Цементные композиты с добавлением наностуктурированных частиц

При производстве бетонных работ используется щебень, гравий, песок или песчано-гравийные смеси. Песок является мелким заполнителем, а гравий и щебень – крупным. По крупности или по размеру зёрен для гравия и щебня установлены пределы от 5 до70 мм с разделением на фракции: 5–10, 10–21, 20–40, и 40–70 мм. Щебень, а при необходимости гравий и песок могут быть фракционированы с целью оптимального использования отдельных фракций в бетонах различного назначения, например, для бетонирования тонкостенных железобетонных изделий. Требуемые фракции щебня и песка могут быть полуперспективные материалы в строительстве и технике (ПМСТ-2014) 332 чены из природных каменных материалов, в том числе и гравия, путём дробления на установках и машинах различного типа. Для бетонов различных видов должно выполняться одно обязательное условие: прочность естественных заполнителей должна соответствовать для пористых не менее 50 %, тяжёлых (плотных) – не менее 150–200 % от требуемой прочности бетона [1]. В зависимости от объёмной массы бетоны делятся на особо тяжёлые – 2500 кг/м3 , тяжёлые – 2200–2500 кг/м3 , облегчённые – 1800–2200 кг/м3 , лёгкие – 500–1800 кг/м3 , и особо лёгкие – до 500 кг/м3 . По структуре бетоны могут быть: плотные, крупнопористые, ячеистые; по виду используемого вяжущего: цементные, силикатные, гипсобетоны, асфальтобетоны, полимерцементные бетоны, полимербетоны на основе полимерных связующих. Наиболее широкое применение в строительных работах получили обычные тяжёлые бетоны на основе местных заполнителей (песка, щебня или гравия), лёгкие керамзитобетоны для ремонта ограждающих конструкций, а так же ячеистые газо- и пенобетоны для устройства теплоизоляций покрытий и стен.

Добавки для бетонов: классификация

Применение добавок является наиболее эффективным способом, повышающим качество бетонов, не требующим больших капитальных затрат. Грамотное применение целевых комплексных добавок позволяет решить любые проблемы, связанные с получением бетонов с заданными свойствами. Высокая прочность, низкая проницаемость, повышенная долговечность и морозостойкость могут быть достигнуты с применением высокоподвижных бетонных смесей, содержащих современные добавки.

Все добавки можно разделить на шесть групп.

Суперпластификаторы – позволяют повысить подвижность бетонной смеси, или увеличить прочность, плотность и водонепроницаемость бетона, или снизить расход цемента при обеспечении требуемой прочности бетона.

Ускорители набора прочности – увеличивают скорость набора прочности в ранние сроки твердения (1-3 суток), повышают марочную прочность бетона.

Добавки, регулирующие сохраняемость подвижности бетонной смеси, – востребованы в жаркое время года или при необходимости длительной перевозки бетонной смеси.

Добавки с противоморозным эффектом – обеспечивают проведение бетонных работ в зимнее время при температурах до минус 15 о С и даже до минус 25 о С.

Модификаторы бетона – бетоны с этими добавками имеют класс по прочности до В80 при применении цементов марки 500, отличаются пониженной проницаемостью, морозостойкостью, коррозионной стойкостью и долговечностью, при этом бетонная смесь может иметь высокую подвижность.

Добавки для самоуплотняющихся бетонов – помогают решить проблему бетонирования тонкостенных, густоармированных конструкций.

Комплексные добавки – объединяют в себе несколько видов воздействия на бетонную смесь.

Кроме того, комплексные добавки избавляют производителей бетона от поисков нескольких разных компонентов для получения нужных свойств. Ведь эти компоненты должны еще и мирно «уживаться» в одной смеси, не вступать между собой в какие-то нежелательные реакции.

Для регулирования свойств бетона, бетонной смеси и экономии цемента применяют различные добавки. Их подразделяют на два вида: химические добавки, вводимые в бетон в небольшом количестве (0,1- 2% от массы цемента) и изменяющие в нужном направлении свойства бетонной смеси и бетона, и тонкомолотые добавки (5-20% и более), использующиеся для экономии цемента, получения плотного бетона при малых расходах цемента и повышения стойкости бетона. Применение химических добавок является одним из наиболее универсальных, доступных и гибких способов управления технологией бетона и регулирования его свойств. Если ранее наиболее широко в строительстве использовались в виде добавок отдельные химические продукты и модифицированные отходы промышленности, то в настоящее время преобладают добавки, специально приготовленные для бетона (суперпластификаторы, органо-минеральные и другие). Планы развития строительной индустрии предусматривают значительное расширение производства бетонных смесей с использованием эффективных добавок, применение новых видов добавок.

Химические добавки классифицируют по основному эффекту действия:

1) регулирующие свойства  бетонных смесей:

• пластифицирующие добавки, увеличивающие подвижность бетонной смеси;

• стабилизирующие добавки, предупреждающие расслоение бетонной смеси;

• водоудерживающие, уменьшающие водоотделение;

2) добавки регулирующие  схватывание бетонных смесей  и твердение бетона:

• добавки, ускоряющие или замедляющие схватывание, ускоряющие твердение, обеспечивающие твердение при отрицательных температурах (противоморозные);

3) регулирующие плотность  и пористость бетонной смеси  и бетона: воздухововлекающие, газообразующие, пенообразующие, уплотняющие (воздухоудаляющие и кольматирующие поры бетона);

4) добавки - регуляторы деформаций  бетона, расширяющие добавки;

5) повышающие защитные  свойства бетона стали, ингибиторы  коррозии стали;

6) добавки - стабилизаторы, повышающие  стойкость бетонных смесей против  расслоения, снижающие водоотделение;

7) добавки придающие бетону  специальные свойства:

• гидрофобизирующие добавки, уменьшающие смачивание бетона;

• антикоррозионные добавки, повышающие стойкость в агрессивных средах, красящие, повышающие бактерицидные и инсектицидные свойства, электроизоляционные, электропроводящие, противорадиационные.

 Свойства композиционных материалов во многом зависят от структуры дисперсных систем, на основе которых они получаются. Структурная прочность дисперсной системы, ее устойчивость, характер поведения при течении, скорость разрушения и восстановления связаны между собой. Строительный конгломератный материал – бетон относится к классу композитов. Бетоны на основе неорганических вяжущих веществ представляют собой искусственные строительные конгломераты, получаемые в результате твердения рационально по составу, тщательно перемешанной и уплотненной бетонной смеси из вяжущего вещества, воды и заполнителей. Достижению высокой прочности бетона способствует сочетание ряда факторов: повышение плотности систем в результате оптимизации зернового состава, уменьшение количества пор цементного камня за счет снижения водоцементного отношения, заполнения пор между частицами и др.

Рис1. Модель элементарной ячейки системы «заполнитель-вяжущая часть»

Макроструктура бетона представляет собой плотно упакованные зерна заполнителя, связанные между собой вяжущим веществом. Упаковка крупных зерен формирует определенное пространство пор, которое и определяет количество вяжущего вещества. Следовательно, для достижения заданных свойств бетона необходимо рассчитать оптимальное количество вяжущего вещества, заполняющего поры между заполнителями, для уплотнения упаковки и его равномерного распределения.

Применение наномодификаторов позволяет сократить количество цемента в бетонной смеси благодаря заполнению пор при сохранении всех необходимых характеристик по удобоукладываемости, прочности, долговечности и, что самое главное, трещиностойкости. Таким образом, основная идея использования наномодификаторов не только в существенной экономии средств (порядка 200 руб. на 1 м3бетонной смеси), но и, в первую очередь, в создании высококачественного бетона даже при крайне низком качестве цемента, которое сегодня является одной из ключевых проблем производителей бетона.

В качестве наномодификаторов применяют следующие добавки: углеродные астралены (С), углеродные фуллероны (С), углеродные нанотрубки (С), серебро (Ag), медь (Cu), диоксид титана (TiO2), диоксид кремния (SiO2) из отходов, диоксид кремния (SiO2) синтезированый, оксид железа III (Fe2O3), оксиды других металлов, известь (CaCO3), полимерные наночастицы, нанопленки, нановолокна.

Нанорозмерные частицы могут являться наиболее перспективным модификаторами структуры цементного камня и бетонов на его основе, так как являются центром кристаллизации новой фазы, проявляют высокую химическую активность и обеспечивают снижение внутренних напряжений в системе, тем самым повышая прочность и долговечность материала.

Углеродные наноматериалы имеют свободные химические связи, вследствие чего они могут обеспечить улучшение сцепления бетонной смеси и заполнителя и, как следствие, повышение прочности материала. Нановолокна и наноматериалы могут играть роль армирующего материала благодаря высокой прочности и повышенного модуля упругости. 

Для снижения пористости и, следовательно, водопотребности сырьевой смеси, требуется значительное количество частиц наименьшего размера для заполнения пустот системы. В бетоне, изготовленном из смеси с неподходящем составом частиц, вода между частицами может быть легко вытеснена под действием нагрузки, в результате происходит расслоение и выпадение осадка.

Увеличение количества наполнителя выше оптимального приводит к разбавлению цементного камня наполнителем, что нарушает непосредственные контакты между гранулами клинкера и уменьшает прочность камня. Оптимальное количество наполнителя в бетоне позволяет достичь максимально плотной упаковки частиц в тесте, если частицы наполнителя значительно мельче частиц цемента (dц>dн), или достичь максимального насыщения цемента наполнителем без образования контактов частиц наполнителя между собой, если частицы наполнителя и цемента соизмеримы.

При переходе к наноразмерам происходят значительные изменения в электронной проводимости, поверхностной энергии. Удельная поверхностная энергия пропорциональная поверхности раздела фаз, поэтому чем мельче частицы наполнителя, тем больше отношение их поверхности к объему или массе и тем сильнее проявляется явление смачиваемости.

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

– рост прочностных показателей цементного композита, модифицированного наноразмерными частицами, определяется повышением общего уровня поверхностной энергии частиц твердой фазы материала, обусловливающего кинетику процесса структурообразования;

– оптимальный подбор количества добавки, вводимой в цементный композит, позволяет не только получить цементный композит с заданными свойствами, но и значительно сэкономить его производство.