Строительство и архитектура/4.Современные строительные материалы

Гришина А.Н.¹, к.т.н.; Королев Е.В.¹, д.т.н., профессор; Сатюков А.Б.²

¹ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет»; ²ООО «Инженерная группа «БСБ»

Выбор рецептуры синтеза наноразмерных гидросиликатов бария для модифицирования цементных бетонов*

* При поддержке гранта Президента РФ МК-5911.2013.8

Увеличение объемов строительства, повышение этажности, возведение зданий и сооружений высокого класса ответственности требует использования строительных материалов с высокими эксплуатационными свойствами. В настоящее время цемент является наиболее распространенным вяжущим, применяемым для изготовления строительных изделий. Одним из показателей, определяющих качество цементного бетона, является марка используемого цемента. Однако, производство высокомарочного цемента затруднительно, так как сопровождается повышением энергетических материальных затрат при его изготовлении. Одним из эффективных способов повышения качества цементных систем является использование наноразмерных добавок. Известно, что использование наноразмерных гидросиликатов кальция способствует повышению прочности цементного камня до 48 %, повышению адгезионной прочности отделочных составов до 60 %, снижению их усадки до 45 % и повышению водостойкости до 35 % [1, 2]. Для снижения ползучести бетонов, получения быстротвердеющих цементов и повышения специальных свойств цементов в их составе используют силикаты бария [3]. Указанное предполагает, что для повышения показателей качества целесообразно модифицирование цементного камня наноразмерными гидросиликатами бария. Известно, что при уменьшении размера частиц, даже в нанометровом диапазоне, эффективность их использования возрастает. Согласно результатам исследований [4, 5] оптимальным является размер ~ 9 нм, так как сильные наноразмерные эффекты, или размерные эффекты II рода (которые невозможно интерпретировать в рамках обычных поверхностных явлений) наблюдаются при размере наночастиц менее 10 нм. Поэтому необходимо выбрать рецептуру синтеза наноразмерных гидросиликатов бария меньшего диаметра.

Получение гидросиликатов бария целесообразно проводить по низкотемпературной технологии синтеза [6]. Известно, что получение наноразмерных частиц по технологии низкотемпературного синтеза возможно в низкоконцентророванных системах [7]. Для синтеза гидросиликатов бария использовали мономеры кремниевой кислоты, полученные в среде, содержащей золь гидроксида железа (III), по технологии [8-10] и гидроксид бария 8-водный квалификации «хч».

На размер синтезируемых наночастиц гидросиликатов бария преимущественное влияние оказывают следующие факторы: концентрация золя гидроксида железа (III), содержание прекурсора кремниевой кислоты и гидроксида бария. Содержание прекурсора кремниевой кислоты оценивали показателем a [8-10].

Синтез осуществляли совмещением коллоидного раствора, содержащего золь гидроксида железа и кремниевую кислоту, с раствором гидроксида бария, концентрацией 0,03…0,07 %. Использовались равные объемы растворов, содержащих золь кремниевой кислоты и гидроксида бария.

Исследования проводили с применением методов планирования эксперимента. Был реализован трехфакторный план эксперимента, в качестве варьируемых факторов приняты концентрации используемых компонентов: золя Fe(OH)₃, концентрацией 0,5±0,2 %; прекурсора кремниевой кислоты a = 1±0,5 % и Ва(OH)₂, концентрацией 0,05±0,02 %.

Изменение размеров частиц гидросиликатов бария в зависимости от концентрации компонентов адекватно описывается математической моделью вида:

,

где d_ср – средний диаметр частиц гидросиликатов бария, нм; – концентрация золя гидроксида железа (III), %; – концентрация раствора гидроксида бария, %; a – количество прекурсора жидкого стекла.

Графическая интерпретация полученной зависимости представлена на рис. 1.

а)
б)
в)

Рис. 1. Изменение среднего размера частиц в зависимости

от концентрации золя Fe(OH)₃:

а) при концентрации золя Fe(OH)₃ – 0,3%; б) то же, при 0,5 %;

в) то же, при 0,7 %

Анализ зависимостей рис. 1 показывает, что увеличение концентрации золя Fe(OH)₃ приводит к уменьшению относительного размера частиц гидросиликатов бария на 42…51 % (рис. 2), что обусловлено увеличением общего числа частиц Fe(OH)₃. При этом уменьшение количества прекурсора кремниевой кислоты приводит к относительному увеличению размера частиц, что связано с увеличением рН среды синтеза и частичной деполимеризацией кремниевой кислоты из-за увеличения рН среды [11].

Рис. 2. Относительное уменьшение размеров частиц гидросиликатов бария при увеличении концентрации золя Fe(OH)₃ с 0,3 до 0,7 %

Наименьший средний размер частиц ~ 22 нм наблюдается при следующих концентрациях компонентов синтеза: золя Fe(OH)₃ – 0,7 %, прекурсора кремниевой кислоты a = 0,5. Количество Ва(OH)₂ существенного влияния на размер частиц не оказывает, поэтому его количество целесообразно увеличить с целью повышения эффективности добавок, содержащих наноразмерные частицы гидросиликатов бария. Установлено также, что увеличение концентрации Fe(OH)₃ приводит к полимеризации кремниевой кислоты и невозможности синтеза по указанной технологии.

Литература:

1. Макридин Н.И., Вернигорова В.Н., Максимова И.Н. О микроструктуре и синтезе прочности цементного камня с добавками ГСК // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2003. № 8. С. 37-42.

2. Сергеева К.А. Сухие строительные смеси с применением композиционного известкового вяжущего для отделки и реставрации зданий и сооружений: автореф. дисс. … канд. тех. наук. Пенза: ПГУАС, 2013. 17 с.

3. Шабанова Г.Н. Исследование механизма твердения и продуктов гидратации барийсодержащих цементов // Вопросы химии и химической технологии, 2003, №1, С.51-56.

4. Королев Е.В. Проблемы и перспективы нанотехнологии в строительстве //

Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2011. № 2 (16). С. 200-208.

5. Королев Е.В. Основные принципы практической нанотехнологии в строительном материаловедении // Журнал «Нанотехнологии в строительстве» (научный интернет-журнал) − №1 − 2009. − С.66-79 (www.nanobuild.ru).

6. Гришина А.Н., Королев Е.В. Выбор технологии радиационно-защитных материалов на основе силикатов и гидросиликатов тяжёлых металлов // Научно-практический интернет-журнал «Наука. Строительство. Образование». http:// www.nso-journal.ru/images/stories/NSO/2011/02_03.pdf.

7. Вернигорова В.Н. Физико-химические основы образования модифицированных гидросиликатов кальция в композиционных материалах на основе системы CaO-SiO₂-Н₂О. Пенза, 2001, 391 с.

8. Гришина А.Н., Королев Е.В. Синтез и исследование стабильности золя кремниевой кислоты в среде, содержащей наночастицы // Тезисы второй конференции стран СНГ «Золь-гель 2012» золь-гель синтез и исследование неорганических соединений, гибридных функциональных материалов и дисперсных систем. Украина – Севастополь С. 28.

9. Гришина А.Н., Королев Е.В. Синтез и исследование наноразмерной добавки для повышения устойчивости пен на синтетических пенообразователях для пенобетонов // Строительные материалы №2. – 2013. – С. 30-33.

10. Гришина А.Н., Королев Е.В. Эффективная наноразмерная добавка, повышающая устойчивость пен для пенобетонов // Вестник МГСУ № 10, 2012. – С.159-165.

11. Шабанова Н.А., Саркисов П.Д. Основы золь-гель технологии нанодисперсного кремнезема. М.: Академкнига, 2004.