CC BY
60
http://vestnik-nauki.ru/
2016, Т 2, №4
УДК 66.011
О РЕЗУЛЬТАТАХ ДИССЕРТАЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ НАНОТЕХНОЛОГИЙ И НАНОМАТЕРИАЛОВ
Л.А. Иванов
RESULTS OF THE THESES RESEARCH IN THE AREA OF NANOTECHNOLOGIES
AND NANOMATERIALS
L.A. Ivanov
Аннотация. С целью популяризации научных достижений в реферативной форме публикуются основные результаты исследований российских и зарубежных ученых в области нанотехнологий и наноматериалов. По направлению «Повышение долговечности базальтофибробетона наноструктурными добавками» проведены исследования, которые показали, что взаимодействие высокоактивного метакаолина с продуктами гидратации портландцемента приводит к формированию на поверхности базальтового волокна гидроалюмосиликатов кальция, снижающих негативное влияние Ca(OH)2 на коррозионную стойкость волокна. Совместное введение метакаолина и многослойных углеродных нанотрубок способствует направленному изменению структуры и состава новообразований цементной матрицы в БФБ, обеспечивая улучшение эксплуатационных характеристик композита, и, в том числе, повышение его долговечности. Для специалистов также представляют интерес результаты следующих исследований: «Нанодисперсные добавки фотокаталитического и структурирующего действия для композиционных отделочных материалов», «Мелкозернистый базальтофибробетон с нанокремнеземом», «Синтез и свойства нанокремния, стабилизированного лигандами», «Золь-гель синтез композитных наночастиц на основе оксидов алюминия, церия и циркония», «Наномодифицированное композиционное вяжущее для специальных строительных растворов», «Разработка новых типов функциональных наноматериалов на основе гибридных соединений диоксида титана с целлюлозой» и др.
Ключевые слова: наноструктурные добавки; базальтофибробетон; нанодисперсные добавки; наномодифицированное композиционное вяжущее; нанокомпозитные материалы.
Abstract. To popularize scientific achievements the main results of Russian and foreign scientists' research in the area of nanotechnologies and nanomaterials are published in the form of abstract. The research «Increased durability of basalt fiber concrete by means of nanostructured additives» shows that interaction between high active metakaolin with the hydration products of Portland cement results in formation of calcium hydroaluminosilicates on the surface of basalt fiber, that decreases negative impact of Ca(OH)2 on the corrosion resistance of the fiber. The joint introduction of metakaolin and multilayer carbon nanotubes favours directional change of structure and content of cement matrix in basalt fiber concrete, thus improving operational characteristics of composite and increasing its durability. The specialists may be also be interested in the following research: «Nanodispersed photocatalytic and structuring additives for composite finishing materials», «Fine grained basalt fiber concrete with nanosilica», «Synthesis and properties of silica stabilized by ligands», «Sol-gel synthesis of composite particles on the basis of aluminium, cerium and zirconium oxides», «Nanomodified composite binder for special building mortars», «Development of new types of functional nanomaterials based on hybrid connections between titanium dioxide and cellulose» etc.
Key words: nanostructured additives; basalt fiber concrete; nanodispersed additives; nanomodified composite binder; nanocomposite materials.
http://vestnik-nauki.ru/
2016, Т 2, №4
Введение
На сегодняшний день мелкозернистые бетоны находят все большее применение в строительстве. Однако, за счет высокого содержания цементного камня и, потому, повышенной контракции, мелкозернистые бетоны отличаются большими значениями усадочных напряжений, малой жесткостью скелета, повышенной пористостью и, как следствие, низкими показателями долговечности. Одним из вариантов решения этих проблем является армирование стальной арматурой в виде отдельных стержней и сеток. В настоящее время традиционные способы армирования не отвечают в полной мере современным эксплуатационным и экономическим требованиям при изготовлении тонкостенных, арочных и других конструкций сложной конфигурации. Альтернативой в данном случае может являться дисперсное армирование бетонов неметаллическими волокнами, например базальтовыми [1].
Повышение долговечности базальтофибробетона наноструктурными добавками
Несмотря на большое количество исследований, проводимых отечественными и зарубежными учеными, подтверждающих перспективность использования базальтовых волокон для дисперсного армирования бетонов, массовое применение базальтофибробе-тонов (БФБ) сдерживается недостаточной изученностью их долговечности в различных эксплуатационных средах. Это обусловлено, в первую очередь, неоднозначностью результатов исследований стойкости базальтового волокна в цементных средах.
Исследованиями И.В. Боровских, Н.Г. Василовской, И.Г. Калугина и др. установлено, что взаимодействие цементной системы с аморфной фазой базальтовой фибры не оказывает существенного влияния на ее армирующие свойства, прочность БФБ с течением времени снижается незначительно. По мнению других авторов (М.С. Асланова, В.Б. Бабаев, Л.А. Урханова, Jongsung Sim и др.) базальтовые волокна разрушаются в щелочной среде цементного камня и, следовательно, как армирующий элемент структуры перестают работать. Связывают это с разрушением кремнекислородного каркаса волокна под действием гидроксида кальция твердеющего цемента.
Противоречивость результатов исследований может быть связана с использованием различных методик при изучении данного вопроса, отличием в химических составах базальтовых волокон и типах применяемых цементов. К тому же, ситуация осложняется тем, что процесс формирования новообразований на поверхности базальтового волокна при его взаимодействии с цементной матрицей в бетоне имеет неуправляемый характер.
Степень разработанности
В настоящее время разрабатываются различные методы защиты волокна от разрушения в щелочной среде. При этом большинство из них весьма трудоемки и сложны в исполнении, что влечет за собой снижение технологичности производства базальтового волокна и технико-экономической целесообразности его применения в бетонах. Менее затратным представляется способ снижения щелочности цементной среды введением добавок различной природы и дисперсности. Однако, при таком способе встает вопрос управления структурообразованием продуктов взаимодействия базальтового волокна с цементной матрицей.
Направленное структурообразование цементных систем может быть обеспечено введением наноструктурирующих компонентов, что подтверждается исследованиями А.Н. Пономарева, Г.И. Яковлева, Simone Musso, Monica J. Hanus и др. Однако эффект их воздействия на структуру цементной матрицы БФБ, в особенности, в зоне контакта с базальтовым волокном на сегодняшний день изучен недостаточно.
Работами, выполненными ранее, обоснована целесообразность применения нано-структурных добавок для улучшения свойств различных матриц, однако их использование с целью защиты базальтового волокна от разрушения в щелочной цементной среде БФБ и
http://vestnik-nauki.ru/
2016, Т 2, №4
создания условий для управления структурообразованием в контактной зоне «базальтовое волокно - цементная матрица» не рассматривалось.
Цель работы - повышение долговечности базальто-фибробетона путем защиты армирующего волокна от щелочной деструкции в цементных матрицах за счет изменения минералогического состава и морфологии новообразований на поверхности волокна.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Разработка методики изучения стойкости базальтовых волокон к воздействию цементной среды.
Обоснование выбора наноструктурных модификаторов, обеспечивающих повышение долговечности базальтофибробетона.
Исследование физико-химических процессов взаимодействия различных базальтовых волокон с цементами I и II группы эффективности при пропаривании.
Изучение влияние наноструктурных добавок на физико-механические характеристики базальтофибробетона и определение особенностей его структурообразования.
Исследование совместного влияния наноструктурных модификаторов на эксплуатационные характеристики базальтофибробетона и его долговечность.
Научная новизна
Установлено, что в результате коррозионных процессов, происходящих с базальтовым волокном при его контакте с цементным камнем, образуются гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроферриты кальция тетрагональной сингонии короткопризматического псевдокубического габитуса. При этом симметрия кристаллитов новообразований, формирующихся на поверхности базальтового волокна при прямом контакте с цементной средой, зависит от содержания в волокне переходных и редкоземельных элементов с большим числом валентных электронов.
Показано, что введение многослойных углеродных нанотрубок в базальтофибробе-тонную смесь способствует изменению основности и морфологии новообразований продуктов взаимодействия армирующих волокон и цемента на поверхности базальтовых волокон.
Установлено, что введение метакаолина в базальтофибробетон обеспечивает связывание свободного гидроксида кальция цементной среды в гидроалюмосиликаты кальция, формирующиеся на поверхности базальтового волокна, которые «встраиваются» в цементный камень и, обладая малой растворимостью, способствуют защите базальтового волокна от щелочной коррозии.
Разработанная комплексная модификация БФБ наноструктурными добавками обеспечивает повышение его долговечности, обусловленное защитой базальтового волокна от щелочной коррозии за счет снижения щелочности среды при введении метака-олина, уплотнения контактной зоны «базальтовое волокно - цементный камень» и управления структурообразованием новообразований в цементной матрице по поверхности базальтового волокна при одновременном введении многослойных углеродных нанотрубок.
Теоретическая и практическая значимость работы
Разработана и апробирована новая методика пробоподготовки для изучения процесса взаимодействия базальтового волокна непосредственно в цементной среде с использованием образцов-вкладышей, позволившая проследить за изменениями базальтового волокна при прямом контакте с цементной средой и исследовать продукты их взаимодействия.
Установлено, что взаимодействие высокоактивного метакаолина с продуктами гидратации портландцемента приводит к формированию на поверхности базальтового волокна гидроалюмосиликатов кальция, снижающих негативное влияние Са(ОН)2 на коррозионную стойкость волокна. Совместное введение метакаолина и многослойных
http://vestnik-nauki.ru/
2016, Т 2, №4
углеродных нанотрубок способствует направленному изменению структуры и состава новообразований цементной матрицы в БФБ, обеспечивая улучшение эксплуатационных характеристик композита, и, в том числе, повышение его долговечности.
Показано, что введение в состав БФБ метакаолина в количестве 3% и многослойных углеродных нанотрубок в количестве 0,005% от массы цемента обеспечивает увеличение прочности БФБ на растяжение при изгибе и на сжатие до 25% и 45% относительно контрольного цементно-песчаного раствора соответственно, снижение водопо-глощения более чем на 30%, повышение марки по водонепроницаемости с W4 до W10, морозостойкости до Б150 относительно немодифицированного БФБ.
Полученные научные и практические результаты работы применяются в учебном процессе кафедры «Строительный инжиниринг и материаловедение» ФГБОУ ВПО ПНИПУ в курсах дисциплин «Технология бетона, строительных изделий и конструкций», «Комплексная диагностика структуры и свойств материалов». Подписаны протоколы о намерениях по внедрению результатов исследований с ОАО «Завод железобетонных и строительных конструкций № 1»; ООО «Завод ЖБК «Сатурн-Р»; ООО «Альянс».
Для специалистов также представляют интерес результаты следующих исследований:
Постникова О.А. «Нанодисперсные добавки фотокаталитического и структурирующего действия для композиционных отделочных материалов» [2];
Розина В.Е. «Мелкозернистый базальтофибробетон с нанокремнеземом» [3];
Захаров В.Н. «Синтез и свойства нанокремния, стабилизированного лигандами» [4];
Хрущёва А.А. «Золь-гель синтез композитных наночастиц на основе оксидов алюминия, церия и циркония» [5];
Сатюков А.Б. «Наномодифицированное композиционное вяжущее для специальных строительных растворов» [6];
Галкина О.Л. «Разработка новых типов функциональных наноматериалов на основе гибридных соединений диоксида титана с целлюлозой» [7];
Акимов А.В. «Разработка ячеистого дисперсно-армированного бетона автоклавного твердения модифицированного активными минеральными добавками» [8];
Гордина А.Ф. «Композиционные материалы на основе сульфата кальция с дисперсными модификаторами» [9];
Подгорный И.И. Материалы автоклавного твердения с использованием наноструктурированного модификатора на основе магматических пород кислого состава
Белова Т.К. «Цементно-песчаный раствор, армированный модифицированной базальтовой микрофиброй, для устройства монолитных полов» [11];
Елсуфьева М.С. «Расширяющийся сталефибробетон повышенной трещиностойкости»
Войциховская С.А. «Влияние стабилизирующей полимерной матрицы на размер, состав и магнитные свойства наночастиц кобальта» [13];
Петрунин С.Ю. «Повышение прочности бетона углеродными нанотрубками с применением гидродинамической кавитации» [14];
А.А. Хайдер С Мохаммед «Структура, электрические и магнитные свойства многослойных пленок нанокомпозит-нанокомпозит» [15];
Вилков О.Ю. «Электронная структура нанокомпозитных материалов на основе графена» [16];
Алтынник Н.И. «Газобетон автоклавного твердения с использованием наноструктурированного модификатора» [17];
Дитенберг И. А. «Неравновесные структурные состояния и кооперативные механизмы деформации в наноструктурных металлических материалах» [18];
[10];
[12];
Вестник науки и образования Северо-Запада России
http://vestnik-nauki.ru/ -------
2016, Т. 2, №4
Жегера К.В. «Разработка клеевой сухой строительной смеси с применением добавки на основе аморфных алюмосиликатов» [19];
Жуков А.З. «Жаростойкие и огнезащитные фиброармированные композиты с применением вулканических горных пород» [20].
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Сарайкина К. А. Повышение долговечности базальтофибробетона наноструктурными добавками: автореф. дис. канд. техн. наук. - Электронная библиотека диссертаций [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://dslib.net (дата обращения: 14.06.2016).
2. Постникова О. А. Нанодисперсные добавки фотокаталитического и структурирующего действия для композиционных отделочных материалов: автореф. дис. канд. техн. наук. - Электронная библиотека диссертаций [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://dslib.net (дата обращения: 14.06.2016).
3. Карпов А.И. Диссертационные исследования в области нанотехнологий и наноматериалов: научная новизна и практическая значимость. Часть 2 // Нанотехнологии в строительстве. 2016. Том 8, № 2. С. 82-103. DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-2-82-103.
4. Захаров В.Н. Синтез и свойства нанокремния, стабилизированного лигандами: автореф. дис. канд. хим. наук. - Электронная библиотека диссертаций [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://dslib.net (дата обращения: 14.06.2016).
5. Хрущёва А.А. Золь-гель синтез композитных наночастиц на основе оксидов алюминия, церия и циркония: Автореф. дис. канд. хим. наук. - Электронная библиотека диссертаций [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://dslib.net (дата обращения: 14.06.2016).
6. Карпов А.И. Диссертационные исследования в области нанотехнологий и наноматериалов: научная новизна и практическая значимость. Часть 1 // Нанотехнологии в строительстве. 2016. Том 8, № 1. С. 127-146. DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-1-127-146.
7. Галкина О.Л. Разработка новых типов функциональных наноматериалов на основе гибридных соединений диоксида титана с целлюлозой: автореф. дис. канд. хим. наук. -Электронная библиотека диссертаций [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://dslib.net (дата обращения: 14.06.2016).
8. Акимов А.В. Разработка ячеистого дисперсно-армированного бетона автоклавного твердения модифицированного активными минеральными добавками: автореф. дис. канд. техн. наук. - Электронная библиотека диссертаций [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://dslib.net (дата обращения: 14.06.2016).
9. Гордина А.Ф. Композиционные материалы на основе сульфата кальция с дисперсными модификаторами: автореф. дис. канд. техн. наук. - Электронная библиотека диссертаций [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://dslib.net (дата обращения: 14.06.2016).
10. Карпов А. И. Обзор результатов диссертационных исследований в области нанотехнологий и наноматериалов. Часть 4 // Нанотехнологии в строительстве. 2015. Том 7, № 5. С. 102-122. DOI: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2015-7-5-102-122.
11. Белова Т.К. Цементно-песчаный раствор, армированный модифицированной базальтовой микрофиброй, для устройства монолитных полов: автореф. дис. канд. техн. наук. - Электронная библиотека диссертаций [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://dslib.net (дата обращения: 14.06.2016).
Вестник науки и образования Северо-Запада России
http://vestnik-nauki.ru/ -------
2016, Т. 2, №4
12. Елсуфьева М.С. Расширяющийся сталефибробетон повышенной трещиностойкости: автореф. дис. канд. техн. наук. - Электронная библиотека диссертаций [электронный ресурс]. Режим доступа: http://dslib.net (дата обращения: 14.06.2016).
13. Войциховская С. А. Влияние стабилизирующей полимерной матрицы на размер, состав и магнитные свойства наночастиц кобальта: автореф. дис. канд. хим. наук. -Электронная библиотека диссертаций [электронный ресурс]. Режим доступа: http://dslib.net (дата обращения: 14.06.2016).
14. Карпов А.И. Обзор результатов диссертационных исследований в области нанотехнологий и наноматериалов. Часть 3 // Нанотехнологии в строительстве,2015. - Т.7, № 4. - С. 96-114. - Б01: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2015-7-4-96-114.
15. А.А. Хайдер С. Мохаммед. Структура, электрические и магнитные свойства многослойных пленок нанокомпозит-нанокомпозит: автореф. дис. канд. физ.-мат. наук. -Электронная библиотека диссертаций [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://dslib.net (дата обращения: 14.06.2016).
16. Вилков О.Ю. Электронная структура нанокомпозитных материалов на основе графена: автореф. дис. канд. физ.-мат. наук. - Электронная библиотека диссертаций [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://dslib.net (дата обращения: 14.06.2016).
17. Карпов А.И. Обзор результатов диссертационных исследований в области нанотехнологий и наноматериалов. Часть 2 // Нанотехнологии в строительстве. 2015. Том 7, № 2. С. 127-138. Б01: dx.doi.org/10.15828/2075-8545-2015-7-2-127-138.
18. Дитенберг И.А. Неравновесные структурные состояния и кооперативные механизмы деформации в наноструктурных металлических материалах: автореф. дис. доктора физ.-мат. наук. - Электронная библиотека диссертаций [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://dslib.net (дата обращения: 14.06.2016).
19. Жегера К.В. Разработка клеевой сухой строительной смеси с применением добавки на основе аморфных алюмосиликатов: автореф. дис. канд. техн. наук. - Электронная библиотека диссертаций [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://dslib.net (дата обращения: 14.06.2016).
20. Жуков А.З. Жаростойкие и огнезащитные фиброармированные композиты с применением вулканических горных пород: автореф. дис. канд. техн. наук. - Электронная библиотека диссертаций [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://dslib.net (дата обращения: 14.06.2016).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Иванов Леонид Алексеевич Международная инженерная академия, вице-президент, канд. техн. наук, член Международной федерации журналистов e-mail: [email protected]
Ivanov Leonid Alexeevich International Academy of Engineering, Vice President, Ph.D. in Engineering, Member of the International Federation of Journalists e-mail: [email protected]
Корреспондентский почтовый адрес и телефон для контактов с автором статьи: 125009, г. Москва, Газетный пер., д. 9, стр. 4, Иванов Л. А. 8 (495) 629-20-52
