Scientific journal

Modern high technologies

ISSN 1812-7320

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,940

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).

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.

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.

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 %).