 в форме кварца (d/n = 3,356; 1,821; 1,544; 1,376), глинозем в виде муллита (d/n = 1,682), оксид железа в виде гематита (d/n = 2,702; 2,211; 1,699).

Вулканические шлаки Хурай-Цакирского месторождения – сыпучие и обломочные породы пористой ноздреватой структуры из вулканического стекла основного либо среднего состава с примесью других продуктов вулканических извержений. По составу вулканические шлаки относятся к щелочным алюмосиликатным образованиям. На рентгенограммах вулканического шлака присутствуют линии кварца (d/n = 3,356), псевдоволластонита (d/n = 3,22), диопсида (d/n = 3,00), гематита (d/n = 2,53).

Определение степени пуццоланической активности золы уноса и вулканического шлака определяли по количеству поглощенного СаО из насыщенного раствора гидроксида кальция по ГОСТ 25592-2019. Показатель поглощенного СаО у золы уноса, по результатам исследования, составила 35,3 мг/г, что соответствует активным минеральным добавкам со средними пуццоланическими свойствами, в то время как вулканический шлак был отнесен к до-

Таблица 1

Фракционный состав песка, обеспечивающий максимальную плотность раствора

Фракции песка, мм 1,25–2,5 0,315–1,25 0,16–0,315 Содержание фракции песка, масс. % 25 50 25 бавкам с низкими пуццоланическими свойствами с показателем 15,6 мг/г.

Использование оптимальной гранулометрии песка позволяет получать более плотные растворные смеси при пониженном расходе минерального вяжущего вещества (табл. 1). По содержанию пылеватых, глинистых и органических примесей песок соответствует требованиям ГОСТ 8736 и может быть использован для получения сухих строительных смесей.

В качестве модифицирующей структуру цементного камня добавки в исследованиях использовался НК Таркосил. Нанокремнезем Таркосил Т50 получен на установке, разработанной в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН и Институте ядерной физики СО РАН (г. Новосибирск). По химическому составу Таркосил Т50 на 99% состоит из аморфного кремнезема, условно гидрофобного, концентрация ОН-группы – 0,4–0,5 ОН-группы на квадратный нанометр поверхности. Средний размер частиц НК, по данным прибора Сорби-М, – 53 нм.

В качестве армирующей добавки было использовано базальтовое волокно (БВ), полученное с использованием электромагнитного технологического реактора из базальтовых пород месторождений Республики Бурятия. Базальтовые волокна имеют средний диаметр волокон 10 мкм, прочность на разрыв – 1350 МПа, температуростойкость – 600 ◦С.

Испытание вяжущих материалов и самовырав-нивающихся напольных смесей проводились в соответствии с методиками ГОСТ 31358-2019, ГОСТ 31356-2007, ГОСТ 24544-2020.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты исследований показали, что исходная активность пуццолановых добавок, их количество и степень дисперсности, введение, количество нанокремнезема определяет физико-механические свойства ВНВ. С использованием вулканического шлака при оптимальном его содержании (20–30 мас. %) прочность композиций достигает 55–59 МПа после 28 суток твердения, в то время как прочность ВНВ с использованием золы уноса в качестве добавки при одинаковом его содержа-

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ нии – 58–62 МПа, что на 5–7% выше прочности вяжущих с вулканическим шлаком. При введении НК при дозировке 0,05% от массы вяжущего прочность при сжатии гидратного камня в возрасте 7 суток увеличилась на 35%, а в возрасте 28 суток – на 25% по сравнению с контрольными образцами. Использование поликарбоксилата в оптимальном количестве 0,5% от массы вяжущего снижает расход воды на 25%, тем самым компенсируя потерю прочности гидратного камня, связанную с уменьшением количества цемента в составе ВНВ. Помимо уменьшения расхода цемента активные тонкодисперсные добавки способствуют связыванию свободной извести, что обеспечивает сохранение и улучшение прочности вяжущих. Высокая подвижность и связность вяжущих низкой водопотребности делает их наиболее подходящими для использования в качестве компонентов самовыравнивающихся сухих напольных смесей [17, 18].

Для улучшения свойств композиционных вяжущих и, соответственно, раствора на их основе требуется не только их уплотнение за счет использования тонкомолотых минеральных добавок и пластифицирующего эффекта добавки поликарбоксилата, но и дополнительное уплотнение структуры за счет образования новых гидратных фаз, обладающих определенной структурой, прочностью и стойкостью. Нанодисперсная добавка Таркосил, обладая повышенной реакционной активностью по сравнению с вулканическим шлаком и золой уноса, вступает в реакцию с известью, связывая ее с образованием дополнительного количества гидросиликатов кальция, уплотняя и упрочняя структуру вяжущих и строительного раствора.

Учитывая широкий спектр воздействующих факторов на напольные покрытия, необходимо было разработать составы сухих напольных смесей, отличающихся высокими показателями по прочности на сжатие и на растяжение при изгибе, малой усадкой, истираемостью, повышенной трещино-стойкостью и высокой адгезией к основанию. Для исследования свойств затвердевших напольных растворов составы подбирались при обеспечении эффекта самовыравнивания с подвижностью по рас-плыву кольца не менее 230 мм. Соотношение между песком и вяжущим веществом во всех исследуемых составах составляло 3:1.

Для обеспечения высокого темпа набора прочности и достижения проектных прочностных показателей напольных растворов необходимо максимально возможное снижение водоцементного отношения при сохранении показателей подвижности. Введение минеральных микро-, наноразмерной и армирующей добавок привело к изменению водоцементного отношения растворных смесей (табл. 2).

Таблица 2

Технологические показатели сухих строительных напольных смесей

Состав вяжущего сухой строительной напольной смеси	Водоцементное отношение	Водоудерживающая способность, %
ПЦ контр.	0,65	95,5
ВНВ-70 (ЗУ)	0,58	97,9
ВНВ-70 (ЗУ)+НК	0,60	99,5
ВНВ-70 (ЗУ)+БВ+НК	0,61	99,6
ВНВ-70 (ВШ)	0,60	97,7
ВНВ-70 (ВШ)+НК	0,62	99,3
ВНВ-70 (ВШ)+БВ+НК	0,63	99,5

Одновременное введение микроразмерной добавки (зола уноса, вулканический шлак), нанокремнезема и суперпластификатора способствует снижению водоцементного отношения растворных смесей по сравнению с контрольными бездобавоч-ными составами на 10–12% при сохранении подвижности по расплыву кольца, составляющего 240 мм. Введение базальтового волокна незначительно влияет на увеличение водоцементного отношения. Использование не только суперпластификатора, но и НК Таркосил Т50 позволяет получить смеси с требуемыми реологическими характеристиками при минимальных расходах воды.

Известно, для улучшения водоудерживающей способности в состав напольных смесей вводится комплекс добавок неорганического и органического происхождения. В качестве неорганических компонентов используются известь, диатомит, золы. В качестве органических компонентов применяются высокоэффективные добавки нового поколения – сложные гидратированные эфиры целлюлозы, вводимые в количестве 0,3–0,5% от массы сухой смеси [1]. В проводимых исследованиях введение в состав смесей НК в количестве 0,015% от массы сухой смеси повышает водоудерживающую способность на 2–4% по сравнению с бездобавочными составами. Улучшение показателя водоудерживающей способности составов с нанокремнеземом связано с его высокой степенью дисперсности. Частицы нанокремнезема образуют вокруг себя водные оболочки, снижая количество несвязанной воды.

Процесс формирования структуры и свойств строительных материалов на основе сухих смесей несколько отличается от структурообразования минеральных бетонов с крупным заполнителем. Особенности структуры строительных растворов, полученных из сухих строительных смесей с добавками,

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Таблица 3

Физико-механические показатели сухих строительных напольных смесей после 28 суток твердения

Состав вяжущего сухой строительной напольной смеси Прочность при сжатии, МПа Прочность при изгибе, МПа Ширина раскрытия трещин, мм Истираемость, г/см2 Прочность сцепления с бетонным основанием, МПа ПЦ контр. 24,1 5,1 0,6 0,9 0,7 ВНВ-70 (ЗУ) 27,2 5,8 0,5 0,75 0,8 ВНВ-70 (ЗУ)+НК 32,8 7,5 0,2 0,55 1,0 ВНВ-70 (ЗУ)+БВ+НК 36,5 9,1 – 0,3 1,1 ВНВ-70 (ВШ) 26,5 5,4 0,45 0,8 0,75 ВНВ-70 (ВШ)+НК 28,8 7,1 0,25 0,65 0,9 ВНВ-70 (ВШ)+БВ+НК 33,6 8,2 – 0,34 1,0 во многом определяются степенью их воздействия [1, 19, 20]. Как показали результаты исследования различных составов сухих строительных смесей с минеральными добавками направленного действия, введение небольшого количества нанокремнезема повышает прочность при сжатии строительного раствора (табл. 3) на 30–35% по сравнению с раствором на основе ПЦ. Повышение прочности раствора на основе ВНВ с использованием добавки НК происходит за счет уплотнения структуры, вызванного взаимодействием кремнезема шлака или золы и НК с продуктами гидратации цемента и образованием дополнительного объема низкоосновных гидросиликатов кальция.

Исследование кинетики твердения строительного раствора показало, что набор прочности происходит интенсивно в течение 7–14 суток, после чего процесс роста прочности выравнивается. Оптимизация состава позволила снизить трещинообразование затвердевшего раствора за счет введения нанодобавки и микроармирующего компонента.

Введение базальтового волокна, помимо повышения показателей прочности материала на сжатие, в 1,5–1,8 раз увеличивает предел прочности на растяжение при изгибе. Введение армирующего компонента уменьшает развитие микротрещин напольного покрытия при нагружении и увеличивает прочность сцепления волокна с портландцементом в силу их химического сродства, а введение НК повышает коррозионную стойкость базальтового волокна. Пуццолановая реакция, происходящая между нанокремнеземом и портландитом, приводит к дополнительному образованию гидросиликатов кальция и изменению щелочности среды, предотвращая коррозию базальтового волокна.

Содержание фибры в оптимальном количестве (4 масс. %) обеспечивает максимальную трещино-стойкость строительного раствора и стойкость напольного покрытия к истиранию.

Учитывая тот факт, что свойства затвердевшего строительного раствора в большей степени зависят от его пористой структуры, которая, в свою очередь, может быть оценена по величине водопо-глощения, были проведены комплексные исследования по определению водопоглощения и влиянию рецептурных факторов на эти показатели. На рис. 1 представлены кривые зависимости водопоглощения от состава строительного раствора из сухой смеси с различными минеральными и нанодисперсной добавками. Показано, что минимальным водопогло-щением обладают составы с ВНВ с одновременным введением армирующей и нанодисперсной добавок.

Микроструктурные исследования образцов строительных растворов (JEOL-JSM-6510LV, ЦКП «Прогресс» ВСГУТУ) с добавками, представленные на рис. 2, показывают изменение микроструктуры, связанное с эффектом действия добавок – базальтового волокна и добавки Таркосил Т50. Добавка Тар-косил не только повышает коррозионную стойкость минерального волокна, но и способствует равномерному распределению композиционного вяжущего на поверхности минерального заполнителя, а это, в свою очередь, свидетельствует об усиливающей роли добавок и упорядочении микроструктуры строительного раствора из сухой смеси. Кроме того, дисперсное армирование совместно с добавкой Тар-косил Т50 способствует укреплению конгломерата, что обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики материала и длительную работу в зданиях и сооружениях.

Кроме того, введение микроармирующих добавок, армируя структуру твердеющего материала, приводит к снижению усадочных деформаций строительного раствора во всех направлениях (рис. 3).

Величина снижения усадочных деформаций зависит от количества волокнистого компонента, минерального наполнителя, вида вяжущего вещества. Минеральный наполнитель в виде вулканического

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Рис. 1. Влияние состава строительного раствора на водопоглощение

Рис. 2. Микроструктура строительного раствора ( × 1000): а – без добавок; б – с базальтовой фиброй и НК

Рис. 3. Деформации усадки сухих строительных напольных смесей

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ шлака или золы уноса, добавка нанодисперсного кремнезема снижают пористость и усадочные деформации, а также повышают истираемость раствора. Эффект повышения трещиностойкости значительно усиливается, на 20–30%, при введении базальтового волокна. Оптимизация составов ССС позволила снизить трещинообразование затвердевшего строительного раствора благодаря введению минеральных добавок направленного действия при минимальном расходе цементного вяжущего.

С целью обеспечения длительной совместной работы, как правило бетонного основания и строительного раствора из сухой смеси, необходимо вводить в состав композиций дисперсные порошки, как правило редиспергируемые полимерные порошки [5, 21, 22] или добавки с хорошим проникающим действием [1], улучшающие прочность сцепления и адгезионную связь с основой. Следует особо отметить, что адгезионная прочность зависит от прочности не только самого строительного раствора, приготавливаемого из сухой смеси, но и цементобетонного основания, качества поверхности, его чистоты и влажности [1]. При разработке состава сухой смеси, на наш взгляд, применение нанодисперсного кремнезема не только модифицируют структуру композита и создает более плотную упаковку затвердевшего раствора, но и усиливает адгезию раствора к бетонному основанию. Вследствие протекания реакции между ним и Са(ОН)2, образующимся при гидратации цемента, прочность сцепления в системе «раствор из сухой смеси – бетонное основание» возрастает. В случае

же присутствия на поверхности бетона СаСО3, образуемого при взаимодействии портландита с углекислым газом окружающего воздуха, фазовый состав пластинчатых кристаллических образований, исходя из результатов дополнительных микроскопических исследований, соответствует гидросиликатам смешанного типа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, проведена оптимизация составов сухих строительных смесей для целевого использования и показаны пути увеличения технологических, механических и эксплуатационных показателей сухих строительных напольных смесей с использованием комплекса добавок различного функционального назначения.

На основании проведенных исследований можно сделать вывод о достаточно высоких эксплуатационных показателях строительных растворов из сухих смесей для самовыравнивающихся напольных покрытий на основе композиционных вяжущих с добавками направленного действия по сравнению с составами без добавок. Отмеченные высокие показатели по водоудерживающей способности, прочности, трещиностойкости, адгезионной способности и других показателей достигаются за счет пуц-цоланической активности, гидрофобизирующего, пластифицирующего эффекта добавки нанокремнезема и микроармирующего эффекта базальтового волокна.