Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,021

НАНОКРЕМНЕЗЕМ НА ОСНОВЕ ГИДРОТЕРМАЛЬНЫХ РАСТВОРОВ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, РЕЗУЛЬТАТЫ ПОВЫШЕНИЯ ПРОЧНОСТИ МЕЛКОЗЕРНИСТОГО БЕТОНА

Горев Д.С. 1 Потапов В.В. 1 Горева Т.С. 2
1 ФГБУН Научно-исследовательский геотехнологический центр Дальневосточного отделения Российской академии наук
2 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
В качестве добавок в бетоны в экспериментах использованы золи наночастиц SiO2 на основе гидротермальных растворов, полученные по разработанной технологии. Обоснована возможность применения полученного нанокремнезема как модифицирующей добавки для повышения прочности бетона. Изучены зависимости плотности и прочности образцов мелкозернистого бетона при сжатии и растяжении от расхода нанокремнезема и от расхода микрокремнезема. Прочность образцов мелкозернистого бетона при изгибе увеличивалась до расхода золя 0,25%, затем уменьшалась в области расхода 0,5%, далее росла при расходе 1,0%. Прочность образцов мелкозернистого бетона при сжатии зависит от расхода добавки золя нанокремнезема. При расходе золя 0,25% наблюдается рост прочности на сжатие образцов бетона с добавкой золя ГВ – на 24,8%. Такой расход золей ГВ является оптимальным для прочности на сжатие, так как дальнейшее увеличение расхода золя ГВ приводит к снижению прочно­сти на сжатие. Прочность образцов при сжатии также зависит от расхода микрокремнезема. Наибольшую прочность показывают образцы мелкозернистого бетона при расходе микрокремнезема SiO2 15 мас.% относительно расхода цемента. При­рост прочности при сжатии по сравнению с контрольными образцами составляет 26%.
гидротермальный раствор
ортокремниевая кислота
золи и порошки нанокремнезема
порошок микрокремнезема
предел прочности бетона при сжатии
1. Kim L.V., Potapov V.V., Kashutin A.N., Gorbach V.A., Shalaev K.S., Gorev D.S. Increasing of concrete strength ising nanosilica extracted from the hydrothermal solutions // Proceedings of the Twenty-third (2013) International Offshore and Polar Engineering Conference, Anchorage, Alaska, USA, June 30-July 5, 2013, ISOPE, P. 148-152.
2. Суздалев И.П. Нанотехнология: Физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов: изд. 2, испр. / И.П. Суздалев. – М.: Техносфера, 2009. – 592 с.
3. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии / А.И. Гусев. – Изд. 4-е, испр. – М.: Физматлит, 2009. - 416 с.
4. Сергеев Г.Б. Нанохимия: учеб. пособие. 3-е изд. / Г.Б. Сергеев. – М.: Книжный дом Университет (КДУ), 2009. – 336 с.
5. Потапов В.В., Сердан А.А., Кашпура В.Н., Горев Д.С. Получение и свойства нанокремнезема на основе гидротермального раствора // Химическая технология. – 2017. – № 2. – С. 65–73.
6. ГОСТ 310.4 – 81. Цементы. Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии. Госстрой СССР. – М.: ЦИТПГС СССР, 1981. – 11 с.

В настоящее время наблюдается развитие нового направления в строительной индустрии по модифицированию бетонов наночастицами различного химического состава, в том числе нанодисперсным SiO2. Гидротермальные растворы – новый сырьевой источник для производства нанодисперсных форм SiO2 [1]. Возможности по производству SiO2 на Мутновском месторождении (юж. Камчатка) составляют 3–5 тыс. т в год. Большую часть этого количества предполагается получать в форме золя, 1–5 % – в форме нанопорошка. Гидротермальные нанокремнеземы могут найти применение в качестве добавки в бетоны [2–4] с целью модифицирования характеристик, определяющих долговечность бетона.

Целью работы было исследование эффективности применения гидротермального нанокремнезема как модифицирующей добавки, повышающей прочность бетонов.

Материалы и методы исследования

В гидротермальных растворах наночастицы SiO2 формируются в пересыщенных водных средах за счет реакции поликонденсации ортокремниевой кислоты.

Получены образцы концентрированных водных золей кремнезема, для производства которых выбран ультрафильтрационный мембранный процесс как наиболее эффективный из исследованных [5].

Средние диаметры частиц SiO2 в золях были в пределах от 5 до 100 нм. Средние размеры частиц и электрокинетического потенциала в концентрированном золе, полученном на полупромышленной установке: плотность золя ρs = 1080 г/дм3, SiO2 = 150 г/дм3, pH = 8,6, TDS = 1970 мг/дм3, dm = 41,6 нм, ξm = –28,2 мВ.

Вакуумным сублимированием золей кремнезема с предварительным криогранулированием золей в жидком азоте получали мезопористые нанопорошки с развитой поверхностью [5].

При вакуумной сублимации криогранул золя образуются рыхлые трехмерные структуры от 20 до 100 мкм (при 250, 1000-кратном увеличении методом сканирующей электронной микроскопии). Средние диаметры наночастиц SiO2 находились для различных полученных образцов нанопорошков в диапазоне 5–10 нм. После криогранулирования золей и вакуумной сублимации криогранул не происходили агрегация наночастиц SiO2 и укрупнение их размеров по сравнению с первоначальными размерами в золях. Данные МУРР подтвердили отсутствие агрегации наночастиц SiO2 при переходе от золей к нанопорошкам.

Поверхностная плотность силанольных групп в кремнеземах, извлеченных из гидротермальных растворов, достигает значения 4,9 нм-2.

Результаты исследования и их обсуждение

Результаты повышения прочности мелкозернистого цементного бетона при сжатии модифицированием нанопорошком кремнезема (система цемент – песок – вода)

Порошок, который вводили как нанодобавку в цементно-песчаные замесы, имел удельную поверхность (БЭТ-площадь) 156 м2/г, средний диаметр пор – 7 нм, суммарный объём пор – 0,298 см3/г.

Испытывали балочки с размерами 40x40x160 мм, портландцемент марки 500ДО при соотношении цемент:песок отношением 1:3 и водоцементным отношением В/Ц = 0,4 по ГОСТ 310.4-81. Порошок кремнезема вводили в воду затворения, однородного распределения достигали ультразвуковой обработкой. Возраст испытанных твердых образцов на прочность при изгибе и при сжатии – 3, 7 и 28 суток. Балочки предварительно испытывали на прочность при изгибе, сразу после этого образующиеся половинки балочек испытывали на прочность при сжатии. Прочность твердых образцов при сжатии повышалась на 30–40 % (табл. 1).

Таблица 1

Результаты определения прочности при сжатии (МПа) цементно-песчаных образцов

Возраст образца, сут.

Количество добавленного нанодисперсного кремнезема,

мас. % по отношению к цементу

0

0,0075

0,04

0,18

3

21,5

32,7 (52,1 %)

27,5 (+27,9 %)

35,6 (+65,6 %)

7

30,8

46,6 (+51,3 %)

43,8 (+42,2 %)

47,8 (+55,2 %)

28

42,7

59,1 (+38,4 %)

50,4 (+18,0 %)

59,0 (+38,1 %)

Таблица 2

Процент набора прочности цементными образцами (по отношению к 28-дневному возрасту)

Возраст образца, сут.

Количество добавленного нанодисперсного кремнезема,

мас. % по отношению к цементу

0

0,0075

0,04

0,18

3

50,3

55,3

54,5

60,3

7

72,1

78,8

86,9

81,0

28

100,0

100,0

100,0

100,0

Ввод наночастиц кремнезема способствовал не только увеличению конечной прочности при сжатии. Увеличивалась скорость набора прочности образцами с нанодобавками (табл. 2).

Определение диапазона расхода нанокремнезема для достижения наибольшего эффекта повышения прочности мелкозернистого бетона при сжатии и изгибе

Характеристики исходных материалов, использованных в экспериментах, приведены в табл. 3, 4.

Таблица 3

Цемент и нанодобавка кремнезема

Группа продуктов

Маркировка

Масса

Портландцемент общестроительный ЦЕМ142,5

Н ГОСТ 31108-2003, ГОСТ 30516-97

(ООО «Тулацемент»)

ЦЕМ I 42,5 Н

25 кг

Золь нанокремнезема ГВ

ГВ

500 мл

Таблица 4

Песок и добавка микрокремнезема

Группа продуктов

Маркировка

Масса

Песок речной по ГОСТ 8736

50 кг

Микрокремнезем – TR680085008 (ОАО ЧЭМК г. Челябинск)

МК

5 кг

Изготовление образцов и определение прочности на сжатие и растяжение при изгибе экспериментальных образцов мелкозернистого бетона производилось в соответствии с ГОСТ 310.4-81, ГОСТ 30744-2001 и ГОСТ 26633-91, определение плотности мелкозернистого бетона производилось по ГОСТ 12730.1-78. Методика изготовления образцов приведена в ГОСТ 310.4-81, ГОСТ 31356-2007 и ГОСТ 30744-2001.

Приготовление бетонной смеси производилось по ГОСТ 31356-2007.

При проведении контрольных испытаний мелкозернистой бетонной смеси продолжительность ручного перемешивания составляла 3 минуты, при приготовлении основных составов с добавкой золя нанокремнезема ручное перемешивание составляло 5 мин.

Форму заполняли смесью в соответствии с требованием ГОСТ 310.4-81 [6] и уплотняли на виброплощадке СМЖ-539М.

Для испытаний изготовляли по три образца (одна форма) по ГОСТ 310.4-81.

Твердение образцов обеспечивали в камере твердения равномерным во времени прогревом от 20 °С до 50 °С, содержанием при постоянной температуре 50 °С и остыванием от 50 °С до 20 °С.

Твердение образцов осуществлялось в пропарочной универсальной КПУ-1М с электронным пультом управления.

Испытание по определению прочности образцов на сжатие и растяжение при изгибе производилось на испытательном прессе типа ИП-1-А-1000 с предельной нагрузкой 1000 кН.

Пресс представляет собой программно-управляемую насосную установку с микропроцессорным блоком управления и испытательную станину с силовым двухсторонним плунжером.

Испытания на прочность при изгибе и при сжатии сделаны в соответствии с ГОСТ 310.4-81.

Определение характеристик однородности бетона по прочности производилось в соответствии с ГОСТ 53231-2008. Среднюю плотность бетона определяли по ГОСТ 12730.1-78. Контрольный состав мелкозернистого бетона приведен в табл. 5.

Таблица 5

Контрольный состав мелкозернистого бетона

Компонент

Дозировка

Портландцемент общестроительный ЦЕМ I 42,5 Н

ГОСТ 31108-2003,

ГОСТ 30516-97 (ООО «Тулацемент»)

500 г

Песок речной по ГОСТ 8736

1500 г

Вода

200 г

Водоцементное отношение В/Ц

0,4

При проведении эксперимента приняты следующие дозировки золя нанокремнезема, добавляемого вместе с водой затворения (значения указаны в % от цемента в пересчете на сухое вещество): 0,01; 0,05; 0,1 (табл. 6).

Таблица 6

Экспериментальный состав мелкозернистого бетона с золем нанокремнезема

Компонент

Дозировка

Портландцемент общестроительный ЦЕМ I 42,5 Н

ГОСТ 31108-2003, ГОСТ 30516-97 (ООО «Тулацемент»)

500 г

Песок речной по ГОСТ 8736

1500 г

Вода

196,4–199,8 г

В/Ц

0,4

Золь нанокремнезема ГВ

0,22–2,2 мл

Золь нанокремнезема СН

0,36–3,57 мл

Золь нанокремнезева MB

0,29–2,86 мл

При этом при введении добавки дозировка рассчитывается исходя из следующих данных:

для золя ГВ: ρ = 1143 г/дм3 – St = 225 г/дм3;

для золя МВ: ρ = 1110 г/дм3 – St = 175 г/дм3;

для золя СН: ρ = 1075 г/дм3 – St = 140 г/дм3.

Контрольный состав мелкозернистого бетона – в табл. 7, бетона с добавкой золя – табл. 8. При проведении эксперимента приняты следующие дозировки золя нанокремнезема (значения указаны в % от цемента в пересчете на сухое вещество): 0,01; 0,05; 0,1; 0,25; 0,5; 1. При этом при введении добавки дозировка рассчитывается исходя из следующих данных:

для золя ГВ: ρ = 1143 г/дм3 – St = 225 г/дм3.

Таблица 7

Контрольный состав мелкозернистого бетона

Компонент

Дозировка

Портландцемент общестроительный ЦЕМ I 42,5 Н

ГОСТ 31108-2003, ГОСТ 30516-97 (ООО «Тулацемент»)

500 г

Песок речной по ГОСТ 8736

1500 г

Компонент

Дозировка

Вода

200 г

Водоцементное отношение В/Ц

0,4

Таблица 8

Экспериментальный состав мелкозернистого бетона с золем нанокремнезема

Компонент

Дозировка

Портландцемент общестроительный ЦЕМ I 42,5 Н

ГОСТ 31108-2003, ГОСТ 30516-97 (ООО «Тулацемент»)

500 г

Песок речной по ГОСТ 8736

1500 г

Вода

196,4–199,8 г (в зависимости от дозировки золей)

В/Ц

0,4

Золь нанокремнезема ГВ

0,22–22 мл

Таблица 9

Результаты испытания образцов с добавками золя нанокремнезема

№ п/п

Составы

Плотность бетонной смеси,

ρб. см (кг/м3)

Плотность бетона, ρб.(кг/м3)

Предел прочности образцов на

растяжение при изгибе, Rизг. (МПа)

Среднее значения предела

при изгибе двух наибольших

испытаний трех образцов

Rсризг (МПа)

Предел прочности образцов

при сжатии, Rсж (МПа)

Среднее значения предела

прочности при сжатии четырех

наибольших испытаний шести

образцов Rсрсж (МПа)

Характеристики

однородности бетона

по прочности

Среднеквадратичное

отклонение прочности

бетона, Sm (МПа)

Коэффициент вариации

прочности бетона, Vm ( %)

1

Контрольный

2431

2264

5,16

5

36,4

35,84

0,28

0,78

35,7

5,63

35,48

35,36

4,22

36,08

35,95

2

Золь

нанокремнезема

ГВ (0,01 %)

2227

2226

4,22

4,06

39,76

37,68

0,65

1,7

36,92

3,75

36,96

37,88

4,22

37,44

37,11

Продолжение табл. 9

               

0,48

1,2

39,4

4,92

38,95

40

4,69

39,48

40,84

3

Золь

нанокремнезема

ГВ (0,1 %)

2270

2226

4,92

5,04

42,84

43,11

0,67

1,55

43,96

5,16

44,6

42,96

4,92

43,08

4

Золь

нанокремнезема

ГВ (0,25 %)

2448

2404

5,14

5,07

44,92

44,72

0,5

1,12

45,1

5

44,66

45,1

4,92

45,5

43,04

41,16

3,75

36,48

38,56

5,16

39,04

39,14

Результаты испытания образцов с добавлением золя нанокремнезема: результаты испытаний физико-механических свойств образцов мелкозернистого бетона приведены в табл. 9.

1. Прочность образцов мелкозернистого бетона при сжатии также зависит от расхода добавки золя нанокремнезема ГВ. При расходе золя 0,25 % наблюдается рост прочности на сжатие образцов бетона с добавкой золя ГВ – на 24,8 %. Такой расход золей ГВ является оптимальным для прочности на сжатие, так как дальнейшее увеличение расхода золя ГВ приводит к снижению прочности на сжатие.

2. Плотность бетона имеет тенденцию возрастать в зависимости от расхода микрокремнезема (за исключением дозировки 5 и 20 % – последнее за счет недоуплотнения).

3. Прочность образцов на растяжение при изгибе зависит от расхода микрокремнезема. Наибольшую прочность образцы показывают при расходе микрокремнезема 15 % от массы цемента. Прочность образцов при сжатии также зависит от расхода микрокремнезема. Наибольшую прочность показывают образцы мелкозернистого бетона при расходе микрокремнезема 15 % (прирост прочности при сжатии по сравнению с контрольными образцами составляет 26 %).


Библиографическая ссылка

Горев Д.С., Потапов В.В., Горева Т.С. НАНОКРЕМНЕЗЕМ НА ОСНОВЕ ГИДРОТЕРМАЛЬНЫХ РАСТВОРОВ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, РЕЗУЛЬТАТЫ ПОВЫШЕНИЯ ПРОЧНОСТИ МЕЛКОЗЕРНИСТОГО БЕТОНА // Современные наукоемкие технологии. – 2018. – № 8. – С. 54-58;
URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=37119 (дата обращения: 02.12.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074