CC BY
101
ВЛИЯНИЕ МИКРО- И НАНОДИСПЕРСНОГО ШУНГИТА НА
СВОЙСТВА БЕТОНОВ
EFFECT OF MICRO- AND NANODISPERSE SHUNGITE ON THE PROPERTIES OF CONCRETE
Н.П. Лукутцова, A.A. Пыкин, Г.В. Костюченко
N. Lukutzova, A. Pykin
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 nanodisperseparticles shungite
В 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.
Рисунок 1 - Гистограммы распределения по размерам частиц шунгитового микронаполнителя после УЗД в воде
С целью получения суспензии, устойчивой к агрегации и седиментации шунгито-вых 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).
И-.«. —" ЯГТГ"-, ' !"»-■ ■ -.т
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 нанодисперсного 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 мел-
козернистого 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).
без модификатора —■— 1 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 %.
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, сут.
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 % шунгиювого наполнителя, 10 % сусле нзиинаночастицшунгита
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, A.A. Пыкин, O.A. 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] / H.H. 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, A.A., Цветков, К.А. Исследование динамической прочности и жесткости изделий из мелкозернистого бетона, модифицированного нано-структурным шунгитовым наполнителем / Г.Э. Шаблинский, Н.П. Лукутцова, A.A. 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
e-mail авторов: Лукутцова Н.П.: natluk58@mail.ru Пыкин A.A.: leshkin22@rambler.ru Костюченко Г.В.: azid2005@narod.ru
Рецензент: Орешкин Дмитрий Владимирович, докт. тех. наук, профессор Московского государственного строительного университета
