Кремний диоксидінің нано бөлшектері: Микрокремнезем – бетонның беріктігін арттыратын, құрылыста қолданылатын маңызды материал. Қасиеттері мен қолданылуы.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Кремний диоксиді нанобөлшектері
Silicon dioxide nano particles
Кремний түтіні, сондай-ақ микрокремний (CAS нөмірі 69012 64 2, EINECS нөмірі 273 761 1) – кремний диоксидінің аморфты (кристалдық емес) полиморфы. Бұл кремний және ферросилиций қорытпасын өндіру кезінде туындайтын қосымша өнім ретінде жиналатын өте ұсақ ұнтақ, және орташа бөлшек диаметрі 150 нм болатын шар тәрізді бөлшектерден тұрады. Негізгі қолданылу саласы – жоғары сапалы бетонға арналған позоландық материал. Ол кейде түтінді кремниймен (пирогенді кремний деп те аталады, CAS нөмірі 112945 52 5) шатастырылады. Дегенмен, түтінді кремнийдің өндіріс процесі, бөлшектерінің сипаттамалары және қолданылу салалары кремний түтінінен мүлдем өзгеше.
Silica fume, also known as microsilica, (CAS number 69012 64 2, EINECS number 273 761 1) is an amorphous (non crystalline) polymorph of silicon dioxide, silica. It is an ultrafine powder collected as a by product of the silicon and ferrosilicon alloy production and consists of spherical particles with an average particle diameter of 150 nm. The main field of application is as pozzolanic material for high performance concrete. It is sometimes confused with fumed silica (also known as pyrogenic silica, CAS number 112945 52 5). However, the production process, particle characteristics and fields of application of fumed silica are all different from those of silica fume.
Тарих
Портленд цементі негізіндегі бетонға кремнийдің ұнтағын алғаш рет 1952 жылы сынап көрді. Кремнийдің ұнтағының қасиеттерін зерттеудегі ең үлкен қиындық – тәжірибе үшін жеткілікті материалдың болмауы еді. Алғашқы зерттеулерде күкірттетрахлоридтің сутек-оттегі жалынында жағуы арқылы алынған аморфты кремнийдің қымбат қоспасы қолданылды. Ал кремнийдің ұнтағы – электр доғалық пештерде элементтік кремний немесе ферросилиций қорытпаларын өндірудің қалдық өнімі болып табылатын өте ұсақ, поццоландық, аморфты материал. 1960 жылдардың соңына дейін Еуропада және 1970 жылдардың ортасына дейін АҚШ-та кремнийдің ұнтағы атмосфераға шығарылып келді. 1970 жылдардың ортасында экологиялық заңдардың күшейтілуімен кремний балқыту зауыттары кремнийдің ұнтағын жинап, оның қолданылу аясын іздеуді бастады. Норвегияда жасалған алғашқы жұмыстарға ерекше назар аударылды, себебі ол кремнийдің ұнтағы қосылған Портленд цементі негізіндегі бетонның өте жоғары беріктікке және төмен кеуектілікке ие екенін көрсетті. Содан бері кремнийдің ұнтағын зерттеу және дамыту оны бетон және цемент өнімдері үшін әлемдегі ең бағалы және әмбебап қоспалардың біріне айналдырды.
The first testing of silica fume in Portland cement based concretes was carried out in 1952. The biggest drawback to exploring the properties of silica fume was a lack of material with which to experiment. Early research used an expensive additive called fumed silica, an amorphous form of silica made by combustion of silicon tetrachloride in a hydrogen oxygen flame. Silica fume on the other hand, is a very fine pozzolanic, amorphous material, a by product of the production of elemental silicon or ferrosilicon alloys in electric arc furnaces. Before the late 1960s in Europe and the mid 1970s in the United States, silica fumes were simply vented into the atmosphere. With the implementation of tougher environmental laws during the mid 1970s, silicon smelters began to collect the silica fume and search for its applications. The early work done in Norway received most of the attention, since it had shown that Portland cement based concretes containing silica fumes had very high strengths and low porosities. Since then the research and development of silica fume made it one of the world's most valuable and versatile admixtures for concrete and cementitious products.
Қасиеттері
Кремний түтіні – диаметрі 1 мкм-ден кіші, орташа мөлшері 0,15 мкм болатын шар тәрізді бөлшектерден тұратын өте ұсақ материал. Бұл оны орташа цемент бөлшегінен шамамен 100 есе кіші жасайды. Кремний түтінінің көлемдік тығыздығы сақтау ыдысындағы тығыздалу деңгейіне байланысты және 130 (тығыздалмаған) – 600 кг/м³ аралығында өзгереді. Кремний түтінінің нақты салмағы әдетте 2,2-ден 2,3-ке дейін болады. Кремний түтінінің нақты беттік ауданы BET әдісімен немесе азот сіңіру әдісімен өлшенеді. Ол әдетте 15 000 – 30 000 м²/кг құрайды.
Silica fume is an ultrafine material with spherical particles less than 1 μm in diameter, the average being about 0.15 μm. This makes it approximately 100 times smaller than the average cement particle. The bulk density of silica fume depends on the degree of densification in the silo and varies from 130 (undensified) to 600 kg/m3. The specific gravity of silica fume is generally in the range of 2.2 to 2.3. The specific surface area of silica fume can be measured with the BET method or nitrogen adsorption method. It typically ranges from 15,000 to 30,000 m2/kg.
Өндіріс
Кремний түтіні – кремний және ферросилиций қорытпаларын өндіру үшін электрлік доға пештерінде көмір, кокс, ағаш ұны сияқты көміртек бар материалдармен жоғары таза кварцты карботермиялық түрлендіру кезінде пайда болатын қосалқы өнім.
Silica fume is a byproduct in the carbothermic reduction of high purity quartz with carbonaceous materials like coal, coke, wood chips, in electric arc furnaces in the production of silicon and ferrosilicon alloys.
Бетон
Өте нәзік және жоғары кремний құрамына ие болғандықтан, кремний түтіні өте тиімді позоланикалық материал болып табылады. Цемент қоспаларында қолданылатын кремний түтінінің стандартты талаптары ASTM C1240, EN 13263 болып табылады. Кремний түтіні Портленд цементінен жасалған бетонға оның қасиеттерін жақсарту үшін, әсіресе қысымға беріктігін, байланыс беріктігін және тозуға төзімділігін арттыру үшін қосылады. Бұл жақсартулар цемент пастасына өте ұсақ ұнтақ қосылғаннан туындайтын механикалық жақсартулардың, сондай-ақ кремний түтіні мен пастадағы бос кальций гидроксиді арасындағы позоланикалық реакциялардың нәтижесі болып табылады. Кремний түтінін қосу бетонның хлорид иондарына қарайғыштығын азайтады, бұл бетонның темір арматурасын коррозиядан қорғайды, әсіресе хлоридке бай ортада, мысалы, жағалау аймақтарында, ылғалды континенттік жолдар мен ұшу-қону жолақтарында (мұзды еріту тұздарын қолданудан) және тұзды судағы көпірлерде. Сонымен қатар, кремний түтіні мұнай және газ саласында маңызды қолданысқа ие. Кремний түтіні ұңғымадағы гидравликалық тығыздағыш ретінде бастапқы орналастыруға немесе соқпақтарды жөндеу, жарықтарды жабу және тозығы жеткен аймақтарды бітеу сияқты екіншілік жөндеу жұмыстарына қолданылуы мүмкін. 1970 жылдардың ортасына дейін кремний түтінінің барлығы атмосфераға шығарылып келді. Қоршаған ортаға қатысты алаңдаушылықтар кремний түтінін жинау және полигонға тастау қажеттілігін тудырғаннан кейін, оны әртүрлі салаларда, әсіресе жоғары өнімді бетон өндірісінде пайдалану экономикалық тұрғыдан тиімді болды. Кремний түтінінің жаңа және қатайған бетонның әртүрлі қасиеттеріне тигізетін әсері:
Because of its extreme fineness and high silica content, silica fume is a very effective pozzolanic material. Standard specifications for silica fume used in cementitious mixtures are ASTM C1240, EN 13263. Silica fume is added to Portland cement concrete to improve its properties, in particular its compressive strength, bond strength, and abrasion resistance. These improvements stem from both the mechanical improvements resulting from addition of a very fine powder to the cement paste mix as well as from the pozzolanic reactions between the silica fume and free calcium hydroxide in the paste. Addition of silica fume also reduces the permeability of concrete to chloride ions, which protects the reinforcing steel of concrete from corrosion, especially in chloride rich environments such as coastal regions and those of humid continental roadways and runways (because of the use of deicing salts) and saltwater bridges. Furthermore, Silica Fumes has important uses in oil and gas operations. Silica fume can be used for a primary placement of grout as a hydraulic seal in the well bore, or secondary applications such as remedial operations including leak repairs, splits, and closing of depleted zones. Prior to the mid 1970s, nearly all silica fume was discharged into the atmosphere. After environmental concerns necessitated the collection and landfilling of silica fume, it became economically viable to use silica fume in various applications, in particular high performance concrete. Effects of silica fume on different properties of fresh and hardened concrete include:
Жұмысқа қабілеттілігі: Кремний түтіні қосылғанда, уақыт өте келе бетонның төмендеуі кремний түтінінің мөлшерінің артуына пропорционалды, себебі оның қосылуы бетон қоспасына үлкен беттік аудан енгізеді. Төмендеу азайса да, қоспаның қоюлығы сақталады. Бөліну және су шығу: Кремний түтіні су шығуды едәуір азайтады, өйткені бос су кремний түтінінің үлкен бетін ылғалдандыруға жұмсалады, сондықтан су шығу үшін қоспада қалған бос су мөлшері де азаяды. Кремний түтіні сондай-ақ жаңа бетонның тесіктерін бітеп, бетон ішіндегі судың бетке шығуына кедері келтіреді.
Workability: With the addition of silica fume, the slump loss with time is directly proportional to increase in the silica fume content due to the introduction of large surface area in the concrete mix by its addition. Although the slump decreases, the mix remains highly cohesive. Segregation and bleeding: Silica fume reduces bleeding significantly because the free water is consumed in wetting of the large surface area of the silica fume and hence the free water left in the mix for bleeding also decreases. Silica fume also blocks the pores in the fresh concrete so water within the concrete is not allowed to come to the surface.
Кремний карбиді
Кремний диоксидінің түтіні, қосалқы өнім ретінде, кремний карбидін жасауға қолданылуы мүмкін.
The silica fumes, as byproduct, may be used to produce silicon carbide.