Бетоны, модифицированные углеродными наноматериалами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Бетоны, модифицированные углеродными наноматериалами

Известно, что в качестве модификаторов бетоновдля гражданского и дорожного строительства перспективными считаются углеродные наноструктуры: нанотрубки, фуллерены, астралены, наноалмазы и др. Использование в составе композиций углеродных наноматериалов, в результате их комплексного физико-химического воздействия на стадии образования и твердения цементного вяжущего, приводит к повышению прочностных показателей конечного продукта [1-5].

В проводимых исследованиях для модификации цементных и битумных бетонов были использованы углеродные наноматериалы, полученные на установке при плазменной переработке угля. Под действием электродуговой плазмы из материала электродов и угля, подаваемого для газификации, в одной установке образуются синтез-газ (СО+Н₂), активированный уголь (сорбент) и углеродные наноматериалы - фуллеренсодержащая сажа (ФСС) [6, 7]. Полученная при плазменной обработке ФСС имеет как компактную, так и волокнистую ультрадисперсную структуру, что указывает на наличие в ней таких основных форм наночастиц, как «луковичные углеродные структуры» (многослойные, гиперфуллерены) и «нитевидные углеродные структуры» (нанотрубки, нановолокна). Средний размер первичных частиц ФСС не более 100 нм.

Положительное влияние углеродных наноматериалов на характеристики цементного камня и бетонов в полном объеме проявляется при условии равномерного распределения их по всему объему композита. Введение в воду ФСС приводит к изменению её водородного показателя рН и удельной электропроводности (рис. 1).

Снижение рН и повышение удельной электропроводности свидетельствует об изменении ионного произведения воды, вызванного сорбцией гидроксильных групп ОН^- на поверхности введенных в жидкость углеродных наночастиц. В случае модифицирования происходит ориентационное взаимодействие молекул воды с углеродными наночастицами, переводящее в систему в активированное состояние. В водной среде с фуллеренсодержащими углеродными материалами возникает новая структура, зависящая от межионного взаимодействия, в значительной мере искажающего собственную структуру чистой воды, при этом не разрушаются пространственная водородная сетка и ее устойчивость. Установлено, что изменение свойств воды при введении в нее наномодификатора в наибольшей мере проявляется при концентрации фуллеренсодержащей модифицирующей добавки в интервале 10^-4-10^-3 % об.

Изменение свойств цемента при введении ФСС связано не только с активацией воды затворения, но и с изменением структуры модифицированного цементного камня. Электронно-микроскопический анализ (рис. 2) показал, что состав с ФСС характеризуются большим количеством новообразований гидросиликатов кальция, составляющих основу прочности цементного камня.Это свидетельствует об интенсификации процессов гидратации цемента в начальный период при введении ФСС и его структурообразующем взаимодействии с зернами цемента. Введение ФСС приводит к снижению пористости цементного камня за счет образования гелевидных продуктов гидратации, заполняющих межпоровое пространство. Все это сказывается на изменении физико-механических характеристик модифицированного цементного камня.

Поскольку наночастицы обладают большой поверхностной энергией, они проявляют повышенную склонность к агломерации. Рассматривались два способа введения ФСС в воду затворения: ультразвуковая обработка воды с нанодисперсной добавкой и постепенное нагревание воды до температуры 55-60 ^оС. Повышение температуры воды затворения, содержащей углеродные наноматериалы, достаточно для обеспечения однородного их распределения в среде-носителе. При нагревании воды затворения с нанодобавкой распределение более эффективно, так как в дисперсной системе устанавливается седиментационно-диффузионное равновесие, которое с повышением температуры способствует не только диспергированию агрегатов, но и выравниванию концентрации частиц по всему объему воды [8, 9]. Кроме того, нагревание воды является перспективным, поскольку позволяет снизить расходы при разработке и организации технологического процесса введения нанодисперсных модификаторов в бетонную смесь.

При введении ФСС в состав бетонной смеси (табл. 1) улучшаются технологические свойства бетонной смеси и повышаются прочностные показатели бетона. Прочность бетона с использованием ФСС лежит в пределах 45-63 МПа после 28 суток нормального твердения, что превышает прочность бетона без добавок в среднем на 20-35%. При этом эффект увеличения прочности бетона достигается без дополнительного применения суперпластификатора. Кроме того, для обеспечения равномерного распределения ФСС, воду затворения нагревают до температуры 60°С, а не подвергают ультразвуковой обработке, что не требует дополнительного использования специального оборудования.

Таблица 1 - Состав и физико-механические свойства мелкозернистого бетона с использованием ФСС

Полученные результаты исследований показали перспективность использования ФСС не только для цементного бетона, но и для асфальтобетона. При подборе состава асфальтобетона модифицировали органическое вяжущее - битум. При введении ФСС битум приобретает новые, уникальные свойства: с увеличением количества ФСС температура размягчения битума снижается, в то же время глубина проникновения иглы снижается, битум становится более твердым. Снижение вязкости битума в области технологических температур способствует лучшему смачиванию поверхности каменного материала - заполнителя органическим вяжущим. Вероятно, смолы, отвечающие за пластичность битума, взаимодействуя с фуллеренами, проявляют свои свойства лучше, а асфальтены, определяющие степень его твердости, так же взаимодействуют с фуллеренами.

На основе модифицированного ФСС битума были изготовлены образцы плотного, горячего, мелкозернистого асфальтобетона типа «Б». При подборе состава асфальтобетона определялись: оптимальное содержание ФСС, метод введения добавки в битум, позволяющий ей более равномерно распределяться в органическом вяжущем. Более эффективным оказалось введение добавки при нагревании битума до 140 єС при механическом перемешивании.Результаты исследований по оптимизации количества ФСС в составе асфальтобетона представлены в таблице 2.

Анализ представленных результатов показал, что асфальтобетон на модифицированных ФСС битумах обладает большей прочностью при 20 и 50 °С . Предел прочности при сжатии образцов асфальтобетона при введении 0,1 % ФСС при 20 °С увеличился на 10 %, при 50 °С - на 50 %, при введении 0,05 % ФСС - на 14 % и 28 % соответственно. Наблюдается значительное увеличение прочности при 50°С, особенно при введении большого количества наномодификатора - 0,1 %.

Таблица 2 - Свойства асфальтобетона с модифицированным битумом

Известно, что асфальтены придают битумам твердость и теплостойкость, смолы определяют пластичность и растяжимость, а масла оказывают пластифицирующее действие. Поэтому можно предположить, что входящие в состав асфальтенов и смол ароматические, полициклические структуры, включающие гетероциклы с азотом и серой, имеющие р-связь и атомы с неподеленными электронными парами, взаимодействуют с ФСС не только на уровне дисперсионных сил, но и водородных и ковалентных связей, с образованием прочных структурных кластеров. Из-за пространственно объемной молекулы фуллерена рост кластеров идет по всему объему вяжущего и, переплетаясь, образуют прочную и жесткую пространственную сеть, увеличив тем самым твердость и теплостойкость битума.

Таким образом, ФСС можно считать эффективным модификатором для дорожно-строительных материалов, а это направление дорожно-строительного материаловедения - чрезвычайно перспективным, так как позволяет при малых дозировках модифицирующих добавок значительно изменять свойства и структуру дорожных материалов и покрытий на их основе.

Список использованных источников

бетон наноматериал фуллеренсодержащий сажа

1. Пухаренко Ю.В., Аубакирова И.У., Никитин В.А., Староверов В.Д. Структура и свойства наномодифицированных цементных систем // Междунар. конгресс «Наука и инновации в строительстве «SIB-2008». Современные проблемы строительного материаловедения и технологии. - Воронеж, 2008. - Т. 1. - Кн. 2. - С. 424-429.

2. Li G.Y., Wang P.M., Zhao X. Mechanical behavior and microstructure of cement composites incorporating surface-treated multi-walled carbon nanotubes // Carbon. - 2005. - №43. - 1239-1245

3. De Ibarra Y.S., Gaitero J.J., Campillo I. Atomic force microscopy and nanoindentation of cement pastes with nanotube dispersions // Phys. Status Solidi A. - 2006. - №203. - p. 1076-1081

4. Xiang X.J., Torwald T.L., Staedler T., Trettin R.H.F. Carbon Nanotubes as a new reinforcement material for modern cement-based binders // In Proceedings of 2nd International Symposium on Nanotechnology in Construction. - NICOM2. - p. 209-214

5. Cwirzen, A., Habermehl-Cwirzen K., Penttala V. Surface decoration of carbon nanotubes and mechanical properties of cement/carbon nanotube composites // Adv. Cem. Res. - 2008.- №20. - p. 65-73

6. Пат. 2488984 Российская Федерация, МПК8 H05H1/00, 82B 1/00. Способ получения углеродных наноматериалов с помощью энергии низкотемпературной плазмы и установка для его осуществления /С.Л. Буянтуев, А.С. Кондратенко, Б.Б. Дамдинов; патентообладатель ФГБОУ ВПО Бурятский гос. ун-т. - №2011106679/07; заявл. 22.02.2011; опубл. 27.07.2013, Бюл.№ 21. - 11 с.

7. Буянтуев С.Л., Кондратенко А.С., Хмелев А.Б. Особенности получения углеродных наноматериалов методом комплексной плазменной переработки углей // Вестник ВСГУТУ. - №3(42). - 2013. - С.21-25.

8. Королев Е.В., Кувшинова М.И. Параметры ультразвука для гомогенизации дисперсных систем с наноразмерными модификаторами // Строительные материалы. - 2010. - № 9. - С. 85-88.

9. Королев Е.В., Иноземцев А.С Эффективность физических воздействий для диспергирования наноразмерных модификаторов // Строительные материалы. - 2012. - №4. - С. 76-88.

Размещено на Allbest.ru