Бетоны, модифицированные золем кремнекислоты 05.23.05 - Строительные материалы и изделия (стр. 2 )

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранного направления исследования, сформулированы цель и задачи исследования, показана его научная и практическая значимость.

В первой главе дан анализ научно-технического прогресса в производстве модифицированных бетонов.

Современные способы получения высококачественных бетонов связаны с регулированием их поровой структуры путем введения комплексных органоминеральных модификаторов, в состав которых входят суперпластификаторы, ускорители твердения цемента и микронаполнители. Каждый компонент модификатора выполняет свою определенную функцию.

Недостатком данных модификаторов является многокомпонентность состава и их высокая дозировка отдельных компонентов (от десятых долей до десятков процентов от массы цемента), а порой и дефицитность.

отмечал, что управление структурообразованием материала на наноуровне на всех этапах производства бетона и конструкций - обязательный признак современной технологии бетона. Одним из направлений управления свойствами высокопрочных материалов (керамик и бетонов) является модифицирование структуры наноразмерными частицами различной формы. Управление структурой, модифицирование и совершенствование структуры материала достигается комплексным подбором химического состава, введением новых структурных элементов на соответствующих уровнях структуры. Ярким примером таких эффективных модификаторов может служить нанодисперсный кремнезем, объединяющий в себе разновидности дисперсного кремнезема (золи, гели, суспензии, пасты). Нанодисперсный кремнезем – важнейший природный объект и основной компонент оксидных материалов, получаемых золь-гель методом. Наиболее интересными и важными представителями нанодисперсного кремнезема являются золи (ультрамикрогетерогенные дисперсные системы с жидкой дисперсионной средой и твердой дисперсной фазой), частицы которых участвуют в броуновском движении.

Интерес к добавкам для бетона, полученных по золь-гель методу, связан с тем, что при введении небольших дозировок золя получается бетон с высокими физико-механическими свойствами. Существуют несколько гипотез механизма действия золя, связанных либо со свойствами самих частиц, а именно с высокой удельной поверхностью, либо с их способностью воздействовать на воду, превращая ее в более активный компонент вяжущей системы. Но большинство авторов склоняются к идее, что использование золя как добавки в бетон состоит в создании дополнительного структурного элемента, обладающего высокой удельной поверхностью и повышающего гидратационную активность цемента, что в свою очередь способствует сокращению количества пор и микрокапилляров. Следует отметить, что все известные работы посвящены исследованиям однокомпонентных золей, существующих в нейтральной среде, при этом они получены либо из щелочной среды путем разбавления жидкого стекла водой, либо из кислой среды при гидролизе железа и сульфата алюминия. Процесс получения кремнеземсодержащего компонента из жидкого стекла является сложной и энергозатратной технологией. Для получения золей многовалентных металлов применяют способ гидролиза растворимых солей, что не позволяет вести количественную оценку состава золя. В данной работе впервые исследована возможность модифицирования мелкозернистых бетонов многокомпонентным золем (комплексным коллоидным модификатором), отличающихся не только своим составом, но и способом получения от известных науке золей. Данная разработка является предметом «ноу-хау», что подтверждено получением патента № 000 РФ Высокопрочный бетон.

Во второй главе приводится характеристика материалов и методов исследования.

Для проведения основных экспериментальных работ, направленных на получение комплексного коллоидного модификатора и на изучение зависимости эффективности комплексного коллоидного модификатора на свойства цементного камня и мелкозернистых бетонов на их основе, были использованы портландцементы промышленного изготовления ПЦ «Тимлюйского цементного завода» М400 Д0,химический состав клинкера и цемента которого представлены в таблице 1.

Таблица 1

Химический состав цемента

Завод-изготовитель	Химический анализ клинкера, %
цементный завод»	Si02	А1203	Fe203	СаО	МgО	S03	п. п. п.
21, 50	4,76	4,26	65,32	1,63	0,87	0,58
Химический анализ цемента, %
Si02	А1203	Fe203	СаО	МgО	S03	п. п.п.
20,93	4,78	3,83	63,32	1,25	2,29	1,65

В качестве мелкого заполнителя для проведения экспериментальных работ был использован речной песок с Мкр= 2,1.В качестве мелкого заполнителя для проведения экспериментальных работ использован речной песок с Мкр=2.В качестве мелкого заполнителя для проведения экспериментальных работ использован речной песок с Мкр=3.1.

В качестве крупного заполнителя использован гранитный щебень максимальной крупностью зерен 20 мм, имеющий марку по дробимости 800-1000 исреднюю плотность2,65 г/см3.

Песок и щебень по содержанию илистых, глинистых, пылевидных и органических примесей соответствуют требованиям ныне действующих нормативных документов.

Измельчение экспериментальных материалов проводилось в виброистирателе ВИ 4Ч350 до получения необходимой удельной поверхности.

Размеры частиц полученного комплексного коллоидного модификатора определяли методом турбидиметрии по зависимости мутности системы от длины волны на спектрофотометре LEKISS–1207.

Для исследования цементного камня применялся растровый электронный микроскоп JEOL-JSM-6510LV. Исследуемые образцы были подготовлены и сданы в научную лабораторию ЦКП «Прогресс» ФБГОУ ВПО ВСГУТУ.

Прочность на сжатие цементного камня, содержащего комплексный коллоидный модификатор, определяли на образцах 20х20х20мм.

Плотность, водопоглощение мелкозернистого бетона определяли в соответствии с методиками ГОСТ 12730-1,3.78. Прочность при сжатии бетона  определяли в соответствии с методиками ГОСТ 10180-90. Морозостойкость бетонных образцов с содержанием комплексного коллоидного модификатора определяли в соответствии с методиками ГОСТ 10060.0 -95.

Кроме вышеизложенного, в работе были использованы методы математического планирования эксперимента, которые дают возможность одновременного варьирования всех переменных и изучения влияния каждого из них на свойства исследуемого материала.

В третьей главепредставлены основные результаты исследований по разработке комплексного коллоидного модификатора, изучению его свойств, а также оценка их эффективности в цементных композициях.

В данной работе путем химической поликонденсации получен новый комплексный коллоидный модификатор по золь-гель методу. В основу нового подхода был положен известный факт, что цемент и цементный камень не являются кислотостойкими соединениями и превращаются в присутствии кислоты в аморфные вещества. При взаимодействии портландцемента с соляной кислотой происходят следующие реакции:

1.        3CaO* SiO2+6HCl =H4SiO4+3CaCl2+H2O.

2.        2CaO* SiO2+4HCl =H4SiO4+2CaCl2.

3.        3CaO* Al2O3+6HCl= 2 Al(OH)3+3CaCl2.

4.        4CaO* Al2O3*2Fe(OH)3+8HCl= 2 Al(OH)3+4CaCl2+2Fe(OH)3.

При взаимодействии соляной кислоты с силикатами, алюминатом и алюмоферритамикальция портландцемента в результате обменных реакций образуются хлористый кальций, кремниевая кислота, гидроокислы железа и алюминия, содержание которых в золе, считая на сухие компоненты, лежат в пределах, %: CaCl2-70.2-76.1; H4SiO4-19.7-19.9; AL(OH)3-3.7-5.59; Fe(OH)3- 4.14-4.19. Автором уже была отмечена положительная роль каждого из этих компонентов для самостоятельного модифицирования бетона. При данном способе получения три компонента образуются одновременно. Помимо всего прочего образуется хлористый кальций, известный как ускоритель твердения цемента. Следовательно, полученный золь представляет собой комплексную добавку, содержащую одновременно три вида золей и ускоритель твердения цемента.

Химический состав и характеристики полученного комплексного коллоидного  модификатора представлены в таблице 2

Таблица 2

Химический состав и характеристика комплексного

коллоидного модификатора

Содержание в 100 г раствора, г	HCl/ПЦ	рН	Плотность, г/см3	Содержание в 100 г раствора, г
ПЦ	HCl	H4SiO4	AL(OH)3	Fe(OH)3	CaCl2
ККМ	3,0	3,65	1,2	2,5	1,042	0,99	0,24	0,11	0,381

Учеными выявлено, что в зависимости от рН–среды золь кремниевой кислоты либо может быть устойчивым, либо постепенно агрегировать и переходить в гель. Область рН 5,0…6,0 является наименее устойчивой, и здесь гелеобразование происходит быстро. Устойчивость золя повышается при изменении рН от 6,0 до 2,0 и снова понижается при рН 2,0 и ниже. При данном способе получения комплексного коллоидного модификатора (с показателем рН 2,5) удалось получить устойчивый высококонцентрированный золь, представляющий собой некристаллическую конденсационную нанодисперсную структуру из метастабильных растворов. О том, что полученный раствор представляет собой коллоидную систему – золь, свидетельствует и тот факт, что при хранении комплексного коллоидного модификатора на открытом воздухе через 14 сут раствор переходит в желеподобное состояние – гель.

Размеры частиц комплексного коллоидного модификатора определяли методом турбидиметрии на спектрофотометре LEKISS–1207. Принцип метода основан на измерении интенсивности света определенной длины волны, прошедшего через кювету, содержащую коллоидный раствор. На основании результатов по определению оптических плотностей с использованием различных светофильтров, рассчитывают коэффициент n, далее по калибровочной кривой Геллера определяют размер частиц. Результаты расчетов приведены в таблице 3.