Влияние нанокремнезема и типа заполнителя на свойства высокопрочного бетона

РЕФЕРАТ. Целью данного исследования является разработка бетона сверхвысокого качества (Ultra High Performance Concrete, UHPC), обеспечивающего и высокую механическую прочность, и защиту от ионизирующих излучений. Влияние 2- или 5- процентной добавки нанокремнезема (нано-SiO₂) на свойства UHPC (предел прочности при сжатии и изгибе) изучали, сравнивая их со свойствами контрольного бетона. Поскольку нано-SiO₂ влияет на гидратацию цемента и модифицирует структуру пор, был выполнен качественный и количественный анализ поровой структуры с использованием устройства RapidAir 457. Еще одна цель настоящей работы — оценить влияние различных заполнителей на свойства бетона. Использовались два типа заполнителей: кварц и барит. Одной из важнейших характеристик бетона, защищающего от гамма- и рентгеновского излучения, является его общий коэффициент ослабления (μ/ρ)_общ.

Ключевые слова: нанокремнезем, бетон сверхвысокого качества, барит, защита от радиации.

Keywords: nano-silica, UHPC, barite, radiation protection.

Введение

Современной строительной отрасли требуются строительные материалы с улучшенными свойствами. Одним из них является бетон сверхвысокого качества (UHPC). Значительное улучшение механических свойств цементных материалов было достигнуто за счет добавления нанокремнезема (нано-SiO₂) [1]. Заменяя им часть цемента, можно производить бетон с высокой прочностью, а также сокращать эмиссию CO₂.

В работе [2] изучалось влияние различных наночастиц на гидратацию цемента. Ускорение гидратации цемента зависело от общей площади поверхности добавленных частиц нано-SiO₂ [3].

Изучение распределения пор по размерам также показало, что нано-SiO₂ сокращал чис­ло крупных капиллярных пор двумя способами: за счет эффекта нано-наполнителя и за счет пуццолановой реакции [4]. Тот факт, что в результате добавления нанопорошков распределение пор по размерам смещалось в сторону меньших значений, уменьшался объем пор и улучшались физико-механичес­кие свойства цементных растворов, можно объяснить эффектом наполнителя или рос­том количества продуктов гидратации цемента [5].

При добавлении от 3 до 10 масс. % коллоидной суспензии кремнезема в волокнисто-цементные композиты значительно улучшалась взаимная ориентация волокон [6].

Прочность на сжатие и другие свойства UHPC также улучшались при добавлении нано-SiO₂. Для достижения наилучших результатов оптимальное количество этой добавки должно составлять 3 масс. % [7].

Показано, что рост содержания нано-SiO₂ до 3 % приводит к увеличению прочности на сжатие и изгиб UHPC, но при содержании нано-SiO₂ более 3 % уровень механических свойств незначительно снижается из-за агломерации наночастиц. Добавление нано-SiO₂ ускоряет гидратацию. При увеличении его содержания средний диаметр пор и пористость уменьшаются. В образцах с нано-SiO₂ микроструктура становится более однородной и плотной по сравнению с контрольным составом [8].

При использовании новых наноматериалов станут достижимыми более высокие температуры их нагрева и, следовательно, работа электростанций будет более эффективной, активизируется разработка новых систем производства энергии на основе солнечных, ядерных и возобновляемых источников [9]. UHPC может использоваться на атомных электростанциях и в защитных сооружениях [10].

Другой заполнитель — баритовый — используется для производства тяжелого бетона, который применяется для защиты от радиоактивного излучения в ядерных установках и больницах. Замещение до 25 % песка в бетоне баритовым порошком уменьшает прочность на сжатие в возрасте 28 сут всего на 10 % [11]. В результате модифицирования гранулометрического состава бетонной смеси путем добавки барита, по сравнению с другими заполнителями, улучшилась ее удобоукладываемость, но снизились прочность на сжатие и модуль упругости бетона [12]. Были изучены основные характеристики обычного бетона и тяжелого бетона с баритом для применения в качестве защиты от гамма-излучения [13, 14].

Одной из целей данной работы является расчет общего коэффициента ослабления гамма- и рентгеновского излучения в диапазоне энергий 10 кэВ—150 МэВ в зависимости от состава UHPC.

Экспериментальная часть

Материалы и состав бетонных смесей. Состав UHPC отличается от состава обычного бетона — для его изготовления используются материалы с большим количеством мелких частиц. Их состав и свойства приведены в табл. 1.

Бетон был изготовлен с использованием портландцемента CEM I 42.5R. Кроме того, использовались пуццолановые материа­лы — микрокремнезем (SF) и нано-кремнезем со средним размером частиц 7 нм (nS). В каче­стве заполнителя использовали кварцевую муку (Qp) со средним размером час­тиц 50 мкм и кварцевый (Qs) или баритовый (B) песок крупностью 4 мм. Модифицированный суперплас­тификатор на основе поликарбокси­латов поз­волил значительно снизить количество воды. Использовались покрытые ла­тунью стальные волокна длиной 8 мм и диамет­ром 0,15 мм (5 об. %).

Было изготовлено шесть видов бетона с различными содержанием нано-SiO₂ (0, 2 и 5 %) и видом заполнителя (кварц и барит). Состав бетонных смесей приведен в табл. 2.

Расчеты суммарного коэффициента ослабления радиации. Коэффициент ослаб­ления (µ/ρ)_tot является одной из наиболее важных характеристик бетона для защиты от гамма-излучения и рентгеновского излучения. Суммарный коэффициент ослаб­ления радиации для смеси рассчитывается по формуле:

где (µ/ρ)_j и w_j — соответственно массовая доля и коэффициент ослабления компонента j.

Расчеты включали два этапа: 1) для каж­дой из рецептур бетона (табл. 2) определяли элементный состав и содержание химических соединений; 2) при помощи программы XCOM [15] по известному составу бетона определяли суммарный коэффициент затухания в зависимости от энергии излучения.

Программа XCOM позволяет вычислять коэффициенты взаимодействия для следующих процессов: комптоновское (некогерент­ное) и рэлеевское (когерентное) рассеяние, фотоэлектрическое поглощение и образование электрон-позитронной пары в полях атомного ядра и атомных электронов. Общий коэффициент ослабления рассчитывается как сумма коэффициентов взаимодействия для отдельных процессов.

Обсуждение результатов

Образцы для испытаний механических свойств были изготовлены в формах размерами 4 × 4 × 16 см с применением вибрирования на вибростенде в течение 60 с. На следующий день образцы были извлечены из форм и далее хранились в воде до проведения испытаний.

Результаты испытаний прочности на сжатие бетона UHPC с кварцевым песком приведены на рис. 1, с баритовым песком — на рис. 2.

Рис. 1. Прочность на сжатие UHPC с кварцевым заполнителем

Рис. 2. Прочность на сжатие UHPC с баритовым заполнителем

Значения прочности на изгиб бетона всех типов приведены в табл. 3.

Сравнивая показатели прочности бетона с разными заполнителями, можно видеть, что бетон с баритовым заполнителем показывал лучшие результаты, чем бетон, изготовленный с применением кварцевого заполнителя. Разница прочности на сжатие составляет около 4 и 3 % соответственно для бетона, содержащего и не содержащего нано-SiO₂. Прочность на изгиб для бетона с баритовым песком, содержащего 0, 5 и 2 % нано-SiO₂, соответственно на 11, 17 и 4 % выше, чем для аналогичных образцов с кварцевым заполнителем.

Прочность на сжатие бетона с одним и тем же типом заполнителя растет с добавлением нано-SiO₂. При его содержании, равном 2 и 5 %, для баритового бетона она увеличилась по сравнению с прочностью контрольного образца на 3 и 6 % для бетона на кварцевом песке — на 2 и 4 % соответственно. Добавка 2 % нано-SiO₂ положительно влияет на проч­ность на изгиб, которая возросла на 34 % для кварцевого бетона и на 25 % — для баритового. При добавке 5 % нано-SiO₂ прочность на изгиб бетона с кварцевым заполнителем слегка снизилась, а бетона с баритовым заполнителем — немного увеличилась по сравнению с показателями соответствующих составов без нано-SiO₂.

Размерные характеристики пор определялись на приборе RapidAir 457. При увеличении дозировки нано-SiO₂ размеры пор уменьшаются. Результаты для бетона с баритовым пес­ком приведены в табл. 4.

Для выбранного значения содержания нано-SiO₂ (2 %) были проведены расчеты значений суммарного коэффициента ослабления в зависимости от энергии излучения (рис. 3). Видно, что значения суммарного коэффициента ослабления для бетона B2 выше, чем для бетона К2, что обусловлено присутствием бария в составе заполнителя бетона В2. Влия­ние бария в бетоне типа B2 становится особенно заметным при энергиях менее 300 кэВ, поскольку в этой области значительно возрастает его способность поглощать гамма- и рентгеновские лучи.

Рис. 3. Зависимость общего коэффициента ослабления от энергии излучения для бетонов с 2 % нано-кремнезема

Выводы

При сравнении бетонов на одинаковом заполнителе можно сделать вывод, что добавка 2 % нано-SiO₂ к цементу улучшает показатели прочности и на сжатие, и на изгиб. При содержании нанокремнезема 5 % прочность на изгиб уменьшилась, но прочность на сжатие возросла.

Бетон с баритовым заполнителем имел лучшие механические свойства, чем с кварцевым. Прочность на изгиб гораздо больше зависит от типа использованного заполнителя, чем прочность на сжатие. Например, при добавке 5 % нано-SiO₂ бетон, изготовленный на баритовом песке, имел прочность на сжатие и на изгиб соответственно на 4 и 17 % выше по сравнению с показателями бетона на кварцевом песке.

Исходя из полученных значений суммарного коэффициента ослабления излучения можно заключить, что при энергии излучения от 10 кэВ до 150 МэВ бетон с баритовым пес­ком обладает бóльшим защитным действием от гамма- и рентгеновского излучения, чем бетон на кварцевом песке. С точки зрения прочности на сжатие и на изгиб и степени радиационной защиты, бетон сверхвысокого качества (UHPC) с баритовым песком и 2 % добавленного нанокремнезема является опти­мальным по составу.

Благодарность

Работа является частью исследовательского проекта TR 36017 при поддержке Министерства образования, науки и технологического развития Республики Сербия.

ЛИТЕРАТУРА

1. Singh L.P., Karade S.R., Bhattacharyya S.K., Yousuf M.M., et al. Beneficial role of nanosilica in cement based materials — A review // Constr. Build. Mater. 2013. Vol. 47. P. 1069—1077.

2. Land G., Stephan D. Controlling cement hydration with nanoparticles // Cement and Concrete Comp. 2015. Vol. 57. P. 64—67.

3. Land G., Stephan D. The influence of nano-silica on the hydration of ordinary Portland cement // J. Mater. Sci. 2012. Vol. 47. P. 1011—1017.

4. Du H., Du S., Liu X. Durability performances of concrete with nano-silica // Constr. Build. Mater. 2014. Vol. 73. P. 705—712.

5. Oltulu M., Sahin R. Pore structure analysis of hardened cement mortars containing silica fume and different nano-powders // Constr. Build. Mater. 2014. Vol. 53. P. 658—664.

6. Santos S.F., de Anchieta Rodrigues J., Tonoli G.H.D., de Souza Almeida A.E.F, et al. Effect of colloidal silica on the mechanical properties of fiber–cement reinforced with cellulosic fibers // J. Mater. Sci. 2014. Vol. 49. P. 7497—7506.

7. Ghafari E., Costa H., Julio E., Portugal A., et al. The effect of nanosilica addition on flowability, strength and transport properties of ultra high performance concrete // Mater. Des. 2014. Vol. 59. P. 1—9.

8. Rong Z., Sun W., Xiao H., Jiang G. Effects of nano-SiO₂ particles on the mechanical and microstructural properties of ultra-high performance cementitious composites // Cement and Concrete Comp. 2015. Vol. 56. P. 25—31.

9. Chaturvedi S., Dave P.N. Design process for nanomaterials // J. Mater. Sci. 2013. Vol. 48. P. 3605—3622.

10. Lai J., Sun W. Dynamic behaviour and visco-elastic damage model of ultra-high performance cementitious composite // Cement and Concrete Res. 2009. Vol. 39, N 11. P. 1044—1051.

11. Saidani K., Ajam L., Ouezdou M.B. Barite powder as sand substitution in concrete: Effect on some mechanical properties // Constr. Build. Mater. 2015. Vol. 95. P. 287—295.

12. Gonzalez-Ortega M.A., Cavalaro S.H.P., Aguado A. Influence of barite aggregate friability on mixing process and mechanical properties of concrete // Constr. Build. Mater. 2015. Vol. 74. P. 169—175.

13. Akkurt I., Basyigit C., Kilincarslan S., Mavi B., et al. Radiation shielding of concretes containing different aggregates // Cement and Concrete Comp. 2006. Vol. 28. P. 153—157.

14. Akkurt I., Basyigit C., Kilincarslan S., Mavi B. The shielding of gamma-rays by concretes produced with barite // Prog. Nucl. Energy. 2005. Vol. 46, N 1. P. 1—11.

15. Berger M.J., Hubbell J.H., Seltzer S.M., Chang J., et al. XCOM: Photon Cross Section Database (version 3.1). NBSIR 87–3597. Gaithersburg: National Institute of Standards and Technology, 2010 [Электронный ресурс]. URL: http:// www.nist.gov/pml/data/xcom/index.cfm/ (дата обращения 30.08.2016).