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

Паспортные данные цемента, использованного в экспериментах

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.).