Композитные растворы повышенной безопасности для строительства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Композитные растворы повышенной безопасности для строительства

Эффективное использование подземного пространства, осуществляемое в последние десятилетия, с каждым годом приобретает все более широкое распространение во всех странах мира, в том числе и в России. В тоже время, интенсивные нагрузки на городские инженерные коммуникации тоннелей приводят к износу железобетонных конструкций и, как следствие, к их аварийному состоянию.

Для достижения эффективного и безотказного функционирования железобетонных конструкций и увеличения срока их эксплуатации необходимы своевременные работы по выявлению первоочередности ремонта, реконструкции или модернизации в зависимости от их физического состояния. Традиционные методы ремонтных работ не всегда предоставляют необходимый результат в долгосрочной перспективе.

Обеспечение качества строительных конструкций, зданий и сооружений различного назначения на протяжении всего жизненного цикла - проблема, требующая комплексного решения.

Современное строительство все в большей мере основывается на высокотехнологичных конструкционных и многофункциональных материалах, на новых композитных материалах, технологии получения которых основаны на достижениях фундаментальных и общеинженерных наук; на процессах их структурообразования, рассматриваемых на масштабных уровнях строения: от структуры материала в структуре конструкции до нано- и атомно-молекулярного строения. Структура материалов нового поколения является следствием управления развитием механико-химических и физико-химических процессов в сложных многокомпонентных смесях. Условия эксплуатации строительных конструкций, действие на них экстремальных факторов среды требуют от современных и перспективных строительных композитов нового уровня конструкционных и функциональных свойств. Новая структура и рецептура высокотехнологичных и высокопрочных строительных материалов предопределяет новые уровни качеств и свойств. С учетом этого начальным и во многом определяющим в теоретических и прикладных исследованиях является разрешение ключевых проблем, связанных с отличающимся поведением высокопрочных строительных материалов. Отправной точкой для создания структуры строительного материала являются требования к уровню его прочности.

В связи с этим, актуальным и перспективным направлением исследований является разработка безопасных композитных материалов с применением нанодобавок, введение которых позволяет обеспечить высокую прочность, водонепроницаемость, трещиностойкость и долговечность конструкции.

Наиболее перспективными наноматериалами являются углеродные нанотрубки (УНТ), при использовании которых, происходит улучшение физико-механических свойств цементных композитов [1, С. 19]. УНТ являются центрами направленной кристаллизации, и способны выполнять роль армирующего материала, при этом цементный камень превращается в высокопрочную композитную систему [2, С. 100].

Введение УНТ в количестве 1-2%, и даже 0,1-0,3% приводит к возрастанию модуля упругости и прочности цементного камня в разы [3, С. 1625], [4, С. 96].

С учетом этого начальным и во многом определяющим в теоретических и прикладных исследованиях является разрешение остроактуальных проблем, связанных с отличающимся поведением высокопрочных композитов [5, С. 491], [6, С. 87].

Целью данного исследования является изучение влияния добавок АНТ на процесс структурообразования цементных композитов во времени. В состав изучаемого раствора входили: бентонит, АНТ, цемент и жидкое стекло.

В работе в качестве наноструктурированного материала использовали АНТ с химической формулой Al₂[Si₂O₅] (OH)₄ЧnH₂O, где n=0ч2, бентонит марки П2Т₂А содержащий: монтмориллонит 75-80%, кварц 15-17%, каолинит 1-2% и гидрослюду мусковитового типа 1-2%.

Связующим материалом в композитном растворе являлся портландцемент М500, с целью уменьшения сроков схватывания в раннем возрасте твердения - жидкое стекло ГОСТ13078-81, универсал, марка ТЕКС. В композитной системе водоцементное соотношение составляло 2:1.

Для подготовки качественного композитного раствора (КР) смешивали сухую смесь: бентонит с нанотрубками, затем, перемешивая механизированным способом со скоростью 600 об/мин, добавляли воду и готовили 5% суспензию. После этого вносили цемент и 5% жидкого стекла к весу смеси.

Структурообразование КР на основе бентонита марки П2Т₂А при длительном хранении исследовали при различном содержании АНТ, которое варьировалось от 0,000% до 1,000% к массе цемента.

В результате измерения предела прочности на сжатие и изгиб, в зависимости от количества наномодификатора, было установлено, что около 70% конечной прочности обеспечивается за 7 суток, а через 14 суток она достигает 90%.

Исключительное значение структурообразование нанодисперсной системы приобретает в первоначальный период гидратации цемента, так как с момента объединения первичных частиц происходит формирование сначала коагуляционной, а далее и кристаллизационной структуры цементного камня.

Так как основная прочность цементно-бентонитового раствора образуется через 7 суток, то исследовали влияние добавок АНТ на скорость структурообразования на начальной стадии формирования КР. Скорость структурообразования определяли по тангенсу угла наклона кривых. По полученным данным строили график изменения скорости структурообразования от содержания АНТ к массе цемента (рис. 1).

Рис. 1. Кинетика структурообразования от содержания нанотрубок

алюмосиликатный нанотрубка композитный цементный

Из рис. 1 видно, что наибольшая скорость структурообразования достигается при концентрации нанотрубок 0,125% к массе цемента. По сравнению с контрольным образцом скорость структурообразования возрастает почти в 1,5 раза. Этот эффект достигается благодаря взаимодействию нанотрубок с клинкерными минералами в зоне контакта частиц этих компонентов [7, С. 173], [8, С. 11]. [9, С. 40].

Очевидно, оптимальное содержание нанотрубок приводит к получению плотной упаковки цементного камня, в результате чего увеличивается прочность КР.

Согласно проведенным исследованиям установлено, что добавки малых концентраций нанотрубок способствуют изменению кинетики структурообразования и росту прочности композитного раствора.

В строительстве требуется проведение проверки качества конструкций. Это связано с тем, что мог быть использован некачественный раствор, либо в ходе эксплуатации нарушилась структура из-за промерзания. Даже при качественной подготовке растворов конструкция может таить в себе опасность разрушения всего объекта. Поэтому применяют специальные способы контроля его структуры и состава.

Наиболее практичными являются неразрушающие методы, которые позволяют получить максимум информации [10, С. 46]. Самым эффективным среди них является ультразвуковой метод, основанный на измерении скорости прохождения волн ультразвуковой частоты сквозь КР и последующем сравнении с контрольным образцом. По времени прохождения звука сквозь материал определяется скорость прохождения звуковой волны сквозь конструкцию, которая позволяет судить о её прочности. Достоинством метода является его высокая чувствительность к изменению структуры твердеющих цементных паст и возможность его использования как для изучения кинетики процесса структурообразования, так и для оценки прочности.

Характеристикой упругих свойств материала является скорость распространения ультразвуковых колебаний. Независимо от режима твердения по характеру изменения скорости ультразвукового сигнала определяют характер нарастания прочности, следовательно, ультразвуковой метод позволяет получать устойчивую информацию о твердении строительных материалов.

Основой данного метода является чувствительность скорости ультразвука к образованию в материале на всех стадиях его твердения контактов различной природы.

В связи с вышесказанным, была измерена скорость ультразвуковых колебаний в зависимости от концентрации АНТ на ультразвуковом измерителе прочности бетона «ПУЛЬСАР 1.1». На основании полученных данных была построена табл.

алюмосиликатный нанотрубка композитный цементный

Скорость ультразвуковых колебаний от концентрации АНТ

По данным табл. 1 был построен график зависимости скорости распространения звуковых колебаний и прочности КР от содержания АНТ%, к массе цемента (рис. 2).

Рис. 2. Скорость распространения звуковых колебаний и прочность КР от содержания АНТ%, к массе цемента

Установлено, при введении 0,125% АНТ к массе цемента достигается максимум прочности композитной системы (КС) и одновременно наблюдается возрастание скорости ультразвуковых колебаний в 1,22 раза по сравнению с контрольным образцом, что свидетельствует об уплотнении структуры материала и созданию дополнительных контактов между частицами, а, следовательно, происходит заполнение пустот.

Таким образом, доказано, что введение добавок АНТ в композитный раствор привело к упрочнению КС за счет проникновения наночастиц в мелкие поры цементного камня.

Список литературы

1. Староверов В.Д. Структура и свойства наномодифицированного модифицированного камня. / В.Д. Староверов // Автореф. дис. канд. техн. наук. СПб., - - С. 19.

2. Яковлев Г.И. Модификация поризованных цементных матриц углеродными нанотрубками / Г.И. Яковлев, Г.Н. Первушин, А.Ф. Бурьянов, и др. // Строительные материалы. - №3. - С. 99-102.

3. Coleman J.N., Small but strong: A review of the mechanical properties of carbon nanotube-polymer composites. / J.N. Coleman, U. Khan, W.J. Blau, // Carbon. -2006. - V. 44- №9. - Р. 1624-1652.

4. Панфилова М.И. Наномодифицированные цементно-бентонитовые композиты / М.И. Панфилова, Н.И. Зубрев, Д.А Леонова и др. // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. - 2015. - №5 (27) - С. 95-98.

5. Thostenson, E.T. Nanocomposites in context. / E.T. Thostenson, et al. // Composites Science and Technology. - 2005. - №65. - p. 491-516.

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

7. Панфилова М.И. Перспективные направления развития композитов с добавками серы / М.И. Панфилова, Н.И. Зубрев, Д.А. Леонова и др. // Научное обозрение. -2015, - №14, - стр. 172-175.

8. Перфилов В.А. Применение модифицирующих микроармирующих компонентов для повышения прочности ячеистых материалов / В.А. Перфилов, А.В. Аткина, О.А. Кусмарцева // Известия вузов-2010. - №9. - С. 11-14.

9. Урханова Л.А. Бетоны на композиционных вяжущих с нанодисперсной фуллеренсодержащей добавкой / Л.А. Урханова, С.Л. Буянтуев, С.А. Лхасаранов, и др. // Нанотехнологии в строительстве. - 2012. - №1. - С. 39-45).

10. Пономарев А.Н. Исследование многослойных полиэдрических наночастиц фуллероидного типа - астраленов / А.Н. Пономарев, В.А. Никитин, В.В. Рыбалко // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. - 2006. - №5. - С. 44-47.

Размещено на Allbest.ru