CC BY
52
шения качества и эффективности функционирования СВВ показал, что существует обобщённый сценарий решения этих проблем, который включает в себя два взаимосвязанных этапа:
-оптимальное управление развитием и функционированием СВВ в современных условиях риска и неопределенности, обеспечивающие целенаправленный переход к многоуровневому зонированию водораспределительных сетей, снижению избыточных напоров и, как следствие, повышение надёжности и устойчивости СВВ, снижению прямых потерь питьевой воды;
-переход на новые многоэтапные технологии водо-подготовки, обеспечивающие подготовку питьевой воды, отвечающей наивысшим мировым стандартам и обеспечивающей условия перехода процесса поставки питьевой воды из категории оказания услуг в категорию поставки товара отнесённого к продуктам питания [4].
Литература
1. Акофф Р. Искусство решения проблем: Пер. с англ. — М.: Мир, 1982. — 224 с.
2. Саати Т. Принятие решений. Метод анализа иерархий: Пер. с англ. — М.: Радио и связь, 1993. — 320 с.
3. Тевяшев А.Д., Коринько И.В., Есилевский В.С., Долго-брод А.Г., Кобылинский К.В., Ярошенко Ю.В., Ники-тенко Г.В. Прогрессивные информационные ресурсосберегающие и экологически безопасные технологии в системах водоотведения Восточно-европейский журнал передовых технологий, 2005, №2(14), с. 50-61
4. Петросов В.А. Устойчивость водоснабжения, Харьков, Из-
дательский дом «Фактор», 2007. - 357с.
5. Трубопроводные системы энергетики. Развитие теории
и методов математического моделирования. - Новосибирск, «Наука», 2008г. - 311с.
-□ □-
Приведет результати експерименталь-ного дослидження по ц^еспрямованому управлтню економiчними, технологiчни-ми i физико-мехашчними властивостями цементобетотв за рахунок використання певного класу наномодифiкаторiв
Ключовi слова: управлтня, цементобе-
тони, наномодифшатори
□-□
Приведены результаты экспериментального исследования по целенаправленному управлению экономическими, технологическими и физико-механическими свойствами цементобетонов за счет использования определенного класса наномодификаторов
Ключевые слова: управление, цементобетоны, наномодификаторы
□-□
In work the results of experimental research are resulted on a purposeful management economic, technological, physical and mechanical properties of tsementobetons due to the use of certain class of nanomodifiers
Keywords: management, tsementobetons,
nanomodifiers -□ □-
УДК 629.104
О ВОЗМОЖНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ СВОЙСТВАМИ ЦЕМЕНТОБЕТОНОВ С ПОМОЩЬЮ НАНО-МОДИФИКАТОРОВ
А.Д. Тевяшев
Доктор технических наук, профессор, заведующий
кафедрой
Кафедра прикладной математики Харьковский национальный университет радиоэлектроники пр. Ленина, 14, г. Харьков, 61166 Контактный тел.: 8 (057) 702-14-36 Е-mail: tevjshev@kture.kharkov.ua Е.С. Шитиков Кандидат химических наук ООО «Полигран» г. Москва
Контактный тел.: 8 (107-495) 357-78-43 Е-mail: esh 45@mail.ru
1. Введение
В последние годы во всем мире все большее внимание уделяется нанотехнологиям, в том числе тех-
нологиям с использованием ультрадисперсных (нано) материалов, и ведется широкий и активный поиск областей их применения в самых различных отраслях промышленности.
у5
Так, в работе [1] показано, что добавление наноча-стиц смеси окислов кремния и железа в тампонажные цементные растворы позволяет повысить прочность бетона на 30-50%.
В работе [2] представлены результаты успешного применения в производстве пено- и газобетонных блоков в качестве наномодификаторов так называемых астраленов - многослойных полиэдральных каркасных конструкций из углеродных атомов, что обеспечило увеличение прочности стандартных блоков на 16-18% (при снижении их плотности на 8-10%) и сокращение производственного цикла. Отмечается, что высокая термодинамическая устойчивость и анизотропия большинства фуллероидов (к классу которых принадлежат и астралены) определяют одноосную или двухосную анизотропию свойств, в том числе их способность в определенных условиях превращаться в аномально большие диполи, дипольные моменты которых на порядки выше дипольных моментов всех известных полярных молекул (в том числе и воды), и эта способность является фактором ускорения процессов, происходящих в пограничных слоях частиц цемента - гидратации и образования новых структур цементного камня.
Цель данной работы - показать на конкретных примерах возможность использования ультрадисперсных (нано) добавок как средства управления строительно-техническими свойствами «тяжелых» цементобетонов
2. Анализ результатов экспериментальных исследований изменения свойств цементобетонов при использовании наномодификаторов
В качестве наномодификаторов бетонов в проведенных исследованиях использовались следующие ультрадисперсные частицы:
1) «наноалмазы», частицы из атомов углерода размером до 150 нм, имеющие структуру алмазов, в виде 5%-ного водного золя;
2) порошки окислов металлов Т^ А1, Са, Mg , кремния и металлов W, Со - с размером частиц 10-50 нм.
Для приготовления бетонных смесей использовались следующие материалы:
• цементы марки ПЦ 500 До-Н, производства Новороссийского (удельная поверхность Syfl=270 м2/кг), Вольского (Syfl=240 м2/кг), Белгородского (Syfl=210 м2/кг), Горнозаводского (S^=170 м2/кг) и Донецкого (S^=220 м2/кг) цементных заводов;
• песок кварцевый ("Орешкинский"), Мкр2,5;
• щебень гранитный ("Овручевский"), фр.5-20 мм;
• пластификаторы бетонов - суперпластификатор С-3, лигносульфонатный пластификатор ЛСТ, поли-карбоксилатный гиперпластфикатор Visko, Crete 5N (фирмы SIKA, Австрия).
Было проведено три серии опытов.
В первой серии опытов, проводившихся на системе «цемент-вода» (например, тампонажные или инъекционные растворы), изучалось влияние количества вводимых наномодификаторов (по отношении к количеству цемента) на эффект изменения прочности таких бетонов. Опыты проводились при водоцементном отношении В/Ц=0,4-0,64 на Вольском цементе.
Первое, что следует отметить, это наличие вполне ощутимого водоредуцирующего эффекта - 3-6% и даже иногда - 10%. Второе - при применении пластификаторов бетона наибольший эффект наномодификации бетонов проявлялся с поликарбоксилатным гиперпластификатором. Третье - с ростом концентрации наномодификаторов изменение прочности бетонов имеет немонотонный характер. На рис.1 представлены типичные зависимости прироста прочности на сжатие (в 28-суточном возрасте) от концентрации наномате-риалов.
Максимумы прочности чередуются с минимумами, причем эти минимумы бывают даже ниже прочности исходного ненаномодифицированного (контрольного) бетона. Первый максимум прироста прочности соответствует концентрациям 0,0007-0,0014%, второй максимум приходится на концентрации 0,004-007%. Далее характер изменения прочности от концентрации начинает зависеть от вида (природы) наномате-риала. Вид и концентрация наномодификатора оказывают существенное влияние и на плотность бетонов,
50
40
30
20
10
s -10
■>—1-наночастицы оксида алюминия, AI203 — -3-наночастицы вольфрама^ -а—2-наночастицы смеси окислов А1,Са,Мд ■--*■--4-наночастицы углерода,С:("золь:|)
/ ,1ч \
t Ж ■/ и Л к ч Ц. :
: f "Ч л ч \ N ч Ч ' щ
/ \ % \ 'я. _ - 1 " 'Ч. - Г- « If ЭПЦ1 ЩЩ! JH3H □ час .. - — тац :с), щ
DU0 ОД1 ш к J40 0,0 КГ 0,0 во 0,0 100 0,0
Рис. 1. Изменение прочности бетонов на сжатие в 28-суточном возрасте в зависимости от концентрации ультрадисперсных (нано) частиц по сравнению с бездобавочным бетоном
но не всегда снижение плотности сопровождается бетонов), как следует из результатов, представленных снижением прочности (что характерно для обычных в табл. 1.
Вид наномодификатора Концентрация Относительное Относительное
В/Ц наномодификатора, в изменение плотности бетона, изменение прочности бетона при
% к цементу в % к плотности бетона без сжатии (в 28 сут. возрасте), в % к
добавок проч-ности бетона без добавок
окись аммония 0,004 - 5 - 20
золь «нано-алмазов»
0,005 -1,5 + 9
0,40 окись 0,008 0 0
кремния
0,008 + 1,5 + 32
0,040 - 3,2 + 38
0,160 + 1,1 + 31
композиция окислов:
алюминия, 0,005 + 2 + 25
кальция,
магния, 0,008 - 3 + 12
0,50 кремния
окись
аллюминия 0,005 + 7 + 7
окись
алюминия 0,007 - 4 - 6
золь «нано-алмазов»
0,010 - 1,5 + 30
0,64 композиция окислов:
алюминия,
кальция, магния,
кремния 0,010 0 + 35
Таким образом, использование различного вида наномодификаторов дает широкие возможности для управления свойствами систем «цемент-вода».
Во второй и третьей серии опытов использовались ультрадисперсные «наноалмазы» в виде водного золя.
Вторая серия опытов проводилась на системе «цемент-песок-вода»: мелкозернистые бетоны (МЗБ) - при соотношении количества песка и цемента П:Ц =1,5:1
и водоцементном отношении В:Ц = 0,4:0,5. Для таких систем первый максимум эффекта повышения прочности сдвинулся в область больших концентраций на-номодификаторов - 0,002-0,006%.
В качестве пластификатора бетона применялся суперпластификатор С-3. Типичные зависимости изменения прочности образцов мелкозернистых бетонов при сжатии за время твердения 28 суток приведены на рис. 2 и 3.
100 ЭО 80 70 60 50 40 30 20 10
- - - — 1
1- г-V' --
__ ¿с
/ -
г
/ ,7 //
1 МЗБ без добавок Я добавка "золь", 0.002%Ц
/ •А У/ - -Ьг- 3 - добавка С-3=0,5%Ц --#--4 - добавкаС-3=0,5%Ц + "зо.пь"=0,002%
1 Вре ля т ¡йрд ени! 1су
10
15
20
25
Рис. 2. Зависимость прочности от времени твердения при сжатии образцов мелкозернистых бетонов. (Цемент Новороссийский ПЦ 500ДО-Н, удельная поверхность Syд=270м2/кг; П:Ц = 1,5:1)
Анализ зависимостей (Рис. 2, 3) показывает, что для менее активного цемента ^уд=170 м2/кг) применение наномодификатора обеспечивает превышение
прочности на 71%, по сравнению с прочностью бездобавочного бетона, а для более активного ^уд=270 м2/кг) это превышение составляет только 47%.
-----
- —'Ч 1
■ __ —■
{ -- - - -> г --
/ * ----
У /у
Г 1 мз =1 5е до заво к — ■й— 2 - 1оба вка С-3= 0,5°У 0Ц- - - Х- -3- доб авк: Щ (- "зо ль"— 0,01 2%';
> X- 1 реи ц ТВ1 ния, сут.
О 5 Щ 15 20 25 30
Рис. 3. Зависимость прочности от времени твердения при сжатии образцов мелкозернистых бетонов. (Цемент Горнозаводский ПЦ 500ДО-Н, удельная поверхность Syд=170м2/кг; П:Ц = 1,5:1)
В последующих экспериментах третьей серии (на тяжелых бетонах) количество применявшихся нано-модифицирующих частиц («наноалмазов») также на-
ходилось в вышеуказанном диапазоне концентраций - 0,002-0,006% от массы цемента.
% -
- ' ■ — — < — — — -< - - — —-
—♦—ненаномодифицированный бетон —о—наномодифицированный бетон
Е рег. Я 0 ■ на чал а за гво >ен1 1Я, 1 1ас.
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
Рис. 4. Зависимость величины изменения подвижности (в см осадки стандартного конуса) бетонной смеси от времени
начала затворения её водой (Цемент Донецкий ПЦ 500ДО-Н, удельная поверхность Syд.=220м2/кг)
Опыты третьей серии проводились с цементами ского, Вольского и Донецкого цементных заводов. С средней (обычной) активности с удельной поверх- Донецким цементом проводились замесы бетонных ностью от Sуд=210 м2/кг до 240 м2/кг - Белгород- смесей с содержанием цемента 405 кг/м3 бетона,
песка - 703 кг/м3 и щебня - 1079 кг/м3. На рис.4 представлены результаты измерений осадки стандартного конуса (ОК) в течение 4 часов от начала затворе-ния сухой смеси водой.
На рис. 5 представлены результаты определения прочности образцов бетонов при сжатии в течение времени твердения (за 28 суток).
В качестве пластификатора использовалась комплексная добавка (С-3 + ЛСТ). С Вольским цементом проводились замесы бетонных смесей с содержанием цемента 450 кг/м3 бетона и соотношением цемента, песка и щебня 1:1,7:2,4 при начальной подвижности
16-18 см осадки стандартного конуса. Использовался тот же комплексный пластификатор бетона - смесь суперпластификатора (С-3 + ЛСТ). Полученные кривые зависимости прочности образцов бетонов от времени твердения ( за 28 суток) представлены на рис.6.
С Белгородским цементом проводились замесы бетонных смесей с содержанием цемента 470 кг на м3 бетонной смеси и соотношением количества цемента, песка и щебня 1:1,5:2,5 при начальной подвижности ОКо=20-25 см. Применялся поликарбоксилатный гиперпластификатор бетонов Visko Crete N5. Количество наномодифи-катора (золя), как и в предыдущих опытах, было 0,002%.
—
„ -- ■ -
У / -
/ / f /
} f
ненаномодифицированный бегон 1, : , бетон
/ i Eipe МЯ 1 вер/ ;ени Я, С' ■т.
0 Л 8 12 16 20 24 28
Рис. 5. Зависимость прочности образцов бетонов при сжатии. (Цемент Донецкий ПЦ 500ДО-Н, удельная поверхность
Sуд=220м2/кг)
-- - 1— """
/ / р. У
V
// /
/ — i - с-: 3%U + л сти 11,2% Ц - -2- ЛС1 ■=о; 5%L 4 +' золь -0, 002°
В| 1ЕМЯ тве weh ия, Ж.
10
15
20
25
30
Рис. 6. Зависимость прочности бетонов на сжатие от времени твердения (Цемент Вольский ПЦ500ДО-Н, 5уд=240м2/кг),
Ц =450 кг/м3 бетона, Ц:П:Щ=1:1,7:2,4 ОКо=16-18 см)
Полученные величины превышения прочности бетонов на сжатие по отношению к бездобавочному бетону (равной начальной подвижности) сведены в таблице № 2.
Таблица 2
Зависимость повышения прочности бетонов от времени твердения и концентрации гиперпластификатора (Цемент Белгородский ПЦ500ДО-Н ^=210 м2/кг), Ц=470 кг/м3 бетона, Ц: П:Щ = 1 : 1,5 : 2,5, ОКо=20-25 см)
сдвинута по фазе относительно кривой скорости изменения прочности, как бы опережая ее, «увлекая» изменение прочности за собой. У бетонов с наномодифи-катором обе кривые почти синфазны. Эти результаты, в целом, согласуются с данными работы [1], в которой отмечается, что добавление наноматериалов к водо-цементной смеси приводит к большей равномерности структуры цементного камня
3. Выводы
Концентрация Превышение прочности, ( + %), за время
гиперпласти- твердения (суток)
фикатора, %Ц 3 сут. 7 сут. 14 сут. 21 сут. 28 сут.
0,75 40 30 25 25 25
0,45 50 30 25 40 50
0,30 35 25 20 15 10
0,30+0,002% 60 50 60 70 70
золя
Анализ данных, представленных на рис. 4-6 и в табл. 1, позволяет сделать вывод, что использование ультрадисперсных наномодификаторов обеспечивает значительное увеличение сохраняемости подвижности бетонных смесей во времени и при этом не только позволяет повысить прочность бетонов, но и уменьшить расход пластификаторов, что особенно актуально для дорогостоящих гиперпластификаторов. И, наконец, проведенные дополнительные исследования показали, что наномодифицированные бетоны обладают высокой водонепроницаемостью (класс по водонепроницаемости W12-20 вместо обычных W6-10) и высокой морозостойкостью (класс - выше F300).
Как показали результаты экспериментальных исследований с высокопрочными бетонами марок В70-В80 [3], применение ультрадисперсных наномодифи-каторов бетонов не дает высокого прироста прочности - в среднем на +10% , но существенно изменяет физико-механические свойства бетонов: увеличивается модуль упругости с 400000 до 443000 , а величина предельной деформации усадки бетона снижается более чем в 1,5 раза - с 0000446-0,000560 до 0,000323.
Возможная причина - в упорядочивании процессов, происходящих в бетоне при его твердении, что можно проиллюстрировать сопоставлением кривых скорости изменения прочности на сжатие (первая производная от прочности по времени) и ускорения изменения усадки (вторая производная от деформации усадки по времени).
Нетрудно убедиться, что кривые имеют одинаковый волнообразный характер, но у бетонов без нано-модификатора кривая ускорения деформации усадки
1. Наномодификаторы бетонов различной природы (ультрадисперсные (нано) частицы и структуры из углеродных атомов или окислов металлов и кремния), при весьма малых концентрациях в диапазоне 0,00070,006% способствут не только повышению прочности бетонов или снижению расхода цемента, увеличению срока сохраняемости подвижности бетонных смесей, снижению расхода дорогостоящих гиперпластификаторов, но и обеспечивают значительное улучшение физико-механических свойств бетонов: повышение величин модуля упругости, снижение значений предельной деформации усадки, существенный рост водонепроницаемости и морозостойкости, что несомненно предоставляет большие возможности для управления строительно-техническими свойствами цементобетонов.
2. Использование наномодификаторов бетонов открывает широкие возможности целенаправленного управления экономическими, технологическими и физико-механическими свойствами цементобетонов с целью получения их гарантированных значений с вероятностью не ниже заданной.
Литература
1. Sobolev K. and Ferrada-Gutierres M. " How Nanotechnology
Can Change the Concrete World", American Ceramik Society Bulletin , №10, 2005, pp.14-17, №11, 2005, pp.16-19
2. Пономарев А.Н. «Перспективные конструкционные мате-
риалы и технологии, создаваемые применением наноди-сперсных фуллероидных систем», - Вопросы материаловедения, 2001, № 2, с.65.
3. Строцкий В.Н. и др. « Исследование физико-механиче-
ских свойств высокопрочного бетона с добавкой микрокремнезема и ультрадисперсной углеродной добавкой с наночастицами размером 10-50 нанометров», - Научные труды ОАО ЦНИИС, вып.250, «Технология и свойства железобетона в современном транспортном строительстве», М.2008, с.33.
