CC BY
76
4/2010 М1 ВЕСТНИК
ВЛИЯНИЕ МИКРО- И НАНОДИСПЕРСНОГО ШУНГИТА НА
СВОЙСТВА БЕТОНОВ
EFFECT OF MICRO- AND NANODISPERSE SHUNGITE ON THE PROPERTIES OF CONCRETE
Г.Э. Шаблинский G. Shablinsky
ГОУ ВПО МГСУ
Н.П. Лукутцова, A.A. Пыкин, Г.В. Костюченко N. Lukutzova, A. Pykin, G. Kostjchtnko
ГОУ ВПО БГИТА
Исследованы физико-механические свойства мелкозернистого и тяжелого бетонов, модифицированных микро- и нанодисперсными частицами шунгита
Physico-mechanical properties of fine-grained and heavy concrete, modified-governmental micro- and nanodisperse particles shungite
B соответствии с программой развития в Российской Федерации нанотехнологий и наноматериалов до 2015 года наиболее перспективным научно-технологическим направлением в ближайшее время будет разработка наиболее эффективных и экологически безопасных технологий получения углеродных (фуллеренов, нанотрубок, астра-ленов, наноалмазов) наноматериалов для модификации строительных композитов [1].
Фуллерены и углеродные нанотрубки благодаря своим потрясающим индивидуальным характеристикам по жесткости, прочности, упругости, износостойкости, химической и коррозионной стойкости и т. д. позволяют получать строительные материалы, в том числе бетоны, с уникальными свойствами. Так, введение нанотрубок в смесь мелкозернистого бетона в количестве до 1 % приводит к повышению его прочности от 60 до 85 % [2].
Известно, что механизм влияния углеродных наночастиц на структурообразова-ние бетонов заключается в уменьшении расклинивающего давления воды затворения и ускорении коагуляции частиц цемента. При этом фуллерены образуют фрактальные перколяционные сетки, способствующие определенной активации воды. Такое воздействие приводит к образованию поверхностно-активных ионов и росту эффективной концентрации пластификатора. Нанотрубки и фуллерены рассматриваются как центры направленной кристаллизации, что приводит к изменению кристаллического строения вяжущего вещества [3].
В настоящее время технологии получения углеродных наноматериалов сложны, дорогостоящие и имеют следующие недостатки:
- высокие энергопотребление и стоимость технологического оборудования, например, использование электродуговых установок и гелия при получении фуллеренов, достаточно высоких давлений, плазмы и дугового разряда при синтезе нанотрубок, детонационного взрыва при изготовлении наноалмазов;
- специфичность и сложность управления параметрами синтеза;
- применение высокотоксичных реактивов (например, толуола, изопропанола, этиленоксидов и др.) с многостадийной химической очисткой [4].
Указанные недостатки определяют очень высокую рыночную стоимость углеродных наноматериалов. В результате этого их внедрение в промышленное производство практически нерентабельно. Решением данной проблемы может быть использование дешевых природных материалов, уже содержащих наноуглеродную составляющую, например, шунгита.
Структура шунгита характеризуется равномерным распределением полярных высокодисперсных (0,1-10 мкм) кристаллических силикатных частиц в неполярной углеродной матрице из сферических, пустотелых, многослойных фуллереноподобных глобул углерода с размерами от 10 до 20 нм. Данная биполярность позволяет рассматривать тонкодисперсный шунгит как комбинированный наполнитель, способный хорошо совмещаться как с минеральными, так и органическими вяжущими веществами [5].
Строение шунгитового углерода характеризует материал высокой ударной прочностью, стойкостью к агрессивным средам, адсорбционной активностью, бактерицидными свойствами, а также способностью экранировать высокочастотные электромагнитные излучения и проводить электрический ток [5]. Это предопределяет лучшие показатели физико-механических свойств и долговечность строительных композитов на основе шунгита.
Целью данной работы являлось исследование прочности мелкозернистого и тяжелого бетонов, модифицированных микро- и нанодисперсным шунгитом.
Для приготовления мелкозернистого (МЗБ) и тяжелого (ТБ) бетонов применялись следующие материалы: портландцемент марки ПЦ 500 Д0 ОАО «Мальцовский портландцемент», портландцемент марки ПЦ 400 Д0 ООО «Унистром-Трейдинг» (Московская обл.), намывной кварцевый песок (п. Свень, Брянская обл.) с модулем крупности 1,6, гранитный щебень фракции 5-20 мм и вода.
Для получения шунгитового микронаполнителя (МШН) осуществляли двухступенчатое измельчение шунгитового щебня фракции 3-10 мм Зажогинского месторождения (Карелия) III разновидности с содержанием углерода 26-32 % и 51-67 % диоксида кремния в щековой дробилке в течение 30 си дисковой вибрационной мельнице ИВ1 в течение 1 ч. После помола наибольшая доля шунгитовых зерен приходилась на частицы размерами от 54 до 66 мкм.
Нанодисперсный шунгит (НШН) получали в виде суспензий путем диспергирования шунгитового микронаполнителя в ультразвуковой ванне УЗВ-13/150-ТН-РЭЛТЕК при частоте ультразвука 22 кГц.
Как видно из рис. 1, ультразвуковое диспергирование (УЗД) шунгитового микронаполнителя в воде способствует уменьшению диаметра его частиц до 201-5112 нм, при этом суспензия является достаточно неоднородной и неустойчивой.
С целью получения суспензии, устойчивой к агрегации и седиментации шунгитовых частиц, осуществляли ультразвуковое диспергирование в воде шунгита, совместно измельченного с поверхностно-активным веществом нафталин-формальдегидного типа (ПАВ НФ) в соотношении 1:0,5. В результате дисперсность частиц твердой фазы оказалась равной 62-716 нм (рис. 2).
4/2010
ВЕСТНИК _МГСУ
1% 1-я 0 -— - /—; [ я я 1
¡Шл ■ 5CDQll.ii
;■ Г...... -
Рисунок 1 - Гистограммы распределения по размерам частиц шунгитового микронаполнителя после УЗД в воде
Рисунок 2 - Гистограммы распределения по размерам частиц шунгита, совместно помолотого с ПАВ НФ, после УЗД в воде
Полученные добавки вводились в состав бетонных смесей в следующей последовательности: шунгитовый микронаполнитель, растворенный в установленном для данного состава количестве воды, затем суспензия шунгита, совместно измельченного с ПАВ НФ.
Прочность при сжатии мелкозернистого и тяжелого бетонов, модифицированных микро- и нанодисперсным шунгитом, представлена в табл. 1 и 2.
Таблица 1
№ Добавка, % В/Ц РК, мм кг/м3 Ясж, МПа
микродисперсный шунгит (54-66 мкм) суспензия нанодисперс-ного шунгита (62-716 нм) С-3 срок твердения, сут.
3 7 28
1 контрольный состав 0,43 106 1759 11 19,6 27,2
2 - - 1 0,38 109 2188 12 21,6 27,5
3 1 - - 0,45 108 2085 8 14,2 24,2
4 1 - 1 0,39 108 2168 14 26,6 38,8
5 - 1 - 0,39 106 1785 15 28 32,7
6 - 1 1 0,38 107 2188 23 33,8 42,7
7 1 1 - 0,41 106 2148 22 25 31,6
8 1 1 1 0,38 113 2246 25 30,2 52
Примечание: состав МЗБ - портландцемент марки ПЦ 500 Д0 ОАО «Мальцовский портландцемент» : кварцевый песок = 1:3.
Из данных табл. 1 следует, что введение в состав мелкозернистого бетона только микро- или нанодисперсного шунгита не обеспечивает максимального эффекта повышения его прочности. При раздельном введении 1 % суперпластификатора С-3 и 1 % шунгитового микронаполнителя (составы № 2 и № 3) прочность МЗБ практически не изменяется и даже снижается в случае применения добавки МШН в количестве 1 %, при этом наблюдается лишь повышение плотности бетона. Добавление в состав мелкозернистого бетона 1 % суспензии нанодисперсного шунгита (состав № 5) способствует незначительному повышению его прочности: на 36 % в возрасте 3 суток и на 20 % в возрасте 28 суток твердения.
Введение полученной в процессе ультразвукового диспергирования суспензии наночастиц шунгита, совместно измельченного с ПАВ нафталин-формальдегидного типа, в состав МЗБ обеспечивает получение суммарного эффекта в комплексе с суперпластификатором С-3 и шунгитовым микронаполнителем (состав № 8). Результатом этого является повышение прочности МЗБ в 2,3 раза как в ранние, так и в поздние сроки твердения (рис. 3).
Оюки твердения, суг.
—без модификатора —■— 1 % МШН, 1 %НШН, 1 %С-3
Рисунок 3 - Набор прочности при сжатии мелкозернистого бетона,
модифицированного микро- и нанодисперсным шунгитом
С целью определения статического и динамического модулей деформаций образцы мелкозернистого бетона, модифицированного шунгитовым микронаполнителем, подвергали соответствующим нагружениям [6]. В результате установили повышение динамического модуля деформаций МЗБ до 33602 МПа (портландцемент марки 500 Д0 ОАО «Мальцовский портландцемент» : кварцевый песок = 1:5, В/Ц = 0,5) при введении 15 % добавки МШН, что в 2,3 раза выше статического модуля деформаций, равного 14700 МПа.
Как видно из табл. 2, в составах № 2, 5 и 7 тяжелого бетона наблюдается больший набор прочности по сравнению с контрольным составом, как через сутки, так и через 28 суток твердения.
Максимальная прочность ТБ достигается при введении в его состав комплексной добавки, состоящей из 5 % шунгитового микронаполнителя и 10 % суспензии нанодисперсного шунгита с содержанием твердой фазы 0,03 %.
4/2010 М1 ВЕСТНИК
Установлено, что применяемая комплексная добавка способствует увеличению прочности тяжелого бетона в 2 раза в возрасте 1 и 28 суток твердения (рис. 4). Кроме того, наблюдается сокращение расхода воды на 22 % по сравнению с контрольным составом.
Таким образом, в ходе работы разработаны микро- и нанодисперсные добавки на основе шунгита, полученные ультразвуковым методом и способствующие за счет снижения пористости и увеличения плотности структуры повышению прочности, а также улучшению деформативных свойств мелкозернистого бетона.
Разработанные составы модифицированных бетонов рекомендуется применять для покрытия высокопрочных полов, изготовления элементов городского благоустройства (бордюрных камней, тротуарной плитки и др.), а также конструкций и сооружений, стойких к воздействию изгибающих нагрузок.
Таблица 2
№ Добавка, % В/Ц OK, см Rc;®, МПа
микродисперсный шунгит (54-66 мкм) суспензия нанодисперс-ного шунгита (62-716 нм) срок твердения, суг.
1 3 7 28
1 контрольный состав 0,5 7,7 6,9 14,6 24,5 26,9
2 5 - 0,45 7,5 9,5 17,2 30,5 40,3
3 10 - 0,45 7,1 6,8 14,5 25,6 35,4
4 15 - 0,45 6,9 4,0 11,6 20,6 30,5
5 5 1 0,4 7,8 13,8 20,6 39,8 45,2
6 5 5 0,39 7,8 12,1 19,8 35,0 43,6
7 5 10 0,39 7,9 15,3 30,5 43,3 54,2
Примечание: состав ТБ - портландцемент марки ПЦ 400 Д0 ООО «Унистром-Трейдинг» : кварцевый песок : гранитный щебень = 1:1,625:3,25.
Время твердения, суг.
- - - без модификатора
—■— 5 % шунгигового наполнителя, 10 % сусле нзиинаночастиц шунгита
Рисунок 4 - Набор прочности при сжатии тяжелого бетона с микро-нанодисперсным шунгитом
Литература
1. Программа развития в Российской Федерации работ в области нанотехнологий и нано-материалов до 2015 года.- Режим доступа: URL: http:// www.istok.ru/.-06.07.2010.
2. Наномодифицированный мелкозернистый бетон [Текст] / Н.П. Лукутцова, Е.Г. Матвеева, А.А. Пыкнн, О.А. Чудакова // Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов: материалы V Международной научно-технической конференции, г. Волгоград, 23-24 апреля 2009 г. Часть I.- Волгоград: ВолгГАСУ, 2009.- С. 166-170.
3. Королев, Е.В., Баженов, Ю.М., Береговой, В.А. Модифицирование сроительных материалов наноуглеродными трубками и фуллеренами [Текст] / Е.В. Королев, Ю.М. Баженов, В.А. Береговой // Строит. материалы - наука, 2006.- № 8.- С. 2-4.
4. Технологии для многоуровневой активации наноуглерода шунгитовых пород [Текст] / Н.Н. Рожкова // Геодинамика, магматизм, седиментогенез и минерагения Северо-Запада России: материалы Всерос. конф. (Петрозаводск 12-15 ноября 2007).- Петрозаводск: Институт геолог. КарНЦ РАН, 2007.- С. 335-339.
5. Шунгиты - новое углеродистое сырье [Текст] / В.А.Соколов, Ю.К. Калинин, Е.Ф. Дюк-киев; под общ. ред. В.А. Соколова.- Петрозаводск: Карел. науч. центр, 1984.- 184 с.
6. Шаблинский, Г.Э, Лукутцова, Н.П., Пыкин, А.А., Цветков, К.А. Исследование динамической прочности и жесткости изделий из мелкозернистого бетона, модифицированного нано-структурным шунгитовым наполнителем / Г.Э. Шаблинский, Н.П. Лукутцова, А.А. Пыкин, К.А. Цветков // Вестник МГСУ, 2010.- № 2.- С.231-236.
References
1. Development Programme in the Russian Federation works in the field of nanotechnology and nanomaterials to 2015.- Mode of access: URL: http:// www.istok.ru/.-06.07.2010.
2. N. Lukuttsova, E. Matveeva, A. Pykin, O. Chudakova, Nanomodified fine-grained concrete, Reliability and longevity of build materials, constructions and grounds of bases, Materials of V International. konf., part 1, pp 166-170, Volgograd, 2009.
3. E. Korolev, U. Bazhenov, V. Beregovoy, Modification of the materials sroitelnyh nanocarbon tubes and fullerenes, Building materials - science, pp 2-4, 2006.
4. N. Rozhkova, Technology for multilevel activation nanocarbons shungite rocks, Materials of Russian konf., pp 335-339, Petrozavodsk, 2007.
5. V. Sokolov, U. Kalinin, E. Dyukkiev, Shungites - new carbon materials, Petrozavodsk, 1984.
6. G. Shablinsky, N. Lukuttsova, A. Pykin, K. Tsvetkov, Investigation of dynamic strength and rigidity of products from fine-grained concrete, a modified nanostructure shungite filler, pp 231-236, Moscow, 2010.
Ключевые слова: углеродные наноматериалы, шунгит, ультразвуковое диспергирование, мелкозернистый бетон, тяжелый бетон, предел прочности при сжатии, динамическая и статическая нагрузки, модуль упругости
Key-words: carbon nanomaterials, concrete, shungite, ultrasonic dispersion, fine-grained concrete, heavy concrete, compressive strength, dynamic and static loadings, elasticity module
Почтовый адрес авторов: Лукутцова Н.П.: 241037, г. Брянск, ул. Горбатова, д.1, кв.7, тел.: 89158014419 Пыкин А.А.: 241033, г. Брянск, пр-кт. Станке Димитрова, д.102, кв.822, тел.: 89192957401 Костюченко Г.В.: 241033, г. Брянск, ул. Советская, д. 93, кВ. 5, тел.: 89803316483
e-mail авторов: Лукутцова Н.П.: [email protected] Пыкин А.А.: [email protected] Костюченко Г.В.: [email protected]
Рецензент: Орешкин Дмитрий Владимирович, докт. тех. наук, профессор Московского государственного строительного университета
