Ячеистые бетоны, содержащие наноструктуры

Размещено на http://allbest.ru

Ижевский государственный технический университет

УДК 541.16:536.4

Ячеистые бетоны, содержащие наноструктуры

Крутиков В.А., канд. техн. наук, доцент,

Кодолов В.И., д-р хим. наук, профессор

Введение

Для развития базы материалов строительного назначения и для создания материалов с улучшенными физико-механическими свойствами целесообразно в ряде конструктивных решений применять композиционные материалы, содержащие наноструктуры. Такие нанокомпозиты могут быть получены путем непосредственного введения в композиции заранее синтезированных нанопродуктов, обеспечивающих прогнозируемые характеристики материала.

Разработка принципов получения нанокомпозитов - одна из многообещающих областей материаловедения. Один из способов получения композитов с наноразмерными частицами - это введение в матрицу материала углеродных нанотубулярных форм [1, 2].

Основным элементом таких структур является графеновый слой. Графеновый слой образует протяженные структуры в виде полого цилиндра. Подобные структуры, называемые нанотрубками, отличаются широким разнообразием физико-химических свойств. Длина таких образований достигает десятков микрон и на несколько порядков превышает их диаметр, составляющий обычно от 5 - 6 до нескольких нанометров [3].

Для синтеза углеродных нанотрубок был использован метод стимулированной дегидрополиконденсации и карбонизации ароматических углеводородов (антрацен и фенантрен) в активных средах (расплавы хлоридов алюминия, меди, кобальта, марганца, хрома), в которых достигалось образование комплексов с переносом заряда.

Согласно данным рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и рентгенофазового анализа [4] полученные в результате реакции стимулированной дегидрополиконденсации и карбонизации ароматических углеводородов продукты содержат 80-90% углерода.

В основе технологических применений нанотрубок лежат такие их свойства, как высокая удельная поверхность, гидрофобность и размеры, соизмеримые с действием сил межмолекулярного взаимодействия.

Образование многократно скрученных между собой случайным образом ориентированных спиралевидных структур приводит к возникновению внутри нанотрубок значительного количества полостей нанометрового размера, доступных для проникновения извне (рис. 1).

Рис. 1. Микроструктура углеродных тубуленов, содержащих медь

Коагуляция коллоидных частиц по Б. В. Дерягину происходит, когда Ван-дер-Ваальсовы силы притяжения между ними превышают «расклинивающее давление» гидратных слоев жидкости в узком зазоре между этими частицами.

Величина тех и других сил изменяется с изменением расстояния между частицами. Ван-дер-Ваальсовы силы притяжения (оказывающие, как известно, сопротивление при всестороннем растяжении твердого или жидкого тела) действуют на очень близких расстояниях между частицами, быстро убывают с увеличением этого расстояния и столь же быстро возрастают при их приближении.

Таким образом, силы расклинивания и притяжения действуют в противоположных направлениях, и интенсивность их воздействия зависит от величины расстояния между частицами.

Сближение частиц до некоторого предела (порядка 10^-7 м) происходит без затраты усилий [5]. При дальнейшем сближении все труднее становится выдавливать воду из зазоров между твердыми частицами (следствие сцепления воды с их поверхностями и роста расклинивающего давления).

Но если эта прослойка воды будет все меньше и меньше, то после того как уменьшение ее толщины превзойдет известный предел (при расстоянии между частицами порядка 10^-9 м), начнут действовать Ван-дер-Ваальсовы силы притяжения между твердыми частицами через водную прослойку.

Быстро возрастая, с дальнейшим уменьшением расстояния между частицами, они станут преобладать над противоположным по знаку расклинивающим давлением, и это приведет к сцеплению частиц и коагуляции коллоида. композиционный нанотрубка строительство

Таким образом, для уменьшения силы расклинивания воды, которая препятствует подойти частицам твердой фазы друг к другу, необходимо ввести поверхности с размером 10^-9 - 10^-8 м (именно такие размеры имеют углеродные нанотрубки), не реагирующие с водой, в качестве исходных точек для процесса схватывания и перекристаллизации исходного материала.

Описание эксперимента и обсуждение результатов

Изготовление образцов-кубов с размерами (100х100) мм для механических испытаний производили по стандартной методике. Были определены показатели прочности разных по составу композиционных материалов. Сведения по составу образцов и результатам испытаний даны в табл.1.

Таблица 1

Состав и характеристика прочности на сжатие композитов

Повторяемость результатов на строительных объектах зависит от температуры растворной смеси и свойств воды затворения (использование водопроводной воды с разных городских районов дает отклонение результатов как в сторону увеличения, так и уменьшения характеристик).

Был проведен ряд экспериментов по определению показателей прочности состава № 1 при добавлении наноструктур.

Максимум прочности достигнут при 0,05 % содержании по массе наноструктур. Прочность на сжатие немодифицированного наноструктурами состава № 1 составила 0,87 МПа, а для модифицированного пенобетона 1,65 МПа (прирост прочности в 1,9 раза).

Дальнейшее увеличение процентного содержания наночастиц до 3 % привело к уменьшению прочностных показателей до значений соответствующих контрольным образцам.

Исследование структуры материала было проведено при помощи оптической микроскопии на микроскопе МИН-8 с фотонасадкой на основе цифровой камеры «Olympus C-700 UZ». В модифицированном наноструктурами составе №1 (0,05% добавки по массе) наблюдается равномерное распределение пор по размерам, поверхность образцов ровная, практически без сколов и твердых включений (рис. 2б). При их распиливании сколы встречаются относительно редко, их размеры в 2-3 раза меньше, чем в немодифицированном, структура пор однородная. Образец из немодифицированного пенобетона имеет неровную поверхность со значительным количеством сколов и твердых включений, которые очень часто встречаются при распиливании образца. В местах сколов хорошо видна неоднородность пор (рис. 2а), образец легче раскрашивается, чем модифицированный наноструктурами.

а) б)

Рис. 2. Микроструктура (х90) сколов пенобетона без добавки (а) и с добавкой наноструктур (б)

Были также установлены теплофизические свойства пенобетона. Теплопроводность состава № 1 ниже на 15 - 20% в сравнение с контрольными образцами без нанотрубок.

Заключение

Углеродные нанотрубки использовались в качестве высокопрочной дисперсной арматуры в пористых кристаллогидратных композиционных материалах.

Распределяясь в структуре цементного пенобетона, нанотрубки играют роль центров направленной кристаллизации, что приводит, с одной стороны, к появлению фибриллярной структуры обеспечивая ее непрерывность и сплошность, а с другой стороны, к появлению упрочняющей структурно-ориентированной надмолекулярной оболочки вокруг нанотрубки.

При этом достигается повышение прочности пенобетона в 1,9 раза, повышение однородности пор по размерам и снижение теплопроводности изделий из пенобетона на 15 - 20 %.

Список литературы

1. Пономарев А. Технологии микромодификации полимерных и неорганических композиционных материалов. // Наука и высокие технологии. - 2003 г. - С. 99 - 101.

2. Krutikow W.A., Kusnezow A.P., Jakowlew G.I., Kodolow W.I. Verbundwerkstoffe mit der Nanoarmierung // In 15. Internationale Baustofftagung “Ibausil”. Tagungsbericht-Band 1. Weimar, 2003. - S. 1-0893 - 1-0902.

3. Bernaets, D et al. Physics and Chemistry of Fullerenes and Derivatives (Eds H. Kurmany et al.) - Singapore: World Scientific, 1995. - 551 p.

4. Кодолов В.И., Шабанова И.Н., Макарова Л.Г., Хохряков Н.В., Кузнецов А.П., Николаева О.А., Керене Я., Яковлев Г.И. Исследование структуры продуктов стимулированной карбонизации ароматических углеводородов // Журнал структурной химии. - 2001, Том 42, № 2. - С. 260 - 264.

5. Ребиндер П.А., Сегалова Е.Е. Новые проблемы коллоидной химии минеральных вяжущих веществ. / Природа . - № 12, 1952.

Размещено на Allbest.ru