Смирнова Т.В., Соловьева В.Я., Степанова И.В., Шершнева М.В.. Особенности физико-химической природы и свойств дисперсий наноразмера

Золь кремниевой кислоты H4SiO4 получали путем катионирования раствора натриевого жидкого стекла при разбавлении 1:20. Определено, что рациональное количество золя H4SiO4 составляет 0,6 % от массы цемента, что обеспечивает повышение прочности при сжатии в раннем возрасте (3 сут) на 28 % и на 18 % в проектном возрасте (28 сут) по сравнению с контрольным образцом.

Установлено, что эффективность золя ортокремниевой кислоты повышается при введении калия железистосинеродистого в рациональном количестве, равном 25 масс.% от массы золя. В присутствии K4[Fe(CN)6] повышается устойчивость золя во времени, т. к. анион имеет максимальный отрицательный заряд. Данную зольсодержащую композицию назвали Hardness-M. Использование ее в оптимальном количестве, равном 0,75 % от массы цемента, обеспечивает повышение прочности при сжатии образцов из цементной пасты, твердеющих в нормальных условиях в раннем возрасте (3 сут), на 85 % и в проектном возрасте (28 сут) – на 46 %.

Физико-химические исследования образцов камня, активированного золем H4SiO4, показали усиление гидратационной активности цемента, о чем свидетельствует образование низкоосновных гидросиликатов кальция типа CSH(I) и увеличение содержания химически связанной воды у образцов искусственного камня с добавкой золя ортокремниевой кислоты. Использование зольсодержащей композиции Hardness-M приводит к усилению гидратации цемента по сравнению с контрольными образцами и образцами, активированными золем H4SiO4. В качестве основных продуктов гидратации обнаружены тоберморитоподобные гидросиликаты типа CSH(I), а также наблюдается и некоторое образование портландита, что связано, вероятно, с тем, что скорость гидратации C3S превышает скорость реакции солеобразования.

Влияние композиции Hardness-M на прочностные и деформативные характеристики тяжелого бетона оценивали при максимальных расходах цемента 500–600 кг/м3. Для этого в опытах были использованы портландцемент ПЦ400 Д20 Пикалевского объединения «Глинозем», гранитная крошка размером 1,25…2,5 мм и песок для строительных работ с Мкр = 2,1.

Твердение бетона осуществлялось в нормальных условиях при t = 20 2 С и влажности 95 %. Испытания проводились по стандартным методикам и для каждого вида испытаний изготавливались образцы в соответствии с требованиями ГОСТ. Полученные результаты представлены в табл. 9.

Анализ данных табл. 9 показывает, что зольсодержащая композиция Hardness-M отличается небольшим пластифицирующим эффектом, а бетон, модифицированный добавкой, имеет повышенную прочность при сжатии и при изгибе, причем во времени прочность при изгибе увеличивается и достигает значения, равного 13,6 МПа, что отличает модифицированный бетон от контрольного образца, и это свидетельствует о формиро-

22

Общая пористость активированного образца уменьшается более чем на 40 %, и при этом размер всех пор модифицированного искусственного камня уменьшился и преобладают преимущественно капиллярные поры с размером 0,03 мм.

Полученные положительные результаты позволяют рекомендовать комплексную зольсодержащую композицию Hardness-M для создания высокопрочного бетона В60-В80 нормального и тепловлажностного твердения, отличающегося повышенной морозостойкостью, равной 600…700 циклов; повышенной водонепроницаемостью, равной 14…16 атм, пониженной усадкой в пределах 0,3 мм/м.

6.3 Разработка и использование комплексной добавки на основе золя кремниевой кислоты для создания высокоэффективного цементсодержащего ремонтного состава

В результате эксплуатации зданий и сооружений ежегодно появляются объекты, несущая способность и технические характеристики которых требуют их восстановления до проектных значений, поэтому актуальной в настоящее время и в будущем является проблема ремонта бетонных зданий и сооружений.

Ремонт зданий может осуществляться путем замены элементов, утративших проектные характеристики, или путем восстановления их строи- тельно-технических свойств. Восстановление эксплуатационных свойств экономически более предпочтительно, но для этого требуется применение ремонтных смесей с повышенным уровнем параметров качества.

Восстановление ослабленной конструкции и придание ей проектных характеристик требует от ремонтной смеси новых свойств, включающих более объемные взаимодействия разрушенного основания и ремонтного состава. Основой такого взаимодействия может служить более глубокое проникание ремонтного состава в разрушенное основание и повышенное сцепление ремонтного состава с восстанавливаемым основанием, что придает монолитность строительной конструкции.

Ремонтный состав повышенного качества может быть получен путем химической активации, например, при помощи комплексных добавок. В качестве основы комплексных добавок исследованы коллоидные раство-

ры H4SiO4, MnO2, Fe(OH)3.

Проникающую способность указанных коллоидных растворов оценивали расчетно-экспериментальным путем. Полученные результаты по глубине их проникания в поровое основание бетона В20 представлены на рис. 7.

Установлено, что наибольшей проникающей способностью характеризуется золь кремниевой кислоты H4SiO4, глубина проникания которого соизмерима с повышенной глубиной проникания 6%-ного раствора K2SO4

24

12 %, при этом площадь пор уменьшается на 27 % в результате уплотнения структуры бетонного основания, которая подтверждается и уменьшением водопоглощения до 38 отн.%.

В результате уплотнения структуры водонепроницаемость обработанного основания повышается на 4…10 атм. Наибольшее повышение водонепроницаемости основания на 8…10 атм достигается при исходном значении 6…8 атм, при этом также повышается морозостойкость основания на 100…250 циклов в зависимости от значения морозостойкости исходного бетона.

Коррозионная устойчивость восстановленного бетонного основания повышается более чем на 15 %, и коэффициент коррозионной устойчивости Ккор.уст достигает значения 0,90…0,92 в 5%-ных растворах солей Na2CO3 и MgCl2. Это обусловлено не только уплотнением структуры бетона, но и уменьшением, по данным физико-химических исследований, количества Са(ОН)2 в поровом пространстве основания и увеличением при этом гидросиликатов различной основности.

Модифицированную ремонтную смесь можно эффективно использовать и для кирпичного основания, что приводит к повышенному уплотнению поровой структуры кирпича, т. к. водопоглощение уменьшается на 32 отн.% относительно необработанного кирпича. Повышенное уплотнение поровой структуры кирпича обусловлено благоприятным соотношением между размером пор и размером нанодисперсий SiO2, которые более интенсивно заполняют поровое пространство (по данным физикохимических исследований).

По данным физико-химических исследований (рентгенофазовый анализ и дифференциально-термический анализ) установлено, что добавление к растворной смеси разработанной комплексной добавки на основе золя кремниевой кислоты повышает гидратационную активность силикатной составляющей портландцемента и приводит к образованию повышенного количества тоберморитоподобного гидросиликата кальция CSH(I) и образованию низкоосновных гидросиликатов, при этом количество Ca(OH)2 уменьшается.

Сравнительный анализ электронно-микроскопических исследований (рис. 8) показал, что при использовании для обрабатывания бетонного основания модифицированной растворной смеси поры бетонного основания заполняются мелкодисперсной фракцией. В результате гидратации непрореагировавшего цемента, находящегося в порах бетонного основания, формируется более плотная поровая структура относительно бетонного основания, обработанного растворной смесью без модификатора, из-за отсутствия гидратационных процессов в поровом пространстве.

Рентгенофазовые исследования поровой структуры кирпича, обработанного модифицированной растворной смесью, показали присутствие в

26

чем на 15 %, повышается магнезиальная и углекислотная устойчивость бетонных оснований, обработанных модифицированной ремонтной смесью.

Установлено, что модифицированная ремонтная смесь восстанавливает свойства основания, повышая прочность при сжатии на 1…3 класса в зависимости от класса бетона основания, а также повышает водонепроницаемость на 4…10 атм в зависимости от исходной марки по водонепроницаемости основания. Наибольшее повышение прочности достигается для бетона основания В20 и В22,5; наибольшее повышение водонепроницаемости обеспечивается при исходном значении 6…8 атм.

Библиографический список

1.Сватовская Л. Б. Фундаментальные основы свойств композиций на неорганических вяжущих / Л. Б. Сватовская. – Санкт-Петербург : ПГУПС, 2006.

2.Соловьева В. Я. Бетоны повышенной прочности и долговечности / В. Я. Соловьева, И. В. Степанова, Н. В. Ершиков, Д. С. Старчуков, Н. В. Коробов // Бетон и железобетон. – 2007. – № 3.

3.Вережников В. Н. Избранные главы коллоидной химии / В. Н. Вережников. – Воронеж, 2011.

4.Мушкамбаров Н. Н. Физическая и коллоидная химия : учебник для вузов / Н. Н. Мушкамбаров. – Москва : Геотар-мед, 2008.

5.Лотов В. А. Нанодисперсии системы в технологии строительных материалов и изделий / В. А. Лотов // Известия Томского политехнического универ-

ситета. – Томск. – 2007. – Т. 311. – № 3.

6.Новые геоэкозащитные технологии при строительстве и реконструк-

ции железных дорог / Л. Б. Cватовская, А. С. Сахарова, М. М. Байдарашвили, А. В. Петряев, М. В. Шершнева, В. В. Ганчиц. – Санкт-Петербург: ПГУПС, 2012.

7.Введение в геоэкохимию детоксикации литосферы на основе процессов твердения вяжущих и искусственного камнеобразования / Л. Б. Сватовская, М. В. Шершнева, А. М. Сычева, Е. И. Макарова, М. М. Байдарашвили. – СанктПетербург : ПГУПС, 2012.

8.Естественно-научный аспект природы минеральных геоантидотов (МГа) /

Л. Б. Сватовская, М. В. Шершнева, А. М. Сычева, Е. И. Макарова, М. М. Байдарашвили // Естественные и технические науки. – 2012. – № 5.

28

1.2. Классификация дисперсных систем ………………………………….. 5

2.Физико-химические свойства нанодисперсий …………………………... 6 2.1.Поверхностная энергия и адсорбция …………………………………. 6

4.Коагуляция коллоидных систем …………………………………………... 11

5.Наноматериалы и нанотехнологии ……………………………………….. 13

6.Современное приложение некоторых вопросов коллоидной химии

впрактической деятельности ……………………………………………… 16

6.1.Геозащитные решения по предотвращению и ликвидации нефтяных разливов ……………………………………………………. 17

6.2.Использование зольсодержащей добавки для создания высокопрочного бетона улучшенного качества …………………….. 21

6.3.Разработка и использование комплексной добавки на основе золя кремниевой кислоты для создания высокоэффективного

цементсодержащего ремонтного состава ……………………………. 24

Библиографический список …………………………………………………….. 28

29

СМИРНОВА Татьяна Владимировна СОЛОВЬЕВА Валентина Яковлевна СТЕПАНОВА Ирина Витальевна ШЕРШНЕВА Мария Владимировна

ОСОБЕННОСТИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ И СВОЙСТВ ДИСПЕРСИЙ НАНОРАЗМЕРА

Методические указания

Редактор и корректор Г. Н. Кириллова Компьютерная верстка М. С. Савастеевой

План 2013 г. № 30

Подписано в печать с оригинал-макета 18.01.14 Формат 60×841/16. Бумага для множ. апп. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,875. Тираж 150 экз.

Заказ 149.

Петербургский государственный университет путей сообщения. 190031, СПб., Московский пр., 9.

Типография ПГУПС. 190031, СПб., Московский пр., 9.

30