МОДИФИЦИРОВАНИЕ ЦЕМЕНТНЫХ СИСТЕМ НАНОКРЕМНЕЗЕМОМ: ПРЕИМУЩЕСТВА, ОГРАНИЧЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВНОСТЬ СОВМЕСТНОГО ПРИМЕНЕНИЯ С НАНОФИБРИЛЛЯРНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗОЙ

MODIFICATION OF CEMENT SYSTEMS WITH NANOSILICA: ADVANTAGES, LIMITATIONS AND PROSPECTS OF COMBINED USE WITH NANOFIBRILLATED CELLULOSE

Dubrovina Ekaterina Gennadievna

Student, Department of Construction Materials Technology and Metrology, Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering,

Russian, Saint Petersburg

Kikaev Musa Gasanguseinovich

Master's student, Department of Construction Materials Technology and Metrology, Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering,

Russian, Saint Petersburg

АННОТАЦИЯ

В статье выполнен анализ современных исследований, посвящённых использованию нанокремнезема в цементных системах. Показано, что введение 1–5 % нанокремнезема способствует повышению прочности цементного камня на 12–35 %, снижению пористости на 10–25 % и ускорению процессов гидратации. Одновременно установлено, что самостоятельное применение нанокремнезема ограничивается склонностью частиц к агломерации, повышением водопотребности и ухудшением удобоукладываемости смесей. Показано, что часть указанных недостатков может быть компенсирована введением нанофибриллярной целлюлозы, способной стабилизировать дисперсную систему, удерживать воду и повышать трещиностойкость материала. Выполнен анализ литературных данных по дозировкам нанодобавок, показавший отсутствие единого подхода к выбору рационального содержания нанокремнезема и нанофибриллярной целлюлозы при их совместном применении. Сделан вывод о высокой перспективности комплексного использования данных нанодобавок и необходимости дальнейших исследований в области оптимизации их состава.

ABSTRACT

The paper analyses current research on the use of nanosilica in cementitious systems. It is shown that the introduction of 1–5 % nanosilica improves the compressive strength of hardened cement paste by 12–35 %, reduces porosity by 10–25 %, and accelerates hydration. At the same time, standalone application of nanosilica is limited by particle agglomeration, increased water demand, and reduced workability. A portion of these drawbacks can be offset by nanofibrillated cellulose, which stabilises the disperse system, retains moisture, and enhances crack resistance. A review of published dosage data reveals the absence of a unified approach to selecting rational contents of nanosilica and nanofibrillated cellulose in combined use. The conclusion is drawn on the high potential of the complex application of these nano-admixtures and the need for further research on composition optimisation.

Ключевые слова: цементный камень; нанокремнезем; нанофибриллярная целлюлоза; прочность; гидратация; пористость; усадка; микроструктура.

Keywords: hardened cement paste; nanosilica; nanofibrillated cellulose; strength; hydration; porosity; shrinkage; microstructure.

В современных условиях строительная отрасль нуждается в материалах, сочетающих высокую прочность, долговечность и рациональный расход сырья. Одним из эффективных направлений решения данной задачи является модифицирование цементных систем наноразмерными добавками, способными управлять структурообразованием цементного камня.

Наиболее изученной минеральной нанодобавкой является нанокремнезем. Его высокая удельная поверхность и химическая активность позволяют ускорять гидратацию цемента и формировать более плотную структуру материала. Вместе с тем практическое использование нанокремнезема как самостоятельной добавки сопровождается рядом технологических ограничений. В связи с этим в последние годы возрастает интерес к его совместному применению с нанофибриллярной целлюлозой (НФЦ), способной компенсировать часть недостатков минерального наномодификатора.

Эффективность нанокремнезема в цементных системах

По данным Abdelzaher и Shehata (2022), введение 3 % нанокремнезема обеспечило повышение прочности цементного камня на 28-е сутки на 22 %, а на 7-е сутки — на 31 % по сравнению с контрольным составом [1].

Kodippili, Drew, Nokken (2021) установили, что добавление 2 % нанокремнезема повышает прочность при сжатии на 18 %, а 4 % — на 27 % [2].

Senff и соавт. (2009) показали, что нанокремнезем уменьшает открытую пористость цементного камня до 20 %, а средний размер пор значительно снижается за счёт уплотнения структуры [3].

Jo и соавт. (2007) зафиксировали рост прочности растворов на 16–26 % при дозировке 3–5 % нанокремнезема [4]. Quercia и Brouwers (2010) подтвердили закономерность и указали на необходимость грамотного подбора дозировки для исключения избыточного загущения смеси [5].

Основные механизмы действия нанокремнезема в цементных системах: ускорение гидратации цемента; образование дополнительного C-S-H-геля; связывание гидроксида кальция; заполнение капиллярных пустот и повышение плотности цементной матрицы.

Ограничения самостоятельного применения нанокремнезема

Несмотря на выраженный положительный эффект, в промышленной практике нанокремнезем редко применяется как единственный модификатор. Во-первых, наночастицы склонны к агломерации: из-за высокой поверхностной энергии они быстро объединяются в более крупные агрегаты, что снижает эффективность добавки. Во-вторых, высокая удельная поверхность частиц увеличивает водопотребность смеси и ухудшает её удобоукладываемость. Кроме того, нанокремнезем практически не оказывает армирующего действия на цементную матрицу.

Роль нанофибриллярной целлюлозы

Нанофибриллярная целлюлоза обладает пространственной волокнистой структурой, высокой водоудерживающей способностью и развитой поверхностью. Kamasamudram, Ashraf и Landis (2021) показали, что совместное применение НФЦ и нанокремнезема обеспечивает более равномерное распределение частиц, снижение усадки и улучшение микроструктуры [6]. Li и соавт. (2020) зафиксировали положительное влияние нанофибриллярной целлюлозы на гидратацию и микроструктуру цементных паст [7]. Исследования отечественных учёных показали рост прочности при сжатии на 10–25 %, а изгибной прочности — на 20–40 % при введении НФЦ в цементные композиты [9, с. 15–17; 10, с. 39–44].

Анализ рациональных дозировок нанодобавок

Анализ опубликованных исследований показывает отсутствие единого подхода к выбору рационального содержания нанокремнезема и НФЦ в цементных системах.

Для нанокремнезема наиболее часто применяются дозировки 1–5 % от массы цемента. При содержании 1–3 % наблюдается ускорение гидратации и повышение прочности, тогда как увеличение дозировки свыше 4–5 % может сопровождаться ростом водопотребности и ухудшением удобоукладываемости.

Для нанофибриллярной целлюлозы характерны существенно меньшие концентрации — 0,02–0,30 % от массы цемента. Даже малые количества НФЦ способны повышать трещиностойкость, удерживать влагу и улучшать микроструктуру цементного камня.

При совместном применении нанокремнезема и НФЦ в литературе чаще рассматриваются сочетания 1–3 % нанокремнезема и 0,05–0,20 % НФЦ. Однако универсальная оптимальная рецептура в настоящее время не установлена, поскольку результат зависит от состава цемента, водоцементного отношения, способа диспергирования добавок и условий твердения.

Следовательно, определение рационального соотношения нанокремнезема и нанофибриллярной целлюлозы является актуальной научно-практической задачей.

Синергетический эффект комплексной добавки

Совместное использование нанокремнезема и НФЦ позволяет объединить преимущества двух механизмов модификации: нанокремнезем обеспечивает уплотнение матрицы и ускорение гидратации, тогда как НФЦ стабилизирует дисперсную систему, удерживает воду и армирует цементный камень на наноуровне. Ardanuy, Claramunt и Toledo Filho (2015) показали, что волокнистые целлюлозные компоненты способны существенно улучшать трещиностойкость цементных композитов [8]. Именно поэтому комплексное применение нанодобавок, как правило, даёт более выраженный эффект, чем использование каждого компонента в отдельности [6].

Заключение

Нанокремнезем является высокоэффективным модификатором цементных систем, способным повышать прочность на 12–35 %, снижать пористость до 25 % и ускорять твердение. Однако его самостоятельное применение ограничивается агломерацией частиц, повышением водопотребности и слабым влиянием на трещиностойкость. Нанофибриллярная целлюлоза способна частично компенсировать указанные недостатки за счёт стабилизации системы, удержания влаги и микроармирования цементного камня. Совместное применение нанокремнезема и нанофибриллярной целлюлозы следует рассматривать как перспективное направление модифицирования цементных систем. При этом вопросы рационального соотношения компонентов и оптимальной дозировки добавок остаются недостаточно изученными, что определяет актуальность дальнейших исследований.

Список литературы:

1. Abdelzaher M.A., Shehata N. Hydration and synergistic features of nanosilica-blended high alkaline white cement pastes composites // Applied Nanoscience. – 2022. – Vol. 12. – P. 1731–1746. DOI: 10.1007/s13204-022-02399-5.
2. Kodippili D.P.A., Drew R.A.L., Nokken M.R. Effects of nanosilica as suspensions on hydration and microstructure of hardened cement paste // Transportation Research Record. – 2021. – Vol. 2675, № 9. – P. 4–10.
3. Senff L., Hotza D., Repette W.L., Ferreira V.M., Labrincha J.A. Effect of nano-silica on rheology and fresh properties of cement pastes and mortars // Construction and Building Materials. – 2009. – Vol. 23, № 7. – P. 2487–2491.
4. Jo B.W., Kim C.H., Tae G.H., Park J.B. Characteristics of cement mortar with nano-SiO₂ particles // Construction and Building Materials. – 2007. – Vol. 21, № 6. – P. 1351–1355.
5. Quercia G., Brouwers H.J.H. Application of nano-silica in concrete mixtures // Proceedings of the 8th fib International PhD Symposium in Civil Engineering. – Lyngby, 2010. – P. 431–436.
6. Kamasamudram K.S., Ashraf W., Landis E.N. Cellulose nanofibrils with and without nanosilica for the performance enhancement of Portland cement systems // Construction and Building Materials. – 2021. – Vol. 285. – Art. 121547. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.121547.
7. Li Y., Wang J., Zhao X., Ma H. Influence of cellulose nanofibers on hydration and microstructure of cement paste // Cement and Concrete Composites. – 2020. – Vol. 115. – Art. 103862.
8. Ardanuy M., Claramunt J., Toledo Filho R.D. Cellulosic fiber reinforced cement-based composites: a review of recent research // Construction and Building Materials. – 2015. – Vol. 79. – P. 115–128.
9. Аубакирова И.У., Летенко Д.Г., Хирхасова В.И. Влияние микроцеллюлозы на свойства цементного композита // Современные материалы и передовые производственные технологии (СМППТ-2019): тез. докл. Междунар. науч. конф. – СПб.: Политех-Пресс, 2019. – С. 15–17.
10. Пухаренко Ю.В., Аубакирова И.У., Хирхасова В.И. Целлюлоза в бетоне: новое направление развития строительной нанотехнологии // Строительные материалы. – 2020. – № 7. – С. 39–44.