CC BY
88
УДК 666.972.16
Хузин А.Ф. - аспирант
E-mail: airat-khuzin2010@yandex.ru
Габидуллин М.Г. - доктор технических наук, профессор
E-mail: gabmah@mail.ru
Бадертдинов И.Р. - ассистент
Рахимов Р.З. - доктор технических наук, профессор
Казанский государственный архитектурно-строительный университет
Адрес организации: 420043, Россия, г. Казань, ул. Зелёная, д. 1
Абрамов Ф.П. - заместитель директора
Юмакулов Р.Э. — генеральный директор
E-mail: fbt@inbox.ru
ООО «РЕСУРС+»
Адрес организации: 420005, Россия, г. Казань, ул. Победиловская 3-я, д. За
Низембаев А.Ш. - директор
E-mail: zavodmetrostroy@mail.ru
Перепелица Е.М. - заведующий лабораторией
МУП «Казметрострой»
Адрес организации: 420202, Россия, г. Казань, ул. Коротченко, д. 4
Комплексные добавки на основе углеродных нанотрубок для высокопрочных бетонов ускоренного твердения
Аннотация
Разработан эффективный состав комплексной добавки, модифицированный микродозами (0,0005 % от расхода цемента) углеродных нанотрубок.
Представлены результаты сравнительных испытаний различных добавок, структурированных углеродными нанотрубками на физико-механические характеристики цементного камня, раствора и высокопрочного бетона. Установлено, что введение разработанной комплексной добавки, модифицированной углеродными нанотрубками, позволяет ускорить кинетику набора прочности высокопрочного бетона класса В45 в 2 раза, повысить марку по морозостойкости и водонепроницаемости, а также дает потенциальную возможность снижения расхода цемента на 28 %.
Ключевые слова: цементный камень, бетон, прочность, углеродные нанотрубки, комплексная добавка.
Рост объема производства товарного бетона, а также повышение требований к качеству строительных материалов влекут за собой рост потребления как материальных (цемента и воды), так и энергоресурсов (электричества и пара). Также актуальным становится вопрос сокращения сроков строительного производства.
В этой связи многими материаловедами ведутся исследования по разработке новых эффективных добавок, структурированных различными наночастицами, позволяющих ускорять набор прочности композиционных материалов и повышать его марку [1-3]. Однако стоимость частиц, имеющих наноразмерные характеристики, сравнительно высока и зависит как от сложности получения, так и от объемов производства.
Рядом исследователей отмечена перспективность применения углеродных наночастиц (фуллеренов и нанотрубок) в качестве модификатора цементных композитов, обусловленная их уникальными физико-механическими характеристиками, а также наличием их промышленного производства как за рубежом, так и в России [4, 5].
Ввиду высокой склонности углеродных нанотрубок (далее УНТ) к агрегации, углеродные нанотрубки диспергируют в среде, находящейся под ультразвуковым воздействием, позволяющим увеличивать удельную поверхность агломератов более чем в 20 раз [6].
В данной работе представлены результаты исследования влияния углеродных нанотрубок на физико-механические характеристики пластифицированного цементного камня и бетона.
Материалы, использованные в исследованиях:
в качестве вяжущего в исследованиях применялись цементы 3 заводов производителей:
- портландцемент марки ПЦ 500-Д0-Н ГОСТ 10178-85 ОАО «Вольскцемент», Саратовская обл., г. Вольск;
- портландцемент марки ПЦ 500-Д0-Б ГОСТ 10178-85 ОАО «Мордовцемент», Республика Мордовия, пгт. Комсомольский;
- портландцемент марки ПЦ 500-Д0-Н ГОСТ 10178-85 ЗАО «Осколцемент»;
- щебень фракции 5-20 марки по прочности (дробимости) «1200» из плотных габбро-диоритовых горных пород для строительных работ по ГОСТ 8267-93 (Челябинская область, Саткинский р-н, р.п. Бердяуш);
- песок, обогащенный средний с модулем крупности 2,5 по ГОСТ 8736-93 (ПО «Нерудматериалы», г. Казань).
В исследованиях использовались следующие виды модификаторов:
1. Добавка для бетонов и строительных растворов суперпластификатор «Полипласт СП-1» по ТУ 5870-005-58042865-05 (в форме порошка) (для контрольных составов);
2. Комплексная добавка, ускоряющая твердение бетона и строительного раствора «КДУ-1» по ТУ 5745-002-89182778-2012;
3. Добавка для бетонов и строительных растворов ХЪсосг^е 20 НЕ производства фирмы Э1ка;
4. Углеродные нанотрубки «(ЗггарЫзйеп^Ь С 100» производства фирмы «Аркема» (Франция).
Результаты влияния различных добавок, структурированных углеродными нанотрубками, на кинетику набора прочности цементного камня приведен в таблице 1.
Таблица 1
Кинетика набора прочности модифицированного цементного камня
Состав Добавка УНТ В/Ц Плотность гр/см3 Предел прочности при сжатии, МПа
1 сутки 3 суток 7 суток 28 суток
1 - - 0,28 2,178 44,07 76,38 82,5 98,3
2 СП-1 = 1 % - 0,22 2,198 49,28 77,19 89,32 96,84
3 СП-1 = 1 % 0,0005 % 0,23 2,242 56,81 92,91 100,27 115,89
4 Б1ка У1зсосге1е 20 НЕ = 1 % - 0,24 2,308 57,23 91,92 93,34 99,37
5 Б1ка У1зсосге1е 20 НЕ = 1 % 0,0005 % 0,24 2,236 60,34 108,48 115,54 138,62
6 КДУ=1,6% - 0,23 2,236 60,04 103,76 114,19 156,63
7 КДУ=1,6% 0,0005 % 0,23 2,294 72,79 115,34 126,71 170,91
Анализ результатов, представленных в таблице 1, показывает, что введение многослойных углеродных нанотрубок «(лгарЫзйеп^Ь» в состав модифицирующих добавок позволяет увеличивать прочность цементного камня на сжатие на 30-65 % (в возрасте 1 суток) и 20-75 % (в возрасте 28 суток).
Конечной целью исследований являлась разработка оптимальных составов экономичного бетона класса В45 при расходе цемента не более 360-380 кг/м3 при сохранении водонепроницаемости более №10 и морозостойкости более БЗОО, а также разработать применительно к новым составам технологию получения ранней распалубочной прочности железобетонных изделий (более 15 МПа) в течение не более
8 часов при сохранении проектных показателей бетона. Областью использования разрабатываемых составов бетона являются железобетонные блоки обделки перегонных тоннелей Казанского метрополитена, получаемые из высокопрочного (В45) и водонепроницаемого (\¥>10) бетона. Углеродные нанотрубки вводились в состав бетонной смеси в количестве 0,0005 % от расхода цемента.
Таблица 2
Кинетика набора прочности бетона
№ Цемент, кг Песок, кг Щебень, кг Добавка КДУ-1, % УНТ, % Прочность образцов, МПа
8 часов 3 суток 7 суток 28 суток
1 355 865 1120 1,6 - 15,1 29,2 33,3 49,7
2 355 865 1120 1,6 0,0005 28,2 54,4 59,7 68,4
На базе лаборатории завода ЖБИ «Казметрострой» были проведены исследования эффективности применения комплексной добавки КДУ-1, структурированной углеродными нанотрубками, как модификатора твердения бетона следующих составов, представленных в таблице 3.
Расход материалов на кубометр бетонной смеси
Таблица 3
Производитель цемента Цемент, кг Песок, кг Щебень, кг Добавка УНТ, %
1. «Осколцемент» 490 685 1200 СП-1 -
2. «Осколцемент» 490 685 1200 КДУ-1 0,0005
3. «Вольскцемент» 490 685 1200 СП-1 -
4. «Вольскцемент» 490 685 1200 КДУ-1 0,0005
5. «Мордовцемент» 490 685 1200 СП-1 -
6. «Мордовцемент» 490 685 1200 КДУ-1 0,0005
7. «Осколцемент» 355 795 1190 СП-1 -
8. «Осколцемент» 355 795 1190 КДУ-1 0,0005
9. «Вольскцемент» 355 795 1190 СП-1 -
10. «Вольскцемент» 355 795 1190 КДУ-1 0,0005
11. «Мордовцемент» 355 795 1190 СП-1 -
12. «Мордовцемент» 355 795 1190 КДУ-1 0,0005
Исследования влияния разработанной добавки на кинетику набора прочности бетона класса В45 проводились в соответствии с ГОСТ 10180-90. Исследовались составы с расходом цемента 490 и 355 кг/м3.
Результаты серии испытаний составов, указанных в таблице 3, представлены в графическом виде на рис. 1 и 2.
Возраст
Рис. 1. Кинетика набора прочности составов бетона с расходом цемента 490 кг/м3
9
10 11 12
О
Рис.
8 часов 1,5 суток 4 суток 7 суток 28 суток Возраст
2. Кинетика набора прочности составов бетона с расходом цемента 355 кг/м3
Анализ результатов показывает, что при расходе цемента 490 кг/м3 наилучшие результаты зафиксированы на составе с разрабатываемой добавкой и цементном фирмы «Вольскцемент». При этом прочность бетона в ранние сроки твердения (8 часов) на 36 % превышает показатели контрольного состава на том же цементе.
При снижении расхода цемента до 350 кг/м3 к 8 часам распалубочную прочность набирают лишь 2 состава бетона и оба они модифицированы добавкой КДУ-1, модифицированной углеродными нанотрубками. Рассматривая в дальнейшем кинетику твердения бетона на данных составах, видно, что наилучшие показатели у бетона на основе цемента производства ЗАО «Осколцемент». Марочную прочность бетон на данном составе достигает на 4 сутки твердения и составляет 58,4 МПа. Прочность же на 28 сутки твердения достигает значения 72,3 МПа, что выше прочности контрольного состава на 43 %.
Испытания на изгиб проводились в соответствии с ГОСТ 10180-90. С целью испытания были изготовлены по 2 стандартных образца-балки с размерами сторон 10x10x40 см. Все образцы испытаны в возрасте 28 суток твердения. Условия твердения аналогичны тем, которые были при твердении образцов на сжатие. Результаты испытания приведены в таблице 4.
Таблица 4
Результаты испытания образцов-балочек на изгиб
Состав Производитель цемента Расход материалов, кг/м3 Прочность при изгибе, МПа
Цемент Песок Щебень СП-1 КДУ-1, % УНТ, %
1 «Осколцемент» 355 795 1190 6,4 - - 3,72
2 «Осколцемент» 355 795 1190 - 1,6 0,0005 6,08
3 «Мордовцемент» 355 795 1190 6,4 - - 5,277
4 «Мордовцемент» 355 795 1190 - 1,6 0,0005 5,862
5 « Вольскцемен т» 355 795 1190 6,4 - - 5,15
6 « Вольскцемен т» 355 795 1190 - 1,6 0,0005 5,949
7 «Осколцемент» 490 685 1200 9 - - 6,381
8 «Осколцемент» 490 685 1219 - 1,6 0,0005 7,113
9 «Мордовцемент» 490 685 1200 9 - - 6,159
10 «Мордовцемент» 490 685 1219 - 1,6 0,0005 6,708
11 « Вольскцемен т» 490 685 1200 9 - - 6,233
12 « Вольскцемен т» 490 685 1200 - 1,6 0,0005 7,092
Анализ результатов, приведенных в таблице 4, показывает, что введение наномодифицированной добавки КДУ-1 в бетонную смесь с расходом цемента ЗАО «Осколцемент» 355 кг/м3 позволяет увеличить прочность данного состава на изгиб в 28-суточном возрасте на 61 %, по сравнению с составом, модифицированным добавкой СП-1 («Полипласт»).
Список литературы
1. Яковлев Г.И., Плеханова Т.А., Маева И.С., Макарова И.С., Фишер Г.-Б., Керене Я. Поризованные фторангидритовые композиции с нанодисперсным армированием // Материалы X Академических чтений РААСН «Достижения, проблемы и перспективные направления развития теории и практики строительного материаловедения». - Казань-Пеиза, 24-29 апреля 2006. - С. 477-480.
2. Перфилов В.А., Аткина А.В., Кусмарцева О.А Применение наноуглеродных трубок для повышения прочности пенобетонов с полимерными и базальтовыми фибровыми волокнами // Технологии бетонов, 2012, № 9/10. - С. 50-51.
3. Коротких Д.Н., Чернышов Е.М. Наноармирование структуры цементного камня кристаллами эттрингита как средство повышения трешиностойкости бетонов // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура, 2008, № 1. - С. 67-72.
4. Крестинин А.В. Проблемы и перспективы развития индустрии углеродных нанотрубок в России // Российские нанотехнологии, 2007, Т. 2, № 5-6. - С. 18-23.
5. Королев Е.В., Баженов Ю.М., Береговой В.А. Модифицирование строительных материалов наноуглеродными трубками и фуллеренами // Строительные материалы, 2006, № 8. - С. 2-4;
6. Gabidullin M.G., Khuzin AF., Rakhimov R.Z., Gabidullina AN., Yakovlev G.I. Comparative estimation of influence of CNT’s «Graphistrength» and «Taunit» on the properties of cement paste and high-strength concrete with strength class B45 // Нанотехнологии для экологичного и долговечного строительства. Nanotechnology for green and sustainable construction: сборник трудов IV международной конференции, 23-27 марта, 2012. - Каир, Египет. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2012. - 83 с.
Khuzin A.F. - post-graduate student
E-mail: airat-khuzin2010@yandex.ru
Gabidullin M.G. - doctor of technical sciences, professor
E-mail: gabmah@mail.ru
Badertdinov I.R. - assistant
Rakhimov R.Z. - doctor of technical sciences, professor
Kazan State University of Architecture and Engineering
The organization address: 420043, Russia, Kazan, Zelenaya st., 1
Abramov F.P. - deputy director
Yumakulov R.E. - general director
E-mail: fbt@inbox.ru
LLC «RESURS +»
The organization address: 420005, Russia, Kazan, 3rd Pobedilovskaya st., 3
Nizembaev A.Sh. - factory director
E-mail: zavodmetrostroy@mail.ru
Perepelica E.M. - head of laboratory
MUE «Kazmetrostroy»
The organization address: 420202, Russia, Kazan, Korotchenko st., 4 Complex additives based on carbon nanotubes for rapid hardening high strength concrete Resume
Mail purpose of the research was to develop cost-optimal compositions of concrete class B45 in cement consumption up to 360-380 kg/m3, and to develop strength of concrete products (more than 15 MPa) for no more than 8 hours of curing. Developed area of the concrete composition are concrete blocks lining tunnels Kazan metro derived from high (B45) and waterproof (W> 10) concrete.
Analysis of the results shows that with consumption of cement 490 kg/m3 the best results were recorded in the composition with developed additive. The strength of the concrete in the
early stages of hardening by 36 % more than in the control composition. By reducing the flow of cement to 350 kg/m3 at 8 o'clock stripping strength gaining only 2 of concrete mix and both are modified by the KDU-1 with carbon nanotubes. Durability in a 28 day curing reach values 72,3 MPa, which is higher than the strength of the control by 43 %.
Keywords: cement stone, concrete, strength, carbon nanotubes, complex supplement.
References
1. Yakovlev G.I., Plekhanov T.A., Maeva I.S., Makarov I.S., Fisher G.-B., Keren H. Porous ftorangidrite composition nanodispersed reinforcement // Proceedings of the X Academic readings RAASN «Achievements, problems and prospects for development of the theory and practice of building materials». - Kazan.-Penza, April 24-29, 2006. - P. 477-480.
2. Perfilov V. A, Atkin A, Kusmartseva O. Application of carbon nanotubes to increase the strength of foam concrete with polymer and basalt fiber // Technology of concrete, 2012, №9/10.-P. 50-51.
3. Korotkyh D.N., Chernyshov E.M. Nanoscale reinforcement of cement stone structure with ettringite crystals have enhanced fracture toughness of concrete // Scientific Bulletin of the Voronezh State University of Architecture and Construction. Construction and Architecture, 2008, № 1. - P. 67-72.
4. Krestinin A.V. Problems and prospects of development of the industry of carbon nanotubes in Russia // Russian Nanotechnologies, 2007, Volume 2, № 5-6. - P. 18-23.
5. Korolev E.V., Bazhenov Yu.M., Beregovoi V.A. Modifying the construction materials with carbon nanotubes and fullerenes // Building Materials, 2006, № 8. - P. 2-4.
6. Gabidullin M.G., Khuzin AF., Rakhimov R.Z., Gabidullina AN., Yakovlev G.I. Comparative estimation of influence of CNT's «Graphistrength» and «Taunit» on the properties of cement paste and high-strength concrete with strength class B45 // Nanotechnology for sustainable and durable construction. Nanotechnology for green and sustainable construction: Proceedings of the IV International Conference March 23-27, 2012. - Cairo, Egypt. -Izhevsk: Izhevsk State Technical University Publishing House, 2012. - 83 p.
