Перспективы применения базальтового волокна в бетон с использованием нанокремнезема

УДК 661.682

Перспективы применения базальтового волокна в бетон с использованием нанокремнезема

Г. М. РАХИМОВА, к. т.н., доцент кафедры СМиТ, А. С. АРИНОВА, магистрант кафедры СМиТ, А. М. РАХИМОВА, магистрант кафедры НТМ, М. А. ХАН, магистрант кафедры СМиТ, Карагандинский государственный технический университет

Ключевые слова: нанокремнезем, базальтовое волокно, микроструктура, портландцемент, гидратация.

П

ри производстве фибробетонов перспективным в силу ряда преимуществ является применение базальтового волокна. Формование минерального волокна осуществляется центробежно-дутьевым способом, являющимся наиболее распространенным для производства минеральных волокон благодаря высокой производительности и относительной экономичности по сравнению с другими. Применение для дисперсного армирования фибробетона базальтового волокна, обладающего менее однородными и стабильными качественными характеристиками, по сравнению с базальтовым и тонким штапельным волокном, и повышение его коррозионной стойкости представляется интересным.

При использовании базальтовых волокон, имеющих химическое сродство с минералами портландцемента, необходимо учесть возможное взаимодействие, которое приведет к разрушению базальтового волокна и снижению армирующего эффекта [1]. Для снижения негативного влияния среды портландцемента на коррозию неметаллических волокон применяют различные кремнеземсодержащие добавки. В технологии производства бетона актуально использование нанодисперсных добавок различного состава и структуры, в частности нанокремнезема, применение которых позволяет существенно улучшить свойства композитов.

Применение нанокремнезема в технологии производства базальтофибробетонов является перспективным, поскольку по сравнению с известными и широко изученными микроразмерными добавками интервал дозирования наноразмерных добавок на один или несколько порядков ниже при обеспечении улучшенных или сопоставимых физико-механических характеристик, а именно лежит в пределах 0,02…0,1% в составе бетона.

В ходе исследований были выявлены закономерности и количественные зависимости прочности цемента и бетона от дозировки нанокремнезема, его способа введения и определены его основные физико-механические и эксплуатационные свойства. Установлено, что при введении нанокремнезема микроструктура бетона становится более равномерной и плотной.

Для проведения эксперимента добавка размалывалась в планетарной мельнице, т. к необходима высокая степень измельчения. При скорости вращения главного диска – 100-1100 об/мин и времени измельчения – 3 мин нанокремнезем был получен с < 0.1 мкм степенью измельчения.

Микрофотографии частичек нанокремнезёма были получены с помощью электронного микроскопа. Микрофотографии частичек нанокремнезёма представлены на рисунке 1 [2].

Исследуемый нанокремнезём состоит из первичных частичек, которые обладают склонностью к образованию вторичных структур – агрегатов размером 100…500 нм, которые создают новые образования вплоть до микрометровых молекул. Дробление твёрдых тел при механическом воздействии на них происходит только до образования частичек размером не менее 0,1 мкм, а затем имеет место только их пластическая деформация. В нашем случае размеры молекул после механической обработки в шаровой мельнице уменьшаются.

а)	б)	в)

Рисунок 1 – Микрофотографии частичек нанокремнезема после механической обработки в течение:
а) 2 ч; б) 4,5 ч; в) 12 ч

В различных сериях испытаний удалось получить порошки с высокой удельной площадью поверхности от 110…170 до 300…400 м2/г, удельным объемом пор 0,2…0,3 см3/г. Насыпная плотность порошков составила 0,035…0,010 г/см3. Средние диаметры пор были в пределах от 3,0 до 7,1 нм. Нанокремнезем состоит более чем на 99% из аморфного кремнезема, содержание примесей, в мас.% : Al – 0,01, Fe – 0,01, Ti – 0,03 [3].

Были проведены исследования влияния нанокремнезема на прочность цементного камня.

Исследуемые образцы в форме балочек с размерами 40х40х160 мм готовили из раствора, содержащего цемент и песок с массовым отношением 1:3 и В\Ц равным 0,4.

Перед смешиванием с цементом и песком водный раствор нанокремнезема был подвергнут механической обработке с целью однородного распределения частиц порошка в объеме жидкости. Цементный раствор заполняли в формы и уплотняли на вибростоле.

Испытания образцов на прочность при сжатии проводили в 3-, 7- и 28-дневном возрасте. Балочки предварительно испытывали на прочность при изгибе и сжатии. Диаграмма испытания цементного камня на сжатие представлена на рисунке 2.

Диаграмма испытания цементного камня на изгиб изображена на рисунке 3.

Анализируя прочностные характеристики, следует отметить, что эффект увеличения прочности при сжатии по сравнению с образцом без добавки с применением базальтового волокна возрос в 1,4 раза, а с введением нанокремнезема – более чем в 2 раза. Прочность при изгибе с добавлением базальтового волокна увеличилась на 13%, а с нанокремнеземом на 13,5% по сравнению с контрольным [4]. Следует отметить, что введение базальтового волокна положительным образом сказывается на повышении прочности при изгибе.

Таким образом, нанокремнезем, обладая развитой удельной поверхностью и повышенной химической активностью, реагирует с образующейся при гидратации цемента известью, что ведет к увеличению прочности цементного камня.

В начальный период гидратации при соприкосновении частиц цемента с водой на контактной поверхности начинают идти реакции растворения безводных минералов клинкера. В результате происходит насыщение воды затворения и контактной зоны ионами Са2+, ОН– и др. Быстрое насыщение водного раствора ионами Са2+ происходит за счет гидролиза клинкерного минерала алита С3S, сопровождающегося последующим выделением.

Исследованиями доказано, что нанокремнезем активно влияет на гидратацию портландцемента: его присутствие изменяет концентрацию ионов Са2+ в жидкой фазе цементной пасты уже в первые минуты гидратации. Образование продуктов гидратации в ранний период происходит при участии поверхности нанодисперсных частиц, и поверхность цементных зерен оказывается в меньшей степени блокирована [5].

а – без добавок, б – с добавлением базальтового волокна;
в – с добавлением базальтового волокна и нанокремнезема

Рисунок 2 – Прочность при сжатии цементного камня

а – без добавок, б – с добавлением базальтового волокна;
в – с добавлением базальтового волокна и нанокремнезема

Рисунок 3 – Прочность при изгибе цементного камня

При добавлении нанокремнезема установлено изменение микроструктуры цемента. Введение нанокремнезема позволило дополнительно получить низкоосновные гидросиликаты кальция типа CSH (I).

Рентгенограммы фиброцементных композиций представлены на рисунке 4.

а)

б)

в)

а) без добавок, б) с добавлением базальтового волокна;
в) с добавлением базальтового волокна и нанокремнезема

Рисунок 4 – Рентгенограммы цементного камня после 28 сут. твердения

При введении базальтового волокна гидратация портландцемента указывает на снижение интенсивности пиков портландита Са(ОН)2 d/n = 0,489, 0,263, 0,193 нм по сравнению с контрольным составом.

Рентгенограмма показала, что это связано со взаимодействием волокна с гидратирующимися минералами цемента и отличается количественным изменением содержания Si и Ca.

Однако введение нанокремнезема позволило дополнительно получить низкоосновные гидросиликаты кальция типа CSH (I), образование которых привело к улучшению физико-механических характеристик дисперсно-армированного материала.

Это подтверждается результатами электронно-ми­кроскопического анализа, изображенного на рисунке 5.

На поверхности скола состава с нанокремнеземом наблюдается большее количество игольчатых новообразований гидросиликатов кальция [6].

В исходном цементном камне из-за неплотной укладки частиц цемента имеются поры, в процессе твердения это пространство заполняют кристаллы извести Са(ОН)2. Микроструктура образцов при введении базальтового волокна и нанокремнезема более плотная по сравнению с контрольным составом. Введение нанокремнезема приводит к снижению капиллярной пористости и в то же время приводит к увеличению количества мельчайших гелевых пор, входящих в состав кальциевосиликатного гидрогеля.

При дальнейшем твердении в модифицированном составе на поверхности просматривается прорастание игольчатых спицеобразных кристаллов гидросиликатов кальция. Результаты исследования показали, что состав базальтофибробетона с применением нанокремнезема препятствует разрушению базальтовой фибры, имеющей химическое сродство с минералами портландцемента, изменяет структуру цементного камня и увеличивает прочностные характеристики базальтофибробетона.

а)	б)

а) портландцемент 28 суток; б) с добавлением базальтового волокна и нанокремнезема 28 суток

Рисунок 5 – Микроструктура цементного твердения

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.         Высококачественные бетоны. Анализ возможностей и практика использования методов нанотехнологии / // Инженерно-строительный журнал. – 2009. – № 6. – С. 25-33.

2.        , Основы технологии нанодисперсного кремнезема. М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. 208 с.

3.        Патент 2067077. Способ получения ультрадисперсной двуокиси кремния, устройство для его осуществления и ультрадисперсная двуокись кремния / , ,

4.        https://esstu.ru/uportal/dissertation/downloadFile.htm?type=dissertation&typeId=4696.

5.         Технология наномодифицирования строительных материалов/ , : Сб. докладов участников круглого стола «Наносистемы в строительстве и производстве строительных материалов. – М.: Изд-во АСВ, 2007. – С. 33-38.

6.         Структура и свойства наномодифицированных цементных систем / , , // Наука и инновации в строительстве. Современные проблемы строительного материаловедения и технологии: сб. трудов междунар. конф. – Воронеж, 2008. – Т.1. – Кн.2. – С. 424-429.

7.         Модифицирование структуры цементного камня микро - и наноразмерными частицами кремнезема / , // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2008. №5. С. 30-32.