Scientific journal

Fundamental research

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

Доля и роль высококачественных бетонов в мировой строительной индустрии стремительно возрастает и сопровождает стремительное развитие архитектурных форм и функционально новых видов сооружений.

Строительная индустрия развивается под знаком возрастающих требований рационального и эффективного использования сырьевых и энергетических ресурсов, а также с учетом достижений в области нанотехнологий и наноматериалов.

Введение нанодобавок обеспечивает максимальную эффективность бетона и существенно повышает результативность используемого вяжущего с точки зрения предотвращения возникновения трещин и увеличения прочности.

Формирование свойств высококачественных бетонов с применением золя SiO2 открывает систему совершенно новых возможностей для перехода строительного материаловедения на принципы создания материалов с заданными свойствами в диапазоне очень высоких значений их параметров. Практический опыт, полученный по применению нанодобавок, дает основания для широкого промышленного использования уже созданных новых нанодобавок (золь, нанопорошки SiO2) в самых разных областях строительной индустрии.

Установка для получения водных золей кремнезема

Для приготовления исходной среды использовали водные растворы силиката натрия с содержанием 200 мл на 1 л воды. Растворы силиката натрия фильтровали через слой ионобменной смолы (катионита марки КУ-2-8), в результате получали золь кремнезема, имеющий плотность ρ = 1012 г/дм3, содержание SiO2 = 25 г/дм3, рН = 9,0, солесодержание TDS = 370 мг/дм3. Золь далее концентрировали на баромембранной установке, включающей керамический микрофильтрационный патрон типа «Аквакон-200» со следующими техническими характеристиками, указанными в табл. 1.

Таблица 1

Технические характеристики фильтра «Аквакон-200»

На рис. 1 представлен общий вид аппарата с керамическими мембранами «Аквакон-200».

На рис. 2 – схема установки для проведения мембранного концентрирования водных золей. Концентрирование выполнено в лабораторных условиях при температуре 20 °С.

Исходная среда подавалась в фильтр из емкости 3 с помощью центробежного насоса 2. Под действием рабочего давления водная среда проходила через пористый керамический элемент 6, образуя при этом фильтрат, который выводился через штуцер фильтрата в емкость для фильтрата 7. Непрошедшая через керамические элементы водная среда (концентрат) выводилась из аппарата через штуцер 1 обратно в емкость 3.

Манометр 5 был установлен на входе перед фильтром и выходе для отвода концентрата и фильтрата, что позволяло измерять перепад давлений в мембранном слое и в корпусе фильтра при различном расходе фильтрата и концентрата. Расходомером 5 измерялся общий расход водной среды, перекачиваемый через установку насосом. Расход фильтрата и концентрата менялся регулирующими кранами. Испытания проводили в режиме рециркуляции концентрата, при этом поток концентрата направляли в исходную емкость 3.

Результаты экспериментов по изучению проницаемости мембранного слоя фильтров на водопроводной воде

Перед экспериментами с золями кремнезема в испытаниях на водопроводной воде были предварительно получены фильтрационные характеристики мембранного слоя: зависимости расхода фильтрата Qf от давления на внешней поверхности мембранного слоя. Падение давления в корпусе фильтра было относительно небольшим: P1 – P2 = 0,01 – 0,04 МПа. Поэтому в качестве значения давления на внешней поверхности мембранного слоя принималось давление ∆P1 на входе в фильтрующий патрон по показаниям манометра, установленного перед входным патрубком фильтра (рис. 2).

Параметры, фиксируемые в ходе эксперимента, указаны в табл. 2.

Расход водной среды Vf (м3/с) через мембранный слой (расход фильтрата) и проницаемость мембраны G при данном перепаде давления DP связаны соотношением

G = V_f /S_m, (*)

где Sm – общая поверхность мембранного слоя в картридже, м2.

 

Рис. 1. Конструкция керамического мембранного фильтра: 1 – корпус; 2 – трубная решетка; 3 – крышка; 4 – крышка фильтрата; 5 – центральная распределительная труба; 5а – втулка; 6 – гайка; 7 – шайба; 8 – стакан; 9 – штуцер

Рис. 2. Схема микрофильтрационной мембранной установки: 1 – шаровый кран; 2 – центробежный насос; 3 – полиэтиленовая емкость с концентратом первой стадии; 4 – расходометр турбинчатого типа; 5 – манометр; 6 – микрофильтрационный мембранный фильтр; 7 – полиэтиленовая емкость с фильтратом

Определена проницаемость мембранного слоя в зависимости от перепада давления и построен график этих зависимостей (рис. 3).

Проницаемость мембранного слоя по водопроводной воде повышалась при увеличении проницаемости мембранного слоя (рис. 3). Зависимость G(ΔP) от ΔP в первом приближении аппроксимировали линейной функцией.

Результаты экспериментов по получению концентрированного золя кремнезема.

Параметры, фиксируемые в ходе эксперимента по концентрированию золя, указаны в табл. 3: Vf – производительность установки по фильтрату, ΔР – давление в установке, TDSк – соленость концентрата, TDSф – соленость фильтрата, ρф – плотность фильтрата, ρк – плотность концентрата, G – проницаемость мембранного слоя фильтра,

φ_TDS = (φ_SiO2к – φ_SiO2ф)/φ_SiO2к,

φ_TDS – селективность по солям,

φ_TDS = (φ_TDSк – φ_TDSф)/φ_TDSк.

Таблица 2

Проницаемость в зависимости от перепада давления на мембранном слое

Рис. 3. Проницаемость мембранного слоя в зависимости от перепада давления

Таблица 3

Параметры, фиксируемые в ходе эксперимента

По окончании эксперимента были получены пробы концентрата и фильтрата, также определены проницаемость и селективность мембран по кремнезему и солям, в зависимости от времени, и построены графики этих зависимостей рис. 4, 5, 6, 7. В результате концентрирования был получен стабильный водный золь, с характеристиками: ρ = 1012 г/дм3, содержание SiO2 = 25 г/дм3, рН = 9,0, солесодержание TDS = 370 мг/дм3.

Рис. 4. Проницаемость мембран по диоксиду кремния в зависимости от времени

Рис. 5. Селективность мембран по диоксиду кремния в зависимости от времени

Рис. 6. Селективность мембран по солям в зависимости от времени

Рис. 7. Отношение солей концентрата к содержанию кремнезема в нем от содержания SiO2 в концентрате

Проницаемость мембранного слоя G по золю кремнезема оказалась значительно ниже, чем по водопроводной воде (табл. 2, 3). В ходе концентрирования золя наблюдали образование гелевого слоя на внешней поверхности керамических трубок. Вследствие этого проницаемость мембранного слоя убывала во времени (рис. 4), а селективность по кремнезему увеличивалась (рис. 5). Было отмечено одновременное увеличение селективности по растворенным солям (рис. 6). При этом отношение TDS(k)/[SiO2]k в золе понижалось по мере концентрирования кремнезема, что обеспечивало стабильность полученного концентрата.

Применение золя как добавки в бетон для повышения прочности

Золь кремнезема был испытан в качестве добавки, повышающей прочность бетона пр сжатии. В качестве вяжущего применялся портландцемент ПЦ 500–550 (Б)Д0 тип ЦЕМ-I на основе клинкера с содержанием С3S = 55–58 %, С3А = 8,2–8,5 % и обычными химико-минералогическими показателями качества клинкера в этом ПЦ. В качестве заполнителей использовался щебень диоритовый фракции от 5 до 20 мм по ГОСТ 8267 (насыпная плотность 1300 кг/м3, истинная плотность 2,73 г/см3) и песок кварц-полевошпатовый по ГОСТ 8736 (истинная плотность 2,62 г/см3).

Добавка – пластификатор из серии высокоэффективных по водоредуцирующей способности поликарбоксилатов, торговая марка Sika Visco Crete 5 New (SVC 5New), плотность 1082 г/дм3, содержание сухого вещества 412 мг/г.

Эффективность действия добавки золя определяли по прочности на бетонах с водо-цементным отношением В/Ц = 0,61–0,71 с осадкой стандартного конуса (ОК) = 12–19 см, содержанием SiO2 = 2,0 % от массы цемента и добавки SVC 5New 2,2–2,6 % от массы цемента. Расход материалов составлял (кг/м3): цемент (ПЦ 550) – 345 ± 5, песок кварц-полевошпатовый – 400, песок стандартный кварцевый – 400, щебень фракции 5–20 мм – 1060.

Добавка золя в сочетании с суперпластифицирующей добавкой SVC существенно повышает прочность бетона во все периоды и режимы твердения. Так, при В/Ц = 0,715 приращение прочности при сжатии достигало: 1 сут – + 86 %, 2 сут – + 65 %, 28 сут – + 26 % (рис. 8). При В/Ц = 0,643 при ращение прочности при сжатии достигало: 1 сут – + 128 %, 28 сут – +37 %.

Рис. 8. Прочность бетона при сжатии. В/Ц = 0,715, SiO2 = 2,0 масс. %

Добавка золя в сочетании с суперпластифицирующей добавкой SVC 5New по критериям эффективности соответствует показателям ГОСТ 24211-2008 по двум основным классам:

– ускоритель твердения

– повышающая прочность.

Выводы

1. Показана возможность получения стабильных водных золей кремнезема микрофильтрационным мембранным концентрированием растворов силиката натрия. Образование гелевого слоя на поверхности керамических мембранных трубок приводит к снижению проницаемости и повышению селективности по кремнезему. Отношение TDS/SiO2 в концентрате понижается с увеличением содержания SiO2.

2. Добавка золя SiO2 в сочетании с суперпластификатором приводит к повышению скорости набора прочности бетоном и увеличению прочности в строительном возрасте.

Рецензенты:

Портнягин Н.Н., д.т.н., профессор кафедры теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности, РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, г. Москва;

Пюкке Г.А., д.т.н., профессор, ФГБОУ ВПО «Камчатский государственный технический университет», г. Петропавловск-Камчатский.

Работа поступила в редакцию 27.10.2014.