Введение
Современный этап развития строительного материаловедения требует использования и создания объектов по принципу многокомпонентных материалов, обладающих заданным набором свойств. Формирование и сборка составных частей, ключевых компонентов полифункциональной системы должна базироваться и осуществляться на принципах построения синергетических связей и функционирования всего комплекса в целом.
В настоящее время строительная практика все чаще рассматривает основные характеристики веществ, явлений и процессов участвующих в процессе формирования материала строительного назначения в масштабах наноуровня. В свою очередь углеродные наноструктуры, обладающие аномально высокой поверхностной энергией и мощным дисперсионным воздействия открывают новые возможности для создания широкого спектра наноструктурированных строительных композитов. Для решения данной задачи необходимо добиться качественного взаимодействия на границе фаз, поверхностью углеродного нанноматериала и матрицей, что позволит обеспечить эффективную передачу нагрузки от материала нанотрубке и, в конечном счете, приведет к повышению прочностных характеристик композита. При этом необходимо учитывать тот факт, что углеродные наноматериалы склонны к образованию агрегатов, следовательно, методика приготовления и форма добавки должны исключить неравномерность распределения модификатора в структуре композита [1,2].
Экспериментальные исследования
В настоящее время существует ряд способов по получению, равномерному распределению и внесению в структуру композита модифицирующих добавок (вид добавки – сухая смесь) среди которых можно выделить: механическое диспергирование, обработка ультразвуком, магнитодинамическая обработка, химическая активация поверхности, электроосаждение и так далее. Часто используются комбинированные методы.
В большинстве случаев образование дисперсных систем требует затраты работы: либо подводимой извне, например, в виде механической, либо за счет протекания внутренних (в том числе химических) процессов в самой системе. Возникшие, таким образом, дисперсные системы являются термодинамически неравновесными вследствие значительного избытка свободной поверхностной энергии и требуют для своего сколько-нибудь длительного существования специальной обработки. В противном случае система оказывается неустойчивой: в ней не может сохраняться какой-либо стабильный размер частиц или распределение частиц по размерам.
Важную роль в интенсификации процессов диспергирования и уменьшении энергетических затрат на эти процессы играет введение различных по природе и механизму действия поверхностно-активных сред. Подобные среды способны, с одной стороны, облегчить измельчение за счет действия эффекта адсорбционного понижения прочности (эффект Ребиндера), а с другой – предотвратить сцепление (агрегирование) образующихся при измельчении частиц.
Представленные исследования направлены на создание модифицирующей добавки в виде сухой смеси компонентов на основе углеродных наноматериалов. Результирующим эффектом от внесения добавки должно стать повышение различных физико-механических характеристик строительного материала. При разработке модифицирующих добавок мы учитывали, что свойства порошковых материалов, суспензий и эмульсий во многом зависят от размера агрегатов частиц. Была высказано предположение, что дополнительная механоактивация и измельчение агрегатов частиц углеродного наноматериала (УНМ) «Таунит», имеющего основную весовую долю частиц УНМ «Таунит» в пределах 55-600 мкм на начальном этапе до размеров порядка 20-40 мкм может оказать более интенсивное воздействие на появление дополнительных точек роста активности (частичное армирование, регулирование кристаллизационных процессов). Данное предположение не было подтверждено экспериментально (Рис.1), считаем, что по предварительным результатам, размер частиц и технических параметров УНМ не подверженных дополнительному воздействию наиболее оптимален для использования в условиях модификации строительных материалов и экономически обоснован, так как позволяет снизить энергетические затраты, направленные на реализацию данных методик [2].
Рис. 1. Влияние методов обработки УНМ «Таунит» на прочностные характеристики мелкозернистого бетона
Следующий этап исследования был направлен на поиск оптимальных способов совмещения и дополнительной обработки, углеродных наноматериалов в составе исходных компонентов строительного материала.
Первый метод предполагает использование смеси порошкообразных компонентов УНМ и ПАВ (поверхностно активных веществ), получаемых методом механического диспергирования.
С целью оптимизации содержания исходных компонентов, режимов отдельных технологических стадий и поиска экстремума-максимума зависимости «состав-свойство», проводились экспериментальные исследования на смесях мелкозернистого бетона (Рис. 2). Эффект от влияния наномодифицирующих добавок оценивался по следующим параметрам: прочности на изгиб, сжатие.
Рис.2 Влияние содержания УНМ на прочностные характеристики мелкозернистого бетона. Прочность на сжатие
Таким образом, в результате исследований установлено, что прочность образцов наномодифицированного бетона на сжатие увеличивается в среднем на 20 – 25 %, а прочность на изгиб – 15 – 20 %. Распределение наномодификатора в сухой смеси обеспечивает повышение прочности на сжатие 15-20%, на изгиб 15%.
Последующий метод предполагает комбинированный способ обработки и внесения углеродного наноматериала в цементно-песчаную смесь.
В ходе проведённых исследований была разработана методика совмещения углеродного наноматериала «Таунит» и цементно-песчаной смеси исходных компонентов строительного материала, включающая стадию его распределения в портландцементе на планетарной мельнице.
Компоненты бетонных смесей взяты в массовых долях: портландцемент (цемент) М500 ГОСТ 10178-85 – 1; водоцементное отношение в составах без суперпластификатора – 0,53, в составах с С-3 – 0,44; песок – 1,5; суперпластификатор С-3 ТУ 5745-001-97474489-2007 (сухой порошок) – 6 10-3; углеродный наноматериал «Таунит» ТУ 2166-001-02069289-2006 – 5 10-6 [2,3].
Совмещение и распределение компонентов сухой смеси (УНМ «Таунит» и портландцемент) осуществлялось в 1/10 части цемента по массе под влиянием высокоэнергетических воздействий ударного и мелющего характера планетарной мельницы «Пульверизетте 5». Распределённый в цементе УНМ «Таунит» или С-3 или обе эти добавки вводили в цементно-песчаную смесь в процессе её приготовления, окончательное перемешивание всех компонентов смеси достигалось в смесительной установке.
Экспериментальные данные влияния наноструктур на свойства мелкозернистого бетона
|
№ |
Наименование испытываемого образца |
Значение предела прочности на сжатие в возрасте 28 сут., МПа |
|
1 |
Контрольный образец мелкозернистого бетона |
36,7 |
|
2 |
Образец мелкозернистого бетона модифицированный пластификатором С-3 |
43,2 |
|
3 |
Образец мелкозернистого бетона модифицированный УНМ «Таунит» |
47,8 |
|
4 |
Образец мелкозернистого бетона модифицированный комплексной добавкой на основе УНМ «Таунит» и пластификатора С-3 |
49 |
Результаты и выводы
Добавление углеродных компонентов приводит к возрастанию, как прочности при сжатии, так и прочности при изгибе. Эффективность использования добавки УНМ получена, как при совместном использовании (в комплексе с пластификатором С-3) так и в качестве добавки порошка УНМ, общий прирост прочности относительно контрольного образца составляет не менее 30% (Таблица 1) [3]. Максимальный результат роста физико-механических характеристик был, достигнут при использовании комплексной добавки на основе УНМ «Таунит» и пластификатора С-3. Что в свою очередь может говорить о синергетическом эффекте использования данных компонентов смеси, которое, по нашему мнению, можно объяснить за счет усиления энергетических возможностей каждой добавки в отдельности и осуществление целенаправленного воздействия на процессы, протекающие в период формирования структуры цементных композитов.
Представленные исследования подтвердили перспективность применения углеродных наноматериалов марки «Таунит» в качестве модифицирующих добавок, способствующих повышению прочностных характеристик строительного материала. Следует отметить, что использование добавки в виде сухой смеси компонентов имеет ряд существенных преимуществ, среди которых можно выделить устойчивость при хранении и удобство в применении.
Работа выполнена в рамках государственной поддержки проектов по созданию высокотехнологичного производства, Постановление Правительства РФ щт 9 апреля 2010г. № 218 (Договор № 02.П25.31.0123 от 14 августа 2014 года)
Библиографическая ссылка
Логвинов А.Ю., Михалева З.А., Толчков Ю.Н., Панина Т.И. СПОСОБЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛЕРОДНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ «ТАУНИТ» В СУХИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ СМЕСЯХ // Международный студенческий научный вестник. – 2015. – № 3-2. ;URL: https://eduherald.ru/ru/article/view?id=12376 (дата обращения: 21.11.2024).