Строительство и архитектура/ 4.Современные строительные материалы
Д.т.н.
Лесовик В.С., д.т.н. Потапов В.В., аспирант Ивашова О.В.
Белгородский
государственный технологический университет им. В.Г.Шухова, Россия
Наномодификатор
из гидротермальных источников для бетона
В настоящее время наблюдается
значительный рост потребления аморфных кремнеземов в мировой промышленности.
В связи с этим актуальной задачей
является поиск новых источников кремнезема и разработка методов получения из
них аморфных кремнеземсодержащих материалов с различными физико-химическими
характеристиками для промышленного использования. Гидротермальные растворы -
один из потенциальных источников дисперсного аморфного кремнезема.
Гидротермальные растворы являются
источником как аморфных высокодисперсных порошков кремнезема, так и водных
гидрозолей, которые могут быть получены мембранным концентрированием.
В России существуют крупные запасы
высокотемпературных геотермальных ресурсов.
Нанодисперсный кремнезем гидротермальных
растворов является сырьем для получения материалов с высокой удельной
поверхностью и низкой концентрацией примесей. Таким образом, минеральные
ресурсы гидротермальных растворов могут быть использованы в комплексе с
энергетическими ресурсами.
В промышленности аморфные кремнеземы получают в
основном при подкислении серной
кислотой жидкого стекла, которое в свою очередь получают варкой кварцевого
песка в крепком растворе щелочи при повышенных температурах и давлениях, но это
несет большие затраты. Этого недостатка лишен аморфный кремнезем, полученный из
природных гидротермальных растворов.
Аморфный тонкодисперсный кремнезем (белая сажа,
горная мука, аэросил, силикагель, диоксид кремния и т.д.) представляет собой
неорганическое вещество, в общем случае имеющее химический состав nSiO2*mH2O,
состоящее из коллоидных частиц размером 1-50 нм и обладающее высокоразвитой
пористой структурой с большой удельной поверхностью от 200 до 900 м2/г.
Выполнены эксперименты по изучению влияния малых
добавок кремнезема в цемент на прочность бетонного изделия, изготовленного на
основе цемента.
В 1-ой серии экспериментов коагуляцию и осаждение кремнезема проводили
из раствора сепарата скважины А2 Мутновского месторождения с общим содержанием Ct=796,9-856,25 мг/кг кремнезема и pH=8,75-8,95. Расход CaO составлял 250
мг/кг, температура обработки раствора - 20 оС. После обработки
осадок отделяли и обезвоживали на центрифуге при частоте 5200 оборотов/мин в
течение 20 мин, затем высушивали при 120 оС в течение 12 ч.
Отношение CaO/SiO2 в
составе осажденного материала составляло 0,109.
Осажденный материал испытывали в качестве
добавки в цемент для повышения прочности бетонных изделий. Проводили испытания
двух различных составов с 4% и 6% кремнезема от веса цемента. Кремнезем
добавляли в портланд-цемент алитового типа. Характеристики цемента приведены в
таблице 4.4.
Таблица 4.4
Марка цемента |
ПЦ400 Д20 ГОСТ 10178-95 |
Гарантированная марка |
400 кг/см2 |
Количество минеральной добавки (туф) |
15,8 вес. % |
Активность при пропаривании |
245 кг/см2 |
Группа эффективности пропаривания |
2 |
Нормальная густота цементного теста |
26,5 % |
Ион хлора |
< 0,1 вес. % |
Удельная активность естественных радионуклидов в цементе |
< 370 Бк/кг |
Во 2-ой серии экспериментов кремнезем осаждали из раствора сепарата
продуктивных скважин Верхне-Мутновской ГеоЭС, расход CaO был 300 мг/кг, отношение CaO/SiO2 в составе осажденного материала – 0,134. Испытания
проведены с 2 вес. % кремнезема при водоцементном отношении 30,5 вес.%. Для 4-х
контрольных кубиков результаты измерения прочности на сжатие были такими (кг/см2):
№ 1 - 274, № 2 - 217, № 3 - 230, № 4 - 242, средний - 241. Добавление 2 вес. %
кремнезема в цемент привело к повышению среднего значения прочности на 12,9%
(кг/см2): № 1 - 273, № 2 -
311, № 3 - 242, № 4 - 263, средний - 272.
Для образца, осажденного при расходе CaO
300 мг/кг, проведено более подробное изучение влияние добавок кремнезема в
цемент. Отношение CaO/SiO2 в составе осажденного
материала составляло 0,123. Водоцементное отношение изученных образцов было
27,5 %. Количества добавленного кремнезема составили 0,5, 1,0, 2,5 и 5 масс. %.
Рост прочности по сравнению с контрольными образцами составил: 0,5 масс. % -
1,4 %; 1,0 масс. % - 29,3 %; 2,5 масс. % - 66,2 %; 5,0 масс. % - 4,7.
В 3-ей серии экспериментов в цемент добавляли кремнезем, осажденный
вымораживанием диспергированного гидротермального раствора сепарата
продуктивных скважин Верхне-Мутновской ГеоЭС по способу [81]. В экспериментах
по измерению прочности бетона весовую долю кремнезема, осажденного
вымораживанием, варьировали в пределах от 2 до 7 % (по отношению к цементу),
водоцементное отношение было равно 0,375. Среднее значение прочности
контрольных кубиков бетона (без добавки кремнезема) 28-дневного возраста
достигало 199 кг/см2. Результаты экспериментов 3-ей серии показали,
что при добавлении в цемент 2-5 вес.% кремнезема наблюдается прирост средней
прочности (от 37,7 до 106 %). Однако, при добавлении 6-7 вес. % кремнезема
происходило снижение прочности. Это вызвано тем, что смесь, приготовленная из
цемента, кремнезема и воды, получается жесткой и при одном и том же времени
вибрирования не успевает достаточно уплотниться.
Эксперименты показали, что добавление в цемент
кремнезема, осажденного из гидротермального раствора, приводит к повышению
прочности бетона. Осаждение проводится после старения раствора и завершения
полимеризации и образования коллоидных частиц кремнезема, расход CaO
должен находиться в пределах 100-1000 мг/кг. Весовую долю кремнезема по
отношению к цементу необходимо выдерживать в пределах от 1 до 6-7 %,
водоцементное отношение - от 0,25 до 0,38. Другой режим заключается в
использовании кремнезема, осажденного вымораживанием диспергированного
гидротермального раствора. В этом случае количество кремнезема, добавленного в
цемент, не должно превышать 5 вес. %, в результате средняя прочность бетона
возрастает на 37 – 106 %.
Литература:
1.
Потапов В.В. Получение материалов на основе нанодисперсного кремнезема гидротермальных
растворов / В. В. Потапов, Зеленков
В.Н., Кашпура В.Н., Горбач В.А.
; Рос. акад. естеств. наук, Отд-ние "Физико-хим. биология и
инновации" [и др.]. - Москва : РАЕН, 2010. - 295 с. : табл., рис. -
Библиогр.: с. 278-295 (177 назв.).