Добро пожаловать на официальное интернет-представительство Некоммерческого Партнерства "Союз производителей бетона"
Союз создан в 2003 году с целью координирования, регулирования и управления разрозненными отраслями, нормальное функционирование которых необходимо для общего развития рынка бетона. Мы заинтересованы в формировании и укреплении здоровой экономической политики на строительном рынке.






ПРИГЛАШАЕМ ПРИНЯТЬ УЧАСТИЕ


МЫ СОТРУДНИЧАЕМ



НАШИ ПАРТНЕРЫ







АВТОРИЗАЦИЯ
Логин:
Пароль:
Регистрация
Забыли свой пароль?


 

БЕТОН И ЖЕЛЕЗОБЕТОН - СТАТЬИ

Прислать свою статью


22.04.2012

Смешанный наноуглеродный материал в цементных композитах

Комментариев: 0 | Количество просмотров: 3817

Авторы: Пухаренко Ю.В., доктор техн. наук, проф., Аубакирова И.У., канд. техн. наук, доц., Никитин В.А., канд. хим. наук, доц., Летенко Д.Г., канд. физ.-мат. наук, доц., Староверов В.Д., канд. тех. наук

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет (СПбГАСУ)

За последние несколько лет в строительном материаловедении вопросы, связанные с принципами нанотехнологического управления структурой и свойствами различных композитов, заняли значимое положение. Развитие данного научного направления уже сейчас позволило получить принципиально новые результаты, в первую очередь в исследованиях, проводимых с цементными системами.

К железобетонным изделиям и конструкциям с каждым годом предъявляются все более жесткие требования по долговечности и эксплуатационной надежности, что в свою очередь отражается на составах бетонных смесей и бетонов, приводит к их усложнению и, соответственно, к удорожанию конечного продукта. Внедрение принципов наноструктурного модифицирования как раз и призвано нивелировать или даже в некоторых случаях устранить этот недостаток.

В настоящее время технология бетона подразумевает обязательное использование эффективных добавок, и как раз наши исследования рассматривают возможность модификации добавок различной природы углеродными наноструктурами с целью повышения их эффективности и, соответственно, снижения их расхода.

Так, рассматривая структуру строительных композитов в направлении «сверху вниз», установлено, что для смеси минерального вяжущего вещества и тонко- и ультрадисперсных порошков как структурных элементов появляется еще одна реологическая матрица с меньшим масштабным уровнем - вода и водные растворы добавок, реакционная активность которых может быть увеличена введением нанодисперсных частиц. На основании этого предложен метод наноструктурного модифицирование воды затворения и водных растворов добавок. В результате реализации механизма введения наночастиц в воду и водные растворы добавок за счет активационных воздействий физико- химических процессов, вызванных способностью к сильным поляризационным взаимодействиям наночастиц на гетерогенных границах контактных зон, происходит улучшение реологических характеристик цементной системы и физико-механических свойств цементного композита. Активация системы основывается на так называемых размерно-зависимых эффектах, отличающих нанообъекты, когда вклад поверхностных явлений становиться преобладающим ввиду отсутствия компенсации за счет взаимодействия с себе подобными, а избыточная поверхностная энергии может сохранять свою интенсивность и на расстояниях, значительно превышающие молекулярные.

Такой подход позволил разработать составы бетонных и растворных смесей для изготовления сборных и монолитных изделий и конструкций зданий и сооружений различного назначения. При этом в качестве углеродных кластеров подразумевается использование различных наноструктур и их комбинаций, в том числе полидисперсных углеродных нанотрубок.

Известно, что в конце XX века были открыты многочисленные пространственные формы элементарного углерода - фуллерены, нанотрубки, луковичные структуры, спиральные и тороидальные формы углерода и проч. Условно углеродные наноструктуры подразделяются на фуллерены и фуллероидные структуры. Фуллерены представляют собой химически стабильную замкнутую поверхностную структуру углерода, в которой атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников или пятиугольников, регулярным образом покрывающих поверхность сфероида.

Необходимо особо отметить, что из всего многообразия фуллероидных структур в настоящее время наибольший интерес вызывают нанотрубки, представляющие собой макромолекулы цилиндрической формы, состоящие из свернутой графитовой плоскости.

Но несмотря на очевидную перспективность как фуллеренов, так и фуллероидных структур, масштабы их применения в строительном материаловедении ограничены из-за их высокой стоимости, определяемой крайне высокой трудоемкостью их получения, выделения и очистки. Поэтому разработка высокоэффективных и относительно дешевых методов получения, выделения и очистки фуллероидных структур весьма актуальна.

Помимо этого, как показали исследования, использовать в строительном материаловедении так называемый «чистый нанопродукт» не целесообразно в силу несущественных изменений получаемых характеристик по сравнению с результатами применения фуллереносодержащей смеси, стоимость которой существенно ниже.

Сейчас разработаны оригинальные технологии получения углеродных наноструктур фуллероидного типа - смесей одно- и многослойных нанотрубок, нанобаррелей, нанолуковиц, наноконусов и т.п. из различных отходов химических производств: из промышленных отходов электролитического получения щелочных металлов, в реакциях самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, из депозитных отходов фуллереновых производств. В результате этого получают смешанные наноуглеродные материалы с содержанием углеродных наноструктур (от 15 до 90 % масс.) различной, однако всегда низкой по сравнению с традиционными методами синтеза себестоимостью производства. Основным преимуществом данных методов помимо относительной дешевизны синтезируемого наноматериала является также возможность их получения в практически неограниченных количествах.

Таким образом масштабных синтез фуллероидных структур позволяет решать широкий спектр материаловедческих задач. В частности, в результате реализации новых технологий существенно снижается стоимость применяемого в цементных композитах наномодификатора из так называемых гибридных наноуглеродных форм материала.

Введение в состав композита смешанного углеродных материала фуллероидного типа со среднем размером наночастиц 20 нм (при крайне незначительной примеси ненаноуглеродных фаз) в концентрациях от 10-8 до 10-2 % масс. позволяет существенно сократить (до 2 раз) расход суперпластификатора, увеличить сохраняемость первоначальных свойств растворных и бетонных смесей, повысить прочность, морозостойкость и водонепроницаемость цементных композитов.

Кроме этого, как показывают проведенные исследования, эффективность модификации добавок возрастает в случае предварительного введения углеродных наночастиц в воду совместно с добавкой той же природы, но в концентрациях на 2 - 3 порядка меньше. В результате такого принципа наноструктурного модифицирования цементных композитов возрастает технологичность всего процесса и, что самое важное, устраняется основной недостаток: неравномерность распределения нанофаз во всем макрообъеме.

В ходе проведения экспериментов была установлена интенсивная седиментация наночастиц в воде затворения при любом их содержаниях со скоростью, пропорциональной концентрации нанофаз. Это является основной причиной их неравномерного распределения во всем объеме, что и проявляется в существенном снижении однородности структуры композита. Таким образом, одной из основных задач является введение в смесь сверхмалых количеств наночастиц с равномерным распределением их в объеме и исключением возможности агрегации и седиментации, к которой они склонны в силу своей огромной удельной поверхностной энергии.

Экспериментально установлено, что предотвращение седиментации фуллероидов в воде в присутствии суперпластификатора или щелочей обеспечивается при их концентрации до 1 % масс. Увеличение концентрации наномодификатора сверх указанного порогового значения приводит к снижению его сорбционной способности, вызванного собственной агрегацией частиц.

Вместе с тем прочность, достигаемая в бетоне с концентрацией фуллероидов в воде более 10-2 % масс. по экономическим показателям не может представлять интереса для промышленности и строительства. Учитывая это, в составах цементных композитов концентрация нанофаз в пересчете на содержание их в воде затворения составляет от 10-2 % масс. и ниже.

По результатам анализа концентрационных зависимостей эффективного размера наночастиц в дисперсии, Z-потенциала и т.п. определено, что наиболее устойчивыми являются дисперсии с концентрацией смешанного наноуглеродного материала фуллероидного типа в диапазоне 10-6 до 10-4 % масс. (ближе к значению 10-5 % масс.). Такая дисперсия характеризуется минимальным значением Z-потенциала, и ей соответствуют экстремумы на зависимостях физико-химических характеристик дисперсии от концентрации смеси углеродного наноматериала, свидетельствующие от образовании объемной перколяционной фрактальной сетки.

Одним из механизмов действия углеродных наночастиц является смещение химического равновесия, таким образом осуществляется воздействия на процессы гидратации, вызывающие изменения растворимости составляющих фаз гидратирующегося цемента. Так, например, по результатам исследования цементно-водной суспензии состава 1:8 (цемент:вода) было определено изменение концентрации ионов кальция Ca2+ (титрованием раствором трилона Б в присутствии индикатора флуорексона в щелочной среде), гидроксил-ионов OH- (титрованием раствором соляной кислоты) в присутствии наномодификтора.

Закономерности, полученные при исследовании состава жидкой фазы при гидратации различных цементов в присутствии углеродных наночастиц, свидетельствуют, что наномодифицирование приводит к изменению кинетики поступления гидратных новообразований в жидкую фазу. Так как состав жидкой фазы в значительной степени определяет условия формирования фазовых и морфологических особенности кристаллогидратов, то, следовательно, наноструктурное модифицирование способно влиять на формирование структуры и, как следствие, на прочностные характеристики цементного композита.

Так, во всех исследуемых диапазонах содержания наномодификатора выявлен рост концентрация Ca2+ в начальный период, а при достижении порогового значения наблюдается ее постепенное снижение, что объясняется связыванием Ca2+ в малорастворимые соединения. Одновременно наблюдается снижение концентрации гидроксил-ионов ОН-, что определяется их возможной дополнительной сорбцией поверхностью углеродных наночастиц.

Известно, что концентрация гидроксил-ионов в реакционном растворе и водной среде во время гидратации играет важнейшую роль при образовании эттрингита с точки зрения его структуры, поэтому изменяя концентрацию ОН- реакционного раствора посредством введения углеродного наномодификатора можно целенаправленно воздействовать на процесс кристаллизации эттрингита с образованием соответствующей формы кристаллов.

В результате в присутствии наномодификатора реализуется механизм замедления пересыщения ионов Ca2+ по отношению к Ca(OH)2, что, в свою очередь, сдерживает в начальный период процесс зародышеобразования гидратов. Снижение скорости пересыщения Ca2+ в жидкой фазе определяет возможность образования кристаллогидратов не только вблизи поверхности цементных зерен, но и в объеме межзернового пространства, который равномерно заполняется кристаллическими новообразованиями. Тем самым изменяется поровая структура цементного камня: объем крупных пор сокращается вследствие перераспределения объема поровой системы в микропоры.

Так формируется равномерно распределенная по объему поровая система с меньшим средним радиусом пор, что, несомненно, играет определяющую роль в повышении долговечности получаемых наномодифицированных цементных композитов.

Список литературы

1. Бальмаков, М. Д. Нанокомпозиционное материаловедение / М. Д. Бальмаков, Ю.

B. Пухаренко // Вестник гражданских инженеров. - 2005. - №3(4). - С. 53-57.

2. Ковалева, А. Ю. Опыт промышленного применения наномодифицированных бетонных смесей / А. Ю. Ковалева, И. У. Аубакирова, В. Д. Староверов // Вестник гражданских инженеров. - 2008. - №3 (16). - С. 74-76.

3. Летенко, Д. Г. Получение углеродных наноструктур из отходов химических производств / Д. Г. Летенко, В. А. Никитин, Н. А. Чарыков, К. Н. Семенов, Ю. В. Пухаренко // Вестник гражданских инженеров. - 2010. - № 1 (22). - С. 108-118.

4. Летенко, Д. Г. Физико-химические свойства водных дисперсий смешанного наноуглеродного материала фуллероидного типа / Д. Г. Летенко, В. А. Никитин, А. Ю. Меньшикова, Ю. В. Пухаренко, Н. А. Чарыков // Вестник гражданских инженеров. - 2010. - № 2 (23). - С. 131-138.

5. Пухаренко, Ю. В. Наноструктурирование воды затворения как способ повышения эффективности пластификаторов бетонных смесей / Ю. В. Пухаренко, В. А. Никитин, Д. Г. Летенко // Строительные материалы - Наука. - 2006. - №8 [приложение к научно-техническому журналу «Строительные материалы». - 2006. - №9]. - С. 11-13.

6. Пухаренко, Ю. В. Структура и свойства наномодифицированных цементных систем / Ю. В. Пухаренко, И. У. Аубакирова, В. А. Никитин, В. Д. Староверов // Международный конгресс «Наука и инновации в строительстве «SIB-2008». Современные проблемы строительного материаловедения и технологии. - Воронеж, 2008. - Т.1, кн. 2. -

C.424-429.

7. Староверов, В. Д. Структура и свойства наномодифицированного цементного камня: автореферат дис. ... канд. техн. наук: 05.23.05 / Вадим Дмитриевич Староверов; СПбГАСУ. - СПб, 2009. - 17 с.

8. Штарк Йохен. Цемент и известь / Й. Штарк, Б. Вихт. - Киев, 2008. - 480 с.

9. Пат. 2388712 РФ. Сырьевая смесь для строительных материалов (варианты) / Пухаренко Ю. В., Никитин В. А., Ковалева А. Ю., Аубакирова И. У., Летенко Д. Г.; заявл. 17.12.2007, опубл. 10.05.2010 г.


Возврат к списку

Для того чтобы оставить комментарий, Вам необходимо авторизоваться.
3.151539937090

Реклама на портале


Rambler's Top100 Яндекс цитирования
Некоммерческое партнерство "Союз Производителей Бетона",2003-2011
Все права защищены. Публикация информации с сайта без активной гиперссылки на www.concrete-union.ru и согласования с руководством запрещена
Адрес электронной почты info@concrete-union.ru
Размещение рекламы на портале НП "Союз Производителей Бетона"