Перспективы использования нанокремнезема в технологии бетона

Размещено на http://www.allbest.ru/

Перспективы использования нанокремнезема в технологии бетона

Коровкин М.О.,

Кудимов М.Н.,

Ерошкина Н.А.

Аннотации

Рассмотрен опыт исследования и применения нанокремнеземистых добавок в технологии цементного бетона. Установлены наиболее перспективные направления исследования и применения этих добавок.

Ключевые слова: нанокремнезем, портландцементный бетон, пуццолановая добавка, прочность.

PROSPECTS OF THE USE OF NANOSILICA IN THE TECHNOLOGY OF CONCRETE

Korovkin M. O., Kudimov M.N., Eroshkina N. A.

The experience of research and application of nanosilica additives in technology of Portland cement concrete was considered. The most promising areas of research and application of these additives were established.

Keywords: nanosilica, Portland cement concrete, pozzolanic additive, strength.

Дисперсные частицы кремнезема являются высокоактивными пуццолановыми добавками, которые обеспечивают уменьшение капиллярной пористости и повышение однородности микроструктуры за счет образования геля гидросиликата кальция с повышением прочности цементного камня. С другой стороны, дисперсные частицы заполняют пустоты между частицами цемента и уплотняют контактный слой между цементным камнем и заполнителем [11,14]. цементный бетон кремнезем

Дисперсный кремнезем вводится в бетон в виде специально синтезированных частиц микро- и нанодисперсного уровня, а также в составе обработанных промышленных отходов, содержащих частицы различного размерного уровня, включающие наночастицы [2, 6, 13, 14].

С увеличением дисперсности кремнеземистой добавки до наноразмерного уровня значительно усиливается ее активность в цементных вяжущих [9, 14]. Использование этих добавок в технологии бетонов получило развитие в последнее десятилетие (см. рис. 1) благодаря их низкой стоимости в отличие от других нанодобавок - фуллеренов, астраленов и др.

На рисунке 1 показаны основные этапы в использовании различных форм кремнезема в технологии бетона. На первом этапе - для изготовления бетона применялись материалы - цемент, песок, щебень, находящиеся на первом метрическом уровне - соответствующие размерности мм; на втором уровне, соответствующим размерности мкм, вводилась добавка микрокремнезема; на третьем уровне, соответствующим размерности нм, вводилась добавка нанокремнезема. Введение добавок микро- и нанокремнезема позволило увеличить прочность бетона и перейти от обычных бетонов к высоко- и ультравысокопрочным.

Рисунок 1. Этапы в развитии бетонов с дисперсным кремнеземом по размерным уровням по данным [11]

Таблица 1 - Механические свойства цементных материалов с добавкой нанокремнезема по данным различных авторов

В таблице 1 приведены результаты по влиянию нанокремнеземистой добавки в дозировке 1-6 % на прочностные свойства цементных материалов. Полученные авторами результаты показывают, что прирост прочности бетонов может варьироваться в широких пределах. Одним из важных эффектов от введения нанокремнезема является увеличение прочности раствора или бетона с увеличением содержания нанокремнезема в раннем возрасте [9, 11]. Авторы [9], используя нанокремнезем, достигли повышения прочности растворных смесей через 7 сут на 53,7- 63,9%, а через 28 сут - 52,5-62,7%. При этом с целью управления возможным негативным эффектом от введения нанокремнезема - усадкой и трещинообразованием было предложено [9] корректировать расход воды и дозировку суперпластификатора в смеси.

Повышение размерности кремнезема с микро- до наноуровня значительно увеличивает не только прочность бетона, но и его водонепроницаемость и морозостойкость [5]. Введение добавки нанокремнезема в бетон способствует снижению скорости поглощения влаги, водопоглощения и проницаемости коррозионно-активных веществ [11, 15]. Также с введением добавки нанокремнезема повышается стойкость бетонов к воздействию хлоридов. Особенно эффективность этой добавки по стойкости к воздействию хлоридов возрастает в бетонах, содержащих золу-унос и шлак [15].

Добавка нанокремнезема эффективна и при совместном использовании цемента и промышленных отходов. В результате введения в бетонную смесь комплексной добавки на основе нанокремнезема и резиновой крошки улучшается ударная прочность бетона [14]. Использование добавки нанокремнезема и наноизвестняка в бетоне позволяет повысить долю щебня из вторичного бетона [13].

В ходе исследований [1, 7] было показано, что стеклянные микросферы, в которых в значительном количестве содержится нанокремнезем, могут использоваться для получения бетона сопоставимого по прочности с высокопрочным бетоном с микрокремнеземом. Это позволяет существенно заменить в составе бетона часть цемента. При совместном использовании нанокремнезема и стеклянных микросфер прочность бетона на сжатие увеличивается более чем на 30 %, на изгиб - на 50% [1]. Установлено, что нанесение нанокремнеземистых добавок в виде суспензии на поверхность конструкции может существенно замедлять карбонизацию защитного слоя и коррозию арматуры [2, 11].

Введение добавки нанокремнезема сокращает сроки схватывания цемента, особенно с увеличением его дозировки [15]. Было установлено, что пуццолановые реакции нанокремнезема завершаются через 7 суток [8]. Что касается влияния добавки на реологические характеристики, то многими исследователями было установлено, что она значительно повышает водопотребность смесей и снижает удобокладываемость. Однако при использовании золы уноса со сферической морфологией может быть значительно повышена удобоукладываемость бетонной смеси [10]. Одним из способов повышения консистенции смеси, снижения сроков схватывания в присутствии нанокремнезема является двухстадийное введение воды [8, 10].

Выводы

Исследования показывают, что добавки, содержащие нанокремнеземистые частицы в составе отходов производства, а также специально синтезированные являются наиболее перспективными для технологии бетона с применением нанотехнологии.

Наиболее перспективными областями исследования нанокремнеземистых добавок в технологии бетона являются:

- сравнительные исследования эффективности различных форм кремнезема на свойства бетона;

- выявление оптимальной дозировки нанокремнезема в зависимости от его вида, дисперсности для цементного теста, раствора и бетона;

- разработка принципов управления реологическими свойствами и сроками схватывания для повышения прочности и снижения усадочных деформаций бетона.

- комплексные исследования механических, деформативных характеристик бетонов, морозостойкости, коррозионной стойкости бетонов, длительности сохранения свойств в присутствии коррозионно-активных агентов;

- разработка моделей, позволяющих прогнозировать поведение бетонов с нанокремнеземом в различных условиях.

Список литературы

1. Aly M., Hashmi M., Olabi A. et al. Effect of colloidal nano-silica on the mechanical and physical behaviour of waste-glass cement mortar // Materials & Design. 2012. Vol. 33. P. 127-135.

2. Fajardo G., Cruz-Lуpez A., Cruz-Moreno D. et al. Innovative application of silicon nanoparticles (SN): Improvement of the barrier effect in hardened Portland cement-based materials // Construction and Building Materials. 2015. No. 76. P. 158-167.

3. Gesoglu M., Gьneyisi E., Asaad D.S., Muhyaddin G.F. Properties of low binder ultra-high performance cementitious composites: Comparison of nanosilica and microsilica // Construction and Building Materials. 2016. Vol. 102, Part 1. P. 706-713.

4. Ghazy M.F., Elaty M.A.A., Elkhoriby R.S. Performance of blended cement mortars incorporating nano-metakaolin particles at elevated temperatures // In Proceeding of the International Conference on Advances in Structural and Geotechnical Engineering, Hurghada, Egypt, 6-9 April 2015.

5. Gonzalez M., Tighe S., Hui K. et al. Evaluation of freeze/thaw and scaling response of nanoconcrete for Portland cement concrete (PCC) pavements // Construction and Building Materials. 2016. No. 120. P. 465-472.

6. Halim S., Brunner T., Grass R. et al. Preparation of an ultra fast binding cement from calcium silicate-based mixed oxide nanoparticles // Nanotechnology. 2007. Vol. 18, Issue 39. 6 p.

7. Harbec D., Bahri H., Tagnit-Hamou A., Gitzhofer F. New silica fume from recycled glass. In Proceedings of the Fifth international Symposium on Nanotechnology in Construction, Chicago, IL, USA, 24-26 May 2015.

8. Hou P., Kawashima S., Kong D. et al. Modification effects of colloidal nanoSiO2 on cement hydration and its gel property // Composites Part B: Engineering. 2013. No. 45. P. 440-448.

9. Jo B.W., Kim C.H., Tae G., Park J.B. Characteristics of cement mortar with nano-SiO2 particles // Construction and Building Materials. 2007. No. 21. P.1351-1355.

10. Kawashima S., Hou P., Corr D. J., Shah S. P. Modification of cement-based materials with nanoparticles // Cement and Concrete Composites. 2012. Vol. 36. P. 8-15.

11. Khitab A., Arshad M. T. Nano construction materials: review // Reviews on advanced materials science. 2014. No. 38. P.181-189.

12. Kumar D., Sharma N. Study of Compressive Strength of Concrete Using Nano Silica // Journal of Ceramics and Concrete Sciences. 2016. Vol 1, No 2. 8 p.

13. Li W., Luo Z., Long C. et al. Effects of nanoparticle on the dynamic behaviors of recycled aggregate concrete under impact loading // Materials and Design. 2016. Vol. 112. P. 58-66.

14. Mohammed B.S., Awang A.B., Wong S.S., Nhavene C.P. Properties of nano silica modified rubbercrete // Journal of Cleaner Production. 2016. Vol. 119. P. 66-75.

15. Zhang M. H., Li H. Pore structure and chloride permeability of concrete containing nanoparticles for pavement // Construction and Building Materials. 2011. No. 25. P. 608-616.

Размещено на Allbest.ru