Современное состояние и перспективы применения фуллероидных наноструктур в цементных бетонах

11.06.2008 01:17:46

Конец XX столетия ознаменовался появлением в области науки и техники таких понятий, как наноматериалы, наночастицы, наноструктуры и т.п., что предопределило направление дальнейшего развития материаловедения и технологий во всех отраслях, в том числе в строительстве. О применении нанотехнолгий в производстве строительных материалов рассказывает Юрий Владимирович Пухаренко.

Следует отметить, что и до этого значительное внимание уделялось возможности улучшения функциональных и технологических свойств строительных композитов различного рода добавками, в том числе ультра- и нанодисперсными, которые чаще всего получают обычным продолжительным механическим измельчением исходного сырья. Однако электронно-микроскопическое исследование продуктов помола показывает, что механическое измельчение имеет границы, при переходе которых частицы измельчаемого вещества слипаются, сталкиваясь друг с другом, что приводит к динамическому равновесию «размол – агрегация» с характерным микронным (субмикронным) размером частиц. Кроме того, сколько-нибудь значимый эффект в этом случае достигается лишь при существенном (в размере нескольких процентов) содержании таких добавок в составе основного вещества. В итоге особое значение в ряду модификаторов приобретают материалы фуллероидной структуры с максимальными размерами частиц от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров, получаемые путем плазменно-дугового синтеза с последующей физико-химической обработкой и представляющие собой особую форму углерода. Учитывая многозвенность химико-технологических переходов и высокую стоимость исходного сырья, сложно рассчитывать на масштабное промышленное внедрение каких-либо материалов, построенных на объемном использовании нанодисперсных фуллероидных компонентов. В связи с этим исключительный интерес представляют те направления строительного материаловедения и технологий, в которых для достижения промышленно значимых макроэффектов достаточно использования наноматериалов в микродозах.

Необычная структура фуллеренов, определяемая наличием огромного числа слабо связанных валентных электронов в сочетании с высокой стабильностью атомного каркаса, и их огромная удельная поверхность обуславливают особые и весьма полезные свойства таких наночастиц, основными из которых являются

- высокая сорбционная способность и нескомпенсированная поверхностная энергия, благодаря чему, например, снижаются ориентационные затруднения поверхностно-активных веществ на стадии блокировки цементных зерен при их гидратации. Безусловно, наличие частиц наномодификатора в воде позволяет существенно повысить критическую концентрацию мицелообразования ПАВ, поскольку частицы наномодификатора сами по себе являются для него активными центрами, и это приводит к значительному увеличению эффективной концентрации введенного пластификатора;

- способность к сильным поляризационным взаимодействиям с превращением фуллероидов в диполи на границах раздела фаз. Наличие высочайшего, по сравнению с обычными молекулами, дипольного момента приводит к увеличению адгезионного взаимодействия, повышению концентрации и уплотнению вещества среды в приграничных с твердой фазой областях;

- способность к образованию вторичной структуры – фрактальной (объемной) сетки, с которой взаимодействуют как цементные зерна, так и молекулы ПАВ, что приводит к снижению размерности пространства, в котором происходит сорбция молекул ПАВ на цементном зерне, и, соответственно, к увеличению скорости и эффективности его блокировки. В дальнейшем на стадии образования цементного камня фрактальная перколяционная сетка играет роль объемного каркаса, позволяющего упорядочить процесс кристаллизации в пространстве и получить более однородную, а следовательно, и более прочную и долговечную структуру материала.

Современное строительство связано с производством и переработкой значительных объемов бетонных смесей, от которых требуется высокая удобоукладываемость (чаще всего – высокая подвижность), сохраняемость достигнутого уровня реологических характеристик во времени, возможность повышения прочности бетона при одновременном снижении расхода цемента. Именно в этом направлении особенно перспективным представляется использование наномодификаторов.

Рассматривая бетон в качестве композита, сформированного из крупного и мелкого заполнителя, цементного камня, воды и воздушных пор, можно сформулировать основную задачу наномодифицирования как управление процессом формирования структуры материала снизу вверх (от наноуровня к макроструктуре бетонной смеси) и кинетикой всего спектра химических реакций, сопровождающих процесс твердения. Так, используя нанодисперсный модификатор, причем в концентрациях близких к 10-7 (что обусловлено не только экономией, но и агрегативной устойчивостью фуллероидов), возможно управлять кинетикой взаимодействия цемента с водой затворения и добиваться максимальных положительных эффектов на стадиях:

- растворения цементных зерен, получая заданную реологию;

- коллоидации, обеспечивая требуемую сохраняемость подвижности во времени;

- кристаллизации, усиливая гетерофазные границы контактных зон и, таким образом, повышая прочность, водо- и морозостойкость бетона.

Были проведены лабораторные и производственные эксперименты, цель которых заключалась в исследовании влияния воды затворения, структурированной наночастицами, на реологические характеристики цементного теста и свойства бетонных смесей с пластифицирующими добавками. Активное и непосредственное участие в проведении работ принимали сотрудники Северо-Западного государственного технического университета (профессор Никитин В. А., доцент Летенко Д. Г.) и специалисты ООО «Бетон» (канд. техн. наук Ковалева А. Ю., инженер Беляева Ж. В.)

В результате исследований установлено, что наноструктурирование воды затворения приводит к снижению вязкости цементного теста в 1,4–1,7 раза. При этом в смесях без наномодификатора зафиксирована тенденция к повышению вязкости через 50–55 минут от начала затворения. Вязкость цементного теста, изготовленного на наномодифицированных затворителях, после достижения минимальных значений не изменяется на протяжении всего дальнейшего периода испытаний, что свидетельствует о лучшей сохраняемости свойств композита и большей эффективности используемых пластификаторов.

Результаты испытаний образцов бетонных смесей и бетонов, изготовленных из производственных замесов, приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Сравнительные характеристики бетонных смесей и бетонов

№ п/п

Требуемые марка бетонной смеси и класс бетона

Характеристики состава

бетонной смеси

Осадка конуса (см) через время, час

Предел прочности при сжатии в возрасте 28 сут., МПа

Марка и расход цемента, кг/м3

Вид и количество (% масс. цем.) добавок

В/Ц

0

1

3

1

П 4, В 30

М500 Д0

405

Лигнопан Б1

(1,1 %)

0,45

18,0

16,0

12,0

38,7

2

П 4, В 30

М500 Д0

370

Murаplast FK-63

( 0,4 %)

0,45

18.0

16,5

14,0

39,0

3

П 4, В 30

М500 Д0

370

Murаplast FK-63

( 0,4 %)

0,45

21,0

20,0

18,0

42,0

4

П 4, В 30

М500 Д0

315

Murаplast FK-63

( 0,4 %)

0,45

19,0

18,0

16,0

40,0

Примечания: - бетонные смеси составов 1 и 2 приготовлены на воде без наномодификатора;

- бетонные смеси составов 3 и 4 приготовлены на наноструктурированной воде.

Представленные данные свидетельствуют о повышении функционального действия пластифицирующих добавок при их сочетании с наноструктурированной водой, которое проявляется в значительном улучшении удобоукладываемости бетонной смеси и сохраняемости достигнутой подвижности во времени или в существенном сокращении расхода цемента.

Морозостойкость наномодифицированных бетонов соответствует марке F400 против марки F300 у бетонов, изготовленных на обычной воде. При этом бетонные смеси с наномодификатором могут изготавливаться без использования воздухововлекающих добавок.

Данная работа является первой попыткой обозначения эффектов при наноструктурировании цементных композитов, поиска объяснения механизмов действия наномодификаторов на основе имеющихся о них сведений. Пока не затронуты вопросы, связанные с электрокапиллярными явлениями и их ролью в формировании характеристик строительных смесей. Однако уже сегодня можно прогнозировать серьезное влияние наномодификаторов на процесс формирования двойного электрического слоя на границах раздела фаз и связанные с этим явления.

    Была ли полезна информация?
  • 1736
Автор: @