Исследование влияния комплексных минеральных модифицирующих добавок, включая нанодобавки, на свойства мелкодисперсного бетона

Ключевые слова: нанодисперсный модификатор, анортит, шпинель магния, прочность при сжатии, прочность после увлажнения, прочность после промораживания, плотность, открытые некапиллярные поры, условно закрытые поры, дисперсность.

Тонкомолотые минеральные наполнители, являясь центрами кристаллизации зародышей новообразаваний, образуют развитую поверхность взаимодействия клинкерных минералов с наполнителем.

Для подтверждения того, что, используя нанодисперсный модификатор, причем в очень малых концентрациях, возможно управлять кинетикой взаимодействия цемента с водой затворения и добиваться максимальных положительных эффектов были выбраны нанодисперсные порошки анортита и шпинеля магния, синтезированные в Институте химии твердого тела и механохимии СО РАН.

Особенностью нанопорошков являются высокая дисперсность (размер частиц порядка 50–70 нм) и развитая удельная поверхность (от 40 до 170 м²/г), одинаковое соотношение оксидных фаз. Основой пространственной решетки является кубическая плотная гранецентрированная упаковка отрицательных кислородных ионов, между которыми образуются два вида промежутков: октаэдрические и тетраэдрические. Заполненные и незаполненные октаэдрические пустоты чередуются через одну, образуя цепочки.

Целью данной работы является исследование влияния комплексных минеральных модифицирующих добавок, включая нанодобавки, на свойства мелкодисперсного бетона.

В табл.1 и 2 представлены результаты исследований физико-механических свойств наномодифицированных бетонов.

Таблица 1

Прочностные характеристики наномодифицированных бетонов

Анализ полученных результатов показал, что введение наномодификаторов способствует существенному повышению прочности при сжатии и ее сохранению после воздействия промораживания и воздействия влаги.

Исходя из того, что капиллярные поры — это та часть общего объёма системы цемент-вода, которая не заполнена продуктами гидратации, можно косвенно оценить степень гидратации.

В табл. 2 представлены данные по полному объему пор (П_П, %), по объему открытых некаппилярных пор (П_МЗ, %) и по объему условно закрытых пор (П_З, %) модифицированных частью активированного в АГО -2 цемента бетонных образцов по сравнению с исходными образцами. Установлено, что структура порового пространства бетона, хотя в значительной степени и определяется поровой структурой цементного камня, имеет свои характерные особенности, которые значительно влияют на свойства бетона. Так, объем открытых некапиллярных пор в модифицированных бетонных образцах увеличиваются по сравнению с исходными до 2, 5 раз, полный объем пор увеличивается до 10 %, тогда как объем условно закрытых пор — снижается почти в 2 раза.

Положительную динамику изменений физико-механических свойств модифицированных образцов можно объяснить, вероятно, тем, что при введении активированных минеральных добавок увеличивается число межчастичных контактов при гидратации цементного камня, что значительно повышает реакционноспособную поверхность цемента. Ускоренный рост продуктов гидратации приводит к быстрому заполнению значительного объёма капиллярного пространства с образованием большого количества микрокапилляров, но, несмотря на общий рост пористости модифицированных бетонных образцов, прочные взаимосвязи между частицами и предположительно более равномерное распределение микропор влияют на улучшение показателей прочности при сжатии, сопровождающееся снижением теплопроводности материала (табл. 2).

Таблица 2

Основные физические характеристики бетонных образцов

Причем наилучший эффект наблюдается в образцах, модифицированных нанопорошком анортита. Прочность при сжатии образцов, модифицированных малым количеством добавок (0,01 %-0,5 %) увеличивается в среднем на 35 %. Прочность после увлажнения характеризуется коэффициентом размягчения, который для всех составов наномодификатора анортит не ниже 0,8. Прочность увлажненных образцов при этом повышается на 50 %. Сохраняемость прочности при сжатии после 25 циклов промораживания — оттаивания улучшается на 22 %.

Повышение прочности мелкозернстого бетона при наномодифицировании можно объяснить тем, что нанопорошки способствуют уплотнению цементного камня за счет блокирования пор сопоставимого размера. Нанодисперсии обладают повышенной поверхностной энергией и, соответственно, обладают большей подвижностью, в результате этого они вовлекают большее количество частиц цемента в гидратационные процессы и препятствуют возможному образованию перенапряжений в твердеющей системе, а также равномерно распределяются во всем объеме твердеющей системы, диспергируя частицы цемента.

Об уплотнении структуры искусственного камня свидетельствуют результаты микроскопических исследований (рис. 1 и 2).

Рис. 1. Исходный образец мелкозернистого бетона, х500

Рис. 2. Образец мелкозернистого бетона с анортитом 0,01 мас. % от веса цемента, х500

Видно, что структура образца мелкозернистого бетона с добавкой анортита (рис.1) более плотная, чем исходный образец (рис.2). Наблюдается однородный ровный слой продуктов гидратации вяжущего, заполняющего межзерновые полости волокнистыми новообразованиями, образуя сеть прочных пространственных связей, которые повышают плотность и, соответственно марочную прочность бетонного изделия.

На рис.3 представлены зависимости прочности бетонов, модифицированных комплексным наполнителем: механоактивированной минеральной добавкой и нанопоршком анортита.

Рис. 3. Прочность бетонов, модифицированных механоактивированными глиной (а) и цеолитом (б)

Установлено увеличение прочности при сжатии образцов, модифицированных комплексной добавкой. Причем максимальный эффект достигается при использовании механоактивированной глины — до 56 %. Использование цеолита в смеси с анортитом к положительному эффекту не приводит.

Эффективность введения анортита в состав бетона, модифицированного глиной, можно объяснить его химической природой и оптимальным содержанием кальция, отсутствующего в составе глины, необходимого для ускорения процессов гидратации и твердения бетона. Цеолиты, характеризуемые повышенным содержанием кальция, способствуют замедлению процессов гидратации и твердения бетона.

Электронно-микроскопические исследования элементного состава модифицированного бетона показали (рис. 4), что атомы кальция равномерно распределены как по всей поверхности, так и в малом участке, что свидетельствует об интенсификации гидратационных процессов. Исследование распределения кальция в исходных образцах показывает, что его содержание на поверхности заметно отличаются, что свидетельствует о неравномерном распределении зерен гидратных фаз цемента по всему объему цементного камня.

Рис.4 Элементный состав малого участка исходного (а) и модифицированного комплексной добавкой (б) мелкозернистого бетона

Анализируя результаты исследований влияния добавки на свойства бетонов, можно сделать следующие выводы:

1.                  Выявлены оптимальные дозировки нанодобавки при постоянном водоцементном отношении и равноподвижных бетонных смесях для мелкозернистых бетонов марок по прочности В20, В25, В30, В35. Содержание нанодобавки составляет от 0,005 до 0,01 масс. % от веса цемента.

2.                  Наномодифицирование мелкозернистого бетона ускоряет процесс гидратации, что способствует набору прочности на ранних сроках твердения, при этом прочность образцов увеличивается на 35–40 % в марочном возрасте.

3.                  Установлена возможность использования комплексных модификаторов бетонных смесей, включающих нано и минеральные добавки, позволяющие улучшить прочностные свойства мелкозернистых бетонов, за счет ускорения процессов гидратации на ранних сроках твердения и полного завершения гидратации в проектном возрасте.

Литература:

1.                  Гусев Б. В. Проблемы создания наноматериалов и развития нанотехнологий в строительстве // Нанотехнологии в строительстве: научный Интернет-журнал www.nanobuild.ru № 2, 2009 -С.5–12.

2.                  Лесовик В. С. Наносистемы в строительном материаловедении — прорыв в будущее. // Технолог, 2008, № 8.

3.                  Лушникова А. А., Соковикова М. А.,. Пудов И.А Формирование структуры и свойств бетонов, модифицированных дисперсными добавками // Вестник ЮУрГУ. 2011. № 16. -С. 30–33.