Свойства арболита с наномодифицирующей добавкой на основе микрокремнезема

В настоящее время лиственные породы древесины (береза, осина и др.) становятся все более востребованными в деревообрабатывающей промышленности в связи с сокращением хвойных пород более чем на 8 млрд. м3. При этом актуальным является исследование возможности использования отходов от их переработки в виде заполнителя в арболите – легком бетоне на цементном вяжущем, древесной дробленке и химических добавках.

Основную опасность для арболита представляют экстрагируемые вещества (ЭВ) – лег-кодиффундируемые через стенки клеток древесины и вымываемые водой частицы размером до 1 мкм, которые оказывают негативное влияние на гидратацию вяжущего, сроки схватывания и твердения арболитовой смеси, снижают прочность материала [1–4].

Для нейтрализации ЭВ в древесном заполнителе (ДЗ) применяются специальные технологические приемы, такие как замачивание и выдерживание ДЗ в воде или растворе извести, ультразвуковая обработка ДЗ, введение кольматирующих добавок [5–8].

Исходя из технико-экономической целесообразности и упрощения процесса производства арболита и строительных изделий из него большой научно-практический интерес представляет собой использование активных кремнеземистых добавок (АКД), способствующих кольматации пор и блокированию выхода экстрагируемых веществ из древесного заполнителя в поровое пространство цементной системы.

Механизм действия АКД обусловлен в основном химическим взаимодействием кремнезема SiO 2 с гидроксидом кальция Ca(OH) 2 , выделяющимся в значительном количестве в результате гидролиза трехкальциевого силиката кальция C 3 S цемента, и определяется наличием свободных реакционноспособных силанольных групп (≡SiOH) на поверхности частиц SiO 2 , содержание которых зависит от их дисперсности. При этом формируются кристаллы низкоосновных гидросиликатов кальция волокнистой морфологии, полукристаллические и аморфные гидраты кальциевых силикатов в виде CSН геля, приводящие к уплотнению, упрочнению и снижению проницаемости цементной матрицы бетона.

Известно, что ультра- и нанодисперсные кремнеземы заметно активнее влияют на концентрацию ионов Ca²⁺ и OH^- в жидкой фазе цемента уже в первые минуты гидратации, что приводит к сокращению длительности индукционного периода. В присутствии ультра- и наночастиц SiO 2 образование продуктов гидратации в ранний период происходит в непосредственной близости от их поверхности, цементные зерна в меньшей степени блокируются новообразованиями, что способствует интенсификации процесса гидролиза и гидратации клинкерных минералов [9–14].

Целью работы является исследование влияния наномодифицирующей добавки (НМД) на основе микрокремнезема (МК) на физико-механические свойства конструкционно-теплоизоляционного крупнопористого арболита для стеновых неармированных изделий.

Материалы и методы исследования

Для изготовления образцов арболита использовались: нормальнотвердеющий портландцемент типа ЦЕМ I, класса прочности 42,5 по ГОСТ 31108-2020 (РПТ УП «Управляющая компания холдинга “Белорусская цементная компания”», Республика Беларусь); дробленка из свежесрубленной древесины лиственных пород в виде смешанных (1:1) березовых и осиновых пластинчатых и игольчатых частиц длиной от 2 до 20 мм по ГОСТ 19222-2019 (ГУП «Брянский лесхоз», Брянская область); наномодифицирующая добавка на основе неуплотненного конденсированного микрокремнезема марки МК-85 с содержанием аморфного диоксида кремния (SiO 2 ) в количестве не менее 85 % по ГОСТ Р 58894-2020 (ООО «Микросилика», г. Пермь) и нафталинформальдегидного суперпластификатора С-3 в виде сухого вещества по ТУ 5870002-58042865-03 (АО «ГК Полипласт», Московская область); питьевая вода по ГОСТ 237322011 (Брянская область).

Получение НМД проводилось путем 7-минутного ультразвукового диспергирования (УЗД) водной суспензии с концентрацией твердой фазы 3 %, содержащей (по массе) 70 % МК 98

и 30 % С-3, в механоактиваторе ПСБ-4035-04 кавитационного типа действия с частотой ультразвука 35 кГц.

Арболитовые смеси изготовляли в лабораторном смесителе принудительного действия при указанной последовательности загрузки компонентов: древесная дробленка, смоченная 2/3 частями воды; портландцемент из расчета 380 кг на 1 м³; наномодифицирующая добавка, растворенная в 1/3 части воды. Затем способом послойного уплотнения тщательно перемешанных смесей формовались образцы-кубы арболита с размером ребра 7,07 см, которые выдерживались 28 сут в камере с естественными условиями твердения при температуре (20 ± 2) ° С и относительной влажности воздуха (70 ± 10) %.

При проведении исследования применялись следующие методы: сканирующая электронная микроскопия на микроскопе TESCAN MIRA 3 LMU и лазерная гранулометрия на приборе Analysette 22 NanoTec Plus (для анализа микроструктуры и гранулометрического состава МК); фотонно-корреляционная спектроскопия и электрофоретическое светорассеяние на анализаторе ZetaPlus (для изучения показателей размерности и устойчивости НМД); стандартные методы определения средней плотности, открытой пористости, коэффициента теплопроводности и прочности на сжатие арболита (по ГОСТ 19222-2019).

Результаты исследования и их обсуждение

Данные сканирующей электронной микроскопии (рис. 1) и лазерной гранулометрии (рис. 2) показали, что микрокремнезем, используемый в качестве активного минерального компонента техногенного происхождения для НМД, состоит из полидисперсных частиц аморфного диоксида кремния сферической формы средним диаметром 1150 нм.

а                                           б

Рисунок 1 – Микроструктура микрокремнезема: a – (×20000); б – (×50000)

Доля частиц, попадающих в нанодиапазон (до 100 нм), составляет 0,1 %; ультрадиапазон (от 100 до 1000 нм) – 39,5 %; микродиапазон (от 1000 до 10000 нм) – 58,3 %; макродиапазон (более 10000 нм) – 2,1 %.

Ультразвуковое диспергирование твердого материала в водной среде приводит к эрозии его поверхности в результате кавитации – образования в воде пульсирующих парогазовых пузырьков, которые концентрируются на неровностях поверхности и в микротрещинах.

Многократные гидравлические удары, возникающие при захлопывании пузырьков, вызывают локальное разрушение поверхности. Под действием акустических микропотоков вода проникает внутрь образовавшихся углублений, где разрушающее действие ударных волн становится еще более эффективным.

Рисунок 2 – Гранулометрический состав микрокремнезема

В суспензиях на границе раздела «дисперсная фаза – вода» возникает двойной электрический слой (ДЭС) – пространственное распределение электрических зарядов, которое появляется в непосредственной близости от поверхности частиц, контактируемых с дисперсионной средой.

Для количественного анализа величины заряда в ДЭС используется электрокинетиче-ский потенциал, или дзета-потенциал, который позволяет определить характер взаимодействия между твердыми фазами суспензий и их устойчивость к процессу агрегации.

Для агрегативно-неустойчивых суспензионных систем положительное или отрицательное значение дзета-потенциала колеблется в интервале от 0 до 30 мВ [15].

Методами фотонно-корреляционной спектроскопии и электрофоретического светорассеяния установлено, что УЗД микрокремнезема в водной среде без С-3 приводит к уменьшению среднего диаметра его частиц от 1150 до 780 нм. При этом образуется суспензия, дисперсная фаза которой размерами от 78 до 2558 нм и дзета-потенциалом -4,95 мВ является неустойчивой к агрегации (рис. 3 а).

Rei Vol -18 91 Cum Vol. - 314 Diam (nm) - 78.89

а

Рисунок 3 – Распределение по размерам частиц микрокремнезема после ультразвукового диспергирования: a – в водной среде

Diam.(nm) -614.03

Диаметр частиц, нм

Diam. (nm) = 56.28 б

Рисунок 3 (продолжение) – Распределение по размерам частиц микрокремнезема после ультразвукового диспергирования: б – в водной среде С-3

6000.0!

Диаметр частиц, нм

В то же время ультразвуковое диспергирование МК в водной среде С-3 способствует образованию суспензии с дисперсной фазой, устойчивой к агрегации, средним диаметром 400 нм в интервале от 56 до 614 нм и дзета-потенциалом, равным -52,91 мВ (рис. 3 б).

Эффект стабилизации частиц МК от агрегации суперпластификатором С-3 вызван тем, что его адсорбционные слои повышают дзета-потенциал от -4,95 мВ до -52,91 мВ, т. е. агрегативная устойчивость частиц МК обусловливается преимущественно их электростатическим отталкиванием.

Полученная наномодифицирующая добавка в виде агрегативно-устойчивой водной суспензии микрокремнезема, стабилизированного С-3, содержащей до 24 % частиц диаметром 56 нм, вводилась в состав арболитовой смеси для исследования ее влияния на набор прочности и физико-механические свойства арболита.

Кинетика набора прочности арболита в зависимости от количества НМД (рис. 4) определялась методом осевого кратковременного статического сжатия на гидравлическом прессе Matest C040N и оценивалась по процентному отношению (R сж ⁿ/R сж ²⁸·100 %) прочностного показателя образцов в промежуточном возрасте (n = 3, 7, 14 сут) к его значению в проектном возрасте (28 сут).

Рисунок 4 – Кинетика набора прочности на сжатие арболита

Выявлено, что арболит контрольного состава (без НМД) характеризуется следующим изменением прочности на сжатие: 32 % через 3 сут, 47 % через 7 сут, 86 % через 14 сут твердения.

При введении НМД в количестве 0,03–0,2 % (в пересчете на сухое вещество от массы портландцемента) прирост прочности на сжатие арболита через 3 сут твердения составляет 32–33 %, через 7 сут – 68–79 %, через 14 сут – 91–93 % (рис. 4).

Результаты испытаний показали, что использование НМД в количестве до 0,2 % позволяет ускорить набор прочности арболита в ранние сроки твердения (в первые 3 сут) от 0,19 до 0,42 МПа и повысить его прочность на сжатие в проектном возрасте от 0,64 до 1,28 МПа, а также снизить открытую пористость от 60 до 40 % при незначительном увеличении средней плотности (на 3 %) и коэффициента теплопроводности (на 7 %) (табл.).

Таблица

Физико-механические свойства арболита

№ состава	Количество наномодифицирующей добавки	Средняя плотность, кг/м3	Открытая пористость, %	Коэффициент теплопроводности, Вт/(м∙°С)	Прочность на сжатие, МПа
					3 сут твердения	28 сут твердения
1	Контрольный состав	609	60	0,235	0,19	0,64
2	НМД – 0,03 %	610	58	0,242	0,25	0,77
3	НМД – 0,06 %	611	53	0,243	0,28	0,85
4	НМД – 0,09 %	614	50	0,245	0,3	0,92
5	НМД – 0,13 %	619	45	0,248	0,34	1,02
6	НМД – 0,16 %	622	43	0,250	0,36	1,1
7	НМД – 0,2 %	628	40	0,253	0,42	1,28

Повышение прочности арболита обусловлено тем, что наномодифицирующая добавка на основе микрокремнезема, стабилизированного С-3, приводит к ускорению гидратации клинкерных минералов портландцемента.

За счет взаимодействия портландита Ca(OH) 2 с наночастицами аморфного диоксида кремния в поровом пространстве цементного камня твердеющего арболита формируется дополнительное количество низкоосновных гидросиликатов кальция и CSН геля, способствующих уплотнению и соответственно упрочнению структуры бетона, что подтверждается данными сканирующей электронной микроскопии на микроскопе TESCAN MIRA 3 LMU (рис. 5).

а

Рисунок 5 – Микроструктура цементного камня в арболите контрольного состава (а, б) и с наномодифицирующей добавкой (в, г) в возрасте 28 сут: a, в – (×5000); б, г – (×10000)

б

в

Рисунок 5 (продолжение) – Микроструктура цементного камня в арболите контрольного состава (а, б) и с наномодифицирующей добавкой (в, г) в возрасте 28 сут: a, в – (×5000); б, г – (×10000)

Заключение

В результате исследования влияния наномодифицирующей добавки на физико-механические свойства конструкционно-теплоизоляционного крупнопористого арболита для стеновых неармированных изделий установлено, что разработанная добавка в виде агрегативноустойчивой водной суспензии микрокремнезема, стабилизированного С-3, содержащей до 24 % частиц диаметром 56 нм, позволяет ускорить набор прочности арболита в ранние сроки твердения и повысить его прочность на сжатие в проектном возрасте в 2 раза, а также снизить открытую пористость при незначительном увеличении средней плотности и коэффициента теплопроводности.