Использование фуллеренсодержащей добавкидля улучшения свойств цемента и бетона Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691.32

Л.А. УРХАНОВА, д-р техн. наук ([email protected]), С.Л. БУЯНТУЕВ, д-р техн. наук, С.А. ЛХАСАРАНОВ, канд. техн. наук ([email protected]), А.Ю. КУЗНЕЦОВА, магистрант

Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления (670013, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40 В, строение 1)

Использование фуллеренсодержащей добавки для улучшения свойств цемента и бетона*

Представлены результаты исследований по модифицированию цементного камня и бетона фуллеренсодержащей добавкой, полученной в качестве сопутствующего продукта при плазменной газификации угля. Рассмотрены вопросы равномерного распределения фуллеренсодержащей добавки в объеме воды затворения путем функционализации поверхности в среде изопропилового спирта. Определены физико-механические и эксплуатационные свойства бетонов при введении фуллеренсодержащей добавки. Введение фуллеренсодержащей добавки повышает физико-механические и эксплуатационные свойства бетонов за счет изменения фазового состава портландцемента и улучшения микроструктуры цементного камня.

Ключевые слова: портландцемент, функционализация поверхности, модифицированный бетон, фуллеренсодержащая добавка.

L.A. URKHANOVA, Doctor of Sciences (Engineering) ([email protected]), S.L. BUIANTUEV, Doctor of Sciences (Engineering), S.A. LKHASARANOV, Candidate of Sciences (Engineering) ([email protected]), A.Yu. KUZNETSOVA, Master student

East Siberia State University of Technology and Management (40V, Klyuchevskaya Street, Ulan-Ude, 670013, Republic of Buryatia, Russian Federation)

Using the Fullerene Additive for Improve the Properties of Cement and Concrete*

The article presents the results of the modification of the cement stone and concrete with the fullerene additive produced as a by-product of the plasma gasification of coal. It deals with the problem of even distribution of the fullerene additive in the volume of water by the surface functionalization in the medium of isopropanol. The physical-mechanical and performance properties of the concrete with fullerene additive are determined. The introduction of fullerene additive enhances the physical and mechanical properties of concrete and its performance by accelerating the processes of hydration and improving the microstructure of cement stone.

Keywords: Portland cement, electron microscopic analysis, modified concrete, fullerene additive

В качестве модификаторов цементных композитов перспективными считаются углеродные наноструктуры: нанотрубки, фуллерены, астралены, наноалмазы и др. Использование в составе композиции углеродных наноматериалов, в результате их комплексного физико-химического воздействия на стадии образования и твердения цементного вяжущего, приводит к повышению прочностных показателей конечного продукта [1—4]. Стоит отметить, что дозировки углеродных наномате-риалов составляют 10-5—10-2% от массы вяжущего вещества и, несмотря на их высокую стоимость, не вносят значительных изменений в структуру материальных затрат на производство бетона.

Широкое развитие и промышленное внедрение углеродных наноматериалов требует оптимизации способов и условий их получения. Особое место в этой связи занимают способы, в которых образование углеродных наноматериалов происходит попутно. Углеродные наноматериалы, полученные данными способами, наряду с их структурообразующим воздействием на материал в меньшей степени будут влиять на повышение себестоимости конечного продукта.

В проводимых исследованиях для модификации цементного камня была использована фуллеренсодержа-щая добавка, полученная на установке при плазменной обработке угля. Под действием электродуговой плазмы из материала электродов и угля, подаваемого для газификации, в одной установке образуются синтез-газ (СО+Н2), активированный уголь (сорбент) и углеродный наноматериал — фуллеренсодержащая сажа (ФСС) [5, 6].

Carbon nanostructures — nanotubes, fullerenes, as-tralenes, nanodiamonds, and others — are considered as promising modifiers of cement composites. The use of carbon nanomaterials leads to the increase of resistance characteristics of the final product due to their complex physical and chemical influence on the stage of formation and hardening of the cement binder [1—4]. It should be noted that the dosage of carbon nanomaterials constitutes 10-5—10-2% by weight of binder, and, despite their high costs, they do not make significant contribution to the change in the structure of material costs for the concrete production.

The extensive development and commercialization of carbon nanomaterials requires the optimization of methods and conditions of their production. In this regard, a special attention is required by the methods which result in the formation of carbon nanomaterials as one of by-products. Carbon nanomaterials produced these ways, along with their structure-forming effects on the material, won't lead to the cost increase of the final product.

The present research involved the use of fullerene-con-taining additive (FCA) for the modification of cement stone; FCA was produced during the treatment of coal plasma. The plasma arc of electrode and coal fed for the gasification generates synthesis gas (CO+H2), activated carbon and carbon nanomaterial (FCA) [5, 6]. The results of determining the phase composition indicate that the main phase in FCA is fullerene C60 — approximately 1.5—2%.

According to the electron microscopic analysis, the obtained carbon nanomaterial has an average primary particle size of less than 100 nm [5]. These carbon nanomaterials have

* Работа выполнена в рамках базовой части государственного задания в сфере научной деятельности № 1341 по теме «Исследование и разработка энерго- и ресурсосберегающих технологий для объектов энергетики, стройиндустрии и жилищно-коммунального хозяйства» ВСГУТУ.

* The work was carried out as a basic part of the government assignment of in the sphere of scientific work №1341 "Research and development of energy-saving technologies for energy facilities, construction, housing and communal services" at East Siberia State University of Technology and Management.

По данным электронно-микроскопического анализа, полученный углеродный наноматериал имеет средний размер первичных частиц не более 100 нм [5]. Полученные углеродные наноматериалы имеют как компактную, так и волокнистую ультрадисперсную структуру, что указывает на наличие в них таких основных форм наночастиц, как «луковичные углеродные структуры» (многослойные, гиперфуллерены) и «нитевидные углеродные структуры» (нанотрубки, на-новолокна). Хроматографическое исследование углеродного наноматериала методом жидкостной хроматографии путем растворения исследуемого вещества в толуоле и разделение на колонке Cosmosil «Buckyprep waters» показало выделение из фуллереновой смеси С60 и С70.

Положительное влияние углеродных наноматериа-лов на характеристики цементного камня и бетонов в полном объеме проявляется при условии их равномерного распределения по всему объему композита. Для этого используется кавитационно-импульсная обработка (ультразвуковая обработка, гидродинамическая кавитация) воды затворения с нанодисперсными добавками. Авторами были проведены исследования и установлено, что ультразвуковая обработка воды затворения обеспечивает распределение ФСС в незначительном объеме воды затворения. Для распределения ФСС в объемах, необходимых для промышленного производства, ультразвуковая обработка требует значительных затрат энергии, передача которой посредством звукового поля затруднительна. Для равномерного распределения ФСС, исключения возможности ее агрегации и седиментации при введении в смесь сверхмалых количеств воду затворения при добавлении ФСС подвергали нагреву до температуры 50—60°С [7].

Кроме физических методов воздействия используют модификаторы, такие как супер- и гиперпластификаторы, в качестве диспергирующих агентов [2—4]. Исследования по распределению углеродных наномате-риалов сосредоточены на методах, совместимых с химией портландцемента, и применении эффективных растворителей. В этой связи применение для этой цели органических растворителей будет негативно сказываться на процессах гидратации цемента.

Перспективным направлением решения проблемы распределения углеродного наномодификатора в объеме воды затворения является функционализация поверхности его частиц путем прививания к ним функциональных групп. Функционализация ФСС органическими растворителями приводит к равномерному распределению наночастиц в объеме воды затворения, поскольку функциональные группы способствуют ги-дрофилизации частиц ФСС, высокой седиментацион-ной устойчивости полученных суспензий и сокращению общего времени обработки. В исследованиях функ-ционализацию ФСС проводили путем ультразвуковой обработки в среде изопропилового спирта в течение 5 мин с последующим выпариванием спирта.

Электронно-микроскопический анализ частиц ФСС (TESCAN VEGA3, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет) после их диспергации в воде затворения показал, что частицы, подвергнутые функционализации, более равномерно распределяются по всему объему воды (рис. 1).

Это связано с тем, что функциональные группы, привитые к поверхности частиц, приводят к направленному ориентационному взаимодействию с водой. Введение наночастиц приводит к стабилизации процессов самоорганизации водной системы, сопровождающейся образованием фрактальной сетки за счет сорбции на их поверхности гидроксильных групп и образования сольватных оболочек [1]. Поскольку при

both compact and ultra-disperse fibrous structures, which indicates the presence of some basic forms of nanoparticles as "onion carbon structures" (multiwall, hyperfullerens) and "filamentous carbon structures" (nanotubes, nanofibers). The chromatographic study of the carbon nanomaterial (liquid chromatography by dissolving the test substance in toluene and the separation on the column Cosmosil "Buckyprep waters") showed the excretion of C60 and C70 from the fullerene mixture [4]

The positive impact of carbon nanomaterials on the characteristics of cement stone and concrete is fully manifested (given that they are evenly distributed throughout the whole volume of the composite). This is achieved by the pulse cavitation treatment (sonication, hydrodynamic cavitation) of the mixing water with nanodispersed additives. The authors carried out the research and established that the ultrasonic treatment of mixing water ensures the FCA distribution in a small amount of mixing water. The distribution of FCA in the volumes sufficient for the industrial production by the ultrasonic treatment requires significant amounts of energy which are quite difficult to transmit through the sound field. The even distribution of carbon nanomaterials in the total raw mixture, excluding the possibility of aggregation and sedimentation when introduced into a mixture of ultrasmall, mixing water with addition of carbon nanomaterials was heated to a temperature of 50—60°C [7]. The mixing water was heated up to 50—60°C when FCA was added to eliminate the risks of its aggregation and sedimentation under the intro -duction of extra small quantities of FCA and to ensure the FCA even distribution [7].

In addition to the physical methods of impact, some modifiers are used: for instance, superplasticizers and hyper-plasticizers can function as dispersing agents [2—4]. The studies on the distribution of carbon nanomaterials are focused on the efficient use of solvents and the methods that are compatible with the chemistry of Portland cement. In this regard, the use of organic solvent will negatively affect the process of cement hydration and doesn't suit the mentioned purpose.

One of the promising directions in the solution of the carbon nanomodifiers distribution in the volume mixing water is the functionalization of its particles surface by "grafting" functional groups to them. The functionalization of FCA by organic solvents leads to the even distribution of nanoparticles in the volume of mixing water; it can be explained by the favorable influence of the functional groups on the hydrophilization of FCA, the high sedimentation stability of the suspensions and the reduction of the total processing time. The FCA functionalization was carried out by sonication in the medium of isopropyl spirit for 5 minutes, followed by the evaporation of spirit.

The electron microscopic analysis of FCA particles (TESCAN VEGA 3, Saint-Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering) after their dispersion in the mixing water showed that the functionalized particles were distributed more evenly in the volume of water

(Fig. 1).

This can be explained by the fact that the functional groups grafted to the particle surface contribute to the directional orientation interaction with water. The introduction of nanoparticles leads to the stabilization of self-organization processes taking place the water system, accompanied by the formation of fractal grid by the sorption at their surface of hydroxyl groups and the formation of solvate shells [1]. Since the functionalization of FCA exposes particles to the ultrasonic treatment, at this stage along with the "grafting" of functional groups the globules of FCA particles are equalized. The agglomerates of particles are not even in size in the original FCA therefore they require stronger ultrasound impact for the even distribution in comparison with the func-tionalized FCA.

||

Чк ш

■: -, ■ ™ .vii...-. 1 ■ ■ ■ ■ 1

Jcl ЕС 1

rt-TJ-l ГГЦГ_и

LíjMI— vtl 'J4'H

nLta-<ru¿ "ílü.í. iVO * M.™ YKAITEKU

'.IIVII4: i >]|_-i Ucl ЕС Ildlr - Jr l?WM 1 |_H

Рис. 1. Электронно-микроскопический анализ частиц ФСС: а - исходные частицы; b - после функционализации в изопропиловом спирте Fig. 1. Electron microscopic analysis of FCA particles: a - initial particles, b - after the functionalization in isopropyl alcohol

функционализации ФСС подвергается ультразвуковой обработке, на данном этапе наряду с прививанием функциональных групп происходит выравнивание глобул частиц ФСС по размеру. В исходной ФСС агломераты частиц по размеру неоднородны, поэтому для их равномерного распределения требуется большее время обработки или, возможно, более мощное воздействие ультразвука по сравнению с функционализи-рованной ФСС.

С целью выявления характеристик распределения ФСС в воде затворения был проведен анализ распределения частиц по размерам исследованных проб (Malvern Zetasizer Nano ZSP). Для этого две пробы ФСС, исходной и функционализированной в среде изопропилового спирта, были подвергнуты ультразвуковой обработке в течение 1,5 мин. После обработки проведено сравнение характера распределения частиц по размерам (рис. 2).

Характер распределения как исходной, так и функ-ционализированной ФСС является схожим, однако у функционализированной ФСС происходит небольшое смещение кривой в сторону уменьшения размеров агрегатов частиц. На наш взгляд, схожий характер распределения агрегатов частиц и достаточно высокий диапазон размеров агрегатов связан с параметрами концентрации ФСС в воде и мощности ультразвукового воздействия. Основная доля агрегатов частиц ФСС находится в диапазоне 80—120 нм. Это, возможно, связано с тем, что возникающие при ультразвуковом воздействии силы (силы Бьеркнеса, Бернулли и др.) приводят в основном к коагуляции дисперсных фаз, а диспергирование проявляется в некоторых локализованных объемах [8, 9].

Проведенные исследования по функционализации ФСС с целью улучшения распределения частиц в объеме воды затворения должны в конечном счете приводить к улучшению характеристик цементного композита. Однако здесь возможны негативные эффекты, поскольку привитые функциональные группы могут активно влиять на процессы гидратации.

Исследование физико-механических свойств цементного камня с исходной и функционализированной ФСС (рис. 3) показало, что наибольший эффект увеличения прочности наблюдается у составов с исходной и функционализированной добавкой при концентрации 0,01%. Частицы углеродного наномодификатора служат в качестве центров кристаллизации продуктов гидратации цемента, что ускоряет процессы гидратации и

In order to identify the characteristics of FCA distribution in the mixing water, the analysis of particle distribution by their size was investigated (Malvern Zetasizer Nano ZSP). For this purpose, the two samples of FCA — initial and func-tionalized in the medium of isopropyl spirit, were subjected to the ultrasonic treatment for 1.5 min. After the end of treatment, the comparison of the distribution of particles was carried out according to their sizes (Fig. 2).

The distribution characters of both the original and func-tionalized FCA are similar; however, the functionalized FCA has a slight shift of the curve towards the size reduction of particle aggregates. In our opinion, a similar distribution pattern and a relatively wide range of sizes of units is connected to the parameters of FCA concentrations in water and sonication power. The main share of FCA particles aggregates is in the range of 80—120 nm. This is probably explained by the fact that forces formed by sonication (forces of Bjerknes, Bernoulli, and others) lead mainly to the coagulation of dispersed phases and the dispersion taking place in some localized volumes [8, 9].

The study of FCA functionalization aimed at improving the particles distribution in the volume of mixing water should ultimately lead to the better performance characteris-

О (V

1

3 / 2

—\-

10 20 30 40 50 60 70

90 100 110 120 130 140 150

Размер частиц, нм Particle size, nm

3

2

2

0 10 20 30 40 50 60 70

90 100 110 120 130 140 150

Размер частиц, нм Particle size, nm

Рис. 2. Распределение размеров: a - исходных частиц ФСС; b - функ-ционализированных частиц ФСС; 1 - проба 1, 2 - проба 2; 3 - проба 3 Fig. 2. The size distribution: a - initial particles of the FCA; b - functionalized particles of the FCA; 1 - sample 1, 2 - sample 2; 3 - sample 3

a

b

20

°M5

m ел

S 5=10

5

0

научно-технический и производственный журнал rj >' Г г J 'j' I г

34 январь/февраль 2016 даДОТЭМ®

0 0.001 0.01 0.1 0 0.001 0.01 0.1

Содержание ФСС, % Содержание ФСС, %

Contens of FCA, % Contens of FCA, %

Рис. 3. Физико-механические показатели цементного камня с исходной и функционализированной ФСС в возрасте 2 сут (а) и 28 сут (б) при различном содержании ФСС и времени ультразвуковой обработки: □ - исходная ФСС, 10 мин; □ - функционализированная ФСС, 10 мин; □ - исходная ФСС, 20 мин; □ - функционализированная ФСС, 20 мин

Fig. 3. Physical and mechanical properties of cement stone with original and functionalized FCA at 2 days (a) and 28 days (b) with different contents of FCA and sonication time: □ - initial fCa, 10 minutes; □ - functionalized FCA, 10 minutes; □ - initial FCA, 20 minutes; □ - functionalized FCA, 20 minutes

твердения цемента, особенно в начальные сроки твердения.

Оптимальная концентрация ФСС в составе портландцемента 0,001—0,01%; при увеличении количества добавки до 0,1% наблюдается снижение прочности цементных композитов. Данный факт связан с комплексным механизмом действия наноразмерной ФСС, в наибольшей мере проявляющимся при очень малых концентрациях. При увеличении времени ультразвуковой обработки от 10 до 20 мин прочность цементного камня с исходной и функционализированной ФСС увеличивается на 5—15%.

Функционализация поверхности частиц ФСС приводит к лучшему смачиванию водой затворения, в то время как исходная ФСС обладает относительно гидрофобными свойствами. Составы цементных композитов с функционализированной ФСС вместе с тем не имеют значительного улучшения показателей прочности при сжатии по сравнению с исходной ФСС. Это связано, на наш взгляд, с присоединением различных негативных функциональных групп. Некоторые из них негативным образом сказываются на процессах гидратации цемента, блокируя цементное зерно от взаимодействия с ФСС. Для устранения данного фактора необходимым видится очистка функционализированной ФСС от таких групп, а также, возможно, нахождение растворителей, совместимых с компонентами портландцемента.

Микроструктура образцов с использованием исходной и функционализированной ФСС более плотная по сравнению с контрольным составом (рис. 4). В контрольном составе наблюдается большее количество пор, которые в процессе твердения заполняются кристаллами извести Са(ОН)2. Введение фуллеренсодержащей сажи (составы с исходной и функционализированной ФСС) приводит к снижению капиллярной пористости, к увеличению количества мельчайших гелевых пор, входящих в состав кальциево-силикатного гидрогеля. При наблюдении контактной зоны образовавшегося порт-ландита отмечается густое микроармирование и связывание его в дополнительные гидросиликаты кальция, что приводит к повышению плотности и прочности композита. В отличие от контрольного состава количество новообразований гидросиликатов кальция в составе с фуллеренсодержащей сажей значительно больше уже в раннем возрасте твердения (3 сут). Это свидетельствует об ускоренной гидратации клинкерных минералов при введении фуллеренсодержащей сажи и его структурообразующем взаимодействии с зернами цемента. При дальнейшем твердении (28 сут) в модифици-

tics of the cement composite. However, there are possible negative effects as graft functional groups may actively influence the hydration process.

The study of physical and mechanical properties of the cement stone with the original and functionalized FCA (Fig. 3) showed that the largest effect of resistance increase was observed in the compositions with original and functionalized additives at the concentration of 0.01% by weight. Nanomodified carbon particles act as nucleation centres of cement hydration products, which accelerates the cement hydration and hardening, especially in the initial period of hardening.

The optimal concentration of FCA as a part of Portland cement is 0.001—0.01%. There is a decrease of strength of cement composites with the increase in the amount of additives to 0.1%. This fact is associated with a complex action mechanism of nanosized FCA, manifested to the maximum extent at very small concentrations. The increase of sonica-tion time from 10 to 20 minutes results in the strength of cement stone with initial and functionalized FCA increased by 5-15%.

The functionalization of the FCA particle surface leads to better wetting with the mixing water, while the original FCA is relatively hydrophobic. The compositions of cement composites with functionalized FCA, however, have no significant improvements in compressive strength compared to the original FCA. In our opinion, this is connected to the addition of various negative functional groups. Some of them have a negative effect on the hydration process of cement: they may block cement grains from the interaction with the FCA. In order to eliminate this factor it is necessary to clean the functionalized FCA from such groups as well as search for the solvents that are compatible with the components of Portland cement.

The microstructure of the samples with original and functionalized FCA is denser in comparison with the control composition (Fig. 4). The control composition includes a large amount of pores which are filled with crystals of Ca(OH)2 during hardening. The introduction of FCA (initial and functionalized) reduces capillary porosity, increases the number of smallest gel pores which form the content of calcium-silica hydro-gel. The observation of the contact zone of the form portlandite shows the dense structure and the micro-bonding of portlandite with additional CSH, which leads to the increase in density and strength of the composite. Unlike the control composition with FCA, there are significantly more newly-formed CSH even in the early age of hardening (3 days). This indicates the accelerated hydration of clinker minerals with the introduction of FCA and interaction with the cement grains. The further hardening (28 days)

3 сут / 3 days

Г "1 ^

Nf.

28 сут / 28 days

Рис. 4. Микроснимки скола цементного камня (Х1000): а - контрольный состав; b - ПЦ + исходная ФСС; c - ПЦ + функционализированная ФСС Fig. 4. Micrographs of cleavage in cement stone (Х1000): a - control composition; b - OPC + original FCA, c - OPC + functionalized FCA

рованных составах просматривается прорастание и утолщение игольчатых спицеобразных кристаллов гидросиликатов кальция. Структура характеризуется однородным плотным строением, которые скреплены со всех сторон продуктами гидратации, отмечается наличие плотных новообразований. Введение ФСС приводит к снижению пористости цементного камня за счет образования гелевидных продуктов гидратации, заполняющих межпоровое пространство. Все это благоприятным образом сказывается на изменении физико-механических характеристик модифицированного цементного камня.

Положительное влияние ФСС на свойства портландцемента приводит к улучшению свойств модифицированного бетона. При подборе составов модифицированных бетонов использована исходная и функ-ционализированная ФСС в оптимальной концентрации 0,01% от массы вяжущего. Были определены основные технологические, физико-механические и эксплуатационные свойства бетонной смеси и бетона (см. таблицу). Введение ФСС увеличивает прочность при сжатии бетона на 15—20% по сравнению с контрольным бездобавочным составом. Комплексное воздействие ФСС на разных этапах твердения бетона способствует созданию высокоплотной структуры, изменяя характер пористости и улучшая

leads to the germination and thickening of the needle-like CSH crystals in the modified compositions. The structure is characterized by a homogeneous dense structure, which is fastened on all sides by the hydration products; the presence of dense growths is observed. The introduction of FCA reduces the porosity of the cement stone due to the formation of hydration gel-like products which fill the interporous space. The mentioned factors have the favorable impact on the change in physical and mechanical properties of the modified cement stone.

The positive impact of FCA on the properties of Portland cement improves the properties of the modified concrete. The selection of modified concrete compositions involves the optimal concentration of 0.01% by weight of original and functionalized FCA. The main technological, physical, mechanical and performance properties of concrete and concrete mix were identified (Table). The introduction of FCA increases the compressive strength of concrete by 15—20% in

Характеристика Characteristics Показатели бетонов Concrete indicators

Контрольный Control Исходная ФСС Initial FCA Функционализированная ФСС Functionalized FCA

Подвижность, см Flowability, cm 17 17,5 18

Прочность при сжатии, МПа, в возрасте: Compressive strength, MPa, at the: 3 сут / 3 days 7 сут / 7 days 28 сут / 28 days 8,9 17,7 24,5 10,6 18,9 32,8 9,7 18,4 29,9

Водостойкость, Кразм Water resistance 0,86 0,91 0,9

Водопоглощение по массе, % Water absorption by weight,% 1,4 1,1 1,2

Морозостойкость, циклы Frost resistance, cycles 100 150 125

гид-рофизические и эксплуатационные показатели модифицированного бетона.

В исследуемых составах повышение морозостойкости наблюдается у образцов, характеризующихся наилучшими физико-механическими характеристиками. Однако повышение прочности при сжатии бетонов не является ключевым фактором при улучшении показателя морозостойкости. Значимую роль играет изменение структуры пористости материала. При введении в бетонную смесь ФСС происходят изменения в процессах структурообразования вяжущего и улучшение характера пористости.

В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

— функционализированная ФСС лучше распределяется в объеме воды при ультразвуковой обработке, но не способствует существенному приросту прочности по сравнению с исходной ФСС. Вероятно, это обусловливается присутствием в добавке негативных функциональных групп, появившихся в процессе функционали-зации;

— введение ФСС приводит к улучшению физико-механических, гидрофизических и эксплуатационных свойств тяжелого бетона.

comparison to the control composition. The combined effects of FCA at different stages of concrete hardening helps to create a high-density structure, changing the character of porosity and improving hydro physical and performance properties of modified concrete.

The increase of frost resistance is observed in compositions characterized by the best physical and mechanical properties However, the increase in the compressive strength of concrete is not a key factor in improving the frost resistance indicator. The significant role is played by the change in the structure of porous material. When FCA is introduced into the concrete mix, changes in the process of structure formation of the binder occur and the character of porosity is improved.

As the result of the research, the following conclusions can be made:

— Functionalized FCA is better distributed in the volume of water during sonication, but it does not lead to a significant increase in strength compared to the original FCA. This is probably caused by the presence of negative functional groups that appeared in functionalization process;

— The introduction of FCA leads to the improvement of physical-mechanical, hydro-physical and performance characteristics of concrete.

Список литературы

1. Пухаренко Ю.В., Аубакирова И.У., Никитин В.А., Староверов В.Д. Структура и свойства наномодифи-цированных цементных систем. Международный конгресс «Наука и инновации в строительстве «SIB-2008»: Современные проблемы строительного материаловедения и технологии. Воронеж. 2008. Т. 1. Кн. 2. С. 424-429.

2. Li G.Y., Wang P.M., Zhao X. Mechanical behavior and microstructure of cement composites incorporating surface-treated multi-walled carbon nanotubes // Carbon. 2005. No. 43, pp. 1239-1245.

3. De Ibarra Y.S., Gaitero J.J., Campillo I. Atomic force microscopy and nanoindentation of cement pastes with nanotube dispersions // Physica status solidi (a). 2006. No. 203, pp. 1076-1081.

4. Cwirzen, A., Habermehl-Cwirzen K., Penttala V. Surface decoration of carbon nanotubes and mechanical properties of cement/carbon nanotube composites // Advances in Cement Research. 2008. No. 20, pp. 65-73.

5. Патент РФ 2488984. Способ получения углеродных на-номатериалов с помощью энергии низкотемпературной плазмы и установка для его осуществления / Буянтуев С.Л., Кондратенко А.С., Дамдинов Б.Б.; Заявл. 22.02.2011. Опубл. 27.07.2013. Бюл. № 21.

6. Буянтуев С.Л., Кондратенко А.С., Хмелев А.Б. Особенности получения углеродных наноматериа-лов методом комплексной плазменной переработки углей // Вестник ВСГУТУ. № 3 (42). 2013. С. 21-25.

7. Урханова Л.А., Буянтуев С.Л., Лхасаранов С.А., Кондратенко А.С. Бетоны на композиционных вяжущих с нанодисперсной фуллеренсодержащей добавкой // Нанотехнологии в строительстве. Научный интернет-журнал. № 1. 2012. С. 22-25.

8. Королев Е.В., Иноземцев А.С. Эффективность физических воздействий для диспергирования нано-размерных модификаторов // Строительные материалы. 2012. № 4. С. 76-79.

9. Королев Е.В., Кувшинова М.И. Параметры ультразвука для гомогенизации дисперсных систем с на-норазмерными модификаторами // Строительные материалы. 2010. № 9. С. 85-88.

References

1. Pukharenko Yu.V., Aubakirova I.U., Nikitin V.A., Staroverov V.D. The structure and properties of nano-modified cement systems. International Congress Science and Innovation in the construction "SIB-2008". Modern issues of building materials and technology. Voronezh. 2008. Vol. 1. B. 2, pp. 424-429. (In Russian).

2. Li G.Y., Wang P.M., Zhao X. Mechanical behavior and microstructure of cement composites incorporating surface-treated multi-walled carbon nanotubes. Carbon. 2005. No. 43, pp. 1239-1245.

3. De Ibarra Y.S., Gaitero J.J., Campillo I. Atomic force microscopy and nanoindentation of cement pastes with nanotube dispersions. Physica status solidi (a). 2006. No. 203, pp. 1076-1081.

4. Cwirzen, A., Habermehl-Cwirzen K., Penttala V. Surface decoration of carbon nanotubes and mechanical properties of cement/carbon nanotube composites. Advances in Cement Research. 2008. No. 20, pp. 65-73.

5. Patent RU 2488984. Sposob polucheniya uglerodnykh nanomaterialov s pomoshch'yu energii nizkotemperaturnoi plazmy i ustanovka dlya ego osushchestvleniya [A method of obtaining carbon nanomaterials using low-temperature plasma energy and installation for its realization] / Buiantuev S.L., Kondratenko A.S., Damdinov B.B.; Declared 22.02.2011. Published 07.27.2013. Bul. No. 21.

6. Buiantuev S.L., Kondratenko A.S., Khmelev A.B. Specifics of obtaining carbon nanomaterials by complex plasma coal processing. Vestnik ESSUTM. 2013. No. 3 (42), pp. 21-25. (In Russian).

7. Urkhanova L.A., Buiantuev S.L., Lkhasaranov S.A., Kondratenko A.S. Concrete on composite binders with nanostructured fullerene additive. Nanotekhnologii v stroitel'stve. Scientific Internet-Journal. 2012. No. 1, pp. 22-25. (In Russian).

8. Korolev E.V., Inozemtsev A.S. Efficiency of physical impacts for dispersing nanoscale modifiers. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2012. No. 4, pp. 76-88. (In Russian).

9. Korolev E.V., Kuvshinova M.I. Ultrasonic parameters for the homogenization of disperse systems with nanoscale modifiers Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2010. No. 9, pp. 85-88.