eng
Выпуск #7/2014
В.Потапов, Ю.Ефименко, Н.Михайлова, А.Кашутин, Д.Горев
Применение нанокремнезема для повышения прочности бетона
Применение нанокремнезема для повышения прочности бетона
Просмотры: 5232
Эксперименты по применению золя кремнезема в сочетании с сильнодействующим суперпластификатором показали новые возможности повышения прочности тяжелого бетона.
Опыт успешного внедрения наноматериалов в производство электронных приборов, биохимических сенсоров и биотехнологических систем, медицинских препаратов, катализаторов, полимеров, керамики позволяет рассчитывать на их успешное использование и в строительной индустрии. В частности, известны результаты направленного улучшения характеристик бетонов с помощью наночастиц различного химического состава (TiO2, Fe2O3, CuO и др.). Одно из перспективных направлений повышения прочности при сжатии тяжелых бетонов – ввод в их состав наночастиц кремнезема SiO2, извлеченных из гидротермальных растворов. Для исследования этой проблемы авторами статьи был получен золь кремнезема и выполнен ряд экспериментов на равноподвижных смесях тяжелых бетонов с обеспечением одинакового водоцементного отношения В/Ц.
Получение золя кремнезема
Водную среду, содержащую ортокремниевую кислоту H4SiO4 с концентрацией 600–800 мг/дм3, направляли из сепараторов геотермальной электрической станции в железобетонный резервуар (охладитель), где при 63°С проводили поликонденсацию H4SiO4 с образованием частиц кремнезема. После охладителя сепарат подавали в баромембранную установку для концентрирования и получения стабильного водного золя кремнезема. Исходный сепарат имел следующие характеристики:
•солесодержание – 702 мг/дм3;
•pH = 9,73;
•общее содержание SiO2 Сt = 716 мг/дм3;
•концентрация растворенной кремнекислоты Сs = 160 мг/дм3.
Перепад давления на мембранном слое составлял 0,14 МПа, расход проходящего через установку раствора – 1,2 м3/ч. На первой стадии концентрирования получался золь кремнезема плотностью 1015–1022 г/дм3 с Сt = 28–40 г/дм3. На второй стадии плотность золя повышалась до 1070 г/дм3, а Сt – до 115 г/дм3.
Состав бетонной смеси
Характеристики использовавшегося золя кремнезема приведены в табл. 1.
В качестве вяжущего применялся портландцемент (ПЦ) южно-корейского производства класса 42,5R, соответствующий стандартам России для обычных портландцементов. По ГОСТ 31108-2003 он классифицируется как тип ЦЕМ-I на основе клинкера с содержанием С3S = 55–58%, С3А = 8,2–8,5% и обычными химико-минералогическими показателями качества (коэффициент насыщения известью КН = 90–91%, глиноземный модуль p = 1,7, силикатный модуль n = 2,3). Физико-механические характеристики (марка, остаток на сите № 008, сроки схватывания, предел прочности при сжатии) находятся в пределах требований стандарта к быстротвердеющему портландцементу марки ПЦ 500-Д0 класса 42,5Б.
Заполнителями служили диоритовый щебень фракции от 5 до 20 мм по ГОСТ 8267 (насыпная плотность 1300 кг/м3, истинная плотность 2,73 г/ см3) и кварц-полевошпатовый песок по ГОСТ 8736 (Мкр = 3,4 и 2,9, истинная плотность 2,62 г/см3) в смеси со стандартным кварцевым монофракционным песком.
Добавка – суперпластификатор из серии высокоэффективных по водоредуцирующей способности поликарбоксилатов (ПКК). Плотность водного раствора ПКК составляла 1082 г/дм3, содержание сухого вещества – 412 мг/г.
Методика исследований
Эффективность действия добавки золя кремнезема определяли по прочности бетонов с В/Ц = 0,61–0,71, осадкой стандартного конуса ОК = 12–19 см, содержанием SiO2 = 2,0% от массы цемента и добавки ПКК = 2,2–2,6 % от массы цемента.
Испытания бетона проведены по ГОСТ 30459-2003 п.7. Расход материалов, кг/м3:
•цемент (ПЦ 550) – 345±5;
•кварц-полевошпатовый песок – 400;
•стандартный кварцевый песок – 400;
•щебень – 1060.
Дозировку золя рассчитывали с учетом того, что в замес объемом 10 л кроме щебня и песка входит 3500 г цемента и 2250 г воды.
Объем золя рассчитывался по формуле:
, (1)
где: Ц – расход цемента, г; SiO2 – концентрация кремнезема, %; Кз – содержание SiO2 в золе, г/дм3.
Таким образом, объем золя в расчете на 10 л замеса составляет:
Такой объем золя содержит:
0,609 [дм3] ×115 [г/дм3] = 70 г SiO2.
Равноподвижность бетонных смесей обеспечивали с помощью соответствующей дозировки ПКК.
Определение технологических и строительно-технических показателей качества смесей и бетона производилось по методикам следующих стандартов:
•подвижность, плотность бетонной смеси – ГОСТ 10181;
•плотность бетона – ГОСТ 12730.0;
•прочность бетона при сжатии в возрасте 1 сут., 2 сут. и 28 сут. нормального хранения и после тепловлажностной обработки (ТВО) – ГОСТ 10180.
Критерии эффективности рассчитывали по формуле 2 ГОСТ 30459-2003:
, (2)
где: Rtосн – прочность бетона основного состава в эквивалентном возрасте, МПа; Rtконтр – прочность бетона контрольного состава в эквивалентном возрасте, МПа.
Результаты испытаний бетонов с добавкой золя кремнезема в сочетании с ПКК представлены в табл.2.
Оценка эффективности добавки
Как показано на графике, несмотря на большее значении В/Ц, прочность состава с добавкой золя кремнезема существенно выше, чем у контрольного с меньшим В/Ц.
Из табл.2 видно, что добавка золя в сочетании с ПКК существенно повышает прочность бетона во все периоды и при всех режимах твердения. Например, эффективность по прочности после твердения в течение 28 суток составила 37–40% по сравнению с бездобавочными составами, тогда как в начальные периоды твердения (1 сутки) этот показатель достигает 90–128%. Это можно связать с предположительно очень высокой пуццоланической активностью золя нанокремнезема в цементном материале, вероятно, в разы превышающей этот показатель для микрокремнезема [7].
Также можно сделать следующие выводы:
Повышенные значения «ранней» прочности бетона R1/R28 при нормальном твердении тоже свидетельствует об упрочняющем действии золя.
Прочность после ТВО согласуется с данными ДальНИИС [6], хотя золь в этих экспериментах не проявил ожидаемой способности к термоактивации.
Значения плотности бетонных смесей согласуются с данными НИИЖБ [5] для бетонов подобного состава с осадкой конуса более 8 см.
Прочность в период 28 суток для бездобавочных бетонов (№ 66 и № 69) согласуется с законом В/Ц для бетонов нормального твердения и после пропаривания [5]. При этом прочность бетона с добавкой золя (№ 67) существенно выше, чем у контрольного с меньшим В/Ц (№ 66).
Достигнутые показатели критериев эффективности в 2–3 раза превосходят максимально требуемые значения этого показателя по стандарту ГОСТ 24211-2008 для всех режимов испытаний (1 сутки, 28 суток нормального твердения и 1 сутки после ТВО).
Таким образом, добавка золя кремнезема при дозировке 2% от массы цемента в сочетании с суперпластифицирующей добавкой ППК для бетонов с осадкой конуса 10–18 см (В/Ц = 0,61–0,71) по критериям эффективности соответствует согласно ГОСТ 24211-2008 двум основным классам:
•ускоритель твердения;
•добавка, повышающая прочность.
Высокие значения критериев эффективности в период 1 сут. (в т.ч. при ТВО) позволяет использовать такую добавку для получения бетонов с немедленной распалубкой.
Литература
1.Потапов В.В., Шитиков Е.С., Трутнев Н.С., Горбач В.А., Портнягин Н.Н. Влияние наночастиц кремнезема на прочностные характеристики цементных образцов. – Физика и химия стекла, 2011, т. 37, № 1, с. 641–652.
2.Лесовик В.С., Потапов В.В., Алфимова Н.И., Ивашова О.В. Повышение эффективности вяжущих за счет использования наномодификаторов. – Строительные материалы, 2011, № 6, с. 12–18.
3.Потапов В.В., Туманов А.В., Закуражнов М.С., Сердан А.А., Кашутин А.Н., Шалаев К.С. Повышение прочности бетона за счет ввода наночастиц SiO2. – Физика и химия стекла, 2013, т. 39, № 4, с. 611–617.
4.Потапов В.В., Туманов А.В., Горбач В.А., Кашутин А.Н., Шалаев К.С. Получение комплексной добавки для повышения прочности бетона на основе нанодисперсного диоксида кремния гидротермальных растворов. – Химическая технология, 2013, № 7, с. 394–401.
5.Рекомендации по подбору составов тяжелых и мелкозернистых бетонов (к ГОСТ 27006-86) / Госстрой СССР, М.: ЦИТПГС СССР, 72 с.
6.Ефименко Ю.В. Об отпускной прочности бетона тепловлажностного твердения. – Вестник отделения строительных наук РААСН, № 10, Владивосток 2006, 275 с., с. 129–133.
7.Ефименко Ю.В. и др. Структура и свойства мелкозернистого керамзитобетона в присутствии микрокремнезема. – Бетон и ж/б – пути развития. Научные труды,вторая всероссийская (международная) конференция по бетону и железобетону (5–9 сент. 2005 г.), т. 4, М: Дипак 2005, 728 с., с. 61–67.
Получение золя кремнезема
Водную среду, содержащую ортокремниевую кислоту H4SiO4 с концентрацией 600–800 мг/дм3, направляли из сепараторов геотермальной электрической станции в железобетонный резервуар (охладитель), где при 63°С проводили поликонденсацию H4SiO4 с образованием частиц кремнезема. После охладителя сепарат подавали в баромембранную установку для концентрирования и получения стабильного водного золя кремнезема. Исходный сепарат имел следующие характеристики:
•солесодержание – 702 мг/дм3;
•pH = 9,73;
•общее содержание SiO2 Сt = 716 мг/дм3;
•концентрация растворенной кремнекислоты Сs = 160 мг/дм3.
Перепад давления на мембранном слое составлял 0,14 МПа, расход проходящего через установку раствора – 1,2 м3/ч. На первой стадии концентрирования получался золь кремнезема плотностью 1015–1022 г/дм3 с Сt = 28–40 г/дм3. На второй стадии плотность золя повышалась до 1070 г/дм3, а Сt – до 115 г/дм3.
Состав бетонной смеси
Характеристики использовавшегося золя кремнезема приведены в табл. 1.
В качестве вяжущего применялся портландцемент (ПЦ) южно-корейского производства класса 42,5R, соответствующий стандартам России для обычных портландцементов. По ГОСТ 31108-2003 он классифицируется как тип ЦЕМ-I на основе клинкера с содержанием С3S = 55–58%, С3А = 8,2–8,5% и обычными химико-минералогическими показателями качества (коэффициент насыщения известью КН = 90–91%, глиноземный модуль p = 1,7, силикатный модуль n = 2,3). Физико-механические характеристики (марка, остаток на сите № 008, сроки схватывания, предел прочности при сжатии) находятся в пределах требований стандарта к быстротвердеющему портландцементу марки ПЦ 500-Д0 класса 42,5Б.
Заполнителями служили диоритовый щебень фракции от 5 до 20 мм по ГОСТ 8267 (насыпная плотность 1300 кг/м3, истинная плотность 2,73 г/ см3) и кварц-полевошпатовый песок по ГОСТ 8736 (Мкр = 3,4 и 2,9, истинная плотность 2,62 г/см3) в смеси со стандартным кварцевым монофракционным песком.
Добавка – суперпластификатор из серии высокоэффективных по водоредуцирующей способности поликарбоксилатов (ПКК). Плотность водного раствора ПКК составляла 1082 г/дм3, содержание сухого вещества – 412 мг/г.
Методика исследований
Эффективность действия добавки золя кремнезема определяли по прочности бетонов с В/Ц = 0,61–0,71, осадкой стандартного конуса ОК = 12–19 см, содержанием SiO2 = 2,0% от массы цемента и добавки ПКК = 2,2–2,6 % от массы цемента.
Испытания бетона проведены по ГОСТ 30459-2003 п.7. Расход материалов, кг/м3:
•цемент (ПЦ 550) – 345±5;
•кварц-полевошпатовый песок – 400;
•стандартный кварцевый песок – 400;
•щебень – 1060.
Дозировку золя рассчитывали с учетом того, что в замес объемом 10 л кроме щебня и песка входит 3500 г цемента и 2250 г воды.
Объем золя рассчитывался по формуле:
, (1)
где: Ц – расход цемента, г; SiO2 – концентрация кремнезема, %; Кз – содержание SiO2 в золе, г/дм3.
Таким образом, объем золя в расчете на 10 л замеса составляет:
Такой объем золя содержит:
0,609 [дм3] ×115 [г/дм3] = 70 г SiO2.
Равноподвижность бетонных смесей обеспечивали с помощью соответствующей дозировки ПКК.
Определение технологических и строительно-технических показателей качества смесей и бетона производилось по методикам следующих стандартов:
•подвижность, плотность бетонной смеси – ГОСТ 10181;
•плотность бетона – ГОСТ 12730.0;
•прочность бетона при сжатии в возрасте 1 сут., 2 сут. и 28 сут. нормального хранения и после тепловлажностной обработки (ТВО) – ГОСТ 10180.
Критерии эффективности рассчитывали по формуле 2 ГОСТ 30459-2003:
, (2)
где: Rtосн – прочность бетона основного состава в эквивалентном возрасте, МПа; Rtконтр – прочность бетона контрольного состава в эквивалентном возрасте, МПа.
Результаты испытаний бетонов с добавкой золя кремнезема в сочетании с ПКК представлены в табл.2.
Оценка эффективности добавки
Как показано на графике, несмотря на большее значении В/Ц, прочность состава с добавкой золя кремнезема существенно выше, чем у контрольного с меньшим В/Ц.
Из табл.2 видно, что добавка золя в сочетании с ПКК существенно повышает прочность бетона во все периоды и при всех режимах твердения. Например, эффективность по прочности после твердения в течение 28 суток составила 37–40% по сравнению с бездобавочными составами, тогда как в начальные периоды твердения (1 сутки) этот показатель достигает 90–128%. Это можно связать с предположительно очень высокой пуццоланической активностью золя нанокремнезема в цементном материале, вероятно, в разы превышающей этот показатель для микрокремнезема [7].
Также можно сделать следующие выводы:
Повышенные значения «ранней» прочности бетона R1/R28 при нормальном твердении тоже свидетельствует об упрочняющем действии золя.
Прочность после ТВО согласуется с данными ДальНИИС [6], хотя золь в этих экспериментах не проявил ожидаемой способности к термоактивации.
Значения плотности бетонных смесей согласуются с данными НИИЖБ [5] для бетонов подобного состава с осадкой конуса более 8 см.
Прочность в период 28 суток для бездобавочных бетонов (№ 66 и № 69) согласуется с законом В/Ц для бетонов нормального твердения и после пропаривания [5]. При этом прочность бетона с добавкой золя (№ 67) существенно выше, чем у контрольного с меньшим В/Ц (№ 66).
Достигнутые показатели критериев эффективности в 2–3 раза превосходят максимально требуемые значения этого показателя по стандарту ГОСТ 24211-2008 для всех режимов испытаний (1 сутки, 28 суток нормального твердения и 1 сутки после ТВО).
Таким образом, добавка золя кремнезема при дозировке 2% от массы цемента в сочетании с суперпластифицирующей добавкой ППК для бетонов с осадкой конуса 10–18 см (В/Ц = 0,61–0,71) по критериям эффективности соответствует согласно ГОСТ 24211-2008 двум основным классам:
•ускоритель твердения;
•добавка, повышающая прочность.
Высокие значения критериев эффективности в период 1 сут. (в т.ч. при ТВО) позволяет использовать такую добавку для получения бетонов с немедленной распалубкой.
Литература
1.Потапов В.В., Шитиков Е.С., Трутнев Н.С., Горбач В.А., Портнягин Н.Н. Влияние наночастиц кремнезема на прочностные характеристики цементных образцов. – Физика и химия стекла, 2011, т. 37, № 1, с. 641–652.
2.Лесовик В.С., Потапов В.В., Алфимова Н.И., Ивашова О.В. Повышение эффективности вяжущих за счет использования наномодификаторов. – Строительные материалы, 2011, № 6, с. 12–18.
3.Потапов В.В., Туманов А.В., Закуражнов М.С., Сердан А.А., Кашутин А.Н., Шалаев К.С. Повышение прочности бетона за счет ввода наночастиц SiO2. – Физика и химия стекла, 2013, т. 39, № 4, с. 611–617.
4.Потапов В.В., Туманов А.В., Горбач В.А., Кашутин А.Н., Шалаев К.С. Получение комплексной добавки для повышения прочности бетона на основе нанодисперсного диоксида кремния гидротермальных растворов. – Химическая технология, 2013, № 7, с. 394–401.
5.Рекомендации по подбору составов тяжелых и мелкозернистых бетонов (к ГОСТ 27006-86) / Госстрой СССР, М.: ЦИТПГС СССР, 72 с.
6.Ефименко Ю.В. Об отпускной прочности бетона тепловлажностного твердения. – Вестник отделения строительных наук РААСН, № 10, Владивосток 2006, 275 с., с. 129–133.
7.Ефименко Ю.В. и др. Структура и свойства мелкозернистого керамзитобетона в присутствии микрокремнезема. – Бетон и ж/б – пути развития. Научные труды,вторая всероссийская (международная) конференция по бетону и железобетону (5–9 сент. 2005 г.), т. 4, М: Дипак 2005, 728 с., с. 61–67.
Отзывы читателей
