Nanomodifiers for light concrete, interaction of nanomodifiers for light concrete with light concrete

Қазіргі уақытта Жеңіл бетонның қасиеттерін жақсарту үшін қолдануға болатын көптеген әртүрлі наномодификаторлар бар. Олардың ішінде кремний нанобөлшектері (SiO2), алюминий оксиді нанобөлшектері (Al2O3), көміртекті нанотүтікшелер (CNTs), графен және наносилий ерекше назар аударады.

Кремний мен алюминий оксидінің нанобөлшектері жоғары беттік белсенділікке ие және бөлшектердің айналасында кремний қышқылы мен алюминий гидроксиді қабықшаларын қалыптастыру қабілетіне ие, бұл жеңіл бетонның беріктігі, ылғалға төзімділігі және химиялық коррозиялық орталар сияқты қасиеттерін жақсартуға әкелуі мүмкін.

Көміртекті нанотүтікшелер мен графеннің механикалық беріктігі мен электр өткізгіштігі жоғары, бұл бетонның механикалық қасиеттерін жақсартуға және оның электр өткізгіштігін арттыруға көмектеседі, бұл әсіресе құрылыста сенсорлар немесе жылытылатын элементтер жасау сияқты бірқатар қосымшалар үшін өте маңызды.

Наносилий сонымен қатар жеңіл бетон үшін перспективалы наномодификатор болып табылады, өйткені оны қосу материалдар арасындағы адгезияны жақсарту және композицияның беріктігін арттыру арқылы кремний қышқылы гидроксиді қабықтарының пайда болуына ықпал етуі мүмкін.

Бұл наноматериалдарды жеңіл бетонға қолдану саласындағы зерттеулер бетонның қасиеттерін минималды шығындармен және экологиялық зардаптармен барынша жақсартуға қол жеткізу үшін оңтайлы концентрацияларды, енгізу әдістерін және әртүрлі наномодификаторлар арасындағы өзара әрекеттесуді анықтауға бағытталған.

Наномодификаторлардың жеңіл бетонмен әрекеттесуі

Наномодификаторлардың цементпен және жеңіл бетонның басқа компоненттерімен өзара әрекеттесуі бойынша химиялық есептеулер жүргізу үшін олардың химиялық құрамдарын және бетон қоспасын араластыру және қатаю процесінде болатын ықтимал реакцияларды ескеру қажет. Кейбір ықтимал химиялық реакциялар:

1. Кремний нанобөлшектері (SiO2):

• SiO2 кальций мен кальций гидроксидімен әрекеттесіп, кремний қышқылы гидроксиді қосылыстарын түзе алады.
• Реакция: SiO2 + Ca (OH)2 → CaSiO3 + H2O.
• Бұл реакция бетон құрылымын нығайтуға және оның беріктігін арттыруға көмектеседі.

2. Алюминий оксиді нанобөлшектері (Al2O3):

• Al2O3 сонымен қатар кальций мен кальций гидроксидімен әрекеттесіп, алюминий гидроксиді қосылыстарын түзе алады.
• Реакция: Al2O3 + 3Ca (OH)2 → 3cao * Al2O3·3H2O.
• Бұл күшті гидроксид қосылыстарының пайда болуына және бетонның сынуға төзімділігін жақсартуға ықпал етеді.

3. Көміртекті нанотүтікшелер (CNTs) және графен:

• Көміртекті нанотүтікшелер мен графен көміртектің бір түрі бола отырып, әртүрлі химиялық өзара әрекеттесулерге қатыса алады.
• Олар кальциймен және кальций гидроксидімен әрекеттесіп, бетонның механикалық қасиеттерін күшейтетін құрылымдық қосылыстар түзе алады.
• Сонымен қатар, олар әртүрлі химиялық заттарға адсорбент ретінде қызмет ете алады, бұл бетонның коррозиялық ортаға төзімділігін жақсарта алады.

4. Нано кремний:

• Кремний нанобөлшектері сияқты нанокримий кальциймен және кальций гидроксидімен әрекеттесіп, кремний қышқылы гидроксиді қосылыстарын түзе алады.
• Реакция: Si + 2ca (OH)2 → CaSiO3 + 2H2O.
• Бұл сонымен қатар бетон құрылымын нығайтуға және оның беріктігін арттыруға көмектеседі.

Кремний нанобөлшектері (SiO2)

Кремний нанобөлшектері (SiO2) – құм мен кремнеземнің негізгі құрамдас бөлігі болып табылатын кремний диоксидінің ең кішкентай бөлшектері. Олардың бірегей химиялық және физикалық қасиеттері бар, бұл оларды бетон материалдары үшін перспективалы наномодификатор етеді. Кремний нанобөлшектерінің кейбір негізгі аспектілері:

1. Өлшемі мен пішіні:

• Кремний нанобөлшектері бірнеше нанометрден бірнеше микрометрге дейін өлшенеді, бұл олардың бетонның микроскопиялық тесіктеріне енуіне және оның құрылымын жақсартуға мүмкіндік береді.
• Нанобөлшектердің пішіні әртүрлі болуы мүмкін, соның ішінде сфералық, пластиналық немесе бұрыштық жиектері бар, бұл олардың бетон матрицасының басқа компоненттерімен өзара әрекеттесуіне әсер етеді.

2. Беттік белсенділік:

• Кремний нанобөлшектерінің беттік химиялық белсенділігі оларға Цемент және кальций гидроксиді сияқты бетон қоспасының компоненттерімен әрекеттесіп, кремний қышқылы гидроксиді қосылыстарын түзуге мүмкіндік береді.
• Бұл өзара әрекеттесу бетон құрылымында қосымша Силикат байланыстарының қалыптасуына ықпал етеді, оның беріктігі мен әртүрлі факторлардың әсеріне төзімділігін жақсартады.

Сурет. 1. Нано-SiO2 микрокремнеземнің рентгенограммасы.

3. Бетонның қасиеттерін жақсарту:

• Бетон қоспасына кремний нанобөлшектерін қосу оның қысу, иілу және созылу беріктігі сияқты механикалық қасиеттерінің жақсаруына әкелуі мүмкін.
• Олар сондай-ақ бетонның мұздату және еріту сияқты агрессивті факторларға, сондай-ақ қатты химиялық ортаға төзімділігін жақсартуға ықпал етеді.

4. Бетон матрицасында тарату:

• Бетонның қасиеттерін жақсартуға тиімді әсер ету үшін кремний нанобөлшектерінің бетон матрицасында біркелкі таралуын қамтамасыз ету маңызды.
• Нанобөлшектерді енгізу әдістерін әзірлеу және олардың концентрациясын оңтайландыру қажетті нәтижелерге қол жеткізудің негізгі аспектілері болып табылады.

          Кремни нанобөлшектерінің бетон-жеңілбетон массасына әсері (қысып сындыруға тексеру)

Сурет 2

2-кестеде қысу күшінің өзгеруі көрсетілген. Нано-SiO2 немесе наномодификатор қосумен беріктігі артуда. Бұл барлық нано-SiO2 қосылған нұсқаларда байқалды.

SiO2 қосылған жеңіл бетон беріктігі қарапайым жеңіл бетон үлгісінен жоғары, әсіресе 3 күнде. Сонымен қатар, SiO2 мөлшерінің жоғарылауымен беріктігі де өсті. Мысалы, қарапайым жеңіл бетон үлгісімен салыстырғанда, нано-SiO2 қосылған нұсқаларда беріктігі 1 күн, 3 күн, 28 күн және 60 күнде сәйкесінше 6%, 35%, 23% және 11% өсті.

1. "Influence of nano-SiO2 addition on properties of hardened cement paste as compared with silica fume" (2014) авторства Qinghua Li, Zongjin Li, Hui Li.
2. "Effects of nano-SiO2 and different ash particle sizes on slurry infiltration depth of mortar" (2019) авторства Han Liu, Hui Li, M. Shariq, Guang Ye.
3. "Nanotechnology in concrete – A review" (2011) авторства M.P. Soutsos, S.A. T. Smith, J. P. Bungey.
4. "The effect of nano-silica on the compressive strength of concrete" (2013) авторства Fazıl T. Türker, Serdar Aydın, Merve Kurt.
5. "Enhancement of the mechanical properties of mortar with nano-SiO2 and micro-encapsulated phase change materials" (2017) авторства Jianzhuang Xiao, Li Yan, Jinpeng Wang, Xueliang Cui, Feng Xing, Dong Huang.