ИССЛЕДОВАНИЕ МЕЛКОЗЕРНИСТОГО БЕТОНА С КОМПЛЕКСНОЙ ДОБАВКОЙ НА ОСНОВЕ НАНОЦЕЛЛЮЛОЗЫ: АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

RESEARCH OF FINE-GRAINED CONCRETE WITH A COMPLEX NANOCELLULOSE-BASED ADMIXTURE: AN ANALYTICAL REVIEW OF CURRENT STUDIES

Kikaev Musa Gasanguseinovich

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

Russia, Saint Petersburg

Dubrovina Ekaterina Gennadievna

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

Russia, Saint Petersburg

АННОТАЦИЯ

В статье систематизированы опубликованные данные о применении целлюлозных нанокристаллов (CNC), целлюлозных нановолокон (CNF) и бактериальной наноцеллюлозы (BNC) в цементных растворах и мелкозернистых бетонах. Рассмотрены механизмы воздействия на гидратацию, реологию и микроструктуру цементного камня. Показано, что при рациональных дозировках наноцеллюлоза повышает прочность и снижает водопоглощение; эффективность добавки определяется качеством диспергирования. Обоснована необходимость применения наноцеллюлозы в составе комплексной добавки с пластифицирующими и диспергирующими компонентами.

ABSTRACT

The article systematises published data on the use of cellulose nanocrystals (CNC), cellulose nanofibrils (CNF) and bacterial nanocellulose (BNC) in cement mortars and fine-grained concretes. Effects on cement hydration, mix rheology and paste microstructure are analysed. At rational dosages nanocellulose improves strength and reduces water absorption; its effectiveness depends critically on dispersion quality. The need to incorporate nanocellulose into a complex admixture with plasticising and dispersing components is substantiated.

Ключевые слова: наноцеллюлоза; мелкозернистый бетон; CNC; CNF; бактериальная наноцеллюлоза; гидратация; реология; прочность; долговечность; комплексная добавка.

Keywords: nanocellulose; fine-grained concrete; CNC; CNF; bacterial nanocellulose; hydration; rheology; strength; durability; complex admixture.

Введение

Свойства мелкозернистых бетонов в большей мере, чем тяжёлых, зависят от состояния цементной матрицы: характера пористости, равномерности распределения продуктов гидратации и интенсивности раннего микротрещинообразования. Наноцеллюлоза — биогенный наноматериал с высокой удельной поверхностью и развитой системой гидроксильных групп — рассматривается в литературе как перспективный модификатор для таких систем. В обзоре Guo и соавт. систематизированы основные типы наноцеллюлозы и механизмы их воздействия на цементные вяжущие [1]; впоследствии направление получило развитие в работах, посвящённых цементному камню, растворам, бетонам и специальным печатным смесям [2–12]. Цель настоящей статьи — обобщение данных о влиянии наноцеллюлозы на мелкозернистые бетоны и обоснование её применения в составе комплексной модифицирующей добавки.

Разновидности наноцеллюлозы и механизмы воздействия на цементные системы

В исследованиях цементных композитов выделяют три основных типа наноцеллюлозы. Целлюлозные нанокристаллы (CNC) — жёсткие высококристалличные стержневидные частицы. Целлюлозные нановолокна (CNF) образуют гибкую трёхмерную сеть в объёме суспензии, значительно повышающую вязкость и устойчивость к расслоению. Бактериальная наноцеллюлоза (BNC) отличается высокой степенью чистоты и развитой фибриллярной морфологией. Различия в геометрии, удельной поверхности и поверхностном заряде обусловливают специфику поведения каждого типа в высокощелочной цементной среде [1, 6].

Механизм действия наноцеллюлозы в цементных системах носит многофакторный характер. Наноразмерные частицы служат центрами зародышеобразования гидратных фаз; развитая система гидроксильных групп обеспечивает удержание воды — особенно значимое при низком В/Ц; волокнистые формы ограничивают раскрытие микротрещин в роли наноармирующего компонента. Вместе с тем в насыщенной катионами поровой жидкости CNC склонны к агломерации, что снижает или нивелирует модифицирующий эффект. По этой причине способ введения, последовательность перемешивания и химическая совместимость с другими добавками являются ключевыми технологическими параметрами [11].

Влияние на гидратацию, микроструктуру и реологию

Уплотнение микроструктуры цементного камня и ускорение гидратации относятся к наиболее воспроизводимым эффектам наноцеллюлозы. Cao и соавт., Fu и соавт., Flores и соавт. установили, что CNC обеспечивают более равномерное распределение гидратных новообразований и уменьшение доли крупных пор [2–4]. Zheng и соавт. связали данный эффект с сорбцией наноцеллюлозы на поверхности зёрен цемента и локальным перераспределением воды [9]. Bai и соавт. показали, что характер влияния на раннюю гидратацию существенно зависит от водоцементного отношения [8].

В части реологии Nassiri и соавт. зафиксировали, что CNF значительно повышают вязкость за счёт волокнистой пространственной сети, тогда как CNC лучше сохраняют подвижность смеси; при оптимальных дозировках оба типа обеспечили сопоставимый прирост прочности при сжатии — около 17–18 % [6]. Kilic и соавт. подтвердили на составах для 3D-печати, что CNF позволяют регулировать структурную устойчивость без критичного снижения формуемости — и данные принципы применимы к традиционным мелкозернистым бетонам [10].

Прочность, долговечность и ограничения практического применения

Положительное влияние наноцеллюлозы на прочность и долговечность зафиксировано при малых дозировках в ряде независимых работ. Deze и соавт. получили рост прочности при изгибе и сжатии растворов при 0,15 % наноцеллюлозы от массы цемента и особо отметили определяющую роль диспергирования [7]. Barnat-Hunek и соавт. показали улучшение физических характеристик бетонов с CNC и CNF [5]; в обзоре Guo и соавт. обобщены данные о снижении пористости, водопоглощения и проницаемости [1]. Для бетона M40 оптимальная дозировка BNC составила 0,3 %: одновременно зафиксированы рост прочности и улучшение долговечности [12]. При этом Ghahsareh и Meng указали, что агломерация CNC в поровой жидкости способна полностью нивелировать позитивный эффект, а грамотно подобранная диспергирующая система восстанавливает и усиливает его [11].

Перенос лабораторных результатов в инженерную практику сопряжён с рядом ограничений: значительной неоднородностью коммерческих препаратов наноцеллюлозы; узким оптимальным диапазоном дозировок (превышение ведёт к агломерации и росту вязкости [1, 6, 11]); существенной зависимостью от формы введения — дисперсии, геля или порошка. Кроме того, большинство опубликованных данных получено на цементном тесте или специальных высокопрочных составах, что ограничивает их прямой перенос на стандартные мелкозернистые рецептуры.

Заключение

Проведённый обзор подтверждает перспективность наноцеллюлозы как модификатора для мелкозернистых бетонов. Надёжно установленные эффекты — уплотнение микроструктуры цементного камня, прирост прочности, снижение водопоглощения и возможность регулирования реологии — реализуются при малых рациональных дозировках [1–12]. Эффективность добавки определяется разновидностью материала, дисперсностью, дозировкой, способом введения и химической совместимостью с другими компонентами. Наиболее обоснованной стратегией для мелкозернистого бетона представляется включение наноцеллюлозы в комплексную добавку совместно с диспергирующим агентом и суперпластификатором поликарбоксилатного типа: это позволяет согласовать реологические и структурообразующие эффекты и обеспечить воспроизводимость результата на практике. Сформированная аналитическая база служит обоснованием для последующего экспериментального исследования прочности, усадки и долговечности таких составов.

Список литературы:

1. Guo A., Sun Z., Ansari F. A Review on the Application of Nanocellulose in Cementitious Materials // Nanomaterials. 2020. Vol. 10. № 12. Art. 2476. DOI: 10.3390/nano10122476.
2. Cao Y., Tian N., Bahr D., Zavattieri P.D., Youngblood J., Moon R.J., Weiss J. The influence of cellulose nanocrystals on the microstructure of cement paste // Cement and Concrete Composites. 2016. Vol. 74. P. 164–173. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2016.09.008.
3. Fu T., Montes F., Suraneni P., Youngblood J., Weiss J. The Influence of Cellulose Nanocrystals on the Hydration and Flexural Strength of Portland Cement Pastes // Polymers. 2017. Vol. 9. № 9. Art. 424. DOI: 10.3390/polym9090424.
4. Flores J., Kamali M., Ghahremaninezhad A. An Investigation into the Properties and Microstructure of Cement Mixtures Modified with Cellulose Nanocrystal // Materials. 2017. Vol. 10. № 5. Art. 498. DOI: 10.3390/ma10050498.
5. Barnat-Hunek D., Szymańska-Chargot M., Jarosz-Hadam M., Łagód G. Effect of cellulose nanofibrils and nanocrystals on physical properties of concrete // Construction and Building Materials. 2019. Vol. 223. P. 1–11. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.06.145.
6. Nassiri S., Chen Z., Jian G. et al. Comparison of unique effects of two contrasting types of cellulose nanomaterials on setting time, rheology, and compressive strength of cement paste // Cement and Concrete Composites. 2021. Vol. 123. Art. 104201. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2021.104201.
7. Deze E.G., Cuenca E., Násner A.M.L. et al. Nanocellulose enriched mortars: Evaluation of nanocellulose properties affecting microstructure, strength and development of mixing protocols // Materials Today: Proceedings. 2022. Vol. 54. P. 50–56. DOI: 10.1016/j.matpr.2021.09.511.
8. Bai S., Guan X., Li H., Ou J. Effect of nanocellulose on early hydration and microstructure of cement paste under low and high water-cement ratios // Construction and Building Materials. 2023. Vol. 409. Art. 133963. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2023.133963.
9. Zheng D., Yang H., Feng W., Fang Y., Cui H. Modification mechanism of cellulose nanocrystals in cement // Cement and Concrete Research. 2023. Vol. 165. Art. 107089. DOI: 10.1016/j.cemconres.2023.107089.
10. Kilic U., Soliman N., Omran A., Ozbulut O.E. Effects of cellulose nanofibrils on rheological and mechanical properties of 3D printable cement composites // Cement and Concrete Composites. 2024. Vol. 152. Art. 105617. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2024.105617.
11. Ghahsareh F.M., Meng W. Cellulose nanocrystals in cementitious composites: Dispersion strategies and enhancement mechanisms // Journal of Building Engineering. 2025. Vol. 112. Art. 113847. DOI: 10.1016/j.jobe.2025.113847.
12. Sona S., Sangeetha S.P. Bacterial nano-cellulose for enhanced concrete performance: A macro-to-micro investigation unveiling its effects on the strength and durability of cementitious systems // Journal of Building Engineering. 2025. Vol. 111. Art. 113539. DOI: 10.1016/j.jobe.2025.113539.