Размещено на http://www.allbest.ru/

Изменения структуры и свойств цементных композитов под влиянием углеродных наномодификаторов

Аубакирова Ирина Утарбаевна, канд. техн. наук., доц. каф. ТСИиК СПбГАСУ,

Староверов Вадим Дмитриевич, асс. каф. ТСИиК СПбГАСУ, Летенко Дмитрий Георгиевич, канд. физ. - мат. наук, доц. каф. физики СЗГТУ

Основное содержание исследования

Развитие нанотехнологий открывает широкие возможности управления структурой цементных композитов с целью улучшения их свойств при одновременном снижении затрат как на исходные материалы, так и на выполнение строительных работ.

Нами были выполнены исследования влияния наномодификации на физико-химические свойства воды затворения, на физико-химические свойства растворов ПАВ, на характер кристаллизации продуктов гидратации цемента, на механические свойства цементных композитов, включая их реологические особенности, водо - и морозостойкость. Это позволило сформулировать модельные представления о влиянии наномодификации на кинетику реакции гидратации и формирование структуры цементного камня.

В качестве углеродных наномодификаторов нами использовались фуллероидные материалы с размером частиц от 20 до 100 нм (рис.1).

Суспензии готовились на основе дистиллированной воды с использованием ультразвукового диспергатора. Приготовление исследуемых суспензий производилось путем разбавления наиболее концентрированной суспензии.

Рис.1

С целью исследования изменения свойств полученных водных суспензий были выполнены измерения водородного показателя рН (рис.2) и электропроводности.

Анализ полученных результатов свидетельствует о довольно узком интервале концентрации наномодификатора (10^-5 масс), в котором проявляется снижения рН суспензии. Объяснить выявленный эффект можно только рассматривая изменение ионного произведения воды, вызванное сорбцией на поверхность наночастиц гидроксильных групп.

Рис.2

Как известно, склонность воды к электролитической диссоциации, описываемая в упрощенном виде уравнением (1), довольно низкая. При температуре +20⁰С концентрация ионов гидроксония [H₃O⁺] = 10^-7 и соответственно гидроксильных групп [OH^-] = 10^-7.

[H₂O] [H₃O⁺] + [OH^-] (1)

Очевидно, что при определенной концентрации наномодификатора приведенное выше подвижное равновесие в силу воздействия углеродных наночастиц смещается вправо. В этом случае происходит локальное нарушение равновесия вследствие сорбции ионов [OH^-] на поверхности наномодификатора. При этом в оптимальном интервале концентрации (в нашем случае 10^-5 масс) образуется фрактальная объемная сетка (рис.3), занимающая максимальный объем в водной системе, а локальное изменение концентрации гидроксильных групп вблизи наночастиц приводит к объемному эффекту изменения рН.

Таким образом, отмеченное подкисление суспензии благоприятно для создания условий формирования структуры цементного камня, т.к. в этом случае возможна реакция нейтрализации между наиболее растворимой формой гидроксида кальция и образование дополнительных молекул воды, которая в дальнейшем связывается с менее растворимыми продуктами гидратации портландцемента. Также вновь образующаяся в результате химической реакции внутри системы вода будет способствовать увеличению пластификации цементной системы в целом.

Необходимо особо подчеркнуть, что увеличение концентрации наномодификатора сверх порогового значения приводит к снижению его сорбционной способности, вызванного собственной агрегацией активных частиц.

нанотехнология фуллероидный наномодификатор цементный композит

Рис 3

Особый интерес представляет исследование влияния наномодификатора на физико-химические свойства различных ПАВ, выполняющих роль пластификаторов. Так, в таблице 1 приведены экспериментальные данные изменения рН и электропроводности 0,5% водного раствора пластификатора Muroplast FK-63 в зависимости от концентрации наномодификатора.

Таблица 1

Видно, что пластификатор Muroplast FK-63 является катионоактивным ПАВ, поэтому при измерении рН раствора изменения практически не регистрируются. На практике это связано в первую очередь с блокировкой носителями поверхностной активности (катионами) стеклянного электрода рН-метра, который является сенсором, способным регистрировать изменения водородного показателя. В этом случае целесообразнее выполнять измерение электропроводности, изменение величины которой дает довольно четкое представление перестройки системы, вызванной действием наномодификатора.

Как уже было сказано выше, с достижением концентрации наномодификатора выше пороговой величины происходит агломерация частиц, доказательством чего является рост электропроводности, наблюдаемый при достижении в нашем случае величины 5•10^-2 (рис.4). Это может быть объяснено вкладом электропроводности самого наномодификатора. При снижении концентрации наномодификатора до 0,01 уменьшается и электропроводность раствора в сравнении с раствором пластификатора Muroplast FK-63 без наномодификатора. Что также находит свое объяснение с позиции снижения общей его концентрации в результате сорбции ионов ПАВ. Дальнейшее снижение концентрации наномодификатора приводит к невозможности формировать объемную сетку, таким образом очевидно, что влияние наномодификатора на свойства системы возможно в узком диапазоне его концентрации.

Рис. 4

В ходе проведенных исследований было выявлено значительное влияние размера молекулы ПАВ на эффекты работы концентрации наномодификатора. Если сопоставить эффективную концентрацию наномодификатора в дистиллированной воде, при которой формируется объемная сетка без агрегации частиц наномодификатора (концентрация 10^-5), с эффективной концентрацией в растворе с ПАВ (в этом случае концентрация наномодификатора по отношению к воде уже составляет 10^-6), то можно сделать вывод, что в условиях чистой воды сольватная оболочка имеет меньшие размеры в то время, как в водном растворе ПАВ вокруг наномодификатора формируется сольватная оболочка больших размеров. Очевидно, что в последнем случае для создания объемной структуры требуется меньше частиц наномодификатора.

Таким образом, косвенными характеристиками размеров сольватной оболочки могут выступать электропроводность и рН, по измеренным пикам которых можно судить о сравнительных размерах сольватной оболочки и, соответственно, о размерах тех молекул, которые на нем сорбируются.

Приведенные данные позволяют констатировать, что введение в воду углеродного наноматериала приводит к образованию объемной фрактальной сетки в силу изменений собственной структуры воды, проявляющихся в изменениях её физико-химических свойств. В частности, введение наномодификатора способствует снижению рН и повышению удельной электропроводности суспензии. При этом выявлена полиэкстремальная зависимость между концентрацией углеродного наномодификатора и свойствами суспензии. По результатам проведения комплексных исследований выявлено, что оптимальная концентрация углеродных наночастиц в воде затворения находится в интервале 10^-6.10^-4 %, при которой возникает объемная фрактальная сетка.

Из вышесказанного следует, что существует оптимальная концентрации углеродных наночастиц, при которой проявляются положительные стороны наномодификации не только в водной среде, но и в цементных системах.

Так на рис.5 приведены фотографии цементного камня, полученного при использовании воды затворения с различной концентрацией углеродных наночастиц.

а) б)

Рис.5

а - не модифицированный цементный камень,

б - цементный камень модифицированный углеродными наночастицами.

Исследования структуры цементного камня, полученного при затворении цемента наномодифицированной водой, позволили установить, что модифицирование благоприятным образом влияет на образование системы кристаллов, армирующих цементный камень.

Также установлено, что при совместном действии углеродного наномодификатора и пластифицирующей добавки без сокращения расхода исходных компонентов удобоукладываемость (подвижность) бетонных смесей значительно возрастает. При этом в некоторых случаях после 30.60 минут после изготовления бетонной смеси выявлено повышение подвижности до 1,5 раз.

Выше было сказано, что эффекты наномодификации усиливаются совместной работой с ПАВ, что дало возможность сократить концентрацию как самого наномодификатора, так и ПАВ. А в дальнейшем данный эффект позволил одновременно сократить расход пластифицирующей добавки и цемента, в результате чего наномодифицированные бетонные смеси достигают равной подвижности по сравнению с контрольными составами, что характеризует исследуемый фуллероидный материал как усилитель действия пластифицирующих добавок. При этом установлено существенное (до 1,5 раз) повышение сохраняемости первоначальных свойств наномодифицированных бетонных смесей во времени.

На основании проведенных исследований разработаны составы наномодифицированных бетонных смесей и бетонов, обеспечивающие увеличение подвижности и сохраняемости бетонной смеси, повышение прочности (до 30% без сокращения цемента и до 10% с сокращенным расходом активной составляющей композита), водонепроницаемости (на 2.3 марки) и морозостойкости (на 1.3 марки) бетонов (рис.6,7).

Рис.6

Рис.7

По результатам опытно-промышленной проверки полученных составов наномодифицированных бетонов разработан технологический регламент их изготовления и установлена экономическая эффективность от применения углеродного наноматериала, заключающаяся в снижении себестоимости до 10.17%.

Размещено на Allbest.ru