ASR ў бетоне - Частка 5

Прымяненне і эксперыменты з выкарыстаннем нана-крэмнія для развіцця трываласці ў цэментавых кампазітах і бетоне

У 1969 г. быў пададзены патэнт на працэс прамысловага вытворчасці коллоідных кварцавых часціц, якія вымяраліся ў мілімікронах (нанометрах) і мелі высокую чысціню крэмнія і паверхню [24]. У 2004 г. было створана першае ў прамысловым маштабе выкарыстанне нанакісь крэмнія ў цэментных кампазітах. Браян Грын з інжынернага корпуса арміі ЗША ўпершыню выкарыстаў нанакісь крэмнія для распрацоўкі каменнай заціркі для ваеннага прымянення [25]. Яго праца ўзнікла з пытанняў, якія тычацца сегрэгацыі заціркі, якая складаецца з цяжкіх агрэгатаў, у прыватнасці, гематыта. Дысперсія натрыю крэмнія была дададзеная ў важкую сумесь заціркі ў якасці агента, які змяняе глейкасць. Гэта павялічыла таўшчыню раствора для заціркі, забяспечыўшы стабільную і універсальную завісь гематытнага агрэгата, пакуль зацірка знаходзілася ў пластычным стане. Выкарыстоўваў мадыфікатар глейкасці быў у выглядзе ультра-дробнага аморфнага коллаіднага дыяксіду крэмнія або нанарганічнага крэмнія з размеркаваннем часціц у межах ад трох да 100 нм. Грын выявіў, што нанакіслы не толькі палепшыў завісь гематыта, выключаючы сегрэгацыю, але і павялічыў шчыльнасць і трываласць заціркі [25].

Адзін з першых дакументальна выкарыстаных камерцыйных мэтаў выкарыстання нана-крэмнія ў бетоне быў у Гіпсе, штат Каларада, на аэрадроме графства Ігл падчас будаўніцтва вучэбнай пляцоўкі для паветрана-выратавальнага фонду. У рэгіянальным аэрапорце акругі Ігл, высока ў гарах Каларада, дванаццаць кубічных ярдаў бетону былі ўзмоцнены нанакіслым крэмам як сродкам для павышэння як ранняй трываласці бетону, так і яго трываласці супраць АСР [26]. Гатовы пастаўшчык бетону (Лафарж Паўночная Амерыка) ацаніў як свежыя, так і зацвярдзелыя ўласцівасці бетону, узмоцненага натрыем. Даказана, што раслінныя сліды з бетону з узбагачанага натрыю павялічваюць трываласць на сціск на 50% у параўнанні з бетонам (без нанакісь), не парушаючы пры гэтым працаздольнасць і колькасць паветра.

Было паказана, што прадукцыйнасць нана-крэмнія па павелічэнні ранняй трываласці з'яўляецца большай плошчай паверхні вольнага крэмнія (у параўнанні з попелам класа F) [23]. Як і лятучая попел класа F, свабодны крэмній, які забяспечваецца нанарганічным крэмнем, спалучаецца з гідраксіду кальцыя (СН) у гідратыруючай цэментавай матрыцы, каб стварыць больш кальцыя-сілікат-гідрат (CSH), аснову трываласці бетону. З-за меншага памеру часціц нанакісявага крэмнія ўзнікае большая агульная плошча паверхні вольнага крэмнія для больш хуткай пузаланальнай рэакцыі і ўшчыльнення, што павышае раннія трываласць і даўгавечнасць бетону [27]. Іншыя магчымыя сродкі, дзякуючы якім памер натрыевага крэмнія павышае ГКМ, - гэта пузаланальная рэакцыя, зараджэнне СГЖ і паскоранае растварэнне часціц цэменту. Было высунута гіпотэза, што новае выкарыстанне нанакісляю можа падтрымліваць і, магчыма, павысіць даўгавечнасць бетону (у дачыненні да АСР, адначасова паскараючы раннія этапы трываласці бетону і вехі камерцыйнай трываласці на месцы працы [28].

Паколькі інжынерны корпус арміі ЗША карыстаецца нанарганічным крэмнем у сумесях для заціркі, выкарыстанне нанакісь крэмнія ў цэментавых кампазітах і бетоне вар'іруецца ад 0,01–10,9% замены OPC па вазе [26, 27, 29, 30]. Нягледзячы на ​​пастаяннае павелічэнне папулярнасці нанарганічнага крэмнія ў цэментавых кампазітах і бетоне, неабходна больш глыбокае разуменне ўздзеяння нанакісь крэмнія на акадэмічных і будаўнічых арэнах, каб даць упэўненасці галіны ў гэтай новай тэхналогіі.

Склад дысперсій натрыю крэмнія

Мінеральныя дабаўкі выкарыстоўваюцца ў якасці сродку для павышэння тэхнічных уласцівасцей і зніжэння здольнасці да хімічнай дэградацыі бетонных сумесяў [4]. Большасць мінеральных дабавак, якія выкарыстоўваюцца ў бетоннай прамысловасці, з'яўляюцца пабочнымі прадуктамі пры спальванні вугалю (попелам) або вытворчасцю сплаваў жалеза з крэмніем (кварцавы дым) [11, 22]. Перавагі, якія атрымліваюцца ў выніку выкарыстання мінеральных дабавак, узнікаюць у выніку пуцолановых рэакцый і ўшчыльнення ўпакоўкі, прадугледжанай хіміяй, геаметрыяй і размеркаваннем дабаўкі па памеры часціц [5, 22]. Дзякуючы з'яўленню новых тэхналогій, такіх як нана-часціцы, прасоўваюцца сучасныя дабаўкі, здольныя эфектыўна маніпуляваць малекулярнай хіміяй і структурай (а значыць, і інжынернымі ўласцівасцямі) цэментавых кампазітаў і бетону [31].

Нанакісь крэмнія ўводзіцца ў бетонную сумесь шляхам калоіднай дысперсіі ўзважаных часціц, якія рэгулююцца пэўным тыпам і зместам шчолачы. Кантроль стабільнасці дысперсій натрыю крэмнія абцяжараны з-за памеру наначасціц [32]. Адной з прычын такой нестабільнасці з'яўляецца адчувальнасць наначасціц да броўнаўскага руху [33]. Па меры таго, як нана-часціца памяншаецца ў дыяметры часціц, яе адчувальнасць да броўнаўскага руху ўзрастае. Па меры таго, як патэнцыял сутыкнення з броўнаўскім рухам павялічваецца (з-за празмернага колькасці часціц у лакалізаванай вобласці), павялічваецца і верагоднасць агламерацыі і агрэгацыі [32]. Калі часціцы натрыевага крэмнія знаходзяцца ў непасрэднай блізкасці ад суседніх часціц нанакісявага крэмнія (пры дапамозе броўнаўскага руху), сіла электрычнага бар'ернага патэнцыялу на паверхні часціц нанакіснага крэму перашкаджае схільнасці да агламерацыі. Больш моцны патэнцыяльны бар'ер зніжае хуткасць агламерацыі [32, 33].

Патэнцыйны бар'ер на паверхні часціц нанакісляльнага крэму зніжае схільнасць да агрэгацыі і агламерацыі за кошт памяншэння сіл ван дэр Вааля на паверхні часціц нанакірка. Часціцы нана ў дысперсіі з дыяметрам часціц менш 30 нм ствараюць невялікі патэнцыяльны бар'ер, які не можа прадухіліць агрэгацыю суседніх нана-часціц без мадыфікацыі паверхні [33]. У мэтах узмацнення дысперсіі дробных часціц растваральныя шчолачы могуць быць адсарбаваны на паверхні нанакіслага [33]. Гэта робіцца мэтанакіравана, каб маніпуляваць паверхняй нанакісляю, каб кантраляваць агламерацыю. Растваральныя шчолачы эфектыўна павялічваюць паверхневы патэнцыял, альбо электрычны двайны пласт, на паверхні часціц нана-крэмнія.

Малюнак 7 - схема змены электрычнага падвойнага пласта (вымяраецца як павярхоўны патэнцыял пры: паверхні часціц нана-крэмнія (O), праз мяжу паміж паверхняй часціцы нана-крэмнія і растваральнай шчолаччу (O, X2) і растваральнай. паверхня шчолачы (X2). Малюнак 7 ілюструе ўзаемадзеянне паміж часціцай нана-крэмнія і адсарбаванай растваральнай шчолаччу, дзе SA |SA - павярхоўны патэнцыял для растваральнага шчолачы, а NS |NS - павярхоўны патэнцыял для нана-крэмнія. Reg I) - гэта кампактны пласт на стыку нанакірніка і растваральнай шчолачы, дзе патэнцыяльны бар'ер пераходзіць да больш высокай трываласці. Вобласць II, пласт Гоя-Чапмана, павялічвае патэнцыял у галіне растваральных шчолачаў [ 34]. Павелічэнне патэнцыялу звязана з памерам двайнога электрычнага пласта на паверхні часціц нана [32]. Па меры павелічэння ўтрымання растваральных шчолачаў на паверхні патэнцыяльны бар'ер набывае трываласць і агароджвае ад сіл, якія Неабходна выклікаць схільнасць агламераваць нанакіслы да выпадзення завісі [33].

Малюнак 7 - Размеркаванне патэнцыялу па паверхні нана-крэмнія і растваральнай паверхні шчолачы.

Літаратура

1. ЗША-DOI. Матэрыялы, якія выкарыстоўваюцца ў міждзяржаўных шашах ЗША. Дэпартамент унутраных спраў ЗША, 2006 г.

2. Томас, М., В. Фурнье і К. Фоліард. Справаздача аб вызначэнні рэакцыйнай здольнасці бетонных ізалятараў і выбары адпаведных мер для прадухілення шкоднага пашырэння бетоннай канструкцыі. Адпраўленне транспарту - FHWA, 2009. p. 1–22.

3. Kuennen, T. FHWA Research Zeroes in on Concrete Nanotechnology. Бетонныя вырабы, 2010. www.concreteproducts.com/mag/concrete_fhwa_research_zero.

4. Mindess, S., J. Young і D. Darwin. Бетон. Prentice Hall, 2003. 2: с. 57–120.

5. Тэйлар, HFW Хімія цэменту. Томас Тэлфард Кнігі, 1997. 2: с. 89–226.

6. Белкавіц, Дж. Арментрут і Д. Аналіз нана-крэмнія пры гідратацыі цэменту. Нацыянальная асацыяцыя гатовых бетонных асацыяцый Proceedings "Пра бетонную ўстойлівасць", 2010: с. 1–15.

7. Рычардсан, І. Сілікаты сілікату кальцыя. Даследаванне цэменту і бетону, 2007. 38: с. 137–158.

8. Ален, А., Дж. Томас і Хеннінгс. Склад і шчыльнасць кальцыя-сілікат-гідраты кальцыя ў цэменту. Прыродазнаўчыя матэрыялы, 2007. 6: с. 311–316.

9. Бенц, Д. і Гарбочы, Е. Мадэляванне даследаванняў уплыву мінеральных дамешак на цэментава-межфазную зону цэментава-паста. Часопіс ACI Матэрыялы, 1991: с. 518–529.

10. Бенц, Д. і Штуцман, П. Эвалюцыя сітаватасці і гідраксіду каклію ў лабараторных бетонах, якія змяшчаюць сілікатны дым. Даследаванне цэменту і бетону, 1994. 24: с. 1044–1050.

11. Галанд, Т. Сіліконавы дым. Кіраўніцтва карыстальніка. Дэпартамент транспартацыі - FHWA, 2005: с. 8–13.

12. Манцана, Х., Дж. Долада, А. Герэра і А. Аюэла. Механічныя ўласцівасці крышталічных кальцыя-сілікатных гідратаў: параўнанне з цэментнымі гелямі CSH. Фізічны стан рашэнняў, 2007. 204 с. 1775–1780.

13. Куртыс, К., П. Мантээра, Дж. Браўн і У. Мэер-Ільзе. Візуалізацыя геля ASR з дапамогай мяккай рэнтгенаўскай мікраскапіі. Даследаванне цэменту і бетону, 1998. 28: с. 411–421.

14. Ічыкава, Т. Шчолачна-крэмневая рэакцыя, песімум і поцоланический эфект. Даследаванне цэменту і бетону, 2009. 39: с. 716–726.

15. Радрыгес, А., П. Мантээра і Г. Спозіта. Рэакцыя шчолачы-крэмнія: Шчыльнасць паверхневай зарадкі крэмнію і яе ўплыў на пашырэнне. Даследаванне цэменту і бетону, 1999. 29: с. 527–530.

16. Чэн, Дж., Дж. Томас, Х. Тэйлар і Х. Джэнінгс. Растваральнасць і структура кальцыя-сілікат-гідрат. Даследаванне цэменту і бетону, 2004. 34: с. 1499–1519.

17. Гурком, Д., К. Бартожай і К. Фей. Новая рэкамендацыя па змякчэнні ўзроўню АСР ў будаўніцтве меліярацыйных бетонаў. Міністэрства ўнутраных спраў ЗША Лабараторыя MERL, 2009 г.

18. Томас, М. Уплыў дадатковых цэментавых матэрыялаў на рэакцыю шчолачна-крэмнія: агляд. Даследаванне цэменту і Кокрэнтэ, 2011. 41: с. 1224–1231.

19. Томас, М. Змякчэнне АСР ў мастах Мэн - рэактыўныя рашэнні. Адпраўленне транспарту - FHWA, 2011. 3: с. 1–3.

20. CSA A23.2–27A. Выкарыстанне дадатковых матэрыялаў для процідзеяння шчолачна-крэмневай рэакцыі. CSA, 2000. www.csa.ca.

21. Гарсія-Дыяс, Э., Д. Бултэль, Я. Монін і П. Фассе. ASR Песімальнае паводзіны агрэгатаў крэмневага вапняка. Даследаванне цэменту і бетону, 2010. 40: с. 546–549.

22. Гельмут, Р. Муха з попелам у цэменту і бетоне. ЗША: Portland Cement Association, 1987: с. 85–138.

23. Саід, А., Зейдан, М. Басуні і Ю. Цянь. Уласцівасці бетону, які ўключае нана-крэмній. Будаўніцтва і будаўнічыя матэрыялы, 2012. 36: с. 838–844.

24. Илер, Р. Спосаб атрымання коллоідного крэмнія метадам электрадыялізу сілікату. Патэнт ЗША 3,668,088. 1969 год.

25. Грын, Б. Распрацоўка цэментавага раствора высокай шчыльнасці, які адпавядае раствору з выкарыстаннем наначасціц. Часопіс ACI Матэрыялы, 2008. SP2–54: с. 121–132.

26. Belkowitz, J., W. Belkowitz, M. Best, F. Fisher. Калаідальная далікатная крэмнія. Бетон Інтэрнацыянал, 2014. 36: с. 59–65.

27. Назары, А. і Рыахі С. Уплыў наначастиц SiO2 на фізіка-механічныя ўласцівасці бетону высокай трываласці. Кампазіты: Частка В, 2011. 42 с. 570–578.

28. Хоу, П., К. Ван, Дж. Цянь, С. Кавасіма, Донг і С. Шах. Уплыў калоіднай NanoSiO2 на ўвільгатненне попелу. Цэмент і бетонныя кампазіты, 2012. 34: с. 1095–1103.

29. Б'ёрнстром, Дж. Панас і І. Уплыў калоіднай нана-крэмнія на ранняе ўвільгатненне белітнага цэменту. Хімія матэрыялаў, 2000. 12: с. 1501–1522.

30. Хоу, П., С. Кавасіма, К. Ван, Д. Корр, Дж. Цянь і С. Шах. Уплыў калоіднай нанасіліка на рэалагічныя і механічныя ўласцівасці мухы - цэментавага раствора. Цэмент і бетонныя кампазіты, 2013. 35: с. 12–22.

31. Санчэс, Ф. Сабалеў і К. Нанатэхналогіі ў бетоне - агляд. Будаўніцтва і будаўнічыя матэрыялы, 2009. 24: с. 3475–3484.

32. Мудры, Х. і Одар, Матэрыялы і паняцці ў павярхоўнай рэактыўнасці і каталізе. Публікацыі Дувер, 1990. с. 239–254.

33. Іідзіма, М. і Камія Х. Мадыфікацыя паверхні для павышэння ўстойлівасці наначасціц у вадкіх асяроддзях. Часопіс парашка і часціц KONA, 2009. 7: с. 119–129.

34. Ло, Г., С. Малкова, Дж. Юн, Д., Лін, Б. Шульц, М. Мерон. Іонныя размеркаванні паблізу вадка-вадкаснага інтэрфейсу. Навука, 2006. 311: с. 216–218.

Аўтарскія правы інтэлектуальнага бетону, ТАА 2017.