Влияние механической нагрузки при твердении гидросиликатов часть 1

А.Ш. ЧЕРДАБАЕВ Влияние механической нагрузки при твердении гидросиликатов. Часть 1

В се природные и синтетические материалы и системы построены из нанобъектов, так как именно на этом уровне «программируются» основные характеристики вещества, явлений и процессов. Нанотехнологический подход означает уже целенаправленное регулирование свойств объектов на молекулярном уровне [1, 2]. В идеальном варианте при использовании принципов самоорганизации вещества материалы должны создаваться «снизу вверх», в отличие от практикуемого до последнего времени подхода к миниатюризации «сверху вниз» (когда мелкие объекты создаются из крупных, например, путем измельчения).

Исследования на наноуровне и нанотехнологии вяжущих материалов были проведены авторами в работе [3].

Новые технологии в области производства бетонов приведены в [4], где рассмотрены некоторые достижения в области производства бетонов, в т. ч. применение нанотрубок для упрочнения бетона, высокопрочные бетоны, армированные стеклотканью, ультравысокопрочные бетоны (бетоны ультравысоких технологий) и др.

Определение наноструктурных аномалий в гидратированных цементных системах, как показано в [5], осуществляется методом насыщения гелием (МНГ). С помощью этого метода изучены особенности структуры силикатного геля в цементном камне с низким В/Ц-отноше-нием (< 0,38) нормального твердения и цементном камне автоклавного твердения, содержащем золу-унос или серу. В последних образцах отмечено быстрое внедрение значительных количеств Не, причем газ внедряется не только в межслоевые пространства CSH-фазы, но и в замкнутые (trapped). Наличие подобных внутренних структур является неожиданным и пока не имеет объяснения.

Нанодисперсная арматура в цементном пенобетоне была использована авторами работы [6], которые применили углеродные нанотрубки в качестве высокопрочной дисперсной арматуры при изготовлении без-автоклавного пенобетона.

Исследования на наноуровне и нанотехнология цементных материалов рассмотрены в работе [7]. Концепция исследований на нано- уровне и нанотехнологии в настоящее время приняты на вооружение во всех отраслях промышленности, производящих материалы. Однако в цементном производстве они находятся на начальной стадии. Вместе с тем, бетон с его сложной на наноуровне структурой гидратных фаз, добавок и примесей является идеальным материалом для использования нанотехнологического регулирования и контроля свойств. Приводятся самые общие положения проблемы применительно к цементной технологии.

Рассматривается гидратация цемента на наноуровне и образование гидросиликатов кальция C–S–H. Анализируется роль находящихся на наноуровне минеральных примесей - тонкодисперсного кремнезема, углеродных нанотрубок, а также влияющих на процесс гидратации химических добавок.

Образцы на активированной воде изготавливали из цементно-песчаного раствора соотношением 1:3 с В/Ц = 0,6. Установлено, что у образцов, приготовленных на активированной воде, прирост прочности на сжатие составил 15%, а прирост прочности на изгиб - 12%. Также установлено, что активированная вода пластифицирует цементное тесто, отодвигает сроки схватывания, приводит к повышению пластической прочности структуры. Одним из основных требований к закладочным смесям является достижение первоначальной прочности в возрасте 14 суток твердения.

В связи с этим, при использовании для приготовления закладочных смесей фосфорношлакового вяжущего необходима активизация его добавкой цемента, обеспечивающего схватывание смеси в ранние сроки и дальнейшую активизацию процесса твердения фосфорного шлака.

Фазовый состав образцов определялся методом рентгенофазового анализа порошков на дифрактометре ДРОН-3 с использованием CuK α -излучения. Кристаллические структурные особенности и полуколиче-ственный анализ проводились по общеизвестным методикам.

Для исследования субмикропористой структуры был использован прибор КРМ-1, микроструктурные параметры рассчитывались по методике Гинье. При изучении взаимосвязи прочности закладочной смеси с ее структурой и фазовым составом возникла необходимость изучения процессов структуро- и фазообразования во времени, то есть, сравнение морфологических и дифракционных картин по мере увеличения сроков твердения и по мере количественных и качественных изменений в фа- ( к содержанию 3

зовом составе и в структуре. Прочностные характеристики стандартных образцов получены в лаборатории по соответствующей методике испытания закладочных смесей.

С целью получения сравнительных данных о процессах твердения закладочных смесей в шахтных и стандартных лабораторных условиях проводились исследования двух серий образцов, отличающихся условиями хранения.

Для исследования влияния фазового состава и субмикроструктур на прочность твердеющих закладочных смесей были приготовлены образцы на основе фосфорношлакового вяжущего с добавкой 25% цемента. Образцы хранились во влажных условиях и испытывались через 14, 28 и 90 суток по стандартным методикам.

Исследованные образцы закладочных смесей, твердеющих в лабораторных условиях (во влажных условиях над водой) на основе фосфорношлакового вяжущего с добавкой 25% цемента, отличаются технологией приготовления вяжущего и заполнителя и сроками твердения (14 и 90 суток).

Рентгенофазовый анализ образцов закладочных смесей показывает, что независимо от способа приготовления и длительности хранения фазовый состав заполнителя остается практически неизменным, за исключением некоторого изменения в кварцевой составляющей. Поэтому в дальнейшем описываются фазовые изменения новообразований гидросиликатов кальция.

В возрасте 14 суток в образце, вяжущее для которого приготовлено традиционным способом, содержится, в основном, низкоосновный гидросиликат кальция CSH(I), количество которого при скоростном перемешивании вяжущего для закладочной смеси с предварительным аппретированием заполнителя не увеличивается (рис. 1).

Способ приготовления закладочной смеси в возрасте 14 суток на кварцевую составляющую влияния также не оказывает. Электронно-микроскопический анализ образцов закладочных смесей, отличающихся способами приготовления вяжущего (традиционное и скоростное перемешивание) с предварительным аппретированием заполнителя 5-процентным раствором перманганата калия, показывает, что микроструктура затвердевших образцов имеет существенные различия (рис. 2).

На рис. 2 (1) приводится изменение микроструктуры новообразований гидросиликатов кальция. При скоростном перемешивании наблю-

Рис. 1. Дифрактограммы твердеющих в течение 14 суток во влажных условиях закладочных смесей на основе хвостов обогащения и фосфорношлакового вяжущего с добавкой 25% цемента: 1 - приготовление вяжущего традиционным способом;

2 - приготовление вяжущего в вихревой камере скоростного перемешивания при предварительном аппретировании хвостов обогащения 5-процентным раствором перманганата калия (d в A)

даются редкие игловидные кристаллики новообразований, армирующие гелевидную массу. Обращает внимание повышение однородности в распределении гидросиликатных фаз (рис. 2 (2)), что меняет морфологическую картину образца - увеличивается количество игловидных кристалликов гидросиликатов, образующих волоконноподобные участки (рис. 2 (3)). В возрасте 90 суток в образце, вяжущее для которого приготовлено традиционным способом, по данным рентгенофазового анализа содержится, в основном, низкоосновный гидросиликат кальция CSH(I) (рис. 3). Его количество при скоростном перемешивании вяжущего увеличивается на 18%, а при предварительном аппретировании заполнителя и скоростном перемешивании вяжущего количество гидросиликата кальция CSH(I) увеличивается на 20% относительно образцов смеси, приготовленной традиционным способом.

Обращает на себя внимание, что в возрасте 90 суток происходит уменьшение количества кварцевой составляющей во всех образцах закладочной смеси, независимо от способа приготовления. Электронно-

А.Ш. ЧЕРДАБАЕВ Влияние механической нагрузки при твердении гидросиликатов. Часть 1

Рис. 2. Микроструктура твердеющей закладочной смеси на основе фосфорношлакового вяжущего с добавкой 25% цемента в возрасте 14 суток:

• 1    - исходная смесь;

• 2    - смесь, приготовленная в вихревой камере скоростного перемешивания с добавкой 25% цемента и воды;

• 3    - смесь, приготовленная в вихревой камере скоростного перемешивания

с добавкой 25% цемента и воды при предварительном аппретировании заполнителя 5-процентным раствором перманганата калия микроскопическое исследование закладочных смесей показало, что в возрасте 90 суток в образце, вяжущее для которого приготовлено традиционным способом, микроструктура представлена в основном мелкочешуйчатой гидросиликатной массой, в объеме которой наблюдаются редкие игловидные несовершенные кристаллы гидросиликатов. При скоростном перемешивании вяжущего происходит резкое увеличение количества гидросиликатов, совершенствуются их кристаллы, значительно увеличивается ширина контактных зон, в которых формируются призматические кристаллы гидросиликатов, причем наблюдается более равномерное распределение новообразования по объему образца. Предварительное аппретирование заполнителя перманганатом калия, кроме увеличения количества гидросиликатных новообразований, способствует усилению процесса кристаллизации новообразований преимущественно в контактной зоне.

Следует обратить внимание на вовлечение в процесс твердения кварцевой составляющей и формирование прочных сростков заполнителя и новообразований гидросиликатов. Таким образом, исследование процессов твердения закладочных смесей во влажных условиях на основе фосфорношлакового вяжущего с добавкой цемента методами рентгенофазового и электронно-микроскопического анализа показало, что на процессы формирования гидросиликатов кальция способ приготовле-

А.Ш. ЧЕРДАБАЕВ Влияние механической нагрузки при твердении гидросиликатов. Часть 1

Рис. 3. Дифрактограммы твердеющих в течение 90 суток во влажных условиях закладочных смесей на основе хвостов обогащения и фосфорношлакового вяжущего с добавкой 25% цемента: 1 - приготовление вяжущего традиционным способом;

• 2    - приготовление вяжущего в вихревой камере скоростного перемешивания;

• 3    - приготовление вяжущего в вихревой камере скоростного перемешивания при предварительном аппретировании хвостов обогащения 5-процентным раствором перманганата калия

ния закладочной смеси оказывает существенное влияние. В образцах, приготовленных традиционным способом, через 90 суток хранения (по сравнению с образцами в 14-суточном возрасте) не наблюдается роста количества гидросиликата новообразований CSH (I), незначительно увеличивается количество гелевидных продуктов гидратации (рис. 1, 3). Применение скоростного перемешивания при приготовлении вяжущего для закладочной смеси приводит к количественному и качественному изменениям гидросиликатов кальция в зависимости от сроков твердения (14-90 суток). Количество CSH(I) в образце в 90-суточном возрасте увеличивается почти на 30% по сравнению с образцом в 14-суточном возрасте. Наблюдается развитие микроструктуры гидросиликатной массы, причем резко увеличивается количество закристаллизованной части, совершенствуется морфология гидросиликатов, увеличивается количество короткостолбчатых призматических кристаллов, особенно в контактной зоне (рис. 2). Предварительное аппретирование заполнителя способствует, при увеличении сроков твердения от 14 до 90 суток, значительному росту количества гидросиликатов CSH(I) (почти на 35%), по сравнению с образцом, приготовленным традиционным способом (рис. 1, 3). Следует обратить внимание, что количество кварцевой составляющей заполнителя, по сравнению с образцами в 14-суточном возрасте, в возрасте 90 суток значительно уменьшается (на 25-30%), причем максимальное уменьшение наблюдается при скоростном перемешивании вяжущего с предварительным аппретированием заполнителя (рис. 1, 3).

Сравнение характера микроструктуры этих образцов, в зависимости от сроков твердения во влажных условиях, показывает (рис. 2), что с увеличением длительности хранения наблюдается существенное развитие гидросиликатной массы, усиливается процесс кристаллизации гидросиликатов кальция, увеличивается ширина контактных зон, причем формируются уплотненные микропористые участки со спутано-во-локнистым характером расположения кристалликов гидросиликатов кальция.

Следует обратить внимание, что положительный эффект скоростного перемешивания проявляется на более поздних сроках твердения закладочной смеси, что позволяет сравнить влияние условий хранения твердеющей смеси и установить, что шахтные условия твердения являются наиболее благоприятными для формирования гидросиликатной составляющей. Кроме того, вовлечение кварцевой составляющей заполнителя в процесс твердения происходит на поздних сроках твердения закладочной смеси, что также указывает на влияние условий хранения твердеющей закладочной смеси.

А.Ш. ЧЕРДАБАЕВ Влияние механической нагрузки при твердении гидросиликатов. Часть 1

Уважаемые коллеги!

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

Чердабаев А.Ш., Бисенов К.А. Влияние механической нагрузки при твердении гидросиликатов. Часть 1 // Нанотехнологии в строительстве: научный Интернет-журнал. М.: ЦНТ «НаноСтроительство». 2010, Том 2, № 2. C. 19– 27. URL: (дата обращения: ______________).

Dear colleagues!

The reference to this paper has the following citation format:

Cherdabaev A.Sh., Bisenov K.A. Influence of mechanical load at hydrosilicates hardening. Part 1. Nanotechnologies in Construction: A Scientific InternetJournal, Moscow, CNT «NanoStroitelstvo». 2010, Vol. 2, no. 2, pp. 19–27. Available at: (Accessed _____________). (In Russian).