Материал: Синтез наномодифицирующих добавок для технологии строительных композитов. Артамонова О.В

Кинетические параметры процесса гидратации цемента, модифицированного нанодобавками (при содержании 0,01 % от массы цемента), в зависимости от температуры

Уместно подчеркнуть, что полученное в экспериментах наименьшее значение величины ЭЭА (61,7 кДж/моль) отвечает варианту применения комплексной модифицирующей добавки на основе наноразмерных частиц SiO₂ в сочетании с суперпластификатором. Объясняется это тем, что, в отличие от углеродных нанотрубок, наночастицы SiO₂ имеют родственное минеральным фазам новообразований твердеющего цемента кристаллохимическое строение, облегчающее образование молекулярных кластеров и зародышей на наночастицах SiO₂ как активных центрах кристаллизации. Обратим здесь внимание на то, что ускоряющая роль добавки КНД имеет место, несмотря на то, что присутствующее в комплексной добавке поверхностно-активное вещество, как известно, замедляет гидратационные процессы.

Анализируя результаты кинетических исследований, необходимо обратиться к вопросу о целесообразности сочетания фактора введения добавок наномодификаторов с температурным фактором ускорения процесса гидратации цемента. И в этой связи обсудим полученные данные о величинах температурного коэффициента скорости реакции (табл. 10 и рис. 15).

Таблица 10

Температурный коэффициент α(t) скорости гидратации цемента в условиях модифицирования процесса нанодобавками

Рис. 16. Температурный коэффициент скорости гидратации цемента

В условиях модифицирования процесса нанодобавками

(обозначено: – – Ц + В; ■–■ – Ц + В + КНД; ▲–▲ – Ц + В + УНТ;

Дозировка наномодификатора 0,01 % от массы цемента)

Прежде всего отметим, что только для эталонной «бездобавочной» системы при пониженных температурах осуществления процесса гидратации реализуется ситуация действия кинетического его контроля. Действительно, температурный коэффициент скорости реакции, вплоть до продолжительности гидратации 1 сут, имеет величину близкую к 2-м ((Т) = 1,85 – 2,25). Но уже к продолжительности 3 сут коэффициент (Т) снижается до значений 1,25 и в последующем (для продолжительности 7, 14, 28 сут) остается на указанном уровне. Это свидетельствует о переходе процесса в область диффузионного контроля, что и объясняет относительно низкие (в пределе около 50 %) значения степени гидратации, фиксируемые для эталонной системы (табл. 8).

Применение наномодифицирующих добавок принципиально меняет кинетическую картину процесса. Он ускоряется настолько, что даже при пониженных температурах уже в первый час переходит (табл. 10 и рис. 16) в область смешанного (для добавки УНТ (Т) = 1,46) и диффузионного (для добавки КНД (Т) = 1,27) контроля. Явление перехода кинетики процесса из области кинетического контроля в диффузионную область в системах с нанодобавками наблюдается в существенно более ранние сроки, чем в эталонной системе.

В совокупном действии факторов введения нанодобавок и температурных условий проявление первого фактора оказывается заметно более сильным. Поэтому применение технологий, предусматривающих подъем температуры твердения цемента свыше 30 °С, оказывается не актуальным, а более того неприемлемым. Действительно, для всех систем с добавками повышение температуры приводит к снижению коэффициента (Т) до значений 1,0 – 1,1, то есть к переходу процесса гидратации в область жесткого диффузионного контроля.

В отличие от этого, для эталонной «бездобавочной» системы повышение температуры оказывается положительным фактором для кинетики процесса. В данном случае можно говорить о явлении так называемого «температурного пробоя», когда ускоряется диффузия анионов и катионов в «межзерновой» объем через «приповерхностный» объем, слоем экранирующий поверхность зерен цемента. По этой причине при пониженных температурах развитие процесса из области диффузионного контроля может переходить в область смешанного контроля (коэффициент (Т) повышается с 1,0 – 1,05 до 1,3).

Итак, показано, что применение наномодифицирующих добавок сопровождается изменением параметров развития процесса гидратации цемента с точки зрения его кинетики и энергетики. Результат возможного сокращения времени гидратации  оказывается следствием ускорения реакций по причине существенного понижения их эффективной энергии активации. К выбору температурных режимов ускорения твердения цемента в условиях применения нанодобавок требуется подходить с учетом неоднозначного и противоречивого совместного действия этих факторов в области повышенных температур. Напротив, в области пониженных, а возможно и отрицательных температур, применение нанодобавок представляется весьма эффективным, обеспечивающим высокий температурный коэффициент скорости реакции, характерный для развития процесса гидратации в кинетической области.

Исследование кинетики прочности цементного камня в условиях наномодифицирования его структуры

При модифицировании структуры цементного камня нанодобавками определяющим в эффективности этого может быть не только изменение параметров и показателей кинетики гидратации (эффективной энергии активации, скорости гидратации, температурного коэффициента скорости реакции, степени гидратации и времени завершения процесса по степени гидратации), но и изменение параметров и показателей кинетики прочности (скорости набора прочности, продолжительности достижения «отпускных» и достигаемых предельных значений прочности цементного камня). Исходя из этого эффективность наномодифицирования систем твердения цемента и структуры цементного камня требуется оценивать одновременно (и это уже отмечалось) и по критерию сопротивления его разрушению. Именно в этой связи важно было проанализировать кинетику прочности в соотнесении с видом и дозировкой нанодобавок.

В экспериментах при оценке влияния наномодифицирования структуры на прочность исследованы указанные выше две добавки (КНД и УНТ) в дозировках 0,01 % и 1 % от массы цемента.

Из рис. 17 и 18, отражающих действие указанных добавок на кинетику прочности, следует вывод об ускорении набора прочности цементного камня при использовании минимальной и максимальной дозы добавок. В случае применения комплексной добавки наночастиц SiO₂ в сочетании с суперпластификатором близкие к предельным значения прочности достигаются для составов с разной дозировкой к 3-м суткам твердения. Применение этой комплексной добавки позволяет обеспечить 70 % прочности от значений, достигаемых к 28-и суткам, в течение 1-х суток. Для варианта дозировки добавки 0,01 % отмечается повышение предельных значений прочности до 90 МПа против 50 МПа у эталонной «бездобавочной» системы. Такое различие объясняется модифицирующим влиянием добавки на дисперсный и морфологический состав новообразований цементного камня, которые приобретают нанодисперсное и скрытокристаллическое состояние. Именно это в соответствии с известной теорией «мелкого зерна» Ребиндера П.А. [69, 70] и закономерностью Холла – Петча [71] и предопределяет более высокое сопротивление модифицированной структуры разрушению.

Аналогичная ситуация имеет место и при применении добавки углеродных нанотрубок при дозировке 0,01 %. Однако кинетика прочности в данном варианте наномодифицирования заметно отличается тем, что в ранние сроки твердения набор прочности проходит медленнее: достижение 70 % прочности от значений её в 28-и суточном возрасте обеспечивается в данном варианте за 7 суток, а в течение 1-х сут цементный камень набирает только 20 %. Другое отличие касается и предельно достигаемого значения прочности, которое составляет 80 МПа. По результатам экспериментов следует специально остановиться на вопросе кинетики прочности для вариантов с дозировкой добавок 1 % от массы цемента. При такой дозировке также отмечается ускоренное нарастание прочности в начальные (1 – 3 сут) сроки твердения, однако в последующие сроки никакого приращения прочности не отмечается и она остается на уровне 35 – 40 МПа, что ниже значений для эталонного «бездобавочного» состава. Можно полагать, что при повышенной дозировке происходит так называемое «отравление» системы, когда чрезмерно ускоренная гидратация цемента и кристаллизация новообразований приводит к развитию саморазрушающего кристаллизационного давления. Это действительно так: в наших опытах, предусматривавших введение 5-и % - ой дозы добавки наночастиц SiO₂, наблюдалось саморазрушение образцов цементного камня уже после первых суток твердения в нормальных температурно-влажностных условиях. Данные экспериментальные факты подтверждают актуальность проблемы оптимизации дозировок добавок, рекомендуемых в технологиях наномодифицирования структуры цементного камня.

Рис. 17. Кинетика набора прочности цементного камня в условиях наномодифицирования при введении комплексной добавки на основе наночастиц SiO₂ (обозначено: – – Ц + В; ■–■ – Ц + В + КНД при содержании добавки 0,01 %; – – Ц + В + КНД при содержании 1 %)

Рис. 18. Кинетика набора прочности цементного камня в условиях наномодифицирования при введении добавки углеродных нанотрубок

(обозначено: – – Ц+В; ▲–▲ – Ц+В+УНТ при содержании добавки 0,01%;

–– Ц+В+УНТ при содержании 1 %)