Высокопрочный бетон на основе элементов нанотехнологии по методу золь-гель

Размещено на http://www.allbest.ru/

Петербургский государственный университет путей сообщения

ВЫСОКОПРОЧНЫЙ БЕТОН НА ОСНОВЕ ЭЛЕМЕНТОВ НАНОТЕХНОЛОГИИ ПО МЕТОДУ ЗОЛЬ-ГЕЛЬ

Комохов П.Г., д-р техн. наук, профессор, академик РААСН,

Сватовская Л.Б., д-р техн. наук, профессор,

Соловьева В.Я., д-р техн. наук, профессор,

Сычева А.М., канд. техн. наук, доцент

Золь-гель метод является разновидностью известного способа синтеза химически модифицированных материалов, который в настоящее время получает все большое применение на практике. Согласно определению [1], золь-гель методом называют процесс образования геля через стадию золя, хотя нередко сюда же включается и образование порошковых дисперсий, строго говоря, не являющихся гелями.

Еще в 80-е годы прошлого столетия профессором Сычевым М.М. была высказана идея интереса к золь-гелям как прогрессивному методу, связанному с получением композиционных материалов с улучшенными свойствами.

Наносистемы далеки от равновесия из-за наличия развитой поверхности частиц размером от 1 до 100 нм (минимум) и от 100 нм до 10 мкм (максимум). Энергетическим критерием, позволяющим ранжировать сырье по нанотехнологии матричной основы композита, может быть свободная внутренняя энергия дисперсной системы. Эти характеристики определяются результатом самоорганизации предельно высокодисперсной коллоидной диссипативной системы в жидкой дисперсионной среде (золи), частицы которой независимо одна от другой участвуют в интенсивном броуновском движении и поэтому не оседают под действием сил тяжести. Их размеры обычно не выходят за пределы 10 мкм - 100 нм (Русанов А. И).

Другой энергетический уровень взаимодействия дисперсных частиц в дисперсионной среде представляют гели, которые обладают некоторыми свойствами твердых тел, способностью сохранять форму, прочностью, упругостью, пластичностью. Эти свойства гелей обусловлены междучастичными молекулярными силами различной природы и в том числе химией молекул, электронным строением молекулярных орбиталей.

Данные интеграционные характеристики определяются результатом взаимодействия частиц, кластеров, молекул, обусловленных степенью дефектности, активными центрами реальной поверхности [6,9].

На этом принципе получается эффект механоактивации, который не пропорционален приросту удельной поверхности и связан с необратимыми деформациями, происходящими при разрушении (диспергации) материала [3,5].

Установлено, что минеральные порошки длительного сухого помола (как кристаллические, так и аморфные) более активны и реакционноспособны, чем порошки мокрого помола при равной их дисперсности. Эти отличия в активности порошков сухого и мокрого помола сохраняются и при достаточно высоких температурах спекания [3]. Можно сказать, что структурная нестабильность и неоднородность дисперсионной фазы как исходной составляющей нанотехнологии характеризуется более реакционноспособной для формирования структуры матрицы композита.

Развивая идеи нанотехнологии на уровне современных знаний, задача повышения качества бетона может быть решена, в том числе, и за счет максимального использования энергетических возможностей цемента, резервы которого, как правило, используются не полностью в силу возникающих в твердеющей системе внутренних напряжений, ограничивающих его расход в структуре бетона.

Решение этой проблемы может быть достигнуто использованием добавок определенной природы, которые препятствовали бы возникновению внутреннего напряжения в твердеющей системе при повышенном расходе цемента, как экологически чистого и гидратационно активного материала. Такими свойствами могут обладать золи, имеющие коллоидный (наноразмер) частиц (1-100 нм) и характеризующиеся особыми свойствами поверхности - высокой поверхностной энергией.

Основа наноструктуры и ее химическое строение обеспечивает супервысокие защитные свойства декоративно-отделочных материалов по разнообразию гаммы цветов, светоустойчивости во времени, адгезии, прочности и твердости, физической и химической коррозионной стойкости, что особенно важно и приоритетно при реставрационных работах реконструкции памятников архитектуры и градостроительстве.

Наноэлементы в составе сухих строительных смесей с цветными минеральными пигментами, в том числе на основе элементов металла, усиливают активное действие микрокремнеза и их комплексную гидратационную активность, повышая чистоту цвета, декоративную выразительность и долговечность.

Основная идея использования золя как добавки в бетон состоит в использовании структуры золя для создания дополнительного структурного элемента в бетонной смеси [7,8]. Дополнительный структурный элемент, представляющий собой наночастицу оксида кремния который со временем в результате реакции с Са(ОН)₂, переходит в гидросиликат кальция, и способствует сокращению количества пор от размера 1 нм и выше (происходит заполнение пор частицами золя и продуктами его взаимодействия). В этой связи можно считать, что вводимые новые структурные элементы будут нивелировать отрицательные явления, связанные с повышенными расходами цемента в составе матрицы бетонного композита.

При автоклавировании действие золь-добавки аналогично действию песка, диспергированного до удельной поверхности, сопоставимой с S_уд. коллоидных частиц, которая может быть достигнута только конденсационным методом.

Исходным сырьем для получения золя ортокремниевой кислоты (H₄Si0₄) является жидкое натриевое стекло с плотностью р = 1,46 г/см³, имеющее значение водородного показателя рН = 12. Контроль полученного водного раствора жидкого стекла ведется по параметрам плотности и рН.

Срок годности золя в водном растворе с плотностью р = 1,014 г/см³ без потери свойств составляет 20 суток. Условия хранения, при положительной температуре [8]. бетон нанотехнология золь добавка

Влияние зольсодержащей композиции «Hardness-M» [9] на прочностные и деформативные характеристики тяжелого мелкозернистого бетона оценивалась при максимальных расходах цемента, 500-600 кг/м³. Для этого в опытах был использован портландцемент ПЦ400 Д20 Пикалевского объединения «Глинозем», гранитная крошка размером 1,25 - 2,5 мм и песок для строительных работ с М_кр=2,1. Твердение бетона осуществлялось в нормальных условиях при t=20±2°C и влажности 95%. Испытания проводились по стандартным методикам и для каждого вида испытаний изготавливались образцы в соответствии с требованиями ГОСТ. Полученные результаты представлены в табл. 1.

Таблица 1

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

Анализ данных табл. 1 показывает, что зольсодержащая композиция отличается пластифицирующим эффектом, а бетон, модифицированный добавкой, имеет повышенную прочность при сжатии и изгибе. Причем, во времени прочность при изгибе увеличивается и достигает значения равного 13,6 МПа, что отличает модифицированный бетон от базового и это свидетельствует о формировании его структуры с меньшими внутренними напряжениями, чем у контрольных образцов.

Показатели по водонепроницаемости и водопоглощению, а также по морозостойкости и усадке существенно улучшаются в сторону нанотехнологии бетона. Общая пористость активированного бетона уменьшается более чем на 40%.

Экспериментально установлено, что бетон достигает максимального значения прочности 106,0 МПа при расходе цемента 950 кг/м³. Кинетика изменения прочности бетона нормального твердения представлены в табл.2.

Таблица 2

Кинетика набора прочности бетона нормального твердения с расходом цемента 950 кг/м³

Анализ полученных данных показывает, что применение зольсодержащей композиции «Hardness-M» позволяет уменьшить В/Ц отношение на 0,11 и при этом структурная вязкость бетонной смеси, определяемая по всплытию шарика на приборе Десова, имеет одинаковое значение с контрольным образцом, это свидетельствует о том, что используемая добавка обладает пластифицирующим эффектом действия. Установлено, что бетон имеет более высокое значение прочности при сжатии в течение всего анализируемого периода равного 60 суткам. Прочность активированного бетона превышает прочность контрольного образца в раннем возрасте (3 сут.) на 63%, а в проектном (28 сут.) - на 39%, что обеспечивает получение высокопрочного бетона класса В80. В возрасте 60 сут. прирост прочности составил 89%, а класс бетона увеличился до В100.

Интересно было оценить деформации активированного бетона в определении модуля деформации при испытании призм размером 10x10x40 см. В качестве заполнителей бетона использовался песок с Мкр.=2,1 и гранитный щебень фракции 5-10 мм. Цемент ПЦ400 Д-20 при расходе 950 кг/м³. Твердение бетона нормальное. Возраст бетона 28 суток.

Призменная прочность бетона характеризовалась значением R_пр.=0,72R_сж. Значения модуля упругости при напряжении 0,3 R_пр. составило E_упр.=3,910⁴ МПа для активированного H₂Si0₄ зольсодержащего бетона и Е_упр.=4,810⁴ МПа для зольсодержащей композиции «Hardness-M». Более высокий модуль упругости связан с большей энергией связи в структуре бетона. Это означает, что бетон с зольсодержащей композицией «Hardness-M» характеризуется более плотной структурой, а контактные связи между компонентами бетона наиболее прочные. В последнем варианте характер разрушения призм бетона при испытании сопровождался сильным звуковым ударом. Весь процесс с деформацией сдвига под углом 45° при разрушении призм происходил по механизму отрыва и раскола структурных составляющих высокопрочного бетона [2,5].

Список литературы

1. Schmidt H. Jnorganic - Organic. Composites for Optoelectronics. Sol-Jeloptilas. Processing and Applications. Boston /Dordrecht/ London. 1994. p. 451.

2. Бабков ВВ., Мохов В.К, Капитонов СМ., Комохов П.Г. Структурообразование и разрушение цементных бетонов. Уфа, 2002. 376 с.

3. Евтушенко Е И. Активационные процессы в технологии строительных материалов. Белгород, 2003 -208 с.

4. Комохов П.Г. Нанотехнология и структура бетона - консерванта для надежного захоронения радиоактивных отходов. Труды Международной научно-практической конференции: «Наука и технология силикатных материалов - настоящее и будущее». РХТУ им. Менделеева Д.И., М. 2003.с.33-38.

5. Комохов П.Г., Грызлов B.C. Структурная механика и теплофизика легкого бетона. АНРСФСР Вологодский научный центр, 1992. 320 с.

6. Сватовская Л.Б., Сычев М.М. Активированное твердение цементов. Л. Стройиздат. 1983. 160 с.

7. Степанова ИВ. Разработка и применение новых зольсодержащих добавок для повышения качества бетонов разной плотности. Автореф. диссерт. на соиск. уч. ст. кандидата техн. наук. СПб., 2004.24 с.

8. Соловьева В.Я., Степанова И.В. Разработка высокопрочного бетона повышенной трещиностойкости. Известия Петербургского университета путей сообщения. В.1. СПб. 2004 с. 31-34.

9. ТУ 5743-005-51556791-2002 «Зольсодержащая добавка «Hardness-M»».

10. Шевченко В.Я., Мадисон А.Е. Структура многообразия наномира, фрагментарность и метаморфозы наноструктур. Труды международной научно - практической конференции «Наука» технология силикатных материалов - настоящее и будущее. Т. 1. МХТУ им. Менделеева Д.И. М., 2003, с.41-53.

Размещено на Allbest.ru