Брянск, Брянская область, Россия
аспирант
Брянская область, Россия
ГРНТИ 67.09 Строительные материалы и изделия
ББК 383 Строительные материалы и изделия
Исследованы физико-технические характеристики (средняя плотность, прочность на сжатие и скорость ее набора, истираемость, водопоглощение, морозостойкость, усадка) высокопрочного мелкозернистого бетона для быстровозводимых зданий и сооружений, аварийных и ремонтно-восстановительных работ с использованием мультикомпонентного наноимпрегната (пропитывающего состава с содержанием полифункциональных активных нанообъектов), полученного методом кавитационного суспензирования и аппретирования минерально-го алюмосиликатного компонента пластифицирующе-водоредуцирующими и гидрофобизирующими поверхностно-активными веществами (аппретами). Определены морфология, химический и гранулометрический состав исходного алюмосиликатного компонента, а также показатели размерности (минимальный, средний, максимальный, эффективный диаметр, полидисперсность), агрегативной устойчивости (дзета-потенциал) разработанного наноимпрегната, включающего гексагональные пластинчатые частицы, средний диаметр которых составляет около 50 нм, дзета-потенциал минус 67 мВ, полидисперсность 18 %. Установлено, что наноимпрегнат позволяет получить быстротвердеющий высокопрочный мелкозернистый бетон класса прочности на сжатие В65, марки по истираемости G1, марки по морозостойко-сти F1300 с пониженной усадкой (в 1,5 раза) и водопоглощением (в 1,7 раза), ускорить набор прочности в ранние (2–7 суток) сроки твердения (в 2,5–2,7 раза). Повышение физико-технических характеристик бетона достигается вследствие направленного комплексного воздействия разработанного наноимпрегната на формирование микроструктуры цементного камня в зоне контакта с заполнителем за счет дополнительного образования уплотняющих и упрочняющих новообразований, идентичных гидроалюминатам и гидросиликатам кальция, перераспределения пористости цементной матрицы в сторону увеличения количества мезопор диаметром в интервале от 3 до 33 нм при снижении общего объема пор в 1,5 раза.
высокопрочный мелкозернистый бетон, физико-технические характеристики, мультикомпо-нентный наноимпрегнат, кавитационное суспензирование, аппретирование, микроструктура цементного камня, макро- и мезопоры
Введение. Применение высокопрочных мелкозернистых бетонов (МЗБ) класса прочности на сжатие В60 и выше соответствует задачам стратегии развития промышленности строительных материалов на период до 2020 года и дальнейшую перспективу до 2030 года по расширению отечественных, энерго- и ресурсосберегающих технологий и способов повышения качества и долговечности железобетонных изделий и конструкций, в том числе при строительстве быстровозводимых монолитных и сборно-монолитных зданий и сооружений, а также при выполнении аварийных и ремонтно-восстановительных работ.
Обладая однородностью и мелкозернистостью макроструктуры, мелкозернистый бетон, по сравнению с традиционным крупнозернистым бетоном, характеризуется следующими технико-экономическими преимуществами: возможностью создания высококачественной микро- и наноструктуры; повышенной тиксотропией и способностью к эффективной модификации микро- и нанодисперсными добавками; высокой технологичностью (формуемостью, уплотняемостью различными методами: литья, экструзии, прессования, штампования, набрызга и др.); легкой транспортируемостью, в том числе по трубопроводам; возможностью получения новых архитектурно-конструкционных решений (тонкостенные и слоистые конструкции, изделия переменной плотности, гибридные конструкции) и применения местных сырьевых материалов природного и техногенного происхождения; более низкой себестоимостью. Однако широкое применение МЗБ сдерживает ряд существенных недостатков: повышенные расход цемента, макропористость, усадка и ползучесть, пониженный модуль упругости, а также потребность в дефицитных высококачественных крупных и мелких песках рационального гранулометрического состава, содержащих минимальное количество глинистых и пылевидных примесей [1].
Получение высокопрочных МЗБ можно достичь различными приемами: снижение водопотребности гипер- и суперпластификаторами нового поколения на основе поликарбоксилатов и полиакрилатов [2, 3]; создание системы замкнутых пор воздухововлекающими и газообразующими добавками; снижение макропористости кольматирующими добавками; придание водоотталкивающих свойств гидрофобизаторами; химическая (поверхностно-активными веществами и электролитами), механическая (электрическими, магнитными, ультразвуковыми и др.), комбинированная (механо-, плазмо-, электрохимическими и др.) активация компонентов бетонной смеси, в частности воды затворения [4]; введение микронаполнителей в виде модифицированных природных и техногенных песков, композиционных вяжущих на их основе [5, 6], а также углеродных, силикатных, алюмосиликатных, металлооксидных [7] и комплексных наномодификаторов [8] цементной матрицы; дисперсное армирование структуры бетона фиброй [9, 10] и волокнистыми [11] наноматериалами (углеродными, галлуазитовыми и биосилифицированными [12] нанотрубками, диспергированными волластонитом, серпентинитом и др.).
Среди современных эффективных способов модифицирования цементных бетонов, в том числе МЗБ, большой научно-практический интерес представляет импрегнирование (пропитывание) их поровой структуры различными пропитывающими [13, 14] составами (упрочняющими, водоотталкивающими, обеспыливающими, окрашивающими).
Целью данной работы является исследование физико-технических характеристик высокопрочного МЗБ для быстровозводимых зданий и сооружений, аварийных и ремонтно-восстановительных работ с использованием мультикомпонентного наноимпрегната алюмосиликатного состава.
Методика. В исследованиях применялись следующие методы: рентгенофлуоресцентная спектроскопия на спектрометре ARL 9900 XP, лазерная гранулометрия на анализаторе Analysette 22 NanoTec plus (химический и гранулометрический состав алюмосиликатного компонента наноимпрегната); фотонно-корреляционная спектроскопия, электрофоретическое светорассеяние на анализаторе ZetaPlus с системой 90Plus/Bi-MAS (показатели размерности и агрегативной устойчивости частиц наноимпрегната); электронная микроскопия на растровом микроскопе TESCAN MIRA 3 LMU (морфология частиц алюмосиликатного компонента и наноимпрегната на его основе, микроструктура цементного камня в контактной зоне с заполнителем); азотная порометрия на приборе Sorbi-M (распределение пор по размерам в цементном камне относительно их общего объема).
Для получения наноимпрегната использовались алюмосиликатный компонент, вода, пластифицирующе-водоредуцирующий и гидрофобизирующий аппреты: смесь натриевых солей полиметиленнафталинсульфокислот, соль натрия и олеиновой кислоты соответственно.
Алюмосиликатным компонентом служил метакаолин (Al2O3·2SiO2) ‒ дисперсный материал, содержащий аморфные модификации оксида алюминия и оксида кремния, получаемый после специальной термической обработки и помола каолина, следующего химического состава (% по массе): SiO2 – 42,83; Al2O3 – 50,61; Fe2O3 – 1,89; CaO – 0,15; (Na2O + К2O) – 0,72; MgO – 0,96; SO3 – 0,32; Cl – 0,04; прочее – 2,48.
Морфология частиц метакаолина представлена наличием отдельных микродисперсных частиц и их агрегатов угловатой формы, а также столбчатых конгломератов, состоящих из спаянных гексагональных пластинок толщиной менее 50 нм (рис. 1, а). Средний диаметр частиц равен 14 мкм. Доля частиц в диапазоне 0,01-0,1 мкм составляет 0,5 %; 0,1–0,5 мкм – 2,7 %; 0,5–1 мкм – 4,7 %; 1–10 мкм – 53,4 %; 10–100 мкм – 38,7 % (рис. 1, б).
Получение наноимпрегната осуществлялось в ультразвуковом механоактиваторе
ПСБ-4035-04 и заключалось в кавитационном суспензировании исходного метакаолина в водной среде при температуре (20 ± 2) °C и частоте ультразвука 35 кГц с последующим введением пластифицирующе-водоредуцирующего и гидрофобизирующего аппретов.
Для определения эффективности действия, разработанного наноимпрегната на физико-технические характеристики МЗБ применялись стандартные методы испытаний в соответствии с требованиями ГОСТ 31914-2012 «Бетоны высокопрочные тяжелые и мелкозернистые для монолитных конструкций. Правила контроля и оценки качества», ГОСТ 26633-2015 «Бетоны тяжелые и мелкозернистые Технические условия».
В качестве сырьевых материалов для приготовления бетонных смесей МЗБ применялись:
- нормальнотвердеющий бездобавочный портландцемент класса ЦЕМ I 52,5Н ГОСТ 31108-2016 (ОАО «Белорусский цементный завод», республика Беларусь, Могилевская обл., г. Костюковичи). Химический состав (% по массе): CaO – 66,2; SiO2 – 21,71; Al2O3 – 5,27; Fe2O3 – 3,74; MgO – 1,3; SO3 – 2,1; (Na2O + К2O) – 0,65. Минеральный состав (% по массе): С3S – 60,55; С2S – 16,59; С3A – 7,63; С4AF – 11,38. Удельная поверхность – 364 м2/кг. Нормальная густота –
27 %. Сроки схватывания: начало – 3 ч 25 мин, конец – 4 ч 25 мин;
- природный кварцевый фракционированный песок с содержанием 65 % (по массе) смеси фракций (0,63-1,25) мм и (1,25-2,5) мм, 35 % фракции (0,16-0,315) мм;
- вода затворения.
а)
б)
Рис. 1. Морфология (а) и гранулометрический состав (б) частиц исходного метакаолина
Бетонные смеси приготавливались следующим образом: пропитывание портландцемента наноимпрегнатом, вводимого в виде готовой суспензии в количестве 0,05 % (в пересчете на сухое вещество) от массы вяжущего вместе с расчетным объемом воды затворения; добавление песка, взятого в массовом соотношении с цементом 3:1, и тщательное перемешивание массы до однородной смеси.
Испытание контрольных и модифицированных образцов МЗБ проводилось через 2, 7 и 28 суток нормального твердения. Средняя плотность, прочность, водопоглощение и морозостойкость определялись по стандартным методикам на образцах-кубах размерами 10×10×10 см, усадка – на образцах-балочках размерами 4×4×16 см (с использованием прибора 62-L0035/A для измерения линейной усадки), истираемость – на образцах-кубах размерами 7×7×7 см (с помощью круга истирания ЛКИ-3).
Морозостойкость образцов оценивалась по изменению прочности на сжатие после многократного замораживания и оттаивания ускоренным (вторым) методом (среда насыщения – 5 % водный раствор NaCl; среда и температура замораживания – воздушная, минус (18 ± 2) °С; среда и температура оттаивания – 5 % водный раствор NaCl, (20 ± 2) °C.
Основная часть. Результаты электронной микроскопии показали, что кавитационное суспензирование метакаолина способствует эрозии его микрочастиц и агрегатов вплоть до нанодиапазона, а также расщеплению нанотолщинных гексагональных пластинок, содержащихся в столбчатых конгломератах (рис. 2).
Рис. 2. Морфология частиц метакаолина после
кавитационного суспензирования
По данным фотонно-корреляционной спектроскопии и электрофоретического светорассеяния установлено, что кавитационное суспензирование метакаолина без введения аппретов приводит к образованию агрегативно-неустойчивой суспензии, поскольку среднее значение дзета-потенциала ее частиц (минус 5 мВ) ниже критического (минус 30 мВ), в то время как для стабильной системы величина дзета-потенциала колеблется в интервале ± (30-70) мВ [15].
Последующее аппретирование частиц метакаолина используемыми пластифицирующе-водоредуцирующим и гидрофобизирующим поверхностно-активными веществами приводит к повышению среднего значения дзета-потенциала более чем в 13 раз и снижению среднего диаметра в 11 раз (табл. 1). Результаты испытаний (табл. 2) показали, что введение наноимпрегната способствует повышению физико-технических характеристик мелкозернистого бетона:
- ускорению набора прочности на сжатие в ранние (2–7 суток) сроки твердения (в 2,5–2,7 раза);
- повышению проектной (марочной) прочности на сжатие (в 2,2 раза) и морозостойкости (в 2,5 раза);
- снижению водопоглощения (в 1,7 раза), усадки (в 1,5 раза) и истираемости (в 2,2 раза).
Таблица 1
Показатели размерности и устойчивости частиц метакаолина после кавитационного суспензирования
|
Диаметр частиц, нм |
Полидисперсность, % |
Дзета-потенциал, мВ |
||||
|
минимальный |
максимальный |
средний |
эффективный |
|||
|
Без аппретов |
||||||
|
81 |
835 |
594 |
580 |
23 |
минус 5 |
|
|
С аппретами |
||||||
|
25 |
392 |
53 |
210 |
18 |
минус 67 |
|
В соответствии с ГОСТ 25192-2012 «Бетоны. Классификация и общие технические требования» образцы МЗБ с наноимпрегнатом по скорости набора прочности являются быстротвердеющими, поскольку отношение значений прочности на сжатие в возрасте 2 суток к 28 суткам (Rсж2/Rсж28) составляет 0,43, а образцы МЗБ контрольного состава – медленнотвердеющими (Rсж2/Rсж28 – 0,38).
Таблица 2
Физико-технические характеристики мелкозернистого бетона
|
Наименование показателя, единица измерения |
Состав МЗБ |
|
|
контрольный |
с наноимпрегнатом |
|
|
Средняя плотность, кг/м3 |
2345 |
2352 |
|
Прочность на сжатие, МПа, в возрасте: 2 суток 7 суток 28 суток |
15,1 24,5 39,7 |
37,3 65,8 86,4 |
|
Класс прочности на сжатие |
В30 |
В65 |
|
Истираемость, г/см2 |
0,82 |
0,37 |
|
Марка по истираемости |
G2 |
G1 |
|
Водопоглощение, % |
3,6 |
2,1 |
|
Морозостойкость по ускоренному (второму) методу, циклы |
30 |
75 |
|
Марка по морозостойкости |
F1150 |
F1300 |
|
Усадка, мм/м |
0,77 |
0,52 |
Для установления механизма влияния наноимпрегната на физико-технические характеристики МЗБ было проведено электронно-микроскопическое и порометрическое исследование микроструктуры цементного камня (ЦК), взятого из зон контакта с зернами песка в контрольных и модифицированных образцах бетона.
Выявлено, что ЦК контрольного состава характеризуется крупнокристаллической микроструктурой с наличием микротрещин в плоскостях спаянности гидратных новообразований и волокон разной морфологии, идентичных эттрингиту и гидросиликатам кальция (рис. 3).
Образцы ЦК, модифицированные наноимпрегнатом, представлены мелкокристаллической микроструктурой с содержанием в порах плотно сросшихся пластинчатых и волокнисто-цепочечных кристаллов, идентичных гидроалюминатам и гидросиликатнам кальция (рис. 4).
Результаты азотной порометрии показали, что общий объем пор в ЦК контрольного состава равен 3·10-3 см3/г. При этом распределение пор относительно их общего объема выглядит следующим образом: 27 % (0,81·10-3 см3/г) составляют макропоры (согласно классификации IUPAC) диаметром около 142 нм; 34 % (1,02·10-3 см3/г) и 39 % (1,17·10-3 см3/г) мезопоры диаметром около 33 нм и 15 нм соответственно (рис. 5).
а)
б)
Рис. 3. Микроструктура цементного камня мелкозернистого бетона контрольного состава:
а – ×20000 раз; б – × 50000 раз
а)
б)
Рис. 4. Микроструктура цементного камня мелкозернистого бетона с наноимпрегнатом:
а – ×30000 раз; б – × 50000 раз
Рис. 5. Распределение пор по размерам в цементном камне мелкозернистого бетона
относительно их общего объема
В то же время, ЦК с наноимпрегнатом характеризуется содержанием пор общим объемом 2·10-3 см3/г, из которых 34 %
(0,68·10-3 см3/г) приходится на долю макропор диаметром около 80 нм; 5 % (0,1·10-3 см3/г), 32 % (0,64·10-3 см3/г) и 29 % (0,58·10-3 см3/г) – на долю мезопор диаметром около 33 нм, 8 нм и 3 нм соответственно.
Выводы. В ходе проведения исследований обоснована возможность повышения физико-технических характеристик высокопрочного мелкозернистого бетона для быстровозводимых зданий и сооружений, аварийных и ремонтно-восстановительных работ за счет введения мультикомпонентного наноимпрегната алюмосиликатного состава в виде агрегативно-устойчивой суспензии с содержанием частиц средним диаметром около 50 нм и дзета-потенциалом минус 67 мВ, разработанного методом кавитационного суспензирования и аппретирования метакаолина пластифицирующе-водоредуцирующим и гидрофобизирующим поверхностно-активными веществами. Установлено, что наноимпрегнат позволяет получить быстротвердеющий высокопрочный мелкозернистый бетон класса прочности на сжатие В65, марки по истираемости G1, марки по морозостойкости F1300 с пониженной усадкой (в 1,5 раза) и водопоглощением (в 1,7 раза), ускорить набор прочности в ранние (2–7 суток) сроки твердения (в 2,5–2,7 раза). Механизм влияния наноимпрегната на свойства бетона связан с дополнительным образованием в цементном камне в зоне контакта с заполнителем уплотняющих и упрочняющих новообразований, идентичных гидроалюминатам и гидросиликатам кальция, а также перераспределения пористости цементной матрицы в сторону увеличения количества мезопор диаметром в интервале от 3 до 33 нм при снижении общего объема пор от 3·10-3 до 2·10-3 см3/г (в 1,5 раза).
1. Дворкин Л.И., Житковский В.В. Высо-копрочные мелкозернистые бетоны с исполь-зованием гранитных отсевов // Технологии бетонов. 2017. № 5-6 (130131). С. 21-25.
2. Ларсен О.А., Дятлов А.К. Повышение эффективности мелкозернистых бетонов до-бавками поликарбоксилатных пластификато-ров для монолитного домостроения // Техно-логии бетонов. 2013. № 10 (87). С. 14-15.
3. Щепочкина Ю.А., Каракотенко-Любимов А.И. Мелкозернистый бетон с включением добавки полиакрилата натрия // Информационная среда вуза. 2017. № 1 (1). С. 416-418.
4. Федосов С.В., Акулова М.В., Слизнева Т.Е. Изучение закономерностей структурообразования в цементном камне на механо-магнитоактивированной воде с добавкой ПВА // Academia. Архитектура и строительство. 2017.№ 2. С. 117-122.
5. Лесовик Р.В. К выбору техногенных песков для получения композиционных вя-жущих и мелкозернистых бетонов // Техноло-гии бетонов. 2015. № 1-2. С. 60-63.
6. Алфимова Н.И., Ковальченко О.В., Ка-латози В.В. Мелкозернистые бетоны и компо-зиционные вяжущие на техногенном сырье. Комплексное использование техногенного сырья. Саарбрюккен: Изд-во LAP LAMBERT, 2017. 137 с.
7. Lukuttsova N.P., Pashayan A.A., Khom-yakova E.N., Suleymanova L.A., Kleymeniche-va Yu.A. The use of additives based on industri-al wastes for concrete // International Journal of Applied Engineering Research. 2016. № 11. Pp. 7566-7570.
8. Баженов Ю.М., Алимов Л.А., Воронин В.В. Структура и свойства бетонов с наномо-дификаторами на основе техногенных отход. Москва: Изд-во МГСУ, 2013. 204 с.
9. Nizina T.A., Balykov A.S., Volodin V.V., Korovkin D.I. Fiber fine-grained concretes with polyfunctional modifying additives // Magazine of Civil Engineering. 2017. №. 4. Рp. 73-83. DOI:https://doi.org/10.18720/MCE.72.9.
10. Лесовик Р.В., Агеева М.С., Казлитина О.В., Сопин Д.М., Митрохин А.А. К вопросу об оптимизации структуры высокопрочного фибробетона за счет использования нанодис-персного модификатора // Вестник ВСГУТУ. 2017. № 4 (67). С. 64-70.
11. Нуртдинов М.Р., Соловьев В.Г., Бурь-янов А.Ф. Мелкозернистые бетоны, модифи-цированные нановолокнами AlOOH и Al2O3 // Строительные материалы. 2015. № 2. С. 68-71.
12. Lukuttsova N.P., Ustinov A.G. Concrete modified by additive based on biosilicated nano-tubes // International Journal of Applied Engi-neering Research. 2015. Vol. 10. №. 19. Pp. 40457-40460.
13. Янахметов М.Р., Чуйкин А.Е., Масса-лимов И.А. Модифицирование поровой структуры цементных бетонов пропиткой се-росодержащими растворами // Нанотехноло-гии в строительстве. 2015. Т. 7. № 1. С. 63-72. DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2015-7-1-63-72.
14. Строкова В.В., Огурцова Ю.Н., Боц-ман Л.Н. Эпикристаллизационное модифици-рование строительных композитов различно-го функционального назначения с использо-ванием гранулированного наноструктуриру-ющего заполнителя // Нанотехнологии в строительстве. 2016. Т. 8. № 5. С. 42-59. DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-42-59.
15. Lukuttsova N.P., Pykin A.A. Stability of nanodisperse additives based on metakaolin // Glass and Ceramics. 2015. № 11-12. Pp. 383-386.
