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.