Управление свойствами композиционных материалов на неорганическом вяжущем с добавками наноразмера

Размещено на http://www.allbest.ru/

Петербургский государственный университет путей сообщения

УПРАВЛЕНИЕ СВОЙСТВАМИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА НЕОРГАНИЧЕСКОМ ВЯЖУЩЕМ С ДОБАВКАМИ НАНОРАЗМЕРА

Л.Б. Сватовская

В.Я.Соловьева

В современном строительстве широко востребованы бетоны, а также отделочные и гидроизоляционные материалы на неорганической основе улучшенного качества, которые требуют совершенствования таких показателей как: трещиностойкость, прочность, плотность и долговечность.

Поэтому задача совершенствования свойств цементсодержащих композиций в настоящее время остро востребована и одним из перспективных путей ее решения является использование химических добавок, в т.ч. и добавок нового поколения, которые представлены коллоидными растворами, содержащими нанодисперсии веществ разной природы, которые характеризуются особыми свойствами поверхности высокой поверхностной энергией.

Перспектива использования золя в материаловедении указано еще в 80-х годах прошлого столетия проф. М.М. Сычевым, которая получила достаточно широкое развитие в работах кафедры «Инженерная химия и естествознание» ПГУПСа под руководством профессора Сватовской Л.Б.

Основная идея использования коллоидных растворов состоит:

- в использовании структуры золя, как дополнительного структурного элемента, вводимого в композиционную смесь, что способствует повышению гидратационной активности твердеющей системы, а также нивелированию отрицательных явлений в формирующемся камне, что дает возможность повышение расхода цемента при производстве высокопрочного бетона;

- блокирование микро- и мезо-пор, имеющих такие же размеры как и коллоидные дисперсии до 100 нм, что и будет способствовать уплотнению структуры формирующегося камня.

Таким образом, следствием воздействия золей должно быть образование повышенного количества гидратных соединений, что будет способствовать повышению прочности цементного камня, плотности его структуры, понижению усадки, повышению водонепроницаемости и морозостойкости.

Установлено, что наибольшей эффективностью и устойчивостью отличается золь кремниевой кислоты H4SiO4, модифицированный калием железистосинеродистым К4[Fe(CN)6]. Данная зольсодержащая композиция имеет техническое название «Hardness-M». Определено, что ее рациональное количество составляет 0,75 % от массы цемента. Физико-химическими исследованиями, при помощи рентгенофазового и дифференциальнотермического методов анализа подтверждено, что использование зольсодержащей композиции «Hardness-M» приводит к усилению гидратационной активности цемента и в качестве основных продуктов гидратации обнаружены тоберморитоподобные гидросиликаты типа CSH(I), в том числе и низкоосновные гидросиликаты. Определено, что модифицированный кремнезоль обладает и пластифицирующим эффектом, обеспечивающим уменьшение водопотребности смеси до 12%. Бетон с добавкой «Hardness-M» (табл. 1) имеет повышенную прочность на сжатие, на растяжение при изгибе, которая во времени значительно увеличивается и достигает значения равного 13,6 МПа, что отличает активированный бетон от контрольного и свидетельствует о формировании структуры с меньшим внутренним напряжением, чем у контрольного состава. Водопоглощение активированного бетона не превышает 2,5%, водонепроницаемость повышается на 3 ступени, а морозостойкость бетона увеличивается в 2,5 раза, усадка бетона составляет 0,3 мм/м.

Таблица 1 Физико-механические характеристики бетона с зольсодержащей композицией «Hardness-M»

Вышепредставленные данные свидетельствуют о том, что добавка, модифицированная кремнезолем, способствует формированию более плотной структуры. композиционный камень цемент бетон

Положительные результаты, полученные при использовании зольсодержащей композиции «Hardness-M» позволили рассмотреть возможность создания высокопрочного бетона при максимальном увеличении расхода цемента (табл.2).

Таблица 2 Кинетика изменения прочности бетона нормального твердения

Экспериментально установлено, что бетон достигает максимальной прочности 106,0 МПа, при расходе цемента 950 кг/м3, при этом бетон отличается особо плотной структурой (водопоглощение составляет 2,5%, морозостойкость 800 циклов и водонепроницаемость 18 атм.).

Однако, как известно, твердые дисперсии золей могут быть разной природы - не только твердые кислоты в виде SiO2·nH2O и их аналогов, но и более основные в виде оксидов и гидроксидов, среди которых одним из наиболее доступных являются оксиды и гидроксиды железа (III).

Золь гидроксида железа 0,1% концентрации, полученный гидролизом солей трехвалентного железа, рекомендуется использовать в рациональном количестве, равном 0,25 мас.% от массы цемента. При введении золя в цементную пасту прочность на сжатие повышается в раннем и проектном возрасте на 61% и 50% соответственно, а также определено, что золь гидроксида железа обладает и пластифицирующим эффектом, т.к. при его использовании количество воды уменьшается на 8,0%.

Повышение гидратационной активности цемента подтверждено физико-химическими исследованиями. Данные рентгенофазового анализа образцов искусственного камня в присутствии золя гидроксида железа (рисунок 1, кривая 2) свидетельствуют об усилении степени гидратации цемента и появлении новой фазы, представленной гетитом, FeOOH, образование которой подтверждено появлением новых линий при d/n= (4,18; 2,69; 2,45; 2,18)·10-10 м. Результаты РФА анализа (рисунок 1) подтверждаются и данными дифференциально-термического анализа, согласно которым у образцов искусственного камня с добавкой золя гидроксида железа увеличивается на 17% содержание химически связанной воды, а также наблюдается усиление эндоэффекта в области температур (510 - 520)оС, обусловленного дегидратацией Са(ОН)2, что также характеризует увеличение степени гидратации цемента, образование новой фазы гетита, FeOOH, подтверждается появлением эндоэффекта при температуре 380оС и экзоэффекта при температуре 680оС.

Новая фаза гетит (FeOOH), имеет игольчатую структуру, поэтому его образование оказывает армирующее действие на формирующуюся структуру бетона, следствием чего возможно улучшение прочности на растяжение при изгибе.

Рисунок 1. Рентгенограммы образцов цементного камня (возраст 28 суток) - контрольный (1) и с добавкой Fe(III)-золя.

Для определения прочности на сжатие и на растяжение при изгибе изготавливались образцы-балочки размером (4416) см из мелкозернистого бетона, где в качестве цемента использовали ПЦ400 Д20 Пикалевского объединения «Глинозем» и карьерный песок с Мкр.=2,26. Полученные результаты представлены в таблице 3.

Таблица 3 Прочность и трещиностойкость мелкозернистого бетона в присутствии золя железа (III)

Подвижность б/смеси по погружению конуса = 6,0 см.

Результаты, представленные в таблице 3 показывают, что в присутствии золя гидроксида железа в большей степени повышается прочность на растяжение при изгибе и в проектном возрасте рост которой составляет 57%, а рост прочности на сжатие составляет 44%.

Следующий этап исследований посвящен определению влияния природы заполнителя в присутствии золя гидроксида железа (III) на формирование проектной прочности бетона.

Полученные значения прочности активированного бетона класса В22,5 в возрасте 28 суток представлены на рисунке 2.

Рисунок 2. Прочность на сжатие бетона в возрасте 28 суток при использовании заполнителей разной природы в присутствии золя Fe(III)

Сравнительный анализ представленных данных показывает, что прочность на сжатие бетона активированного золем гидроксида железа не существенно зависит от природы используемого заполнителя и разница в значении прочности бетона при использовании традиционного гранитного щебня и высокопрочного базальтового или известнякового щебня пониженной прочности изменяется в пределах 5% относительно прочности активированного бетона на гранитном щебне, что позволяет получать бетон повышенной прочности на традиционном гранитном щебне в присутствии золя гидроксида железа.

Определено, что водопоглощение активированного бетона уменьшается более, чем на 25 относительных %, в результате уменьшения объема пор, следствием чего является уплотнение структуры бетона, в результате образования в процессе твердения повышенного количества гидратных соединений, блокирующих поры соответствующего размера, а также введение в систему нано-дисперсий, также блокирующих поры соответствующего размера. В результате повышения плотности бетона увеличивается его морозостойкость на 50% и водонепроницаемость на 2 ступени, т.е. на 0,4 МПа и при этом понижается истираемость бетона на 48%, которая не превышает значения 0,5 г/см2.

Коллоидные растворы разной природы могут быть также использованы для тонкослойных цементных гидроизоляционных покрытий, которые должны отличаться повышенной прочностью, трещиностойкостью, адгезионной прочностью, водонепроницаемостью и морозостойкостью.

Зольсодержащие добавки будут способствовать также, как и в случае тяжелых бетонов повышению плотности структуры тонкослойного цементного гидроизоляционного покрытия, следствием чего будет повышение трещиностойкости, водонепроницаемости, морозостойкости и адгезионной прочности к бетонной подложке.

Кроме того, учет контактной зоны при взаимодействии наносимого покрытия и поверхности бетонного основания - подложки состоит в возможности возникновения донорно-акцепторного взаимодействия между гидросиликатами покрытия и подложки и формирования, таким образом, повышенной адгезионной прочности гидроизоляционного покрытия к бетонному основанию.

Исследования по ГОСТ 5802 показали, что водопоглощение тонкослойного цементного гидроизоляционного материала в присутствии кремнезоля уменьшается на 23 отн.%. В присутствии кремнезоля наблюдается наибольший рост прочности на растяжение при изгибе, что способствует повышению трещиностойкости тонкослойной композиции. Специальный интерес в данной работе представляла контактная зона, которой в системе знаний материаловедения принадлежит особая роль. В связи с этим была исследована контактная зона по адгезии. Установлено, что адгезионная прочность увеличивается, с одной стороны - на 47 - 65% (от 1,7МПа до 3,6МПа) при использовании гидроизоляционного материала активированного кремнезолем, который отличается повышенным содержанием гидратных соединений, а с другой стороны - на 20 - 47% (от 2,2МПа до 3,6МПа) при увеличении класса бетона от В15 до В30, используемого в качестве подложки и также характеризуемого повышенным содержанием гидратных соединений, что подтверждено данными диференциально-термических исследований.

Полученные результаты подтверждают высказанную идею о том, что чем больше гидросиликатов в основании и чем больше гидросиликатов в покрытии, тем выше адгезионная прочность, видимо, тем больше образуется связей по донорно-акцепторному механизму взаимодействий.

Таким образом, проведенные исследования подтверждают, что коллоидные растворы разной природы представляют собой высокоэффективные добавки, которые обеспечивают получение высококачественных цементсодержащих композиций на традиционных цементах и заполнителях.

Литература

1. Сватовская Л.Б. Фундаментальные основы свойств композиций на неорганических вяжущих. С-Пб., ..ПГУПС, 2006-83 с.

Размещено на Allbest.ru