Строительство и архитектура/4.Современные строительные материалы

А. И. Емельянов, к. т. н., доц.,

В. И. Бузулуков, д. т. н., проф.,

В. Д. Черкасов, д. т. н., проф.,

Д. В. Черкасов, аспирант

Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева, Саранск

Новая модифицирующая добавка для

цементсодержащих систем

Природные кремнеземсодержащие природные минералы широко используются в строительстве в качестве компонентов теплоизоляционных материалов, товарных бетонов и других цементсодержащих композитов. К высококремнеземистым сырьевым материалам относится и диатомит. Средняя плотность диатомита в сухом состоянии колеблется в пределах 150-600 кг/м². Диатомит в природном состоянии обладает способностью к адсорбции, плохой теплопроводностью, тугоплавкостью и кислотостойкостью, а также мелкой, равномерно распределенной, преимущественно замкнутой пористостью, достигающей 80-85 %.

Активность диатомита как минеральной добавки в цементы обусловлена содержанием диоксида кремния в основном в аморфном состоянии (40-100 % от общего количества SiO₂). Увеличение активности диатомита можно добиться, производя модифицирование природного диатомита.

Основное внимание при модифицировании частиц диатомита обращается на изменение реакционноспособных силанольных групп на поверхности кремнезема, а не в его структуре. Силанольные группы довольно активны и сравнительно легко реагируют с различными органическими и минеральными веществами, так как протон силанольной группы имеет слабокислый характер и способен вступать в реакции обмена. Многие методы модифицирования диатомита, с целью использования их в качестве добавок в цементсодержащие системы, связаны именно с повышением количества этих групп, по которым можно прививать другие группы различной функциональной направленности [1, 2]. Благодаря этим реакционноспособным группам, в результате поэтапного их химического модифицирования, на поверхности частиц диатомита можно закрепить углеродные микрочастицы. Микрочастицы углерода, в результате адсорбции ионов кальция на своей поверхности, будут являться активными центрами кристализации новой фазы в затворенной цементной системе, обеспечивая равномерность процессов структурообразования в объеме бетонной смеси, тем самым повышая прочность получаемого материала. С технологической точки зрения, частицы карбонизированного диатомита, значительно проще равномерно распределить в цементом композите, по сравнению с наноуглеродными материалами. С целью подтверждения рассмотренного предположения нами был разработан химический метод модифицирования поверхности частиц диатомита микрочастицами углерода. Наличие микрочастиц углерода на поверхности модифицированного диатомита было установлено методами оптической микроскопии и элементного анализа (табл. 1).

Табл. 1. Элементный состав диатомита

№ п/п	Образец	Состав, масс. %
		O	Si	C	Al	Fe	K	Mg	Ca
1	Диатомит немодифицированный	50,11	38,95	0,80	3,21	1,78	0,94	0,56	0,58
2	Диатомит модифицированный	49,71	38,84	2,47	3,00	1,85	0,81	0,52	0,39

Экспериментально было выявлено, что в результате карбонизирования количество активных кислотных центров на поверхности диатомита уменьшилось в 1,5 раза. Эти результаты свидетельствуют о том, что нанесенные микрочастицы углерода блокируют в основном активные силанольные группы поверхности. Уменьшение количества кислотных центров на поверхности частиц диатомита в ходе модифицирования было выявлено методами ИК-спектроскопии и определения обменной емкости по отношению к ионам кальция [3]. Размер нанесенных микрочастиц углерода составил менее 2 мкм.

С целью определения эффективности карбонизации диатомита по разработанной методике, было изучено его влияние на прочностные характеристики цементных композитов. Эксперименты проведены с цементно-песчанным раствором стандартного состава (мелкозернистый бетон): ПЦ М 500-Д0 – 500 г; песок стандартный – 1500 г; водоцементное отношение В/Ц – 0,45. Испытания образцов проводились после 28 сут. твердения в нормально-влажностных условиях. Исследования показали, что введение в цементные системы модифицированного диатомита в количестве 0,75 % от массы цемента повышает предел прочности образцов при сжатии на 40 %, а предел прочности на изгиб на 80 % (рис. 1, 2).

Рис. 1. Влияние содержания диатомита на предел прочности при сжатии цементных композитов

Рис. 2. Влияние содержания диатомита на предел прочности на изгиб цементных композитов

Таким образом, разработанный метод модифицирования поверхности диатомита существенно повышает эффективность его применения в качестве компонента строительных растворов. При относительно малой дозировке активированных диатомитов возможно получение цементных композитов с высокими прочностными характеристиками.

Литература:

1. Черкасов. В. Д. Активная минеральная добавка на основе химически модифицированного диатомита / В. Д. Черкасов, В. И. Бузулуков, Е. В. Киселев, Д. В. Черкасов // Известия вузов. Строительство. 2011. № 12. С. 50 - 55.

2. Черкасов В. Д. О химическом модифицировании диатомита и возможности его дальнейшего использования в качестве активной минеральной добавки / В. Д. Черкасов, В. И. Бузулуков, А. И. Емельянов, Д. В. Черкасов // Вестник ВолгГАСУ. Сер.: Стр-во и архит. 2013. Вып. 31(60). Ч. 2. Строительные науки. С. 207 – 210.

3. Ядыкина В. В. Влияние физико-химической обработки на реакционную способность кварцевого заполнителя при формировании цементно-песчанных бетонов. Дисс. к.т.н., г. Белгород. 1987. 211 с.