CC BY
23УДК 691.33:620.3
В.Е. ВАГАНОВ, канд. техн. наук, В.Д. ЗАХАРОВ, инженер, Ю.В. БАРАНОВА, инженер, Л.В. ЗАКРЕВСКАЯ, канд. техн. наук, Д.В. АБРАМОВ, канд. физ.-мат. наук, Д.С. НОГТЕВ, инженер, Владимирский государственный университет; В.Н. КОЗИЙ, главный технолог,
ЗАО «Завод силикатного кирпича» (п. Малыгино, Владимирская обл.)
Структура и свойства ячеистого газобетона, модифицированного углеродными
чи
наноструктурами
В настоящее время в строительной отрасли России ведущая роль отводится цементным бетонам, что подтверждается ростом объемов их производства. Учитывая это, актуальной является разработка составов композитов с сокращенным расходом портландцемента, отличающихся пониженной себестоимостью и отвечающих современным требованиям долговечности и эксплуатационной надежности, что соответствует целям и задачам федеральной целевой программы «Национальная технологическая база». В этой связи наиболее востребованным становится применение акти-вационных воздействий на твердеющие цементные системы с целью высвобождения скрытого потенциала цемента, управления процессами гидратации и струк-турообразования.
Сейчас бетоноведение находится на переломном этапе. Все более очевидной становится роль микро-, ультра- и нанодисперсных частиц в многочисленных физико-химических процессах, влияющих на конечные свойства бетона. В научной литературе появляется все больше работ [1—3], уделяющих основное внимание факторам, связанным с тонкодисперсным состоянием вещества.
Изучение тонкодисперсных фаз и уточнение их значимости на всех этапах жизненного цикла бетона является основой для следующего этапа развития науки о бетоне.
Способов создания высококачественных бетонов с использованием нанотехнологий найдено уже довольно много. Подходы эти весьма разнообразны и позволяют реализовать инновационные конструкторско-
1,101 2,202 3,303 4,404 5,508 0,551 1,652 2,753 3,854 4,955
Состав Время предва-ритель-ной обработки УНМ, мин Заданное перемещение пуансона пресса, мм Разрушающая нагрузка, кН о сж' кН/см2
Эталонный - 3 11 0,35
0,005% УНМ 3 3 14 0,4
0,005% УНМ 15 3 21 0,6
0,05% УНМ 15 3 7 0,35
технологические решения, полезные для самых разнообразных областей строительства. К таким решениям относятся: повышение дисперсности и механоактива-ция цемента (наночастицы цемента); добавление на-нодисперсной фазы заполнителей (наночастицы заполнителя); наномодифицированные заполнители; наномодифицированные пластификаторы; наномоди-фицированные полимерные добавки. [4]
По всем вышеуказанным направлениям наиболее интенсивно развивается модифицирование ячеистых бетонов. Ячеистый бетон — материал, который обладает уникальным сочетанием свойств высокой конструкционной прочности и теплоизоляции. Из двух видов ячеистого бетона (пено- и газобетона) более перспек-
б
0,791 1,582 2,373 3,164 3,955 0,395 1,188 1,977 2,768 3,559
Рис. 1. Графики нагрузок и перемещения пуансона пресса: а - эталонный образец; б - образец бетона с добавкой 0,005% УНМ
* Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям научно-технологического комплекса России на 2007-2012 гг.»
а
0
0
Су ■. ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru
Л] сентябрь 2010 59^
Рис. 2. РЭМ изображения структуры поверхностей изломов образцов бетона: а - структура модифицированного бетона; б -структура эталонного образца
тивным с точки зрения большинства экспертов считается последний.
В данном исследовании выбрана стандартная рецептура для образцов ячеистого бетона. В одну серию образцов добавляли углеродный наноматериал (УНМ), изготовленный Центром углеродного наноматериала ВлГУ. Используемый УНМ предварительно готовили по следующей схеме. Порошок УНМ в необходимой пропорции смешивался с дистиллированной водой с добавкой поверхностно-активных веществ (ПАВ). Полученная смесь в дальнейшем помещалась в ультразвуковую установку ИЛ 100-6 для диспергирования. Подготовленную суспензию добавляли в воду затворе-ния ячеистого бетона. Из полученных блоков вырезали образцы для механических испытаний.
Образцы, полученные по данной технологии, были исследованы на прочностные свойства на сжатие ^сж). Испытания проводились согласно ГОСТ 10189—90 на разрывной машине модели WDW - 100 Е класс 1. Результаты испытаний представлены в таблице. Графики нагрузок и
перемещения пуансона пресса для эталонного образца и бетона с добавкой 0,005% УНМ приведены на рис. 1.
Из таблицы видно, что лучшие результаты на сжатие показали образцы с содержанием наномодифика-тора в количестве 0,005% в пересчете на сухое вяжущее. Кроме того, на прочностные свойства значительное влияние оказывает и время предварительной обработки углеродного материала в среде ПАВ.
Результаты механических испытаний показали, что при определенных концентрациях модифицирующих добавок, а также при режимах обработки ультразвуком наблюдается повышение механических свойств. Представляло интерес выявить наличие структурных изменений, обусловливающих повышение механических свойств. Исследования проводились на растровом электронном микроскопе QUANTA 200 3D. Различие в микроструктуре можно было наблюдать уже при небольших увеличениях. На рис. 2 представлены полученные с помощью растрового электронного микроскопа изображения (РЭМ-изображения) образцов бетона с
\
KW5
Jtfl
с
Ш:
w
ж-
л J • - .
I
С4- - .¿Г s
I <1/20/2010 10:44.38 AM HV 30.00 kV WD 17.6 mm mag 8000 * СиГГ 91 pA л tilt 0 ° del LFD
Рис. 3. РЭМ изображения структуры стенок пор бетона: а - модифицированный бетон; б - эталонный бетон
www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал су,[-¡^ j\ jLjjS
60 сентябрь 2010
' > 1 Л ц
1 #
rja EÍ3/3010 HV WD mag I curr I [tilt1 det И : 10 urn —~ 1
11:22:51 AM 30. 00 JíV 1 2.4 mm 4000 x 0 18 nA 0" LFD
Рис. 4. РЭМ-изображения углеродных волокон в структуре цементного камня: а - поверхность камня, б - излом камня
добавкой УНМ (рис. 2 а) и эталонного образца (рис. 2 б).
Результаты исследований показывают, что поры в образце с УНМ в отличие от эталонных образцов имеют почти закрытую структуру. Кроме того, структура стенок пор, наблюдаемая при больших увеличениях, также существенно отличалась в модифицированных и эталонных образцах. На эталонном образце зерна бетона расположены хаотично и не имеют четких граней (рис. 3 а). Структура стенок модифицированного бетона состоит из нанодисперсных кристаллов, имеющих, как правило, определенную направленность (рис. 3 б).
Большой интерес представляет РЭМ изображение структуры крупного образца цементного камня, содержащего наноразмерные волокнистые включения (рис. 4). Данные включения, очевидно, являются углеродными нановолокнами. Важно отметить, что они равномерно распределены в камне и не образуют крупных агломератов. Аналогичные волокнистые наост-руктуры наблюдались и на других участках изломов модифицированных образцов.
Таким образом, в данном исследовании подтверждены ранее существующие предположения, а также результаты работ о перспективности применения модифицирующих добавок УНМ для повышения механических свойств ячеистых бетонов. Установлено, что основными структурными факторами, способствующими улучшению механических свойств, являются: изменение структуры стенок пор, а также дисперсионное упрочнение цементного камня. В дальнейших исследованиях предполагается определить кристаллическую структуру фаз, а также рассмотреть возможные физико-химические процессы влияния модифицирующих добавок на структуру и свойства ячеистых бетонов.
Ключевые слова: ячеистый бетон, модифицирующие добавки, углеродный наноматериал, механические свойства.
Список литературы
1. Colston S. L., O'Connor D., Barnes P. et al. Functional micro-concrete: The incorporation of zeolites and inorganic nano-particles into cement microstructures // Journal of Materials Science Letters. 2000. 19. № 12. P. 1085-1088.
2. Комохов П. Г., Харитонов А. М. Наноструктурная модель цементного камня для оценки свойств композиционного материала // Популярное бетонове-дение. 2007. № 2. С. 125-127.
3. Hanehara S., Ichikawa M. Nanotechnology of cement and concrete // Taiheiyo Cement Kenkyu Hokoku. 2001. № 141. P. 47-58.
4. Данилов А. Бетонная наука // Российские нанотех-нологии. 2010. № 1-2. С. 12-14.
Информационно-консалтинговая фирма
«
ИТКОР
»>
¿к
р
предлагает следующие виды услуг:
Проведение маркетингового
исследования
***
Подготовка аналитического
обзора
***
Подготовка информационной
справки
***
Разработка бизнес-планов
115419, Москва, ул. Орджоникидзе, д.11, стр 3, оф. 22
Тел./факс: (495) 232-47-56 E-mail:ikf-itcor@ikf-itcor.ru, itcor@mail.ru www.ikf-itcor.ru
■f: ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru
AÜ сентябрь 2010 61"
