CC BY
30УДК 691.32-022.532
Л.А. УРХАНОВА, д-р техн. наук (urkhanova@mail.ru), С.Л. БУЯНТУЕВ, д-р техн. наук (buyantuevsl@mail.ru), С.А. ЛХАСАРАНОВ, канд. техн. наук, А.Б. ХМЕЛЕВ, инженер, А.А. УРХАНОВА, инженер
Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления (670013, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40в)
Модификация цемента и бетона углеродными наноматериалами, полученными из угольного кека
Представлены результаты исследований по модифицированию цементного камня и бетона углеродными наноматериалами, полученными в двух различных установках с использованием плазменной и электроразрядной технологий. Выявлено, что что энергопотребление электроразрядной установки на порядок ниже, чем у плазменной, однако эффективность воздействия добавок с УНМ, полученных в этих установках, на свойства цемента и бетона на его основе, существенно отличаются между собой. Получаемые в результате обработки угольного кека углеродные наноматериалы были исследованы с помощью электронно-микроскопического, элементного, спектрального анализов. Введение углеродных наноматериалов в результате комплексного взаимодействия приводит к изменению фазового состава и микроструктуры цементного камня и соответственно улучшает физико-механические и эксплуатационные свойства бетонов.
Ключевые слова: плазменная установка, электроразрядная установка, угольный кек, углеродные наноматериалы, портландцемент, модифицированный бетон.
Для цитирования: Урханова Л.А., Буянтуев С.Л., Лхасаранов С.А., Хмелев А.Б., Урханова А.А. Модификация цемента и бетона углеродными наноматериалами, полученными из угольного кека // Строительные материалы. 2017. № 1-2. С. 19-25.
L.A. URKHANOVA, Doctor of Sciences (Engineering) (urkhanova@mail.ru), S.L. BUYANTUEV, Doctor of Sciences (Engineering) (buyantuevsl@mail.ru),
S.A. LKHASARANOV, Candidate of Sciences (Engineering), A.B. KHMELEV, Engineer, A.A. URKHANOVA Engineer
East Siberia state university of technology and management (40v, Kluchevskaya Street, Ulan-Ude, 670013, Russian Federation)
Modification of Cement and Concrete with Carbon Nanomaterials Obtained from Coal Cake
The article presents the results of studies on the modification of the cement stone and concrete with carbon nanomaterials, obtained in two different units with the use of plasma and electric discharge technology. Revealed that the energy discharge unit is lower than that of plasma, but the effectiveness of the impact of supplementation with CNM obtained in plasma and discharge units, the properties of cement and concrete on its basis significantly different among themselves. Obtained as a result of the plasma and electric discharge treatment of coal cake carbon nanomaterials have been studied by electron microscopy, elemental, spectral analyzes. The introduction of carbon nanomaterials as a result of a complex interaction leads to a change in the phase composition and microstructure a cement stone and consequently improves the physical, mechanical and performance properties of concrete.
Keywords: plasma unit, electric discharge unit, coal cake, carbon nanomaterials, Portland cement, modified concrete.
For citation: Urkhanova L.A., Buiantuev S.L., Lkhasaranov S.A., Khmelev A.B., Urkhanova A.A. Modification of cement and concrete with carbon nanomaterials obtained from coal cake. Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2017. No. 1-2, pp. 19-25. (In Russian).
В настоящее время в Республике Бурятия действуют три ТЭЦ — Улан-Удэнские ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2, Гусино-озерская ГРЭС и многочисленные крупные и малые котельные, работающие на угольном топливе. Уголь, добываемый в шахтах или из угольных разрезов, сортируется и обогащается на обогатительных фабриках. Угольно-обогатительные предприятия Республики Бурятия ежедневно образуют тысячи кубов отходов — так называемый угольный кек, состоящий из угольной пыли и воды. Кек обычно представляет собой глино-образную субстанцию, полученную по результатам разделения угольного сырья по фракциям. Более крупные фракции угля отправляют на дальнейший процесс обогащения и сушку в сушильных печах. Мелкая фракция (кек) обычно утилизируется. Содержание углерода в угольных кеках составляет 40—45%, золы 40—50%, воды 12-20% [1].
В качестве исходного сырья в работе использовались продукты углеобогащения - угольный кек, который при переработке в электродуговой плазме позволяет получать комплекс ценных продуктов: синтез-газ, активированный уголь, а также углеродные наноматериа-лы (УНМ).
УНМ получали в двух различных установках с использованием плазменной и электроразрядной технологий. Плазменная модульная технология по сравнению с традиционными технологиями использует энергию электродуговой плазмы, позволяющую производить комплексную переработку углей и угольных ке-ков (рис. 1). Нагрев кеков производится в потоке высоко-
At the present time in the Republic of Buryatia has three TPP - Ulan-Ude TPP-1 and TPP-2, Gusinoozerskaya TPP and numerous large and small boilers who work on coal. The coal produced in mines or coal opencasts, sorted and enriched in mineral processing plants. Coal enrichment plants of the Republic of Buryatia daily form thousands of cubic meters of wastes, the so-called coal cake, consisting of coal dust and water. The cake is usually a clay shaped substance obtained as a result of the separation of raw coal by fractions. The larger coal fraction is sent to a further process of concentration and drying in a drying ovens. The fine fraction (cake) is usually utilized. The carbon content of the coal cake is 40-45%, 40-50% ash, water 12-20% [1].
In paper as a feedstock were used coal cleaning products - coal cake, in which the processing plasma arc produces a set of products: the synthesis gas, activated carbon and carbon nanomaterials (CNM).
CNM was obtained in two different units using plasma discharge and technologies. Plasma modular technology, compared with traditional technologies, uses the energy of the plasma arc, allowing to make complex processing of coal and coal cakes (Fig. 1). Heating cakes is produced in a highly concentrated stream of low-temperature plasma with formation of a rotating electric arc. Thus, in cross-section have full reactor temperature profile from 2800 to 3500°C.
The reactor gasification processes take place and activation coal cake and the fine carbon black is formed containing carbon nanomaterials, in the gas by arc evaporation of graphite in the plasma and in the water by hardening of fine carbon particles in the plasma reactor electromagnetic scrubber. At
концентрированной низкотемпературной плазмы с формированием вращающейся электрической дуги. Таким образом, в поперечном сечении реактора получают полный профиль температуры от 2800 до 3500оС.
В реакторе происходят процессы газификации и активирования угольного кека, а также образуется мелкодисперсная сажа, содержащая углеродные на-номатериалы, в газе путем испарения графита в электродуговой плазме и в воде путем закалки высокодисперсных частиц углерода в скруббере электромагнитного плазменного реактора. При изменении энергопотребления от 20 до 40 кВтч выход углеродных наноматери-алов варьируется от 50 до 100 г/ч при постоянном расходе угольного кека 20 кг/ч [2, 3].
Для получения седиментационно устойчивой и высокодисперсной суспензии из угольного кека с равномерно распределенными УНМ в объеме водной среды была разработана малогабаритная электроразрядная установка (рис. 2). Электроразрядная технология основывается на использовании электрического разряда в гетерогенной системе вода—порошковый угольный кек для уменьшения коагуляции частиц углерода.
В результате экспериментальных исследований было установлено, что в процессе электроразрядной обработки суспензии из угольного кека образуются углеродные наноматериалы [4].
Изменяя энергопотребление при работе электроразрядной установки от 1,5 до 3 кВтч, можно варьировать ее производительность от 5 до 10 кг/ч суспензии, содержащей УНМ. Стоит отметить, что энергопотребление электроразрядной установки на порядок ниже, чем у плазменной, однако эффективность воздействия добавок с УНМ, полученных в этих установках, на свойства цемента и бетона на его основе существенно отличаются между собой, как показали исследования.
Для оценки эффективности получения УНМ в электродуговой плазме проведены термодинамические расчеты процесса высокотемпературной обработки кека в программном комплексе TERRA. Расчеты показали, что сажеобразование УНМ представляет собой ступенчатый свободнорадикальный процесс возникновения зародышей из углеводородных радикалов, их роста и коагуляции возникших частиц. Появление и рост концентрации атомарного углерода происходят при температуре 3200 К. Это свидетельствует об образовании паровой фазы углерода, которая при конденсации образует кластеры УНМ. Таким образом, плазменная обработка кека при сверхвысокой температуре приводит к тому предельному состоянию расщепления и преобразования его органической массы, которое достигается при подавлении процесса поликонденсации вследствие ускорения термической деструкции.
УНМ, полученные из кека путем плазменной обработки, были исследованы с помощью микроскопического и спектрального элементного анализа на сканирующем растровом электронном микроскопе JEOL JSM-6510LV. Углеродные наноматериалы имеют как компактную, так и волокнистую ультрадисперсную структуру, что указывает на наличие таких основных форм наночастиц, как «луковичные углеродные структуры» (фуллерены, многослойные гиперфуллерены) и «нитевидные углеродные структуры» (нанотрубки, нановолокна).
Вода Water
Очищенный газ Cleaned gas
Рис. 1. Плазменная установка комплексной переработки угля: 1 - реактор; 2 - магнитная катушка; 3 - дозатор; 4 - бункер сырья; 5 - катод; 6 - эжектор; 7 - парогенератор; 8 - камера муфеля; 9 - камера разделения; 10 - труба вывода газа; 11 - сборник; 12 - скруббер; 13 - фильтр; 14 - сборник УНМ скруббера; 15 - циклон
Fig. 1. The plasma unit of complex processing of coal: 1 - reactor; 2 - a magnetic coil; 3 - the dispenser; 4 - bunker raw materials; 5 - a cathode; 6 - ejector; 7 - a steam generator; 8 - muffle chamber; 9 - the separation chamber; 10 - gas outlet pipe; 11 - compilation; 12 - scrubber; 13 - filter; 14 - compilation CNM scrubber; 15 - cyclone
change of power of 20 to 40 kWh carbon nanomaterials output of varies from 50 to 100 g/h at a constant flow rate of the coal cake 20 kg/h [2, 3].
For sedimentation and stable suspension of finely divided coal cake, with a uniformly distributed amount of CNM in the aqueous medium, small-sized electric discharge unit (Fig. 2) was developed. Electrical discharge technology is based on the use of electrical discharge in a heterogeneous "water—carbon powder cake" system to reduce the coagulation of carbon particles. As a result of experimental investigations, it was found that during discharge processing of the slurry carbon nanomaterials are formed from the coal cake [4].
By varying power of discharge unit from 1.5 to 3 kWh, its performance can be varied from 5 to 10 kg/h of a suspension
Рис. 2. Экспериментальная установка для приготовления суспензии из угольного кека: 1 - автотрансформатор для питания двигателя; 2 - двигатель; 3 - вращающийся сферический электрод; 4 - емкость с суспензией; 5 - автотрансформатор для создания электрического разряда между сферическим электродом и стенками емкости с суспензией Fig. 2. Experimental installation for suspension of the coal cake: 1 - an auto engine power; 2 - engine; 3 - rotating spherical electrode; 4 - slurry tank; 5 - autotransformer for generating an electric discharge between the spherical electrode and the slurry tank walls
2
3
4
научно-технический и производственный журнал ■' i ■ ■ , ■, Г i ' М-1 i liiJä
80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 -0
Исследование элементного состава и структуры угольного кека до и после электроразрядной и плазменной обработки проводилось с помощью спектрального микроскопического анализа (рис. 3). Из микроснимков видно, что после электроразрядной и плазменной обработки поверхность кека имеет гораздо более однородную структуру, связанную со спеканием частиц кека при высокотемпературном воздействии. Элементный анализ образцов кека показал, что содержание углерода после электроразрядной и плазменной обработки увеличилось на 32-40%, что говорит об активации поверхности кека, а снижение содержания кислорода на 23,71-25,22% свидетельствует о том, что он выступает активным элементом в процессе термодеструкции кека при плазменной обработке и в процессе образования оксидов серы и азота при электроразрядной обработке. Несмотря на то что механизм воздействия газоразрядной плазмы и электрического разряда в жидкости существенно отличаются, изменения элементного состава и микроструктуры кека в результате электроразрядной и плазменной обработки имеют схожий характер.
Для определения наличия в составе УНМ фуллеренов были сняты ИК-спектры образцов, выделенных после экстракции. ИК-спектрометрия проводилась на приборе №соЫ-380 FT-IR. По результатам ИК-спектроскопии идентифицированы частоты колебаний, относящихся к фуллеренам С60 и С™: V=1419, 1169, 807, 600 и 533 см-1. Колориметрический анализ экстракта сажевых агрегатов, полученных электродуговой плазменной обработкой кека, показал присутствие в нем фуллеренов Сб0 и С70, растворенных в толуоле.
Исследование технологических характеристик портландцемента при введении в них наноразмерных добавок является важным, поскольку высока удельная поверхность наночастиц [5-7]. Для оценки влияния УНМ на технологические характеристики портландцемента были использованы водные суспензии УНМ, полученные в плазменной установке, при их содержании от 0,001 до 0,01% от массы цемента и УНМ, полученные в электроразрядной установке, при их содержании от 0,01 до 0,1%. Введение УНМ изменяет технологические свойства цемента и сроки его схватывания (табл. 1).
Изменение подвижности при введении наноди-сперсных добавок связано с тем, что частицы УНМ, подобно поверхностно-активным веществам, обладают способностью адсорбироваться на поверхности цементных зерен и участвовать в образовании пространственных коагуляционных структур [6, 8, 9]. Наночастицы ориентируются так, что гидроксильные полярные группы обращены к гидратирующейся поверхности зерна цемента, а функциональные группы - к воде. Тем самым облегчается взаимное перемещение зерен цемента, что улучшает подвижность смеси.
Установлено, что у цемента, затворенного водой с УНМ, полученной в плазменной установке, при различ-
Рис. 3. Структура поверхности кека: a - до обработки; b - после электроразрядной обработки; c - после плазменной обработки
Fig. 3. The surface of the cake structure: a - before treatment; b - after the discharge treatment; c - after the plasma treatment
90
ill
Контрольный Without additives
УНМ с плазменной установки (0,01%) CNM from plasma unit (0,01%)
УНМ с плазменной установки (0,1%) CNM from plasma unit (0,1%)
УНМ с плазменной установки (1%) CNM from plasma unit (1%)
Концентрация добавки, % Concentration of the additive, %
Ш
I
1
Суспензия из кека с электроразрядной установки (0,01%) CNM from electric discharge unit (0,01%)
Суспензия из кека с электроразрядной установки (0,1%) CNM from electric discharge unit (0,1%)
Концентрация добавки, % Concentration of the additive, %
Суспензия из кека с электроразрядной установки (1%) CNM from electric discharge unit (1%)
Рис. 4. Физико-механические характеристики: а - ПЦ с УНМ, полученными в плазменной установке; b - ПЦ с УНМ, полученными в электроразрядной установке; сроки твердения: ■ - 2 сут; □ - 7 сут; □ - 28 сут
Fig. 4. Physical and mechanical characteristics: a - PC with of CNM obtained in the plasma unit; b - PC with the of CNM received in the electric installation; hardening time: □ - 2 days; □ - 7 days; □ - 28 days
containing CNM. It is worth noting that the energy discharge unit is lower than that of plasma, but the effectiveness of the impact of supplementation with CNM obtained in plasma and discharge units, the properties of cement and concrete on its basis, as studies have shown significantly different among themselves.
To evaluate the effectiveness obtaining CNM in plasma arc high thermodynamic calculations are performed processing in software cake TERRA complex. Calculations showed that the formation of CNM is a step of free radical processes of nucleation of hydrocarbon radicals, their growth and coagulation of particles encountered. The emergence and growth of the carbon atomic concentration occurs at a temperature of 3200 K. This indicates the formation of the vapor phase of carbon which, when condensation forms clusters of CNM. Thus, the plasma treatment cake at
: j научно-технический и производственный журнал
УНМ, полученные в плазменной установке CNM obtained in plasma unit
Показатель Indicator Ед. изм. Units Контрольный образец Without additives УНМ 0,01% CNM 0.01% УНМ 0,001% CNM 0.001%
Нормальная густота Standard consistence % 25 26 25,5
Начало схватывания Initial setting Конец схватывания Final setting мин мин 145 245 170 255 160 260
Подвижность раствора по расплыву конуса Slump flow мм 135 140 137
УНМ, полученные в электроразрядной установке CNM obtained in electric discharge unit
Показатель Indicator Ед. изм. Units Контрольный образец Without additives УНМ 0,01% CNM 0.01% УНМ 0,001% CNM 0.001%
Нормальная густота Standard consistence % 25 25,2 25,5
Начало схватывания Initial setting Конец схватывания Final setting мин мин 145 245 150 250 155 255
Подвижность раствора по расплыву конуса Slump flow мм 135 138 135
ной концентрации происходит удлинение сроков схватывания (начало схватывания — до 5%, конец схватывания — до 22%). Одновременно возрастает пластичность цементного теста и ее сохраняемость во времени, что важно, например, при длительной транспортировке бетонной смеси на основе модифицированного цемента.
У цемента, затворенного водой с УНМ, полученной в электроразрядной установке, при различной концентрации в меньшей степени происходит удлинение сроков схватывания (начало схватывания — до 3%, конец схватывания — до 10%). Подвижность цемента и его сохраняемость во времени также возрастают.
Частицы добавки, полученной в плазменной установке, воздействуют на цементную систему при малых дозировках в сравнении с добавкой, полученной в электроразрядной установке, что связано на наш взгляд с большей активностью частиц из-за различия фазового состава и структуры.
Введение УНМ, полученных как в плазменной, так и в электроразрядной установке, приводит к изменению прочности цемента (рис. 4). Для различных видов добавок эффект увеличения прочности варьируется в зависимости от их количества.
Возможное различие полученных эффектов при использовании двух видов добавок связано с комплексным механизмом их получения. При прохождении электрического разряда в суспензии из кека происходит электрофизическое, электроосмотическое и термическое воздействие на частицы кека и дисперсную среду. В то время как в плазменной установке частицы кека подвергаются высокотемпературному воздействию в потоке электродуговой плазмы, при котором происходит их активация, изменение фазового состава углерода, содержащегося в них. Это проявляется в различных эффектах воздействия на цементную систему.
Улучшение физико-механических свойств цементного камня, модифицированного УНМ, происходит благодаря изменению его фазового состава и микро-
Ta6.n^a 1 ultrahigh temperatures causes the limit of Table 1 its splitting and conversion of organic matter is achieved by polycondensation suppressing thermal degradation due to acceleration.
CNM obtained from cake by plasma treatment were investigated using microscopic elemental and spectral analysis (JEOL JSM-6510LV). Carbon nanomate-rials have both compact and ultradisperse fibrous structure. The presence of basic nanoparticles forms such as "onion carbon structures" (fullerenes, multi-layer hyperfullerenes) and "filamentous carbon structures" (nanotubes, nanofibers) is indicated.
The element composition and structure of the coal cake before and after a discharge and plasma treatment was carried out by using the spectral microscopic analysis (Fig. 3). From the micrographs it is seen that when plasma discharge treatment and the cake surface has a much more homogeneous structure associated with the sintering of the particles of cake at high exposures.
Elemental analysis of the cake samples showed that the carbon content after discharge and plasma treatment increased by 32—40%, which indicates the activation of the surface of the cake, and the reduction of the oxygen content at 23.71—25.22% indicates that it is an active element cake thermal degradation during processing in plasma and in the formation of sulfur oxides and nitrogen during discharge treatment.
Despite the fact that the mechanism of action of plasma and electrical discharge treatment significantly differ, changes of the elemental composition and the microstructure of coal cake treated in discharge and plasma unit have a similar character.
To determine the presence of fullerenes in the CNM IR spectra of the samples were examined. IR spectrometry was performed on Nicolet 380 FT-IR. According to IR-spectroscopy there is identified vibration frequencies related to the fullerenes C60 and C70: v = 1419, 1169, 807, 600 and 533 cm-1. Colorimetric analysis of cake extract obtained from plasma treatment showed the presence of C60 and C70 fullerenes.
Investigation of the technological characteristics of Portland cement with CNM is important because of the high surface area of nanoparticles [5—7]. Aqueous suspensions of CNM obtained in the plasma unit (from 0.001 to 0.01% by weight) and the electric discharge unit (from 0.01 to 0.1%) were used to evaluate the effect of CNM on technological characteristics of Portland cement (PC). Introduction of CNM changes the technological properties of cement and the timing of its setting (Table 1).
Changing of slump flow with the introduction of nano-disperse additives is associated with the fact that the particles of CNM, like surfactants, have the ability to adsorb onto the surface of the cement grains and participate in the formation of the spatial structures coagulation [6—9]. Nanoparticles are oriented such that the polar hydroxyl group converted to a hydrating cement grain surface, and the functional groups — the water. Therefore relative movement of cement grains is facilitated, which improves the slump flow of the mixture.
It is found that in cement with CNM obtained in the plasma unit, at various concentrations, elongation of setting time occurs (initial setting to 5%, final setting — up to 22%).
научно-технический и производственный журнал ■' i ■ ■ , ■, Г i ' М-1 i liJ^
Таблица 2 Table 2
Расход материалов на 1 м3 бетона, кг Material consumption per 1 m3 of concrete, kg В/Ц W/PC Расслаиваемость по водоотделению, % Peelability for water separation, % Прочность при сжатии в возрасте, МПа Compressive strength at age, MPa
ПЦ PC Песок Sand Гранитные отсевы Granite screenings УНМ CNM 3 сут 3 days 28 сут 28 days
450 787 787 - 0,38 0,9 20 38
0,055 0,7 30 50
0,0055 0,6 27 43
500 750 750 - 0,38 0,8 24 40
0,055 0,7 33 55
0,0055 0,6 30 48
550 687 687 - 0,38 0,7 28 44
0,055 0,3 38 61
0,0055 0,5 34 51
Рис. 5. Микроснимки скола цементного камня (1000Х): контрольный состав в возрасте 3 сут (а) и 28 сут (с); ПЦ + УНМ в возрасте 3 сут (b) и 28 сут (d)
Fig. 5. Micrographs of cement stone (1000Х): control composition at age 3 days (a) and 28 days (c); PC + CNM at age 3 days (b) and 28 days (d)
структуры [5, 6, 10, 11]. Рентгенограммы продуктов гидратации ПЦ указывают на снижение интенсивности пиков портландита Са(ОН)2 (й/п = 0,489, 0,263, 0,193 нм и др.) при введении УНМ из плазменной установки по сравнению с контрольным составом.
По результатам рентгенофазового анализа зафиксировано повышение интенсивности пиков низкоосновных гидросиликатов кальция у образцов цемента с УНМ по сравнению с контрольным, что указывает на увеличение прочности цементного камня. Это связано с взаимодействием УНМ с гидратирующимися минералами цемента. Введение УНМ позволило дополнительно получить низкоосновные гидросиликаты кальция типа CSH (I), образование которых привело к улучшению физико-механических характеристик портландцемента.
Микроструктура образцов цементного камня при введении УНМ более плотная по сравнению с контрольным составом (рис. 5).
Simultaneously plasticity increases of the cement paste and its retentivity in time, which is important, for example, during long distance transportation of the concrete mix.
It is found that in cement with CNM obtained in the electric discharge unit, at various concentrations, elongation of setting time occurs (initial setting to 3%, final setting — up to 10%). The plasticity of the cement and retentivity in time also increase.
Particles of the additive obtained in the plasma unit, act on the cement system at low dosages as compared with the additive obtained in the electric discharge unit, in our opinion, with greater active particles due to the difference of the phase composition and structure.
Introduction of CNM obtained both in plasma and in the discharge unit results in a change of strength cement (Fig. 4). Both additives increase the compressive strength on various effects depending on their quantity.
Possible effects of the difference obtained by using two types of additives is due to the complex action mechanism of additives produced in discharge and plasma units. The passage of electric discharge in the slurry cake occurs electrophysical, electroosmotic and thermal influence on the cake particles and dispersion medium. While in the plasma unit cake particles are subjected to high temperature exposure of the plasma arc stream at which their activation, change in the phase composition of carbon contained therein. This is reflected in a variety of effects to the cement system.
Improving the physical and mechanical properties of the cement with CNM is due to a change in its phase composition and microstructure [5, 6, 10, 11]. XRD patterns of cement hydration products indicate a decrease peak intensities of portlandite Ca(OH)2 (d/n = 0.489, 0.263, 0.193 nm) compared with the control composition.
According to the results of XRD it is indicated the increasing of peak intensities of calcium hydrosilicates in cement samples with CNM compared with control composition. This is due to the interaction between CNM and hydrated cement minerals. Introduction of CNM has allowed to obtain an additional calcium hydrosilicates type CSH (I),
При подборе составов модифицированных мелкозернистых высокопрочных бетонов использован УНМ, полученный в плазменной установке, в оптимальной концентрации 0,01% от массы вяжущего и определены основные технологические, физико-механические и эксплуатационные свойства бетонной смеси и бетона (табл. 2).
Введение УНМ увеличивает прочность при сжатии бетона на 15—20% по сравнению с контрольным бездобавочным составом. Комплексное воздействие УНМ на разных этапах твердения бетона обеспечивает создание высокоплотной структуры, изменение характера пористости и улучшение гидрофизических и эксплуатационных показателей модифицированного бетона. При варьировании расхода вяжущего от 450 до 550 кг прочность бетонов выше после введения УНМ в количестве 0,01% от массы вяжущего.
Большое внимание уделяется в настоящее время не только исследованию физико-механических свойств бетона, но и его электротехническим характеристикам, разработке состава с заранее заданными электрическими характеристиками. Одним из направлений изменения электропроводящих свойств бетона является применение токопроводящих добавок — углеродная сажа и графит [12, 13]. В результате исследовательских работ был создан электропроводящий бетон, который назвали Бетэл. Этот материал может найти широкое применение для изготовления панелей стен и перекрытий, полов, кровель с внутренним водостоком, фундаментов опор линий ЛЭП. Ранее в работах авторов проводились исследования на влияние углеродных наноматериалов на изменение удельной электропроводности воды за-творения [14]. При различных концентрациях УНМ в воде было установлено, что введение УНМ значительно изменяет удельную электропроводность и водородный показатель. Учитывая, что введение УНМ приводит к изменению свойств воды, бетонной смеси и бетона, дальнейшим направлением исследований будет возможность получения и исследование бетона с заданными электрическими характеристиками.
В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
— в разработанных плазменной и электроразрядной установках происходят процессы образования УНМ, отличающихся размером частиц, фазовым составом и структурой;
— проведенные электронно-микроскопический и рентгенофазовый анализы доказывают комплексный механизм воздействия УНМ на структурообразование цемента, заключающийся в улучшении микроструктуры и фазового состава и соответственно в повышении их физико-механических свойств;
— введение УНМ приводит к улучшению физико-механических, гидрофизических и эксплуатационных свойств мелкозернистого бетона.
Работа выполнена в рамках базовой части государственного задания ВСГУТУ в сфере научной деятельности № 1341 по теме «Исследование и разработка энерго- и ресурсосберегающих технологий для объектов энергетики, стройиндустрии и жилищно-коммунального хозяйства».
Список литературы
1. Филенко В.В., Карпенко С.В., Николаенко К.В.
Разработка технологии повторного обогащения мелкозернистых отходов угольных шахт Западной
Сибири // Геолого-мтералог1чний в1сник. 2010. № 1—2.
С. 78-81.
2. Патент РФ № 2488984 Способ получения углеродных
наноматериалов с помощью энергии низкотемпера-
whose formation has led to improved physical and mechanical properties of Portland cement.
The microstructure of cement stone with CNM is more dense compared to the control composition (Fig. 5).
In the design of modified compositions of fine-grained high-strength concrete used CNM produced in the plasma unit in the optimum concentration of 0.01% by weight of the binder and the main technological, physical, mechanical and performance properties of concrete and concrete are defined (Table 2).
Introduction of CNM increases concrete compressive strength by 15—20% compared with a control composition. The combined effects of CNM at different stages of hardening concrete provides a high-density structure, the changing nature of the porosity and the improvement of hydro-physical and operating characteristics of the modified concrete. By varying the consumption of the binder 450 to 550 kg concrete strength increases after introduction of CNM in an amount of 0.01% by weight of binder.
Special attention is paid in the present study not only physico-mechanical properties of concrete, but also its electrical characteristics, development of the composition with predetermined electrical characteristics. One of the areas of conductive properties of the concrete changes is the use of conductive additives — graphite, carbon black, and [12, 13]. As a result of research works electrically conductive concrete was established, which was called "Betel". This material can be widely used for the production wall panels and ceilings, floors, roofs with internal drain, foundations of power transmission line supports. Earlier in the works of the authors conducted research on the impact of carbon nanomaterial to change the conductivity of the water mixing [14]. At different concentrations of CNM has been found that the introduction of CNM significantly changes the conductivity and pH of the water. Given that the introduction of CNM leads to changes in the properties of water, concrete mix and concrete direction of further research will be able to receive and study the concrete with the specified electrical characteristics.
As a result of the research, the following conclusions:
— in the developed plasma and discharge processes of units occur CNM differing in particle size, phase composition and structure;
— conducted electron microscopy and X-ray analysis proved a complex mechanism of action of CNM on the cement structure formation, is to improve the microstructure and phase composition and thus improve their physical and mechanical properties;
— the introduction of CNM leads to improved physical-mechanical, hydro-physical and performance properties of fine-grained concrete.
The work carried out as a part of the base government assignments in the sphere of scientific work №1341 on the topic "Research and development of energy-saving technologies for energy facilities, construction and housing and communal services" of East Siberia State University of Technology and Management.
References
1. Filenko V.V., Karpenko S.V., Nikolaenko K.V. Development of technology for re-enrichment of fine grain waste coal mines in Western Siberia. Geologo-mineralogichnii visnik. 2010. No. 1—2, pp. 78—81. (In Russian).
2. Patent RF 2488984 Sposob polucheniya uglerodnykh nanomaterialov s pomoshch'yu energii nizkotemperaturnoi plazmy i ustanovka dlya ego osushchestvleniya [A method for producing carbon nanomaterials using low-temperature plasma energy and the installation for its implemen-
турной 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.
3. Буянтуев С.Л., Кондратенко А.С., Хмелев А.Б. Особенности получения углеродных наноматериа-лов методом комплексной плазменной переработки углей // Вестник ВСГУТУ. 2013. № 3 (42). С. 21-25.
4. Buyantuev S.L., Khmelev A.B., Kondratenko A.S., Baldinova F.P. Investigation of properties of coal-water slurries produced by electric discharge methods // Известия высших учебных заведений. Физика. 2015. Т. 58. № 9-3. С. 7-10.
5. Коротких Д.Н., Артамонова О.В., Чернышов Е.М. О требованиях к наномодифицирующим добавкам для высокопрочных цементных бетонов // Нанотех-нологии в строительстве. 2009. № 2. С. 42-49.
6. 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.
7. Урханова Л.А., Лхасаранов С.А., Буянтуев С.Л. Кузнецова А.Ю. О влиянии углеродных наноматериалов на свойства цемента и бетона // Нанотехнологии в строительстве. 2016. Т. 8. № 5. С. 16-41. DOI: dx.doi. org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-16-41.
8. Толмачев С.Н., Беличенко Е.А. Особенности влияния углеродных наночастиц на реологические свойства цементного теста и технологические свойства мелкозернистых бетонов // Нанотехнологии в строительстве. 2014. Т. 6. № 5. С. 13-29.
9. Низина Т.А., Кочетков С.Н., Пономарев А.Н., Козеев А.А. Оценка эффективности влияния нано-модификаторов на прочностные и реологические характеристики цементных композитов в зависимости от вида пластифицирующих добавок // Региональная архитектура и строительство. 2013. № 1. С. 43-49.
10. Яковлев Г.И., Первушин Г.Н., Корженко А. Бурьянов А.Ф., Керене Я., Маева И.С., Хазеев Д.Р., Пудов И.А., Сеньков С.А. Применение дисперсий многослойных углеродных нанотрубок при производстве силикатного газобетона автоклавного твердения // Строительные материалы. 2013. № 2. С. 25-29.
11. Яковлев Г.И., Первушин Г.Н., Керене Я., Полянских И.С., Пудов И.А., Хазеев Д.Р., Сеньков С.А. Комплексная добавка на основе углеродных нано-трубок и микрокремнезема для модификации газосиликата автоклавного твердения // Строительные материалы. 2014. № 1-2. С. 3-7.
12. Лопанов А.Н., Семейкин А.Ю., Фанина Е.А. Реология электропроводящих цементных паст и дисперсий графита // Цемент и его применение. 2009. № 5. С. 110-112.
13. Семейкин А.Ю., Гузеева О.Н. Эколого-гигиени-ческие аспекты использования инновационных систем регулирования микроклимата на основе низкотемпературных нагревательных элементов // Сборник трудов международной конференции «Наукоемкие технологии и инновации». 2014. Белгород. С. 260-263.
14. Урханова Л.А., Буянтуев С.Л., Лхасаранов С.А., Кондратенко А.С. Получение строительных материалов с новыми свойствами при добавлении фулле-ренсодержащих углеродных материалов // Сборник трудов международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в науке и образовании». 2011. Улан-Удэ. С. 59-62.
tation]. Buyantuev S.L., Kondratenko A.S., Damdi-nov B.B. Declared 22.02.2011. Published 27.07.2013. Bulletin No. 21. (In Russian).
3. Buyantuev S.L., Kondratenko A.S., Khmelev A.B. Peculiarities of carbon nanomaterials by plasma integrated coal processing. Vestnik VSGUTU. 2013. No. 3 (42), pp. 21-25. (In Russian).
4. Buyantuev S.L., Khmelev A.B., Kondratenko A.S., Baldinova F.P. Investigation of properties of coal-water slurries produced by electric discharge methods. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Fizika. 2015. Vol. 58. No. 9-3, pp. 7-10. (In Russian).
5. Korotkikh D.N., Artamonova O.V., Chernyshov E.M. On the requirements for nanomodifying additives for high-strength cement concrete. Nanotekhnologii v stroitel'stve: scientific Internet-journal. 2009. No. 2. pp. 42-49. http://www.nanobuild.ru/magazine/nb/ Nanobuild_2_2009.pdf (Date of access 19.01.17). (In Russian).
6. Pukharenko Yu.V., Aubakirova I.U., Nikitin V.A., Staroverov V.D. Structure and properties of nano-modi-fied cement systems. International Congress «Science and Innovation in Construction «SIB-2008». Modern problems of building materials and technologies. Voronezh. 2008. Vol. 1. Book. 2, pp. 424-429. (In Russian).
7. Urkhanova L.A., Lkhasaranov S.A., Buyantuev S.L., Kuznetsova A.Yu. About the influence of carbon nano-materials on the properties of cement and concrete. Nanotehnologii v stroitel'stve: scientific Internet-journal. 2016. Vol. 8, No. 5, pp. 16-41. DOI: dx.doi. org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-16-41.
8. Tolmachev S.N., Belichenko E.A. Features carbon nanoparticles influence on the rheological properties of the cement paste and technological properties of finegrained concrete. Nanotekhnologii v stroitel'stve: scientific Internet-journal. 2014. Vol. 6, No. 5. pp. 13-29. http:// www.nanobuild.ru/magazine/nb/Nanobuild_5_2014. pdf (date of access 19.01.17). (In Russian).
9. Nizina T.A., Kochetkov S.N., Ponomarev A.N., Kozeev A.A. Assessment of the effectiveness nanomodi-fiers influence on the strength and flow characteristics of cement composites, depending on the type of plasticizing additives. Regional'naya arkhitektura i stroitel'stvo. 2013. No. 1. pp. 43-49. (In Russian).
10. Yakovlev G.I., Pervushin G.N., Korzhenko A., Burya-nov A.F., Kerene Ya., Maeva I.S., Khaseev D.R., Pudov I.A., Senkov S.A. Applying multi-walled carbon nanotubes dispersions in producing autoclaved silicate cellular concrete. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2013. No. 2, pp. 25-29. (In Russian).
11. Yakovlev G.I., Pervushin G.N., Kerene Ya., Polyans-kih I.S., Pudov I.A., Khaseev D.R., Senkov S.A. Complex additive based on carbon nanotubes and silica fume for modifying autoclaved aerated gas silicate. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2014. № 1-2, pp. 3-7 (In Russian).
12. Lopanov A.N., Semeykin A.Yu., Fanina E.A. Rheology conductive cement pastes and dispersions of graphite. Tsement i ego primenenie. 2009. No. 5, pp. 110-112. (In Russian).
13. Semeykin A.Yu., Guzeeva O.N. Environmental and hygienic aspects of the use of innovative climate control systems based on low-temperature heating elements. High technology and innovation: Papers of International Conference. Belgorod. 2014, pp. 260-263. (In Russian).
14. Urkhanova L.A., Buyantuev S.L., Lkhasaranov S.A., Kondratenko A.S. Production of building materials with new properties by the addition of fullerene-containing carbon materials. Innovative Technologies in Science and Education: Paper of Scientific Conference. Ulan-Ude. 2011, pp. 59-62. (In Russian).
