Специалистами Кореи изучено влияние наночастиц SiO₂ на свойства цементных растворов. При проведении экспериментов использовался нано-SiO₂, содержавший 99,9 % диоксида кремния при размере частиц 40 нм.

Применявшийся для сравнения микрокремнезем содержал 95 % SiO₂ c размером частиц 0,1 мкм. Для приготовления растворов в качестве вяжущего был применен обычный портландцемент.

Химический состав перечисленных материалов приведен в таблице 1.

Таблица 1

При приготовлении  растворов портландцемент и песок с максимальной крупностью зерен смешивались в соотношении 1:2,45. В состав растворов вводился суперпластификатор на основе поликарбоксилата, при этом его количество подбиралось таким образом, чтобы устранить расслоение приготовленных смесей. Растворы приготовлялись с В/В, равным 0,23; 0,25; 0,32; 0,35 и 0,48. Нано- SiO₂ добавлялся в растворы в количестве 3, 6, 9 и 12 % по массе портландцемента. При добавлении в растворы микрокремнезема их В/В составляло 0,35; количество указанной добавки равнялось 5, 10 и 15 % по массе портландцемента.

Процесс приготовления цементных растворов  в ротационном смесителе включал следующие стадии:
1.  высокоскоростное перемешивание (120 об./мин) нано-SiO2 с водой в течение 1 мин;
2. в случае добавления в растворы микрокремнезема его перемешивание с портландцементом со средней скоростью (80 об./мин) в течение 30 с;
3. постепенное добавление песка при средней скорости перемешивания;
4. добавление в приготовляемый раствор суперпластификатора при высокой скорости перемешивания в течение 30 с;
5. прекращение перемешивания на 90 с и затем высокоскоростное перемешивание в течение 1 мин.

Для определения прочности на сжатие приготовленных растворов из каждой смеси изготовлялось по 6 образцов-кубов с ребром 50 мм, которые извлекались из форм в возрасте 1 сут.  и затем твердели в воде в течение 7 или 28 сут. Для определения прочности образцов на сжатие использовалась универсальная испытательная машина. Интенсивность приложения нагрузки к образцам возрастала на 0,24 МПа/с. Микроструктуру образцов исследовали с применением растрового электронного микроскопа.

Исследования выявили, что микроструктура образцов, изготовленных из растворов, содержавших нано-SiO₂, характеризовалась наличием более плотных продуктов гидратации портландцемента и пониженным содержанием кристаллов Са(ОН)₂ (по сравнению с образцами без добавки нано-SiO₂). В возрасте 7 сут. количество Са(ОН)₂ в образцах, содержавших 10 % нано-SiO₂, было равно 4,56 %, в образцах, содержавших 10 % микрокремнезема, - 6,09 %, в образцах без добавок – 6,89 %.

Установлено также, что растворы, содержавшие добавку нано-SiO₂, отличались повышенным тепловыделением в процессе схватывания и твердения. В частности, в возрасте 3 сут. тепловыделение растворов, содержавших 10 % (по массе портландцемента) нано-SiO2, составляло 238,5 Дж/г.  В  то  же время аналогичный показатель растворов, содержавших 10 % микрокремнезема, равнялся 233,7 Дж/г,  обычных портландцементных растворов – 231,1 Дж/г.  При этом отмечалось, что повышенное содержание суперпластификатора  приводит к замедлению ранней стадии процесса гидратации цементного раствора с добавкой нано-SiO₂,  и для его ускорения, а также для развития пуццолановой реакции требуется тепловая обработка.

Выявлено, что при В/В, составлявшем от 0,23 до 0,48, прочность на сжатие портландцементных растворов возрастала при увеличении содержания в них добавки нано-SiO₂ от 3 до 12 %. Однако отмечено, что при повышенном количестве этой добавки необходим строгий контроль расхода воды и суперпластификатора, чтобы избежать обезвоживания и  растрескивания образцов. Проведенные эксперименты позволили установить, что содержание нано-SiO₂ в портландцементных растворах в количестве 12 % не оказывает отрицательного влияния на их прочностные свойства, но такое количество добавки не следует считать оптимальным для достижения максимальной прочности растворов. На основании проведенных исследований можно предположить, что оптимальное количество нано-SiO₂ к портландцементным растворам составляет 6 %  при В/В, равном 0,23.

Сравнительные данные о прочности портландцементных растворов с добавкой нано-SiO2, а также растворов с добавкой микрокремезема и растворов без добавок приведены в таблице  2 (обозначения: ОРС – раствор на портландцементе, SF5, SF10, SF15 – растворы с добавкой соответственно 5, 10 и 15 % микрокремнезема, NS3, NS6, NS9, NS12 – растворы с добавкой соответственно 3, 6, 9 и 12 нано-SiO₂).

Таблица 2

Как следует из приведенных в таблице 2 данных, прочностные показатели растворов с добавкой нано-SiO₂ превышают показатели портландцементного раствора без добавок и раствора с добавкой микрокремнезема, что объясняется повышенным влиянием нано-SiO₂ на развитие пуццолановой реакции.

Таким образом, нано-SiO₂ можно рассматривать как добавку, которая не только уплотняет микроструктуру портландцементного раствора, но также способствует развитию в нем пуццолановой реакции. Такая добавка пригодна для особовысокопрочного бетона, содержащего тонкодисперсный компонент.

C текущей ситуацией и прогнозом развития российского рынка цемента можно познакомиться в отчетах Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков  «Рынок цемента в России».

Byung-Wan Jo, Chang-Hyun Kim, Jae –Hoon Lim. Characteristics of cement mortar with nano-SiO2 particles//ACI Materials Journal. – 2007. – Vol. 104, № 3. – Р. 404, il., tabl. – Bibliogr. : 9 ref. (англ.).

Б.А. Беренфельд
ВНИИНТПИ

www.newchemistry.ru