Неорганические материалы, 2020, T. 56, № 1, стр. 110-116
Эффективность применения добавок нанотубулярной морфологии для модифицирования цементных систем
О. В. Артамонова 1, *, Г. С. Славчева 1, М. А. Шведова 1
1 Воронежский государственный технический университет
394026 Воронеж, Московский просп., 14, Россия
* E-mail: ol_artam@rambler.ru
Поступила в редакцию 07.03.2019
После доработки 28.06.2019
Принята к публикации 11.07.2019
Аннотация
Выявлена эффективность влияния наноразмерных хризотиловых и углеродных частиц трубчатой морфологии на кинетику гидратации и твердения, структурообразование и прочность цементных систем. Установлено, что родственные по кристаллохимическому строению гидратным новообразованиям хризотиловые нанотрубки являются наиболее эффективным модификатором, поскольку обеспечивают ускорение процессов гидратации и твердения в 30 раз и трехкратное повышение прочности цементного камня. Химически инертные по отношению к минералам цементного клинкера и продуктам его гидратации углеродные нанотрубки обеспечивают ускорение процессов гидратации и твердения в 9 раз, повышение прочности – в 1.5 раза.
ВВЕДЕНИЕ
Одним из эффективных способов регулирования свойств строительных композитов является введение в исходную сырьевую смесь добавок органической и неорганической природы [1]. Анализ литературы показывает, что наиболее эффективными модификаторами цементных систем являются комплексные органо-минеральные добавки [2], а также нанодобавки, в частности углеродные нанотрубки (УНТ) [3–9].
В работах [3–8] по модифицированию цементных систем установлено, что введение УНТ в цементные системы способствует более полному протеканию процессов гидратации цемента и ускорению кинетики набора прочности цементного камня на 20–40% за счет уменьшения портландитовой фазы. Кроме того, применение УНТ позволяет эффективно регулировать вязко-пластические свойства цементного теста, а также повысить морозостойкость и водонепроницаемость цементных композитов. Однако данные об оптимальной концентрации УНТ являются противоречивыми. Например, по данным [4–6], оптимальная дозировка УНТ составляет от 0.0001 до 0.1%, по данным [7, 8] – 0.0005–0.0007% от массы цемента.
В наших исследованиях [1, 9] теоретически обосновано и экспериментально показано, что наряду с УНТ хризотиловые нанотрубки (ХНТ) могут рассматриваться в качестве наномодификатора цементных систем, поскольку обладают родственным кристаллохимическим строением по отношению к гидратным фазам новообразований цементного камня.
Целью данной работы являлось изучение эффективности влияния УНТ и ХНТ на кинетику гидратации и твердения, структурообразование и прочность цементных систем.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Для наномодифицирования цементных систем использовался портландцемент ЦЕМ I 42.5 (ГОСТ 31108 – 2016), техническая вода, УНТ фуллероидного типа марки Nanocyl-7000 (l = 700–3000 нм, d = 5–35 нм), полученные с помощью химического осаждения из газовой фазы [10], и ХНТ (l = 100–700 нм, d = 25–50 нм), полученные гидротермальным синтезом по методике, предложенной в работе [9].
Модифицирование цементных систем проводили соответствующими добавками УНТ (система Ц–УНТ) и ХНТ (система Ц–ХНТ) при их дозировке 1–0.0001% от массы цемента (В/Ц = 0.33). Стоит отметить, что наночастицы УНТ и ХНТ сначала добавляли в воду затворения и полученную суспензию подвергали ультразвуковой обработке с целью активации. Ранее [1, 9] установлено, что оптимальная дозировка наночастиц УНТ и ХНТ составляет 0.01% от массы цемента, поэтому дальнейшие исследования проведены для цементных систем с данной дозировкой.
Изучение кинетики гидратации цемента, структурообразования и прочности наномодифицированного цементного камня проводили в сравнении с эталонной цементной системой без добавок (Ц–H2O). Параметры кинетики процесса гидратации цемента изучали в условиях термостатирования при температурах 0, 20, 40, 60°С (273, 293, 313, 333 K) с продолжительностью процесса 1, 3, 7, 14, 28 сут.
Кинетику гидратации и фазовый состав цементного камня контролировали рентгендифрактометрическим методом (CuKα-излучение, λ = = 1.541788 Å, дифрактометр ARL X’TRA); обработка дифрактометрических данных осуществлялась автоматически с использованием компьютерной программы PDWin 4.0 [11]. Степень гидратации цементных систем рассчитывали по содержанию 3СаО ∙ SiO2 (C3S) путем сравнения их дифрактограмм с дифрактограммой образца из цементного клинкера [12]:
(1)
${{С}_{{\text{г}}}}({{{\text{C}}}_{{\text{3}}}}{\text{S}}) = \left( {1 - \frac{{{{I}_{{{\text{мод}}}}}}}{{{{I}_{0}}}}} \right) \times 100\% ,$Кинетика гидратации описывались формально-кинетическим уравнением [1, 12]:
где Сг – степень гидратации цемента в г/г к моменту времени τ в сут; k – константа скорости гидратации, n – показатель степени кинетического уравнения.Исходя из уравнения (2) для всех указанных выше условий получали изотермы степени гидратации и на их основе вычисляли nср. С учетом этой величины из логарифмического уравнения
(3)
$\ln ({{C}_{{\text{г}}}}) = {{n}_{{{\text{ср}}}}}\ln ({{K}_{{{\text{ср}}}}}) + {{n}_{{{\text{ср}}}}}\ln (\tau )$определяли ln(Kср) для каждой из температур и далее рассматривали аррениусовскую зависимость lnKcp = ƒ(1/T), по которой рассчитывали эффективную энергию активации (ЭЭА) как показателя, характеризующего энергетику развития процесса гидратации в условиях применения добавок наномодификаторов структурообразования.
Для оценки морфологии структуры цементного камня использовали сканирующий зондовый микроскоп JEOL JSM – 7001F. Предел прочности при сжатии образцов цементного камня размером 5 × 5 × 5 см определяли через 1, 3, 7, 14, 28 сут твердения в нормальных условиях на испытательной машине INSTRON Sates 1500HDS. Количество образцов в сериях составляло от 9 до 12, внутрисерийный коэффициент изменчивости результатов испытаний не превышал 7–10%.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Кинетика гидратации и структура наномодифицированных цементных систем. Согласно данным рентгендифрактометрических исследований, в наномодифицированных системах наблюдается существенное ускорение процессов гидратации цемента (табл. 1). Так, в системе Ц–УНТ за 1 сут твердения степень гидратации составляет 67%, что характерно для 14 сут твердения эталонной системы. В системе Ц–ХНТ степень гидратации уже за 1 сут составляет 83%, что характерно для 7 сут твердения системы Ц–УНТ и превышает степень гидратации 75% для эталонной системы Ц–H2O для 28 сут твердения. Полученные данные согласуются с результатами, представленными в работе [7].
Таблица 1.
Состав | Степень гидратации цемента, мас. % для продолжительности процесса | ||||
---|---|---|---|---|---|
1 сут | 3 сут | 7 сут | 14 сут | 28 сут | |
273 К* | |||||
Ц–H2O | 16 | 25 | 36 | 48 | 51 |
Ц–УНТ | 49 | 55 | 64 | 69 | 73 |
Ц–ХНТ | 66 | 68 | 73 | 75 | 76 |
293 К* | |||||
Ц–H2O | 21 | 35 | 58 | 65 | 75 |
Ц–УНТ | 67 | 78 | 87 | 88 | 89 |
Ц–ХНТ | 83 | 90 | 92 | 93 | 93 |
313 К* | |||||
Ц–H2O | 58 | 64 | 71 | 75 | 80 |
Ц–УНТ | 91 | 94 | 95 | 96 | 96 |
Ц–ХНТ | 94 | 95 | 96 | 97 | 98 |
333 К* | |||||
Ц–H2O | 74 | 79 | 80 | 82 | 85 |
Ц–УНТ | 94 | 95 | 96 | 97 | 97 |
Ц–ХНТ | 96 | 96 | 97 | 97 | 98 |
Эффект такого ускорения гидратации объясняется достигаемым снижением ЭЭА процесса в условиях наномодифицирования в 2–2.5 раза по сравнению с немодифицированной системой (табл. 2). Уместно подчеркнуть, что полученное в экспериментах наименьшее значение ЭЭА (64.6 кДж/моль) отвечает варианту применения модифицирующей добавки на основе ХНТ, которые имеют родственное минеральным фазам новообразований твердеющего цемента кристаллохимическое строение, облегчающее образование молекулярных кластеров и зародышей на наночастицах как активных центрах кристаллизации.
Рентгенофазовый анализ эталонной системы показывает, что гидратные соединения представлены преимущественно высокоосновными гидросиликатами кальция (2CaO ∙ SiO2 ∙ 0.5H2O, 2CaO ∙ SiO2 ∙ H2O) и портландитом (Ca(OH)2), также на всех сроках твердения присутствует исходная непрогидратировавшая фаза алита (3CaO ∙ SiO2). Содержание данных фаз в процессе гидратации постоянно изменяется.
Анализ данных рентгендифрактометрических исследований фазового состава наномодифицированного цементного камня (рис. 1) показал, что в обеих системах фиксируются высокоосновные гидросиликаты кальция состава 3(2CaO ∙ · SiO2) ∙ 2H2O и 2CaO ∙ SiO2 ∙ H2O, тоберморитоподобная фаза xCaO ∙ SiO2 ∙ zH2O, а также небольшое количество алита 3CaO ∙ SiO2. При этом в системе Ц–УНТ (рис. 1а) доминирующими фазами являются высокоосновные гидросиликаты кальция, их количество заметно возрастает к 7 сут твердения цементного камня. В системе Ц–ХНТ (рис. 1б) преимущественно фиксируются фаза тоберморита (присутствующая на протяжении всего времени твердения), низкоосновные гидросиликаты кальция CaO ∙ SiO2 ∙ H2O и 2CaO ∙ SiO2 ∙ 0.5H2O, низкоосновной гидроалюминат кальция 3CaO ∙ · Al2O3 ∙ xH2О, количество приведенных фаз возрастает с увеличением времени твердения. Кроме того, в системе Ц–ХНТ фаза портландита Ca(OH)2 фиксируется лишь в течение 1 сут твердения, в дальнейшем она отсутствует.
Стоит отметить, что фаза алита в системе Ц–УНТ исчезает к 7 сут твердения, а в системе Ц–ХНТ – к 3 сут, что подтверждает ускорение процессов гидратации цемента в модифицированных системах.
Исходя из полученных данных можно предположить, что ХНТ, являясь химически активными добавками, действуют при формировании цементного камня по двум механизмам. Во-первых, являются дополнительными центрами кристаллизации и, соответственно, играют каталитическую роль, что подтверждается выявленным эффектом ускорения процесса гидратации цемента при наномодифицировании. Во-вторых, возможно непосредственное взаимодействие наноразмерных частиц в гетерогенных процессах фазообразования, о чем свидетельствуют отсутствие фазы портландита Ca(OH)2 и преобладание низкоосновных (гидросиликатов и гидроалюминатов) гидратных соединений кальция в структуре цементирующего вещества.
Формирование при наномодифицировании 3CaO ∙ Al2O3 ∙ xH2О, CaO ∙ SiO2 ∙ H2O и 2CaO ∙ SiO2 ∙ · 0.5H2O, очевидно, связано с кристаллохимическим строением ХНТ, которые состоят из структурных слоев, ограниченных с внутренней стороны кремнекислородной сеткой, а с внешней – сеткой, отвечающей гидроксиду магния. Ионы Ca2+, образующиеся в результате гидратации минералов цементного клинкера, способны встраиваться в позиции, не занятые ионами Mg2+. В результате этого взаимодействия и происходит дополнительное формирование гидросиликатов и гидроалюминатов кальция. При этом суммарный гетерогенный процесс образования гидросиликатных фаз можно разделить на следующие стадии:
1-я стадия – растворение и гидратация C3S и C3A
2-я стадия – “встраивание” ионов Ca2+ в структуру хризотила
3-я стадия – формирование гидросиликатов и гидроалюминатов кальция
При этом формируются кристаллические сростки низкоосновных гидросиликатов кальция с соотношением С/S ≤ 1.0 и гидроалюминатов кальция вместо первичных кристаллогидратов типа портландита или высокоосновных гидросиликатов кальция.
По данным сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), микроструктура цементирующего вещества представлена типичным аморфным C–S–H-гелем, преимущественно представляющим собой плохо закристаллизованные агрегированные новообразования неправильной округлой формы (рис. 2). При этом размеры частиц новообразований и пор немодифицированного и модифицированного образцов цементного камня заметно отличаются. Структура цементного камня без наномодификаторов (рис. 2а) является неоднородной, характеризуется наличием более крупных пор и агрегатов частиц новообразований, остаточных зерен негидратированного цементного клинкера.
Для наномодифицированного цементного камня размер образовавшихся кристаллитов, пор C–S–H-геля существенно меньше, чем в эталонной немодифицированной системе (рис. 2б, 2в). В данных системах преобладают очень мелкие агрегаты кристаллитов гидросиликатов кальция, практически не наблюдаются остаточные зерна цементного клинкера. В сформировавшейся структуре цементного камня, модифицированного УНТ (рис. 2б), также отмечается наличие волокнистых и пластинчатых кристаллических агрегатов. В результате структура цементного камня с УНТ и ХНТ оказывается более плотной и однородной, с большим количеством контактов между гидратными частицами новообразований.
Кинетика набора прочности модифицированных цементных систем. Установлено, что в наномодифицированных системах скорость роста прочности цементного камня и достигаемые ее значения существенно выше, чем в эталонной системе (табл. 3). Так, в системе Ц–УНТ на всех сроках твердения прочность на сжатие приблизительно в 2 раза больше, чем в эталонной системе и к 28 сут твердения составляет 80.0 МПа, тогда как в системе Ц–H2O 53.8 МПа. Это обусловлено действием УНТ, которые благодаря волокнистому строению могут выступать как наноармирующие элементы структуры цементного камня.
Таблица 3.
Состав системы |
Степень гидратации, % (по C3S) – над чертой; предел прочности при сжатии, МПа – под чертой | Объем пор, см3/см3 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
1 сут | 3 сут | 7 сут | 14 сут | 28 сут | ||
Ц–H2O | $\frac{{21}}{{16.9}}$ | $\frac{{35}}{{22.6}}$ | $\frac{{58}}{{29.8}}$ | $\frac{{65}}{{35.2}}$ | $\frac{{75}}{{53.8}}$ | 0.30 |
Ц–УНТ | $\frac{{67}}{{23.5}}$ | $\frac{{78}}{{42.3}}$ | $\frac{{87}}{{48.9}}$ | $\frac{{88}}{{66.0}}$ | $\frac{{89}}{{80.0}}$ | 0.28 |
Ц–ХНТ | $\frac{{83}}{{55.7}}$ | $\frac{{90}}{{75.1}}$ | $\frac{{92}}{{95.7}}$ | $\frac{{93}}{{120.6}}$ | $\frac{{93}}{{150.4}}$ | 0.25 |
В системе Ц–ХНТ уже за 1 сут твердения достигается прочность на сжатие 55.7 МПа, в то время как в системе Ц–H2O такая величина прочности вообще не обеспечивается, а для системы Ц–УНТ достигается после 7 сут твердения. В результате, к 28 сут твердения, нормативным для цементного камня, в системе Ц–ХНТ значение прочности на сжатие составляет 150.4 МПа, что почти в 3 раза больше, чем в эталонной системе. Повышение прочности в данной системе закономерно обусловлено действием следующих факторов: увеличением степени гидратации цемента (см. табл. 1); преобладанием высокопрочных фаз низкоосновных гидросиликата xCaO ∙ SiO2 ∙ zH2O и гидроалюмината 3CaO ∙ Al2O3 ∙ xH2О кальция и отсутствием малопрочной фазы портландита Ca(OH)2 (согласно данным рентгендифрактометрических исследований); повышением плотности и однородности структуры цементирующего вещества (согласно данным СЭМ).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Комплексные экспериментальные исследования кинетики гидратации, структурообразования и твердения цементных систем позволили установить, что использование хризотиловых нанотрубок в данных системах является наиболее эффективным.
Установлено, что введение в цементные системы нанотрубок способствует ускорению процессов гидратации цемента для системы Ц–УНТ в 9 раз, а для системы Ц–ХНТ – в 30 раз. При модифицировании цементных систем ХНТ это обусловлено их каталитической ролью и возможностью непосредственного участия в гетерогенных процессах фазообразования гидратных соединений; для УНТ это связано с дополнительным структурированием воды затворения [5], с другой стороны, УНТ являются наноармирующими элементами и, как следствие, могут значительно зонировать пространство кристаллизационной структуры цементного камня.
Выявлено ускорение процессов твердения и повышение прочности цементного камня. В системе Ц–ХНТ за 1 сут, в системе Ц–УНТ за 7 сут твердения достигается прочность на сжатие 55 МПа, которая в немодифицированной системе обеспечивается только после 28 сут твердения. В результате, прочность цементного камня, модифицированного УНТ, к 28 сут твердения выше в 1.5 раза (80 МПа), а модифицированного ХНТ выше в 3 раза (150.4 МПа) по сравнению с эталонной немодифицированной системой (53.8 МПа). Это обусловлено изменением фазового состава и микроструктуры цементного камня при модифицировании нанотрубками, а именно: увеличением объема новообразований, плотности и однородности структуры цементирующего вещества, преобладанием высокопрочных фаз низкоосновных гидросиликата xCaO ∙ SiO2 ∙ zH2O и гидроалюмината 3CaO ∙ Al2O3 ∙ xH2О кальция и отсутствием малопрочной фазы портландита Ca(OH)2.
Список литературы
Чернышов Е.М., Артамонова О.В., Славчева Г.С. Концепции и основания технологий наномодифицирования структур строительных композитов. Часть 3. Эффективное наномодифицирование систем твердения цемента и структуры цементного камня (критерии и условия) // Строит. материалы. № 10. 2015. С. 54–64.
Артамонова О.В., Славчева Г.С., Чернышов Е.М. Эффективность применения комплексных наноразмерных добавок для цементных систем // Неорган. материалы. 2017. Т. 53. № 10. С. 1105–1110.
Muhd Norhasri M.S., Hamidah M.S., Mohd Fadzil A. Applications of using nano material in concrete: A review // Constr. Build. Mater. 2017. V. 133. P. 91–97.
Пухаренко Ю.В., Никитин В.А. Модифицирование цементных композитов смешанным наноуглеродным материалом фуллероидного типа // Технология бетонов. 2013. № 12. С. 13–15.
Пухаренко Ю.В., Рыжов Д.И., Староверов В.Д. Особенности структурообразования цементных композитов в присутствии углеродных частиц фуллероидного типа // Вестн. МГСУ. 2017. Т. 12. Вып. 7(106). С. 718–723.
Nadiv R., Shtein M., Refaeli M. et al. The Critical Role of Nanotube Shape in Cement Composites // Cem. Concr. Compos. 2016. V. 71. P. 166–174.
Яковлев Г.И., Первушин Г.Н., Пудов И.А. и др. Структуризация цементных вяжущих матриц многослойными углеродными нанотрубками // Строит. материалы. 2011. № 11. С. 22–24.
Tolchkov Yu.N., Mikhaleva Z.A., Tkachev A.G. et al. The Effect of a Carbon Nanotubes-Based Modifier on the Formation of the Cement Stone Structure // Adv. Mater. Technol. 2018. № 3. P. 49–56.
Артамонова О.В. Исследование процессов структурообразования в цементных системах, модифицированных нанотрубками хризотила // Вестн. центрального регионального отделения Российской академии архитектуры и строительных наук. 2015. № 14. С. 154–162.
Nanocyl [Электронный ресурс] / http://www.nanocyl.com.
JCPDS – International Centre for Diffraction Data [Электронный ресурс]. © 1987–1995. JCPDS – ICDD. Newtown Square, PA. 19073. USA.
Bullard J.W., Jennings H.M., Livingston R.A. Mechanisms of Cement Hydration // Cem. Concr. Res. 2011. V. 41. P. 1208–1223.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Неорганические материалы