автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Бетоны, модифицированные золем кремнекислоты

На правах рукоп^и

Доржиева Елизавета Валерьевна

Бетоны, модифицированные золем кремнекислоты

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

7 НОЯ 2013

Улан-Удэ 2013

005536888

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления»

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Гончикова Елена Владимировна

Официальные оппоненты: Хозин Вадим Григорьевич

доктор технических наук, профессор Казанский государственный архитектурно-строительный университет, заведующий кафедрой технологии строительных материалов, изделий и конструкций, г. Казань

Шейнфельд Андрей Владимирович

кандидат технических наук, заместитель заведующего лабораторией НИИЖБ структурного подразделения ОАО НИЦ «Строительство», г. Москва

Ведущая организация ФГБУН «Байкальский институт приро-

допользования СО РАН», г. Улан-Удэ

30

Защита состоится «%>МЗ£2013 г. в /У часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.039.01 при Восточно-Сибирском государственном университете технологий и управления по адресу: 670013, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40 В, строение 1, аудитория 8-124

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВосточноСибирского государственного университета технологий и управления.

Автореферат разослан «Л;» С к/У) 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Дамдинова Дарима Ракшаевна.

Актуальность работы. Бетон и железобетон по своим техническим и экономическим показателям являются одними из наиболее приоритетных материалов строительства, поэтому по-прежнему важной задачей современности является повышение их качества. На данном этапе развития строительства проблемы повышения качества, долговечности, экономичности бетона и железобетона успешно решаются путем химизации этой отрасли. Одним из наиболее перспективных и эффективных направлений химизации в современном строительстве является широкое использование различных органических и неорганических соединений в качестве специальных добавок к бетону. Эти добавки с полным основанием именуются модификаторами бетонной смеси и затвердевшего бетона. Интересным, но малоизученным направлением в области модификаторов для получения высококачественных бетонов является применение золь-гель технологий. Еще в 1980-е гг. профессор М.М. Сычев проявил интерес к золь-гелям как прогрессивному методу, связанному с получением композиционных материалов с улучшенными свойствами. Трудно представить физическую картину влияния микродобавок, полученных золь-гель методом, на процессы твердения цемента, однако полученные при их использовании результаты повышения основных строительно-технических свойств цементного камня и бетонов (морозостойкость, прочность, снижение усадочных деформаций, водонепроницаемость) подтверждают высокую эффективность применения данных видов модификаторов. К настоящему времени появилось значительное количество добавок на основе золя кремниевой кислоты, золя гидроксида железа, гидроксида алюминия, позволяющих получить высокопрочные бетоны за счет интенсификации процесса гидратации цемента. Большой вклад в изучение данного направления внесли такие ученые, такие как П.Г. Ко-мохов, Л.Б. Сватовская, Н.П. Лукутцова и др.

Золь-гель технология обладает преимуществами по сравнению с традиционными методами получения материалов, так как позволяет обеспечивать высокую чистоту исходных материалов и гомогенность получаемого продукта, регулировать микроструктуру материалов на начальной стадии процесса, изменять реологические свойства дисперсной системы в широких пределах. Уникальные свойства золей позволяют создавать слои на гидратирующих частицах цемента посредством моделирования мицеллы или макромолекулы золя - структурированной коллоидной частицы, которая так или иначе будет влиять на гидратационные процессы. Технологическим преимуществом является возможность введения добав-

ки в цементную систему вместе с водой затворения, золь равномерно распределяется в дисперсионной среде, а значит и в бетонной смеси. Проблемой в применении золей является низкая устойчивость при хранении, что устраняется введением стабилизаторов, зачастую приводящих к дополнительному замедлению процессов гидратации. Решением данной проблемы может служить введение дополнительного компонента - ускорителя твердения. До сих пор в качестве золей использовались одноком-понентные дисперсии либо силикатного, либо железистого состава. В данной работе впервые предлагается способ получения многокомпонентного золя и модифицирование мелкозернистого бетона с помощью многокомпонентного золя, в составе которого одновременно содержатся три вида золя: золь кремниевой кислоты, золь гидроксида железа, золь гид-роксида алюминия, а так же известный ускоритель твердения цемента -кальций хлористый.

Цель работы. Целью настоящей работы является разработка составов мелкозернистого бетона, модифицированного новой добавкой, полученной с помощью золь-гель метода, именуемой далее комплексным коллоидным модификатором (ККМ).

Для ее достижения были поставлены следующие задачи:

- предложить технологию синтеза комплексных коллоидных модификаторов как добавок для цементных композиций и бетонов на их основе;

- изучить возможность получения коллоидного модификатора на основе стекловидного перлита Мухор-Талинского месторождения;

- изучить свойства комплексного коллоидного модификатора, закономерности его влияния на технологические и эксплуатационные свойства цементных композиций и бетонов на их основе;

- методом математического планирования подобрать оптимальные составы мелкозернистых бетонов с содержанием комплексного коллоидного модификатора;

- исследовать основные физико-механические свойства мелкозернистого бетона с содержанием комплексного коллоидного модификатора.

Научная новизна работы:

- предложен принцип повышения качества мелкозернистого бетона за счет его модификации комплексным коллоидным модификатором, получаемым путем химической поликонденсации на основе портландцемента по золь-гель методу;

- установлен механизм структурообразования цементного камня с применением комплексного коллоидного модификатора;

- предложен новый путь технологически упрощенного синтеза модифицирующей добавки в виде многокомпонентного золя кремниевой кислоты, гидроксидов железа и алюминия и известного ускорителя твердения — кальция хлористого, используемого в ультранизких дозировках;

- экспериментально подтверждена эффективность применения добавки в виде комплексного коллоидного модификатора для получения изделий из мелкозернистого бетона с повышенными характеристиками прочности в 1,5-2 раза, морозостойкости - в 2-2,5 раза, водопоглощения -в 1,5-2 раза.

Практическая значимость работы.

Разработанный комплексный коллоидный модификатор позволяет при оптимальном его содержании повысить прочность бетона до 2,5 раз; снизить усадку и водопоглощение в 1,5-2 раза; повысить марку по морозостойкости в 2-2,5 раза; снизить расход цемента на 25-30% без потери прочности; снизить энергоемкость производства бетонов на 15-20%; ускорить введение конструкций в эксплуатацию; добавка может использоваться при низких расходах цемента.

Предложены оптимальные составы мелкозернистых бетонов с использованием комплексного коллоидного модификатора, позволяющие получать изделия с пределом прочности при сжатии до 70-80 МПа и морозостойкостью более 300 циклов.

Получены математические модели зависимости прочности, плотности мелкозернистого бетона через 7 и 28 сут твердения от расходов цемента и от содержания комплексного коллоидного модификатора.

Автор выносит на защиту:

- способы повышения эффективности модифицированного мелкозернистого бетона с использованием комплексного коллоидного модификатора;

- основные принципы получения комплексного коллоидного модификатора;

- оценку свойств и эффективность комплексного коллоидного модификатора в цементных композициях с последующим применением их для модифицирования мелкозернистого бетона;

- зависимость свойств мелкозернистого бетона от процентного содержания вводимого комплексного коллоидного модификатора при различных расходах цемента.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на следующих конференциях:

- П Международная научно-практическая конференция «Строительная индустрия: вчера, сегодня, завтра» (Пенза, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, 2011);

- IV Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы в строительстве» (Новосибирск, Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет, 2011);

- Международная научно-практическая конференция «Строительный комплекс России: наука, образование, практика» (Улан-Удэ, ВосточноСибирский государственный университет технологий и управления, 2012);

- Научная конференция преподавателей, научных работников и аспирантов, посвященная 90-летию образования Республики Бурятия (Улан-Удэ, Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, 2013);

- XII Международная научная конференция «Экобетон» (Монголия, Улан-Батор, 2013);

- Международная научная конференция «Эффективные строительные композиты для архитектурной геоники» (Белгород, Белгородский государственный технологический университет им В.Г. Шухова, 2013).

Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, опубликованы в 8 научных статьях, в том числе 4 статьи в журналах по реестру ВАК Российской Федерации. По результатам исследований получен 1 патент.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из 5 глав, основ-_ ных выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на /¿3 страницах машинописного текста, включающего таблиц,^ рисунков и фотографий, список литературы, состоящий из более 100 наименований, приложения.

Работа выполнена на кафедре «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления под руководством канд. техн. наук, доц. Е.В. Гончиковой. Автор благодарит канд. хим. наук, доц. кафедры Н.В. Архинчееву, канд. техн. наук, доц. кафедры З.М. Гончикова за ценные замечания и помощь при выполнении диссертации, а также всех коллег по кафедре ПСМИ за доброжелательность и постоянное внимание.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранного направления исследования, сформулированы цель и задачи исследования, показана его научная и практическая значимость.

В первой главе дан анализ научно-технического прогресса в производстве модифицированных бетонов.

Современные способы получения высококачественных бетонов связаны с регулированием их поровой структуры путем введения комплексных органоминеральных модификаторов, в состав которых входят суперпластификаторы, ускорители твердения цемента и микронаполнители. Каждый компонент модификатора выполняет свою определенную функцию.

Недостатком данных модификаторов является многокомпонентность состава и их высокая дозировка отдельных компонентов (от десятых долей до десятков процентов от массы цемента), а порой и дефицитность.

Ю.М. Баженов отмечал, что управление структурообразованием материала на наноуровне на всех этапах производства бетона и конструкций - обязательный признак современной технологии бетона. Одним из направлений управления свойствами высокопрочных материалов (керамик и бетонов) является модифицирование структуры наноразмерными частицами различной формы. Управление структурой, модифицирование и совершенствование структуры материала достигается комплексным подбором химического состава, введением новых структурных элементов на соответствующих уровнях структуры. Ярким примером таких эффективных модификаторов может служить нанодисперсный кремнезем, объединяющий в себе разновидности дисперсного кремнезема (золи, гели, суспензии, пасты). Нанодисперсный кремнезем - важнейший природный объект и основной компонент оксидных материалов, получаемых золь-гель методом. Наиболее интересными и важными представителями нано-дисперсного кремнезема являются золи (ультрамикрогетерогенные дисперсные системы с жидкой дисперсионной средой и твердой дисперсной фазой), частицы которых участвуют в броуновском движении.

Интерес к добавкам для бетона, полученных по золь-гель методу, связан с тем, что при введении небольших дозировок золя получается бетон с высокими физико-механическими свойствами. Существуют несколько гипотез механизма действия золя, связанных либо со свойствами самих частиц, а именно с высокой удельной поверхностью, либо с их способностью воздействовать на воду, превращая ее в более активный

компонент вяжущей системы. Но большинство авторов склоняются к идее, что использование золя как добавки в бетон состоит в создании дополнительного структурного элемента, обладающего высокой удельной поверхностью и повышающего гидратационную активность цемента, что в свою очередь способствует сокращению количества пор и микрокапилляров. Следует отметить, что все известные работы посвящены исследованиям однокомпонентных золей, существующих в нейтральной среде, при этом они получены либо из щелочной среды путем разбавления жидкого стекла водой, либо из кислой среды при гидролизе железа и сульфата алюминия. Процесс получения кремнеземсодержащего компонента из жидкого стекла является сложной и энергозатратной технологией. Для получения золей многовалентных металлов применяют способ гидролиза растворимых солей, что не позволяет вести количественную оценку состава золя. В данной работе впервые исследована возможность модифицирования мелкозернистых бетонов многокомпонентным золем (комплексным коллоидным модификатором), отличающихся не только своим составом, но и способом получения от известных науке золей. Данная разработка является предметом «ноу-хау», что подтверждено получением патента №2440313 РФ Высокопрочный бетон.

Во второй главе приводится характеристика материалов и методов исследования.

Для проведения основных экспериментальных работ, направленных на получение комплексного коллоидного модификатора и на изучение зависимости эффективности комплексного коллоидного модификатора на свойства цементного камня и мелкозернистых бетонов на их основе, были использованы портландцементы промышленного изготовления ПЦ «Тимлюйского цементного завода» М400 ДО, химический состав клинкера и цемента которого представлены в таблице 1.

Таблица 1

Химический состав цемента

Завод-изготовитель Химический анализ клинкера, %

ООО «Тимлюй-ский цементный завод» ЗЮ2 А120, ИегО, СаО МяО БО, п. п. п.

21,50 4,76 4,26 65,32 1,63 0,87 0,58

Химический анализ цемента, %

ЭЮг АЬО, Ре20, СаО МйО во, п. п. п.

20,93 4,78 3,83 63,32 1,25 2,29 1,65

В качестве мелкого заполнителя для проведения экспериментальных работ был использован речной песок с Мкр= 2,1. В качестве мелкого за-

полнителя для проведения экспериментальных работ использован речной песок с Мкр=2. В качестве мелкого заполнителя для проведения экспериментальных работ использован речной песок с Мкр=3.1.

В качестве крупного заполнителя использован гранитный щебень максимальной крупностью зерен 20 мм, имеющий марку по дробимости 800-1000 и среднюю плотность 2,65 г/см3.

Песок и щебень по содержанию илистых, глинистых, пылевидных и органических примесей соответствуют требованиям ныне действующих нормативных документов.

Измельчение экспериментальных материалов проводилось в виброи-стирателе ВИ 4x350 до получения необходимой удельной поверхности.

Размеры частиц полученного комплексного коллоидного модификатора определяли методом турбидиметрии по зависимости мутности системы от длины волны на спектрофотометре ЬЕК1 88-1207.

Для исследования цементного камня применялся растровый электронный микроскоп ШОЬ-18М-65ЮЬУ. Исследуемые образцы были подготовлены и сданы в научную лабораторию ЦКП «Прогресс» ФБГОУ ВПО ВСГУТУ.

Прочность на сжатие цементного камня, содержащего комплексный коллоидный модификатор, определяли на образцах 20x20x20 мм.

Плотность, водопоглощение мелкозернистого бетона определяли в соответствии с методиками ГОСТ 12730-1,3.78. Прочность при сжатии бетона определяли в соответствии с методиками ГОСТ 10180-90. Морозостойкость бетонных образцов с содержанием комплексного коллоидного модификатора определяли в соответствии с методиками ГОСТ 10060.0 -95.

Кроме вышеизложенного, в работе были использованы методы математического планирования эксперимента, которые дают возможность одновременного варьирования всех переменных и изучения влияния каждого из них на свойства исследуемого материала.

В третьей главе представлены основные результаты исследований по разработке комплексного коллоидного модификатора, изучению его свойств, а также оценка их эффективности в цементных композициях.

В данной работе путем химической поликонденсации получен новый комплексный коллоидный модификатор по золь-гель методу. В основу нового подхода был положен известный факт, что цемент и цементный камень не являются кислотостойкими соединениями и превращаются в

присутствии кислоты в аморфные вещества. При взаимодействии портландцемента с соляной кислотой происходят следующие реакции: 1. ЗСаО* БЮ2+6НС1 =Н48Ю4+ЗСаС12+Н20. 2.2СаО* 8Ю2+4НС1 =Н48Ю4+2СаС12 3. ЗСаО* А1203+6НС1= 2 А1(ОН)3+ЗСаС12. 4.4СаО* А12Оз*2Ре(ОН)з+8НС1= 2 А1(ОН)3+4СаС12+2Ре(ОН)3. При взаимодействии соляной кислоты с силикатами, алюминатом и алюмоферритами кальция портландцемента в результате обменных реакций образуются хлористый кальций, кремниевая кислота, гидроокислы железа и алюминия, содержание которых в золе, считая на сухие компоненты, лежат в пределах, %: СаС12 - 70.2-76.1; НЦБК^ - 19.7-19.9; АЦОН)з - 3.7-5.59; Ре(ОН)3 - 4.14-4.19. Автором уже была отмечена положительная роль каждого из этих компонентов для самостоятельного модифицирования бетона. При данном способе получения три компонента образуются одновременно. Помимо всего прочего образуется хлористый кальций, известный как ускоритель твердения цемента. Следовательно, полученный золь представляет собой комплексную добавку, содержащую одновременно три вида золей и ускоритель твердения цемента.

Химический состав и характеристики полученного комплексного коллоидного модификатора представлены в таблице 2

Таблица 2

Химический состав и характеристика комплексного коллоидного модификатора

Содержание в 100 г раствора, г НС1ЛЩ рН Плотность, г/см3 Содержание в 100 г раствора, г

пц НС1 Н^Ю, АЦОН)з Ре(ОН)з СаС12

ккм 3,0 3,65 и 2,5 1,042 0,99 0,24 0,11 0,381

Учеными выявлено, что в зависимости от рН-среды золь кремниевой кислоты либо может быть устойчивым, либо постепенно агрегировать и переходить в гель. Область рН 5,0. ..6,0 является наименее устойчивой, и здесь гелеобразование происходит быстро. Устойчивость золя повышается при изменении рН от 6,0 до 2,0 и снова понижается при рН 2,0 и ниже. При данном способе получения комплексного коллоидного модификатора (с показателем рН 2,5) удалось получить устойчивый высококонцен-

трированный золь, представляющий собой некристаллическую конденсационную нанодисперсную структуру из метастабильных растворов. О том, что полученный раствор представляет собой коллоидную систему — золь, свидетельствует и тот факт, что при хранении комплексного коллоидного модификатора на открытом воздухе через 14 сут раствор переходит в желеподобное состояние — гель.

Размеры частиц комплексного коллоидного модификатора определяли методом турбидиметрии на спектрофотометре ЬЕК1 88-1207. Принцип метода основан на измерении интенсивности света определенной длины волны, прошедшего через кювету, содержащую коллоидный раствор. На основании результатов по определению оптических плотностей с использованием различных светофильтров, рассчитывают коэффициент п, далее по калибровочной кривой Геллера определяют размер частиц. Результаты расчетов приведены в таблице 3.

Таблица 3

Экспериментальные и расчетные величины турбидиметрического определения размеров частиц комплексного коллоидного модификатора

Возраст ККМ, сут Значения оптической плотности / коэффициента п в зависимости от применяемого светофильтра (длины волны)

красный желтый зеленый синий фиолетовый

690 нм 575 нм 500 нм 455 нм 420 нм

7 0,020 0,026 0,348 0,383 0,533

0,750 0,166 2,600 3,570 -

30 0,078 0,090 0,110 0,452 2,068

0,759 1,450 1,761 1,778 -

60 0,287 0,337 0,047 0,402 2,032

1,430 3,528 1,387 1,220 -

Из результатов таблицы видно, что показатели оптической плотности заметно изменяются с увеличением возраста золи. В раннем возрасте (7 сут) показатели оптической плотности частиц комплексного коллоидного модификатора в интервале 575-690 нм значительно меньше, чем у комплексного коллоидного модификатора в возрасте 30 сут. При этом в более низких интервалах 455—500 нм этот показатель значительно возрастает. Можно предположить, что сложный характер изменения оптических свойств при коагуляции комплексного коллоидного модификатора обусловлен не только изменением дисперсности, но и образованием комплексных агрегированных частиц, которые отличаются от исходных частиц не только по размеру, но и по плотности.

Оценка эффективности использования комплексного коллоидного модификатора в цементных композициях приведена в таблицах 4, 5.

Таблица 4

Влияние количества комплексного коллоидного модификатора на прочность цементного камня

Время твердения Условия твердения Кол-во ккм, % от массы цемента

0 | 0,2 | 0,4 | 0,6 | 0,8 | 1,0

Предел прочности при сжатии, МПа

ккм 3 в воде 46,0 63,8 67,0 71,0 65,0 48,8

7 в воде 49,0 63,0 62,0 62,0 55,4 49,7

7 в воде, сушка 1 ч при 1 —100°С 51,8 77,5 89,8 87,2 80,5 69,7

28 в воде 60,0 78,0 73,0 73,5 74,0 62,5

28 в воде, сушка 1 ч при 1 —100°С 60,1 90,2 99,7 87,0 83,1 79,0

Талица 5

Эффективность комплексного коллоидного модификатора

Время твердения Кол-во ккм, % от массы цемента

Условия твердения 0 од 0,4 0,6 0,8 1,0

Прирост прочности, %

3 в воде - 32,9 39,5 47,9 35,4 6,0

7 вводе - 28,5 26,5 26,5 13,0 1,0

ККМ 7 в воде, сушка 1 ч при г=100°С - 49,6 73,3 68,3 55,4 34,5

28 в воде - 30,0 21,6 22,5 23,3 4,1

28 в воде, сушка 1 ч при 1=100°С - 50,0 65,8 44,7 38,2 31,4

Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что комплексный коллоидный модификатор повышает гидратационную активность цемента. При увеличении концентрации вводимого комплексного коллоидного модификатора от 0,2 до 0,8 % от массы цемента происходит увеличение прочности цементного камня. Максимальная прочность при

этом достигается на дозировке 0,4 % от массы цемента. Так, приросг прочности в возрасте 3 сут по сравнению с контрольными образцами без добавок составил на оптимальной дозировке 39,5%; в возрасте 7 сут -26,5%; в возрасте 28 сут - от 21,6 % в условиях естественного твердения.

Известен факт, что цементный камень при нагревании до 150°С не изменяет своих прочностных характеристик, поэтому эффект прироста прочности цементного камня с содержанием комплексного коллоидного модификатора, после высушивания до 60-74% можно объяснить процессом ускорения гелеобразования. Во время периода созревания геля, занимающего от нескольких часов до нескольких суток, продолжаются процессы упрочнения сетки геля за счет реакций поликонденсации и роста перешейков в структуре кремнекислородного каркаса и выдавливания интермицеллярной жидкости (синерезис). Увеличение концентрации дисперсной фазы приводит к появлению коагуляционных контактов между частицами и к началу структурирования — гелеобразованию. В свою очередь продукты гелеобразования приводят к кольматации пор и микрокапилляров цементного камня, а следовательно, и к снижению водопо-глощения цементного камня (табл. 6).

Таблица 6

Водопоглощение, % в зависимости от количества ККМ

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Вм Во Вм Во Вм Во Вм Во Вм Во Вм Во

ккм 3,9 9,0 1,9 5,6 1,9 4,6 1,0 2,5 3,2 4,7 3,9 6,5

В подтверждение повышения гидратационной активности цемента в присутствии коллоидного модификатора приводятся данные деривато-графического анализа (рис. 1).

На дериватограмме модифицированного цементного камня появляются более глубокие эндотермические эффекты при температурах 185°С, 90°С, 580°С, 790°С по сравнению с контрольным образцом, связанные с удалением более прочно химически связанной воды. При этом критерием оценки повышения гидравлической активности является эндоэффект при 510°С, связанный с дегидратацией извести, который на кривой ДТА образцов с добавкой меньше, чем у контрольных образцов. Это говорит о том, что большее количество извести вступило в реакцию с кремнеземом с образованием гидросиликатов. Эндоэффект при температуре 790°С, связанный с дегидратацией силикатов, также более глубокий у образцов

Рис.1. Дериватограммы образцов цементного камня: 1 - контрольный образец;

2 - образец с ККМ

с добавкой. Появившиеся дополнительные небольшие эндоэффекты у образцов с коллоидным модификатором при температурах 185°С, 380°С и 580°С обусловлены ступенчатой потерей воды из коллоидных гидроокислов железа и алюминия.

Микроструктура модифицированного цементного камня так же была изучена с помощью растровой электронной микроскопии (РЭМ) при увеличении в 100, 500 и 2000 раз. Сравнение микроструктур контрольного образца и модифицированного комплексным коллоидным модификатором цементного камня представлены на рисунках 2, 3.

а б в

Рис. 2. Микроструктура цементного камня контрольного образца: а, б, в - увеличение соответственно 100, 500, 2000 раз

а б в

Рис. 3. Микроструктура цементного камня с комплексным коллоидным модификатором: а, б, в - увеличение соответственно 100, 500, 2000 раз

На снимках отчетливо видно, что сканируемая поверхность модифицированного цементного камня более гладкая, менее дефектная, чем у контрольного образца. Минеральные частицы, зерна и их ассоциации, формирующие микроструктурный скелет композиции, в модифицированном цементном камне прилегают плотнее, чем в контрольном составе, тем самым исключая возможность появления порового пространства. На фрагменте видно, что у модифицированного состава наблюдаются новообразования. Введенный комплексный коллоидный модификатор «обволакивает» частицы цемента. Образующийся при дальнейшем протекании реакций гидратации "коагулированный гель" гидросиликатного состава заполняет поры в физической структуре затвердевшего камня, что способствует увеличению плотности камня.

В четвертой главе проведена оптимизация составов мелкозернистых бетонов повышенного качества, модифицированных комплексным коллоидным модификатором. В задачу исследования свойств мелкозернистого бетона повышенного качества входило: разработки оптимального состава, определение физико-механических свойств бетона, активированного комплексным коллоидным модификатором.

В ходе многочисленных экспериментов и исследований автором было установлено, что количество вводимого коллоидного модификатора зависит от пористости искусственного камня (табл. 7).

Таблица 7

Оптимальное кол-во коллоидного модификатора в зависимости от пористости материала

Кол-во вводимого ККМ, % (от массы цемента) 0,2-0,4 5-10 15-20 25-30

Открытая пористость, % 8-10,5 6-23 14-23 30-35

Эффект прироста прочности, % 20 -30 20-35 25- 40 20- 40

Так, например, в цементном камне, открытая пористость которого составляет 8-10%, оптимальной дозировкой коллоидного модификатора является 0,2-0,4%. При возрастании открытой пористости соответственно дозировка вводимого коллоидного модификатора также возрастает. На составах мелкозернистого бетона расход комплексного коллоидного модификатора варьировался от 2 до 20 % от массы цемента.

С целью оптимизации составов мелкозернистого бетона с содержанием комплексного коллоидного модификатора был запланирован активный трехфакторный эксперимент. Планирование эксперимента предполагает поиск рациональной последовательности получения данных о свойствах изучаемых объектов. План эксперимента составлялся таким образом, чтобы при минимальной затрате времени и средств получить максимум информации об объекте. В качестве выходного параметра, на который влияют факторы эксперимента, был выбран предел прочности при сжатии, МПа (У) в возрасте 7,28 сут мелкозернистого бетона.

Анализ полученных математических моделей позволил установить оптимальные составы мелкозернистых бетонов, обеспечивающие получение бетона с максимальными прочностными характеристиками в возрасте 7, 28 сут. Путем определения предельных значений факторов, обеспечивающих получение мелкозернистого бетона повышенного качества класса В 60, было установлено, что для получения мелкозернистого бетона требуемой марки необходимо содержание комплексного коллоидного модификатора - 10 % по массе, расход цемента при этом составил 650 кг/м , водовяжущее отношение - 0,4, содержание заполнителя в бетоне - 40-50%.

К еж ? су т.

МПа

: \ 00

О

10

а

б

Рис. 3. Влияние количества ККМ на прочность. Предел при сжатии мелкозернистого бетона: а - в возрасте 7 сут; б - в возрасте 28 сут

Рис. 4. Влияние количества ККМ на основные свойства мелкозернистого бетона: а - водопоглощение по объему; б - водопоглощение по массе; в — средняя плотность

Эффект прироста прочности и улучшение основных строительно-технических свойств мелкозернистого бетона с использованием комплексного коллоидного модификатора автор связывает с тем, что:

- введение многокомпонентного золя способствует созданию дополнительного структурного элемента в бетонной смеси. Этот элемент представляет собой наночастицу оксида кремния, который со временем в результате реакции с Са(ОН)2 переходит в гидросиликат кальция и способствует сокращению количества пор от размера 1 нм и выше;

- в процессе поликонденсации, которая имеет место на всех стадиях золь-гель процесса, образуются микрогелевые структуры, содержащие молекулы различной молекулярной массы (от мономера до полимеров). Поликонденсация в объеме частиц приводит к их уплотнению. На стадии гелеобразования эта реакция способствует упрочнению коагуляционных контактов между частицами, служит причиной синерезиса. В свою очередь продукты гелеобразования заполняют микропоры структуры бетона частицами золя и продуктами его взаимодействия, что приводит к повышению основных физико-механических свойств бетона.

Таблица 8

Свойства мелкозернистого бетона с содержанием коллоидного модификатора

Свойства Контрольный С содержанием ККМ

Средняя плотность, кг/м3 2369 2554

Прочность при сжатии в возрасте 7 сут, МПа 41 54

Прочность при сжатии в возрасте 28 сут, МПа 63 82

Водопоглощение по массе, % 10 2

Водопоглощение по объему, % 24 6

Марка бетона по морозостойкости болееР 100 более Р300

В пятой главе произведена оценка технико-экономического эффекта применения коллоидного модификатора. Экономическая эффективность производства мелкозернистого бетона с применением комплексного коллоидного модификатора обусловлена использованием доступных сырьевых материалов, возможностью снижения расхода цемента при производстве высококачественных бетонов на 22-26 % без снижения прочности.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработан путем химической поликонденсации новый комплексный коллоидный модификатор на основе золь-гель метода, принципиально отличающийся способом получения и химическим составом от известных науке золь-гель добавок.

2. Комплексный коллоидный модификатор представляет собой одновременно золь кремниевой кислоты, гидроксидов железа и алюминия и ускорителя твердения кальция хлористого. Определен состав, характеристика и основные свойства комплексного коллоидного модификатора.

3. Установлен механизм структурообразования цементного камня в присутствии комплексного коллоидного модификатора. Механизм структурообразования заключается в формировании термодинамически устойчивой мелкокристаллической структуры цементного камня посредством образования центров кристаллизации, состоящих из продуктов химического взаимодействия наноразмерных частиц кремнезема с Са(ОН)2, а также вследствие их адсорбции на границе раздела фаз, обеспечивающей блокирование роста и перекристаллизации кристаллов извести. Методами РЭМ выявлено, что в присутствии комплексного коллоидного модификатора основными продуктами твердения являются гидратные фазы, близкие по химическому составу к С-Б-Н (II), а также кальцит и известь. В присутствии комплексного коллоидного модификатора наблюдается снижение и перераспределение капиллярной пористости, формирование плотных и высокопрочных структур конгломератов.

4. Рассмотрена возможность получения нового коллоидного модификатора на основе местной сырьевой базы, стекловидного перлита Му-хор-Талинского месторождения Республики Бурятия. Эффективность полученного коллоидного модификатора так же позволяет повысить гид-ратационную активность цементного вяжущего на 30-40%.

5. Экспериментально доказано, что оптимальное количество вводимого коллоидного модификатора для повышения прочностных характеристик зависит от пористости материала. Так оптимальной дозировкой

коллоидного модификатора в цементном камне с открытой пористостью 8-10 % является 0,2-0,4% от массы цемента. На составах мелкозернистого бетона, где открытая пористость составляет 5-25%, оптимальной дозировкой коллоидного модификатора является 10-15% от массы цемента.

6. Теоретически и экспериментально обоснована возможность получения мелкозернистого бетона повышенного качества путем введения комплексного коллоидного модификатора.

7. Установлено, что предложенные составы мелкозернистого бетона с использованием комплексного коллоидного модификатора позволяют получать изделия с пределом прочности при сжатии 70-80 МПа, плотностью 2,4-2,5 г/см3, водопоглощением 6-8% и морозостойкостью более 300 циклов.

8. Экономическая эффективность использования производства и применения комплексного коллоидного модификатора обусловлена использованием доступных сырьевых материалов, возможностью снижения энергозатрат, расхода цемента на 25-30 % без снижения прочности при производстве и получением материала с улучшенными технико-эксплуатационными свойствами.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Доржиева Е.В. Натрийсиликатные вяжущие и материалы на их основе / Е.В. Гончикова, Н.В. Архинчеева, Е.В. Доржиева, A.B. Цырем-пилова // Строительные материалы. - 2010. -№11. - С. 42-43.

2. Доржиева Е.В. Наномодифицирование цементного камня введением многокомпонентного золя / Е.В. Гончикова, Н.В. Архинчеева, Е.В. Доржиева // Строительные материалы. - 2011. -№9. - С. 68-69.

3. Доржиева Е.В. Исследования влияния золь-гель процессов на свойсвта цементного камня. The influence of sol -gel process on the properties of hardened cement paste / Е.В. Доржиева, Е.В. Гончикова, Н.В. Архинчеева // Нанотехнологии в строительстве. Nanobuild. - 2011. - №6. -С. 77-83.

4. Доржиева Е.В. Золи кремнекислоты - модификаторы цементного камня / Н.В. Архинчеева, Е.В. Гончикова, Е.В. Доржиева // Вестник ВСГУТУ. - Улан-Удэ, 2012. - №4. - С. 75-80.

5. Доржиева Е.В. Использование перлитов в качестве модификаторов для получения бетонов повышенной прочности / Е.В. Гончикова, З.М. Гончиков, Н.В. Архинчеева, Е.В. Доржиева // Междунар. сб. науч. тр. «Бетон судлалын IX бага хурал». - Улан-Батор, 2010. - С. 112-115.

6. Доржиева Е.В. Исследование свойств цементного камня, модифицированного золями / Е.В. Гончикова, Н.В. Архинчеева, Е.В. Доржиева // Сб. науч. тр. II Междунар. науч.-практ. конф. «Строительная индустрия: вчера, сегодня, завтра». - Пенза, 2011.

7. Доржиева Е.В. Гидролиз солей, как способ модификации вяжущих систем / Н.В. Архинчеева, Е.В. Гончикова, Е.В.Доржиева // Материалы междунар. науч.-практ. конф. «Строительный комплекс России. Наука. Образование. Практика». - Улан-Удэ, 2012. - С. 240-242.

8. Доржиева Е.В. Мелкозернистые бетоны на основе вяжущих систем модифицированными новыми зольсодержащими добавками / Е.В. Гончикова, З.М. Гончиков, Е.В. Доржиева // Сб. науч. тр. XII Междунар. конф. по бетону «Экобетон». - Улан-Батор, 2013. - С. 151-157.

9. Пат. №2440313 РФ Высокопрочный бетон / Е.В. Гончикова, Н.В. Архинчеева, Е.В. Доржиева, З.М. Гончиков. Заявл. №2010124758/03. Приоритет 16.06.2010 г., С04В 28/04; опубл. 20.01.2012.

Подписано в печать 22.10.2013 г. Формат 60x84 1/16. Усл.п.л. 1,16. Тираж 100экз. 3аказ№318. Издательство ВСГУТУ. 670013, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская 40 в, строение 1.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления

На правах ру (писи

ДОРЖИЕВА ЕЛИЗАВЕТА ВАЛЕРЬЕВНА

БЕТОНЫ, МОДИФИЦИРОВАННЫЕ ЗОЛЕМ КРЕМНЕКИСЛОТЫ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

СМ

см

^ Научный руководитель:

^ II кандидат технических наук, доцент

СО сч

^ Гончикова Елена Владимировна

О

см ^ ^ 041

Улан-Удэ - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ПРОГРЕССА В ПРОИЗВОДСТВЕ ВЫСОКОПРОЧНЫХ БЕТОНОВ 9

1.1. Современные представления и основные принципы получения высокопрочного бетона 9

1.2. Модификаторы - основной путь к повышению качества цементных вяжущих и бетонов на их основе 15

1.3. Золь-гель технология как перспективный способ получения эффективного модификатора для высокопрочного бетона ^ ^ ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИСПЫТАНИЙ, ХАРАКТЕРИСТИКИ СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ 24

2.1. Методы исследований и испытаний, стандарты и ГОСТ 24

2.2. Характеристики сырьевых материалов 25

2.2.1. Вяжущие 25

2.2.2. Заполнители 25 2.2.2. Комплексные коллоидные модификаторы 26 ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И ПОЛУЧЕНИЕ НОВЫХ КОМПЛЕКСНЫХ КОЛЛОИДНЫХ МОДИФИКАТОРОВ. ИССЛЕДОВАНИЕ ИХ СВОЙСТВ. ОЦЕНКА И АНАЛИЗ ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ НА ЦЕМЕНТНОМ КАМНЕ 30

3.1. Основные способы получения зольсодержащих добавок 30

3.2. Получение новых комплексных коллоидных модификаторов 32

3.3. Оценка и анализ эффективности комплексных коллоидных модификаторов на цементном камне 35

3.4. Исследование свойств комплексного коллоидного модификатора 39

3.5.Анализ структуры цементного камня с помощью ДТА, РЭМ 44

3.6. Исследование возможности получения коллоидного модификатора из стекловидного перлита и использование его в цементных композициях 51

Выводы по 3 главе 62

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ МЕЛКОЗЕРНИСТОГО БЕТОНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПЛЕКСНОГО КОЛЛОИДНОГО МОДИФИКАТОРА 64

4.1. Разработка составов мелкозернистого бетона с содержанием комплексного коллоидного модификатора 64

4.2. Оптимизация составов мелкозернистого бетона с использованием комплексного коллоидного модификатора 66

4.3. Исследование основных физико-механических свойств модифицированного мелкозернистого бетона комплексным коллоидным модификатором 74

4.4. Эффективность применения комплексных коллоидных модификаторов в составах крупнозернистых бетонов 78 Выводы по 4 главе • 83 ГЛАВА 5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОИЗВОДСТВА ВЫСОКОПРОЧНОГО БЕТОНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПЛЕКСНОГО КОЛЛОИДНОГО МОДИФИКАТОРА 85

5.1. Разработка и описание технологии производства высокопрочного бетона с применением комплексного коллоидного модификатора

5.2. Технико-экономическая эффективность применения комплексного коллоидного модификатора в получении высокопрочного бетона 89 Выводы по 5 главе 93 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 94 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 96 ПРИЛОЖЕНИЯ Ю7

85

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Бетон и железобетон по своим техническим и экономическим показателям является одним из наиболее приоритетных материалов строительства, поэтому по-прежнему важной задачей современности является повышение их качества. На данном этапе развития строительства проблемы повышения качества, долговечности, экономичности бетона и железобетона успешно решаются путем химизации этой отрасли [1]. Одним из наиболее перспективных и эффективных направлений химизации в современном строительстве является широкое использование различных органических и неорганических соединений в качестве специальных добавок к бетону. Эти добавки с полным основанием именуются модификаторами бетонной смеси и затвердевшего бетона. Интересным, но малоизученным направлением в области модификаторов для получения бетонов является применение золь-гель технологий. Еще в 1980-е гг. проф.М.М. Сычев высказал идея интереса к золь-гелям как прогрессивному методу, связанному с получением композиционных материалов с улучшенными свойствами [2].

Золь-гель технология обладает преимуществами по сравнению с традиционными методами получения материалов, так как позволяет обеспечивать высокую чистоту исходных материалов и гомогенность получаемого продукта, регулировать микроструктуру материалов на начальной стадии процесса, изменять реологические свойства дисперсной системы в широких пределах. Уникальные свойства золей позволяют создавать слои на гидратирующих частицах цемента посредством моделирования мицеллы или макромолекулы золя - структурированной коллоидной частицы, которая так или иначе будет влиять на гидратационные процессы. Технологическим преимуществом является возможность введения добавки в цементную систему вместе с водой затворения, золь равномерно распределяется в дисперсионной среде, а значит, и в бетонной смеси. Проблемой в применении золей является их низкая устойчивость при

хранении, что устраняется введением стабилизаторов, зачастую приводящих к дополнительному замедлению процессов гидратации. Решением данной проблемы может служить введение дополнительного компонента - ускорителя твердения. До сих пор в качестве золей использовались однокомпонентные дисперсии либо силикатного, либо железистого состава. В данной работе впервые предлагается способ получения многокомпонентного золя и модифицирования мелкозернистого бетона с помощью многокомпонентного золя, в составе которого дновременно содержатся три вида золя: золь кремниевой кислоты, золь гидроксида железа, золь гидроксида алюминия, а также известный ускоритель твердения цемента - кальций хлористый.

Целью работыявляется разработка технологии производства и составовмелкозернистого бетона, модифицированного новой зольсодержащей добавкой, полученной по золь-гель методу, именуемой далее комплексным коллоидным модификатором (ККМ).

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- предложить технологию синтеза комплексных коллоидных модификаторов как добавок для цементных композиций и бетонов на их основе;

- изучить возможность получения коллоидного модификатора на основе стекловидного перлита Мухор-Талинского месторождения;

изучить свойства комплексного коллоидного модификатора, закономерности его влияния на технологические и эксплуатационные свойства цементных композиций и бетонов на их основе;

методом математического планированияоптимизировать составы мелкозернистых бетонов с содержанием комплексного коллоидного модификатора;

- исследовать основные физико-механические свойства мелкозернистого бетона с содержанием комплексного коллоидного модификатора.

Научная новизна работы

- предложен принцип повышения качества мелкозернистого бетона за счет его модификации комплексным коллоидным модификатором, получаемым путем

химической поликонденсации и нанодисперсного кремнезема (БЮг) на основе портландцемента по золь-гель методу;

установлен механизм структурообразования цементного камня сприменением комплексногоколлоидного модификатора.

предложен новый путь технологически упрощенного синтеза модифицирующей добавки в виде многокомпонентного золя кремниевой кислоты, гидроксидовжелеза и алюминия и известного ускорителя твердения - кальция хлористого,используемой в низких дозировках.

Практическая значимость работы

- экспериментально подтверждена эффективность применения добавки в виде комплексного коллоидного модификатора для получения изделий из мелкозернистого бетона с повышенными характеристиками прочности — в 1,5-2 раза, морозостойкости в 2-2,5 раза, водопоглощения- в 1,5-2 раза.

- разработанный комплексный коллоидный модификатор позволяет при оптимальном его содержании: повысить прочность бетона до 2,5 раз; снизить усадку и водопоглощение в 1,5-2 раза; повысить марку по морозостойкости в 22,5 раза; снизить расход цемента на 25-30% без потери прочности; ускорить введение тонкостенных конструкцийв эксплуатацию; добавка может использоваться при низких расходах цемента;

предложены оптимальные составы мелкозернистых бетонов с использованием комплексного коллоидного модификатора позволяющие получать изделия с пределом прочности при сжатии до 70-80 МПа и морозостойкостью более 300 циклов;

- получены математические модели зависимости прочности, плотности мелкозернистого бетона через 7 и 28 сут тверденияот расходов цемента и от содержания комплексного коллоидного модификатора

На защиту выносятся:

- теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение способаполучения модифицированного мелкозернистого бетона с использованием комплексного коллоидного модификатора;

, - основные принципы получения комплексного коллоидного

модификатора;

оценкасвойств и эффективность комплексного коллоидного модификаторав цементных композициях с последующим применением их для модифицирования мелкозернистого бетона; '

- свойства мелкозернистого бетона отпроцентного содержаниявводимого комплексногоколлоидного модификатора при различных расходах цемента.

Апробация работы.Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на следующих конференциях:

- II Международная научно-практическая конференция«Строительная индустрия: вчера, сегодня, завтра» (Пенза, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства,2011);

- IV Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы в строительстве» (Новосибирск,Новосибирский государственный архитектурно - строительный университет, 2011);

- Международная научно-практическая конференция «Строительный комплекс России: наука, образование, практика» (Улан-Удэ, Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, 2012 г.);

- Международная научная конференция «Эффективные строительные композиты для архитектурной геоники» (Белгород, Белгородский государственный технологический университет им В.Г. Шухова,2013);

-12 Международная научная конференция «Экобетон» (Монголия, Улан-Батор, 2013);

- Научная конференция преподавателей, научных работников и аспирантов, посвященная 90-летию образования Республики Бурятия (Улан-Удэ, ВосточноСибирский государственный университет технологий и управления,2013);

Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, отражены в8 научных публикациях, в том числе в 4 статьях в журналах по реестру ВАК Российской Федерации. По результатам исследований получен 1 патент.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из 5 глав, основных выводов, списка литературы включающего более 100 наименований, содержит 107страниц машинописного текста, 16 рисунков, 32 таблиц и 2 приложений.

Работа выполнена на кафедре «Производство строительных^ материалов, изделий и конструкций» Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управленияпод руководством кандидата технических наук, доцента Е.В. Гончиковой. Автор благодарит канд.хим.наук,доцента кафедрыН.В. Архинчееву, канд.техн.наук, доцента кафедры З.М. Гончикова за ценные замечания и; помощь при выполнении диссертации, а также всех коллег по кафедре ПСМИ за доброжелательность и постоянное внимание.

ГЛАВАI

АНАЛИЗ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ПРОГРЕССА В ПРОИЗВОДСТВЕ ВЫСОКОПРОЧНЫХ БЕТОНОВ

г**

1.1. Современные представления и основные принципы получения

высококачественных бетонов

Качество материалов для несущих конструкций является основополагающим при строительстве высотных зданий. Не случайно в 4 из 5 небоскребах, входящих в пятерку самых высоких зданий мира, материалом несущих конструкций является железобетон.

Важную роль в том, какой материал используют при строительстве, играют традиции и уровень развития технологий стран.

Безусловно, каждый выбор имеет свои преимущества и недостатки. Однако ужесточение требований к безопасности высотных зданий и их устойчивости к природным и техногенным катастрофам все чаще заставляет проектировщиков и строителей использовать в качестве конструкционных строительных материалов железобетон.

Применение бетона в строительстве обусловлено рядом очевидных преимуществ этого материала: устойчивостью к ветровым нагрузкам, надежными стабилизирующими свойствами и высоким пределом огнестойкости по сравнению со стальными конструкциями [3, 4, 5].

Возможность придания бетону практически любой формы сделала его одним из самых популярных конструкционных строительных материалов XXI в., что существенным образом изменило архитектурный облик высотных зданий.

Развитие высотного строительства потребовало применения новых составов бетонов и разработки инновационных технологий приготовления бетонных смесей, новых видов опалубки, современных средств механизации по доставке

бетона на строительную площадку и транспортировке к месту укладки бетонной смеси.

Основными требованиями, предъявляемыми к бетону для строительства высотных зданий, являются:

- высокий класс прочности материала (не ниже В40) при максимально низком объеме, позволяющий снизить массу высотного здания за счет уменьшения расчетных сечений;

- высокие технологические характеристики, позволяющие подавать бетонную смесь к месту укладки с помощью бетононасосов, что значительно упрощает технологию укладки бетона и сокращает сроки производства работ;

- высокая долговечность бетона и стойкость к различным видам коррозии

[6];

Всемэтим требованиям соответствуют высокопрочные бетоны. Создание высокопрочных бетонов и растворов требует высокой культуры производства, как на стадии приготовления бетонных смесей, так и в процессе строительства объектов. Новая технология бетона и железобетона требует нового мышления, поэтому при возведении уникальных сооружений и ответственных конструкций необходимо научное сопровождение. Для получения высокопрочных бетонов необходимо применение сырьевых материалов более высокого качества и необходимы новые, затрагивающие другие масштабные уровни структуры, средства достижения высокой прочности. Основные механизмы структурообразования таких бетонов соотносится с управлением их микроструктурой, реализуются путем модифицирования микроструктуры цементного камня, например, ультрадисперсными частицами, вводимыми в состав сырьевой композиции. Для перехода в новое качество определяющее значение могут иметь следующие взаимосвязанные механизмы их структурообразования

[7]:

- механизм, обеспечивающий повышение плотности упаковки системы сложения дисперсных частиц, уменьшение ее общей пористости, изменение структуры пористости материала;

- механизм, связанныйс ролью ультрадисперсных частиц, например, частиц микрокремнезема,как центров кристаллизации соответствующим эффектом понижения энергетического порога этого процесса и его ускорения;

- механизм зонирования структуры твердения (микрообъемы структуры твердения будут оказываться в поле энергетического, термодинамического влияния отдельных ультрадисперсных частиц, что может сопровождаться формированием организованной структуры как системы кристаллитов и гидратных фаз);

- механизм, связанный с возможностью непосредственного химического участия ультрадисперсных частиц в гетерогенных процессах фазообразования гидратных соединений (такая возможность определяется как субстанциональным признаком - химико-минералогическим составом частиц, так и повышенными значениями удельной площади их поверхности и удельной поверхностной энергией). . I

Наряду с рассмотренными средствами для получения высокопрочных бетонов потребуется, во-первых, отказ от крупноконгломератной структуры и переход к мелко- и микроконгломератной. Это обеспечит сокращение числа масштабных уровней структуры материала, формирование твердой фазы с более развитой межкомпонентной поверхностью границ раздела и, как следствие, более равномерную локализацию напряжений, снижение уровня концентрации напряжений при действии на материал механической нагрузки. Во-вторых, обоснованным представляется «включение в дело» механизмов структурообразования с участием наноразмерных структурных элементов, поскольку именно модифицирование «тонкой» структуры бетона даст возможность многократного (на несколько порядков) увеличения количества физико-химических связей в системе. Так, например, модифицирование структуры бетона микро- и наномодификаторами на основе кремнезема позволяет

3 7 23

увеличить расчетное число контактов в единице объема (1 м)с4*10 до 1*10 , что в совокупности с другими факторами сопровождается заметным ростом предела прочности при сжатии бетона [8].

На протяжении последнего десятилетия вышеперечисленные

требования, предъявляемые к созданию