Строительство и архитектура/4

Строительство и архитектура/4. Современные строительные материалы

Иноземцев А.С., к.т.н., инженер-испытатель

НОЦ «Нанотехнологии» ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», Россия

Методы ИК- и КР-спектроскопии для исследования процессов структурообразования наномодифицированных высокопрочных легких бетонов^*

*Печатается при поддержке стипендии Президента РФ молодым ученым и аспирантам СП-565.2012.1

Оценку эффективности модифицирующих добавок, в том числе наноразмерного масштаба, оказывающих влияние на процессы структурообразования материала, необходимо осуществлять с применением достоверных и информативных методов. Для оценки влияния комплексного наноразмерного модификатора на процессы структурообразования высокопрочных легких бетонов предложено использовать обобщенные результаты инфракрасной спектроскопии и спектроскопии комбинационного рассеивания.

Методы и материалы

Модифицирование составов высокопрочного легкого бетона [1] для повышения адгезии на границе раздела фаз «полые микросферы – цементно-минеральная матрица» осуществлялось специальным комплексным наноразмерным модификатором «BisNanoActivus» на основе золя гидроксида железа и золя кремниевой кислоты [2].

Качественная и количественная оценка влияния предложенного модификатора оценивалось по результатам дифференциального термического анализа на высокотемпературном дифференциальном сканирующем калориметре HDSC PT1600, на основе данных ИК-Фурье спектрометра Cary 630 и спектрометра комбинационного рассеивания Senterra.

Результаты

Модификатор, привитый к поверхности полых микросфер, за счет взаимодействия с цементом и продуктами его гидратации, образует дополнительные связи в зоне контакта и способствует повышению адгезии.

Результаты дифференциального термического анализа [3] свидетельствует, что термограммы цементного камня как базового, так и наномодифицированного состава имеют три характерных аномалии, соответствующие процессам разложения фаз:

- удаление связанной воды, дегидратация гипса, эттрингита, C–S–H геля (130…150 °C) [4];

- разложение портландита (470…500 °C) [4, 5];

- разложение арагонита и кальцита (745…770 °C) [5, 6].

При этом наблюдается смещение значений температур и удельной энтальпии, что увеличением доли связанной воды и образованием большего количества гидратов и гидросиликатов кальция.

Активный кремнезем, который присутствует в составе комплексного наномодификатора, взаимодействует с Ca(OH)2цемента с образованием гидросиликатных структуры CSH (II). Указанное подтверждается результатами ИК-спектроскопии (рис. 1).


Рис. 1. ИК-спектры поглощения портландцемента, цементного камня базового состава и наномодифицированного состава	Рис. 2. Спектры комбинационного рассеяния цементного камня, граница раздела фаз для базового состава ВПЛБ и наномодифицированного состава

Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что применение разработанного наномодификатора «BisNanoActivus» приводит к увеличению количества продуктов гидратации цемента. Это объясняется увеличением интенсивность максимумов в диапазоне 1100…750 см^–1, соответствующих симметричным и антисимметричным колебаниям связей Si–O–Si и Si–O (а также связей Si–O–Al), характерных для соединений гидросиликатов кальция [7, 8]. Кроме того, широкие полосы поглощения при 3620 и 3450 см^–1соответствуют колебаниям гидратных связей в соединениях гидроксида кальция. Наличие наномодификатора способствует проявлению в цементном камне полос поглощения – 1620 и 1150…1030 см^–1[9, 10], характерных для соединений CSH тоберморитоподобной структуры. Установлено, что для цементного камня, модифицированного комплексным наномодификатором, наблюдается снижение относительной интенсивности поглощения для пиков карбонатных связей 870 и 1400 см^–1.

Спектры комбинационного рассеяния, для участков цементного камня, границы раздела «цементный камень – микросфера» высокопрочных легких бетонов и наномодифиицированных высокопрочных легких бетонов представлены на рис. 2.

Как видно из рисунка 2, спектры комбинационного рассеяния (КР-спектры) для различных типов образцов отличаются и по количеству идентифицируемых пиков и по их относительной интенсивности. При исследовании зоны контакта цементного камня и микросфер в высокопрочном легком бетоне в отличии от состава цементного камня наблюдаются только два пика пониженной интенсивности (137 и 501, для четвертого и пятого пика соответственно), соответствующие валентным колебаниям связи Si–O. На границе «цементный камень – микросфера» в составах наномодифицированного высокопрочного легкого бетона идентифицируются спектры в области 400…600 см^–1, характерные для внутренних деформаций силикатов типа ν4 ([SiO4]) [11]. Пики при 462 и 517 см^–1 могут быть интерпретированы как соответствующие деформационным колебаниям и антисимметричным изгибам связи O–Si–O. При этом относительная интенсивность пиков составляет 649; 643; 141; 401 и 1239; высота пиков «А», «Г» и «Д» увеличивается на 15; 11 и 35 %, соответственно. Это свидетельствует об увеличении количества кристаллических продуктов реакции на границе раздела фаз.

Выводы и заключения

Показано, что использование комплексной оценки результатов ИК- и КР спектроскопии позволяет осуществлять оценку влияния комплексного нанормазмерного модификатора на процессы структурообразования наг ранице раздела фаз «цементный камень – полые микросферы» в высокопрочных легких бетонах.

Установлено, что нанесение комплексного наноразмерного модификатора «BisNanoActivus» приводит к повышению количества активных центров на поверхности дисперсных фаз. Это позволяет прогнозировать интенсификацию гидратации портландцемента и увеличение количества гидросиликатов кальция на границе раздела фаз «цементный камень – наномодифицированная микросфера».

Литература:

1. Korolev E.V., Inozemtcev A.S. Preparation and research of the high-strength lightweight concrete based on hollow microspheres // Advanced Materials Research. 2013. Vol. 746. P. 285-288. DOI: http://dx.doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.746.285

2. Иноземцев А.С., Королев Е.В. Прочность наномодифицированных высокопрочных легких бетонов // Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал. 2013. № 1. С. 24-38.

3. Иноземцев А.С., Королев Е.В. Структурообразование и свойства конструкционных высокопрочных легких бетонов с применением наномодификатора BisNanoActivus // Строительные материалы. 2014. №1-2. С. 33-38.

4. Тейлор Х. Химия цемента, М.: Мир, 1996. 560 с.

5. Уэндландт У. Термические методы анализа. М., Мир, 1978. 527 с.

6. Lucia F.-C., Torrens-Martin В., Morales L.M., Sagrario M.-R. Infrared Spectroscopy in the Analysis of Building and Construction Materials, 2012. 510 p.

7. Плюснина И.И. Инфракрасные спектры силикатов. М.: Изд-во Московского ун-та, 1967. 192 с.

8. Лазарева А.Н. Колебательные спектры и строение силикатов. Л.: Наука, 1968. 123 с.

9. Коровкин М.В. Инфракрасная спектроскопия карбонатных минералов. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. 80 с.

10. Борзяк О.С. Физико-химические исследования фазового состава цементного камня в бетоне, находившемся под воздействием пульсирующего однонаправленного электрического потенциала // Збірник наукових праць укрдазт, вип. 130, 2012. С. 71-77.

11. Peskova S., Machovic V., Prochazka P.P. Raman Spectroscopy Structural Study of Fired Concrete // Ceramics – Silikaty. 2011. № 55. P. 410-417.