Введение
Наночастицы диоксида кремния
Дым кремния, также известный как микрокремнезем (CAS-номер 69012-64-2, EINECS-номер 273-761-1) является аморфной (некристаллической) полиморфной модификацией диоксида кремния, кремнезема. Это ультратонкий порошок, получаемый как побочный продукт при производстве кремния и ферросилиция и состоящий из сферических частиц со средним диаметром 150 нм. Основная область применения – в качестве пуццоланового материала для высокопрочного бетона. Его иногда путают с пирогенным кремнеземом (также известным как дымящийся кремнезем, CAS-номер 112945-52-5). Однако процесс производства, характеристики частиц и области применения пирогенного кремнезема существенно отличаются от характеристик и областей применения дыма кремния.
История
Первое испытание дыма кремния в бетоне на основе портландцемента было проведено в 1952 году. Главным препятствием для изучения свойств дыма кремния было отсутствие достаточного количества материала для экспериментов. В ранних исследованиях использовалась дорогая добавка – дымящийся кремнезем, аморфная форма кремния, получаемая при сжигании тетрахлорида кремния в пламени водорода и кислорода. Дым кремния, в отличие от него, представляет собой очень тонкий позолановый аморфный материал – побочный продукт производства элементарного кремния или ферросилициевых сплавов в электрических дуговых печах. До конца 1960-х годов в Европе и до середины 1970-х годов в США дым кремния просто выбрасывался в атмосферу. С внедрением более строгих экологических норм в середине 1970-х годов, предприятия по производству кремния начали собирать дым кремния и искать области его применения. Первые работы, выполненные в Норвегии, привлекли наибольшее внимание, поскольку было показано, что бетон на основе портландцемента, содержащий дым кремния, обладает очень высокой прочностью и низкой пористостью. С тех пор исследования и разработки в области применения дыма кремния сделали его одним из самых ценных и универсальных добавок в мире для бетона и цементных материалов.
Свойства
Дымовый кремнезем – это ультратонкий материал со сферическими частицами диаметром менее 1 мкм, средний размер которых составляет около 0,15 мкм. Это делает его примерно в 100 раз меньше средней частицы цемента. Объемный вес дымового кремнезема зависит от степени уплотнения в силосе и варьируется от 130 (неуплотненного) до 600 кг/м³. Удельный вес дымового кремнезема обычно находится в диапазоне от 2,2 до 2,3. Удельную поверхность дымового кремнезема можно измерить методом БЭТ или методом адсорбции азота. Обычно она составляет от 15 000 до 30 000 м²/кг.
Производство
Силиковый дым является побочным продуктом карботермического восстановления кварца высокой чистоты углеродистыми материалами, такими как уголь, кокс и древесная щепа, в электрических дуговых печах при производстве кремния и ферросилициевых сплавов.
Бетон
Из-за своей чрезвычайной тонкости и высокого содержания кремнезема, микрокремнезем является очень эффективным позолановым материалом. Стандартные спецификации для микрокремнезема, используемого в цементных смесях, – ASTM C1240, EN 13263. Микрокремнезем добавляется в портландцементный бетон для улучшения его свойств, в частности прочности на сжатие, адгезии и износостойкости. Эти улучшения обусловлены как механическими улучшениями, возникающими в результате добавления очень тонкого порошка в цементную пасту, так и позолановыми реакциями между микрокремнеземом и свободным гидроксидом кальция в пасте. Добавление микрокремнезема также снижает проницаемость бетона для ионов хлорида, что защищает арматурную сталь от коррозии, особенно в средах, богатых хлоридами, таких как прибрежные районы, а также влажные континентальные дороги и взлетно-посадочные полосы (из-за использования противогололедных реагентов) и мосты, подверженные воздействию соленой воды. Кроме того, микрокремнезем находит важное применение в нефтегазовой отрасли. Его можно использовать для первичного заполнения пространства вокруг обсадной колонны в качестве гидравлической уплотнительной системы, а также для вторичных применений, таких как ремонтные работы, включая ликвидацию утечек, трещин и закрытие истощенных пластов. До середины 1970-х годов почти весь микрокремнезем выбрасывался в атмосферу. После того как экологические проблемы потребовали сбора и захоронения микрокремнезема, его использование в различных областях, в частности в высокопрочном бетоне, стало экономически целесообразным. Влияние микрокремнезема на различные свойства свежего и затвердевшего бетона включает в себя:
Работоспособность: При добавлении микрокремнезема потеря подвижности со временем прямо пропорциональна увеличению содержания микрокремнезема из-за увеличения площади поверхности в бетонной смеси. Хотя подвижность снижается, смесь остается высококогезионной. Расслоение и водоотделение: Микрокремнезем значительно снижает водоотделение, поскольку свободная вода расходуется на смачивание большой площади поверхности микрокремнезема, а, следовательно, уменьшается количество свободной воды, остающейся в смеси для водоотделения. Микрокремнезем также блокирует поры в свежем бетоне, препятствуя выходу воды на поверхность.
Карбид кремния
Микрокремнезем, как побочный продукт, может быть использован для производства карбида кремния.