CC BY
21
Мелкозернистый наномодифицированный бетон
Д.А. Ляшенко, В.А. Перфилов, Л.М. Весова
Волгоградский Государственный Технический университет Институт Архитектуры и Строительства
Аннотация. В статье приведены результаты экспериментальных исследований. Определено оптимальное время диспергирования воды затворения совместно с нанодобавкой. Также приведены результаты экспериментов по определению влияния углеродных нанотрубок и пластификатора на мелкозернистые бетоны. Для исследуемых составов определены прочностные характеристики. На основе полученных данных определено влияние времени диспергирования, а также влияние совместного применения пластификатора SikaVC 5-500 и углеродных нанотрубок «Таунит-М». Ключевые слова: мелкозернистый бетон, углеродные нанотрубки, ультразвуковое диспергирование, пластификатор.
Введение.
В настоящее время в строительной сфере особое внимание уделяется вопросу применения высокопрочных бетонов. Их применение позволяет снизить массу конструкций без потери прочностных характеристик. Одним из перспективных направлений получения бетонов с повышенной прочностью является применение нанотехнологий. Оно заключается в использовании наномодифицирующих добавок, представляющих собой коллоидные частицы, имеющие хотя бы в одной плоскости размеры Ю-11- - Ю"'-.', т.е. нанометровые размеры [1]. Таким образом,
нанотехнология заключается в производстве материалов, функционирование которых определяется «наноструктурой», т.е. упорядоченными фрагментами размером от 1 до 100 нм [2].
Актуальность. Исследования показывают, что применение нанодобавок приводит к увеличению прочностных характеристик бетонов и, как следствие, к долговечности. Использование наномодификаторов оказывает положительное влияние на структурообразование и физико-механическе свойства бетона. Достигается это за счет внедрения углеродных
частиц различных конфигураций в структуру бетона. Эффективность введения таких добавок заключается в том, что углерод имеет значительно большую прочность, чем цементные клинкеры. Следовательно, их введение в структуру бетона приводит к повышению прочности каркаса бетонного камня. В качестве наномодификаторов наибольшее распространение получили углеродные нанотрубки, которые могут иметь различные типы и размеры [3].
Теоретическая часть.
Эффективность применения наноразмерных добавок объясняется характером разрушения бетонных материалов. Процесс разрушения начинается с растрескивания отдельных нанотрещин, которые, объединяясь, образуют микротрещины, а те, в свою очередь, образуют макротрещины [4]. Растрескивание на наноразмерном уровне играет значительную роль в разрушении бетонов. Этот факт способствует использованию наноразмерных добавок для армирования бетонов, что позволит контролировать разрушение материала на наноуровне. Наномодифицированный бетон обладает более высокой прочностью и долговечностью и имеет более плотную микроструктуру, чем традиционный бетон [5].
Технология наномодифицированного бетона заключается в равномерном распределении малого количества добавки по всему объему цементного теста, что ускоряет процесс гидратации. Параллельно новообразования заполняют поры цементного камня, срастаясь в единый каркас совместно с введенными углеродными частицами. Благодаря этому увеличивается прочность цементного камня, улучшается микроструктура и структура зоны контакта «цементный камень - заполнитель». Все это говорит о необходимости более тщательно подходить к выбору технологии введения наномодифицирующих добавок в бетонную смесь.
Одним из самых перспективных направлений применения нанодобавок является армирование бетонов углеродными волокнами [6,7]. Как известно, углерод имеет высокие показатели прочности, модуля упругости и химической стойкости, все эти показатели значительно выше, чем у других армирующих компонентов. В связи с этим применение углеродных волокон приводит к повышению физико-механических свойств бетона.
Повышение прочности бетонов при ведении в состав нанотрубок связано не столько с их армирующим эффектом, сколько с направленным регулированием кристаллизационных процессов. Нанотрубки являются своего рода «зародышами» кристаллообразования, благодаря чему образуются вытянутые кристаллы, которые, разрастаясь, переплетаются между собой, образуя пространственную связь, что и дает максимальный армирующий эффект [8].
Однако минусом данной технологии для внедрения в производство является способ введения водной суспензии с нанодобавками. Этот метод требует равномерного распределения микропорций наночастиц в заданной среде, без возможности выпадения углерода в осадок.
Одной из наиболее эффективных технологий введения нанодобавок является метод ультразвукового диспергирования воды затворения совместно с наномодификатором. Для повышения эффективности ультразвуковой обработки в составы вводят полимерные или поверхностно-активные вещества [9,10]. Эти добавки за счет разряжения воды способствуют более равномерному распределению частиц по всему объему, а также делают полученную суспензию более устойчивой к выпадению в осадок углерода.
Результаты экспериментальных исследований.
В данной работе было произведено две серии испытаний, направленных на исследование влияния введения углеродных нанотрубок в
состав цемента. Для этого был произведен подбор состава мелкозернистого бетона с добавкой углеродных нанотрубок (УНТ). В качестве нанодобавки применялись УНТ серии «Таунит-М». Помимо нанотрубок в состав вводился пластификатор SikaVC 5-500, который позволил повысить подвижность смеси и положительно влиял на равномерное распределение нанодобавки по всему объему воды.
Введение УНТ в воду затворения производилось при помощи ультразвукового диспергатора УЗГ13-0.1/22 по следующей технологии. В воду затворения добавлялись пластификатор и нанодобавка в заранее подсчитанном количестве, после чего в емкость с водой погружался штифт ультразвукового диспергатора и производилась обработка ультразвуком продолжительностью 5, 7 и 10 минут. Далее, активированная наномодифицирующей добавкой вода затворения, добавлялась в заранее перемешанную сухую цементно-песчаную смесь, после чего происходило размешивание смеси до требуемой консистенции. Полученная цементно-песчаная смесь загружалась в формы стандартных образцов балочек размером 40х40х160 мм. После распалубки все образцы хранились в естественных условиях в течение 28 суток, по истечению которых для определения пределов прочности производились испытания каждого образца-балочки.
Диспергирование в течение менее 5 минут на данном диспергаторе дает недостаточный эффект, так как визуально наблюдаются агломераты нанотрубок в воде затворения. В связи с этим было принято решение о сравнении характеристик материалов с различным временем диспергирования. Для этого была проведена первая серия испытаний составов, включающих в себя одинаковое количество пластификатора и УНТ, но с разным временем диспергирования, а именно: 5,7,10 минут.
Состав имеет следующий вид: Цемент - 500г, песок - 1500г, В/Ц = 0,42 (210 мл), Sika- 0,7% (3,5 г) от массы вяжущего. УНТ - 0,01% (0,005 г) от массы вяжущего. В таблице 1 представлены результаты испытаний полученных образцов.
Результаты испытаний исследуемых образцов. Таблица 1.
Цемент,г Песок, г Вода, г Sika, г УНТ, г Tдисп, м Я;;:-, МНЯ МПа
№1 500 1500 210 3,5 0,005 5 7,2 38,2
№2 500 1500 210 3,5 0,005 7 6,9 38,5
№3 500 1500 210 3,5 0,005 10 7,2 38,1
Как видно из таблицы 1, полученные результаты прочности при изгибе и сжатии отличаются незначительно. Исходя из этого, можно сделать вывод о том, что максимальный эффект на диспергаторе УЗГ13-0.1/22 достигается уже при 5 минутах ультразвукового перемешивания.
После определения оптимального времени диспергирования, была произведена еще одна серия испытаний для исследования влияния добавки Таунит-М на прочность мелкозернистого бетона. Для сравнения характеристик был приготовлен контрольный состав №1, не включающий добавок. Составы №2 и №3 включают в себя пластификатор, но их различие заключается в способе введения добавки. Во втором составе пластификатор размешивали в воде затворения, в третьем применялся ультразвуковой диспергатор, что позволило снизить количество добавки с 0,6% до 0,5% по массе вяжущего без потери пластичности смеси. Составы №4 и №5 включают в себя как пластификатор, так и нанодобавку, которые совместно вводились в воду затворения при помощи ультразвуковой обработки в течение 5 минут. Нами были приготовлены составы с концентрацией УНТ в
количестве 0,006 и 0,01% от массы цемента. В таблице 2 приведены результаты испытаний второй партии образцов.
Результаты испытаний. Таблица 2.
Цемент, г Песок, г Вода, г Sika, г Расплыв конуса, мм УНТ, г Я;;:-, МПа , МПа
№1 500 1500 240 - 105 - 5,5 27,4
№2 500 1500 210 3 107 - 5,7 34,7
№3 500 1500 210 2,5 106 - 6,2 35,3
№4 500 1500 210 2,5 108 0,003 6,6 38,7
№5 500 1500 210 2,5 106 0,005 7,7 41
Результаты показывают, что применение технологии ультразвукового диспергирования позволяет повысить пластифицирующий эффект добавки Sika, так как состав №3 при меньшем количестве добавки имеет схожие прочностные характеристики с составом №2. Если же сравнивать его с контрольным образцом, то можно увидеть, что повысились пределы прочности при изгибе и сжатии на 11 и 22% соответственно. Наибольшее увеличение прочности наблюдается при совместном использовании пластификатора и нанотрубок. Так, пределы прочности состава №5 показали увеличение прочности при изгибе на 28% и при сжатии на 33% в сравнении с первым составом. Для большей наглядности ниже приведены графики пределов прочности исследуемых образцов.
Предел прочности при изгибе №5; [7,7]
П!
Е 6
№1; [5,5] №2' [5'7]
№3; [6,2]
№4; [6,6]
8
7
График 1. Значения пределов прочности при изгибе
Предел прочности при сжатии
45 40
ш 35 с
№5; [41]
30 25 20
№4; [38,7]
№2; [34,7] №3; [35,3]
Nol • Г77 Д1
\ ¡5
■
График 2. Значения пределов прочности при сжатии.
Исходя из полученных экспериментальных данных, видно, что увеличение количества нанотрубок положительно влияет на прочностные характеристики бетона. В связи с этим требуется проведение дальнейших испытаний с увеличением количества наноразмерной добавки Таунти-М больше чем 0,01% от массы цемента, для определения оптимального состава.
Нами уже были произведены исследования составов с применением УНТ и пластификатора СП-3 [11]. Повышение содержания углеродных нанотрубок также положительно влияло на прочностные характеристики, что говорит об их эффективности.
Выводы. В результате проведенных испытаний было выявлено, что оптимальное время диспергирования суспензии с нанотрубками равно 5 минутам. Обнаружен положительный эффект ультразвуковой обработки на влияние пластификатора Sica VC-5-500. Применение данной технологии
позволило сократить количество пластификатора при сохранении пластичности смеси и прочностных характеристик мелкозернистого бетона.
Полученные экспериментальные данные говорят о положительном эффекте совместного введения пластификатора и углеродных нанотрубок «Таунит-М». Увеличение количества нанотрубок приводит к повышению прочности, однако для определения оптимального состава требуется проведение дальнейших испытаний с повышением количества УНТ свыше 0,01% по массе вяжущего вещества.
Литература
1. Толмачев С.Н., Беличенко Е.А. Применение углеродных коллоидных наночастиц в мелкозернистых цементных бетонах // ХНАУД. 2014. 152 с.
2. Третьяков Ю.Д. Нанотехнологии. Азбука для всех // М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. 368 с.
3. Кудрявцев П.Г., Фиговский О. Л. Нанокомпозитные органоминеральные гибридные материалы // Инженерный вестник Дона. 2014. №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n5y2022/7609
4. Hawreen, A., Bogas, J.A. &Kurda, R. Mechanical Characterization of Concrete Reinforced with Different Types of Carbon Nanotubes. Arab J SciEng 2019. Vol 44. pp. 8361-8376.
5. Shah S.P., Konsta-Gdoutos M.S., Metaxa Z.S., Mondal P. Nanoscale modification of cementitious materials. Nanotechnology in Construction 3. 2009. pp. 125-130.
6. Варшавский В. Углеродные волокна - эффективный наполнитель композиционных материалов в строительстве // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - 2010. № 6. С. 12-13.
7. Фахратов М.А., Евдокимов В.О., Бородин А.С. Перспективы применения наноструктурированного бетона в строительстве // Инженерный вестник Дона. 2018. №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2018/5127.
8. Баженов Ю.М. Королев Е.В. Технико-экономические основы практической нанотехнологии в строительном материаловедении // Региональная архитектура и строительство. № 2(5). 2008. С. 3-9.
9. Ваучский М.Н. Нанобетон: мифы и реальность // Стройпрофиль. 2007. № 8 (62). C. 50-51.
10. Леонтьева А.И., Утробин Н.П., Орехов В.С., Дьячкова Т.П. Продукты органического синтеза XXI века и технологии их производства с использованием наноматериалов: В кн. «Фундаментальная наука -Центральной России». Тамбов, 2007. С. 344-346.
11. Ляшенко Д.А., Перфилов В.А., Лукьяница С.В., Лупиногин В.В. Разработка состава наномодифицированного цемента // Инженерный вестник Дона. 2022. №5. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n5y2022/7609.
References
1. Tolmachev S.N., Belichenko E.A. Primenenie uglerodny'x kolloidny'x nanochasticz v melkozernisty'x cementny'x betonax [Application of carbon colloidal nanoparticles in fine-grained cement concretes] XNAUD. 2014. 152 P.
2. Trefyakov Yu.D. Nanotexnologii. Azbuka dlya vsex [Nanotechnology. ABC for everyone] M.: FIZMATLIT, 2008. 368 P.
3. Kudryavtsev P.G., Figovskii O.L. Inzhenernyi vestnik Dona. 2014. №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n5y2022/7609
4. Hawreen, A., Bogas, J.A. &Kurda, R. Mechanical Characterization of Concrete Reinforced with Different Types of Carbon Nanotubes. Arab J SciEng 2019. Vol 44. pp. 8361-8376
M Инженерный вестник Дона, №10 (2022) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nl0y2022/7928
5. Shah S.P., Konsta-Gdoutos M.S., Metaxa Z.S., Mondai P. Nanoscale modification of cementitious materials. Nanotechnology in Construction 3. 2009. pp. 125-130.
6. Varshavskij V. Stroitefny'e materialy\ oborudovanie, texnologii XXI veka. 2010. № 6. pp. 12-13.
7. Faxratov M.A., Evdokimov V.O., Borodin A.S. Inzhenernyj vestnik Dona. 2018. №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2018/5127.
8. Bazhenov Yu.M. Korolev E.V. Regionafnaya arxitektura i stroitefstvo. № 2(5). 2008. pp. 3 - 9.
9. Vauchskij M.N. StrojprofiT. 2007. № 8 (62). pp. 50-51
10. Leonfeva A.I., Utrobin N.P., Orexov V.S., Dyachkova T.P. Fundamentalnaya nauka - Centrafnoj Rossii. Tambov, 2007. pp. 344-346.
11. Lyashenko D.A., Perfilov V.A., Lukyanicza S.V., Lupinogin V.V. Inzhenernyj vestnik Dona. 2022. №5. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n5y2022/7609
