Направления и практика нанотехнологий при создании высококачественных бетонов и области их применения

Нанотехнологии и создание новых материалов. Методы исследования и характеристика исходных материалов. Механизм влияния высокодисперсных фаз на свойства бетонных композиций при создании высококачественных бетонов. Подвижность смеси бетонной композиции.

Рубрика Производство и технологии
Вид курсовая работа
Язык русский
Дата добавления 19.02.2021
Размер файла 6,5 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа по теме:

Направления и практика нанотехнологий при создании высококачественных бетонов и области их применения

Оглавление

Введение

1. Нанотехнологии и создание новых материалов

2. Перспективные направления нанотехнологии строительных материалов

3. Практика нанотехнологий при создании строительных материалов и области их применения

4. Направления и практика нанотехнологий при создании высококачественных бетонов

5. Методы исследования и характеристика исходных материалов

6. Механизм влияния высокодисперсных фаз на свойства бетонных композиций при создании высококачественных бетонов

Заключение

Список литературы

Приложение

Введение

Актуальность

Строительство - это сфера деятельности, где преимущества новых технологий проявляются особенно зримо, поскольку воплощены в уже построенных зданиях и сооружениях.

Новые технологии направлены на обеспечение высокого качества продукции и эффективное использование ресурсов.

Прогресс строительного материаловедения и строительной индустрии возможен только на базе современных наукоемких и высокоразвитых технологий, и на сегодняшний день наиболее перспективными являются нанотехнологии.

Самый распространенный строительный материал - это бетон, который с материаловедческой точки зрения является наноструктурным многофазным композиционным материалом.

Нанотехнологии способствуют улучшению свойств бетонных композиций с уникальными физико-механическими свойствами.

По мнению технологов-строителей, в течение ближайших 3-5 лет за счет применения методов и способов нанотехнологий прочность бетона может быть доведена до 300 МПа, что почти в 10 раз превышает среднюю прочность современных бетонов.

По данным отечественных и зарубежных исследований применение нанотехнологий открывает широкие возможности целенаправленного управления технологическими и физико-механическими свойствами строительных материалов, в частности бетонных композиций.

Формирование и структурообразование бетонных композиций на наноуровне приводит к созданию высококачественных бетонов. 60%

Цель. Целью магистерской диссертации является анализ возможностей и практика применения нанотехнологий при создании высококачественных бетонов.

Цель магистерской диссертационной работы достигается решением поставленных задач:

- изучить отечественный и зарубежный опыт направлений и практического использования нанотехнологий при создании высококачественных бетонов;

- подобрать наноматериалы для практического применения нанотехнологий в бетонных композициях;

- установить взаимосвязи в системе: наноматериал - технология - свойство - конструкция;

- определить области применения на примере практических результатов использования нанотехнологий при создании высококачественных бетонов.

Научная новизна:

- выявленные закономерности влияния наноматериала - высокодисперсного кремнезема на формирование и свойства бетонной композиции и механизм действия.

Теоретическая и практическая значимость работы:

- количественные данные о концентрационных зависимостях количества высокодисперсного кремнезема в составе бетонной композиции предоставляют возможность технологам бетонов прогнозирования и регулирования свойств на стадии расчета рецептур;

- практическое значение работы состоит в получении высококачественного бетона с использованием нанотехнологий.

Методы исследования:

- в процессе работы были применены теоретические и экспериментальные методы исследования;

- использованы методики, регламентированные действующими стандартами, поверенного оборудования.

Основные положения, выносимые на защиту:

- выявленные закономерности влияния наноматериала - высокодисперсного кремнезема на свойства бетонной композиции;

- результаты экспериментальных исследований прочности бетонной композиции полученной с применением нанотехнологий.

1. Нанотехнологии и создание новых материалов

Нанотехнологии - это современное направление науки и технологии.

Наноматериалы являются важнейшей составной частью нанотехнологии. Наноматериалы характеризуются размерами от 1 до 100 нм, упорядоченной структурой и в связи с этим обладают особыми свойствами.

В соответствии с рекомендациями 7_ой Международной конференции по нанотехнологиям (Висбаден, 2004 г.) рассматривают следующие типы наноматериалов [1]:

_ наночастицы;

_ нанотрубки и нановолокна;

_ нанокристаллы и нанокластеры;

_ нанодисперсии (коллоиды);

_ нанопористые структуры;

_ наноструктурированные поверхности и пленки.

Совершенствование строительного материаловедения в современных условиях в соответствии с требованиями времени происходит на базе современных наукоемких и высокоразвитых технологий. Перед новыми технологиями ставятся сложные практические задачи, обеспечивающие:

- высокое качество продукции;

- экологическую безопасность;

- эффективное использование сырья;

- экономию ресурсов.

Но необходимо отметить, что создание высокотехнологических разработок базируется на новейших достижениях фундаментальных наук, в частности, физики, химии и других.

Современная строительная отрасль имеет в своем распоряжении с огромным количеством сырьевых продуктов и, применяя новые технологические способы, применяет инновационные композиционные строительные материалы.

Разработка инновационных композиционных строительных материалов связана с применением нанотехнологий, обеспечивающих направленное и контролируемое формирование структуры и прогнозирование свойств.

Развитие нанотехнологий по отраслям промышленности в РФ реализуется по Программе координации работ в области нанотехнологий и наноматериалов в Российской Федерации [2].

Рассмотрим основные направления исследований в строительном материаловедении:

- создание инновационных строительных материалов с заданными и прогнозируемыми свойствами с контролем процессов структурообразования;

- создание высокотехнологичных конструкционных материалов путем наноструктурной модификации строительных материалов: стали и металлических сплавов, керамики, стекла, полимеров, цементов, бетонных композиций;

- разработка нанопокрытий для придания оптических и тепловых свойств, долговечности, истираемости и т.д.;

- новые материалы различного назначения фильтры, гели, мембраны, катализаторы и т.д.;

- системы диагностики;

- экология, безопасность и энергосбережение.

В мировой строительной индустрии значительно возрастает доля и роль высококачественных бетонов, что и ведет за собой развитие новых архитектурных форм и видов сооружений.

Современные бетоны с материаловедческой и технологической точек зрения классифицируются как классические композиционные материалы на основе минеральных вяжущих. Свойства бетонных композиций определяются не столько свойствами слагающих компонентов, сколько процессами их взаимодействия.

При проектировании и строительстве значительную роль играет выбор строительного материала, и этим материалом является бетон. Именно от бетонной композиции будет зависеть прочность и надежность конструкций и сооружения в целом.

В настоящее время непрерывно развивается технология производства бетонной композиции, и применение нанотехнологий ведет к получению бетона с высокими физико-механическими свойствами, что открывает широчайшие возможности в строительстве.

Перспективным направлением является применение наномодификаторов и получение высококачественных бетонов с управляемой структурой и прогнозируемыми свойствами с использованием нанотехнологий.

2. Перспективные направления нанотехнологии строительных материалов

Авторами работ [2-14] рассмотрены и проанализированы перспективные направления нанотехнологии строительных материалов (табл. 1).

Таблица 1 - Перспективные направления нанотехнологии строительных материалов

Перспективные направления нанотехнологии строительных материалов

Микроармирование и динамическое дисперсное самоармирование цементного камня

Управление подвижностью бетонных смесей

Нанокомпозитная арматура

Легкий наноструктурированный бетон для мостостроения, высотного и специального строительства

Наноструктурированные полимерные композиты сетчатой структуры

Полимерные нанокомпозиционные материалы c высокой коррозионной стойкостью и прочностью

Эпокси-полибутадиеновые композиционные материалы с наногетерогенной структурой

Наноструктурированное связующее для кислотостойких строительных материалов

Проводимые исследования в области нанотехнологий при разработке строительных материалов (СМ) направлены на решение следующих задач:

- конкретизация применения наночастиц для прогнозирования свойств СМ;

- экологическая безопасность нанотехнологического производства СМ.

Перейдем к рассмотрению наиболее интересных и имеющих практическое применение способов и методов нанотехнологий в производстве строительных материалов и, в частности, бетонных композиций [1, 15-26].

Микроармирование и динамическое дисперсное самоармирование цементного камня в бетонных композиций

Процесс микродисперсного самоармирования цементного камня запускается путем введения в бетонные композиции наноматериалов ввиде коротких углеродных нанотрубок и наночастиц фуллероидного типа. При этом формируются протяженные армированные структуры и по классическим представлениям формообразования композиционных материалов, к каковым, мы и относим бетонные композиции, приводит к значительному упрочнению материала.

Необходимо отметить метод направленного структурообразования в бетонных композициях: динамическое дисперсное самоармирование. В данном случае используются высокомодульные базальтовые волокна - микрофибры.

Управление подвижностью бетонных смесей

Для современного бетонного раствора пластификаторы являются обязательным компонентом. Положительный эффект от действия пластификаторов:

- повышение пластичности бетонной композиции;

- экономия цемента;

- высокая подвижность и пластичность;

- значительное повышение прочностных свойств;

- морозостойкость;

- высокая влагонепроницаемость.

Повышение эффективности действия пластификаторов достигается введением в бетонную смесь фуллероидов ( классические наноматериалы представляющие каркасные однослойные либо многослойные молекулы, составленные из сочетания углеродных гексагонов и пентагонов).

Такое комплексное модифицирование бетонных композиций актуально и перспективно при создании новых марок высококачественных бетонов с высокими эксплуатационными характеристиками.

Нанокомпозитная арматура

Разработка высокомодульной полимерной композиционной арматуры - это перспективное направление получения высокопрочной, коррозионно- и термостойкой арматуры для бетона.

В настоящее время материаловедами-композиционщиками разработана нанокомпозитная арматура, состоящая из стержневого композиционного материала с намотанной углеродной лентой и пропиткой связующим материалом. Полимерная составляющая композиции легированы углеродными наночастицами фуллероидного типа. Такая композиция позволяет прогнозировать физико-механические показатели арматуры.

Легкий наноструктурированный бетон для мостостроения, высотного и специального строительства и опыт его применения

Согласно ТУ 5789-035-23380399-2008 разработан легкий наноструктурированный бетон, впервые применен при реконструкции моста через р. Волга в г. Кимры.

Эпокси-полибутадиеновые композиционные материалы с наногетерогенной структурой

Приведенные композиционные материалы применяются в качестве покрытий для бетонных и железобетонных изделий и конструкций, oбеспечивая увеличение прочности на растяжение при изгибе.

Полимерные нанокомпозиционные материалы c высокой коррозионной стойкостью и прочностью

В настоящее время разработан ряд новых химически стойких полимерных материалов, в состав которых входят наноразмерные неорганические добавки. Такие полимерные композиционные материалы обладают высокими механическими свойствами.

3. Практика нанотехнологий при создании строительных материалов и области их применения

Интерес к исследованиям в области применения нанотехнологий в строительных материалах значительно возрос в последние десять лет. Это связано с тем, что результат таких исследований определит разработку и практику внедрения новых материалов с высокими и подчас уникальными физико-механическими и физико-химическими характеристиками.

Основные исследования связаны

- с изучением и описанием процессов структурообразования;

- с моделированием наноструктур;

- с применением различных наноматериалов;

- с проблемами безопасности;

- с влиянием на окружающую среду.

Целью проводимых исследований является направленное управление свойствами строительных материалов.

В современных условиях строительного производства на первый план выступают качественные показатели строительных материалов, в частности бетонов.

Одним из направлений улучшения физико-механических и физико-химических характеристик бетонных строительных композиций и качественных показателей, таких как деформационные и усадочные является дисперсное армирование бетонных композиций.

Авторами работ [27-30] рассмотрены процессы армирования бетонных строительных композиций при использовании тонкого базальтового волокна с добавлением нанодисперсного кремнезема (рис.1-6).

Рис. 1 - Прочность при сжатии цементного камня [27]: а - контрольный; б - с исходным базальтовым волокном, 4 мас. %; в - с исходным базальтовым волокном после кипячения в растворе извести; г - измельченное с цементом и после кипячения в растворе извести; д - измельченное с цементом после кипячения с добавлением нанокремнезема

Рис. 2 - Прочность при изгибе цементного камня [27]: а - контрольный; б - с исходным базальтовым волокном, 4 мас. %; в - с исходным базальтовым волокном после кипячения в растворе извести; г - измельченное с цементом и после кипячения в растворе извести; д - измельченное с цементом после кипячения с добавлением нанокремнезема

Рис. 3 - Влияние концентрации нанокремнезема и содержания базальтового волокна на прочность при сжатии цементного камня [27]

Рис. 4 - Микроструктура цементного камня после 28 суток твердения: контрольный образец [27]

Рис. 5 - Микроструктура цементного камня после 28 суток твердения: портландцемент + базальтовое волокно (4%) [27]

Рис. 6 - Микроструктура цементного камня после 28 суток твердения: портландцемент + базальтовое волокно (4%) + нанокремнезем (0,5%) [27]

Для дисперсного армирования бетонных композиций (получение фибробетона) перспективным является использование базальтового волокна. При этом одновременное введение базальтового волокна и нанокремнезема приводит к повышению прочностных показателей.

В работе [31] изучено влияние углеродных нанотрубок на физико-механические показатели бетонных композиций.

По результатам исследований предложена технология создания модифицированного высококачественного бетона.

Технологами компании ООО "ГЛОУБКОР" г. Курск проведены комплексные исследования по проблеме современного строительного материаловедения - получение высококачественных бетонов [32].

Решение этой проблемы может быть осуществлено, в первую очередь, за счет модифицирования структуры цементного камня.

Проведен эксперимент по получению модифицированного бетона.

Исследования выполнялись на широко применяемых в производстве смесях мелкозернистого бетона.

При изучении прочностных и физико-механических показателей бетона использовались стандартные методы, предусмотренные соответственно ГОСТ 310.1-76 «Цементы. Методы испытаний».

Для обеспечения однородного распределения компонентов бетонной смеси, в том числе и нанодобавок, в четырех сериях испытаний перемешивание осуществлялось в аппарате вихревого слоя (АВС-100). С целью интенсификации процесса смешения компонентов смеси в аппарате вихревого слоя использовались ферромагнитные частицы с полимерным покрытием. Во всех остальных сериях аппарат использовался для омагничивания только воды затворения.

На одних и тех же заполнителях приготавливались растворы одного состава, соотношение компонентов в которых 1:3. Водоцементное отношение менялось от 0,6 (для образцов, затворенных на омагниченной воде) до 0,8 (для образцов, затворенных обычной водой), процентное содержание наноматериалов - от 0,5% до 2%. Время обработки воды в переменном магнитном поле от 2 до 5 секунд.

Проведена модификация наночастицами для улучшения свойств.

Результаты проведенных исследований показали, что даже при незначительных дозировках углеродных наночастиц их применение может обеспечить улучшение целого комплекса свойств бетонов.

Прочность наномодифицированых образцов превышает прочность контрольных образцов в 5,8 раза на сжатие и в 5,1 раза на изгиб

Установлено, что максимальное значение прочности испытуемых образцов приходится на те из них, в которых количество введенной добавки составляет 1% от массы замеса. Однако пик прочности может находиться при содержании наноматериалов от 0,5%-1%. Причем, прочность наномодифицированых образцов превышает прочность контрольных образцов в 5,8 раза на сжатие и в 5,1 раза на изгиб.

Результаты проведенных исследований приведены на рис. 1-3 [32].

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.7 - Зависимость прочности на изгиб мелкозернистого бетона от содержания наноматериала: 1 - композиции, приготовленные только на омагниченной воде; 2 - композиции, приготовленные в АВС

Рис. 8 - Зависимость прочности на сжатие мелкозернистого бетона от содержания наноматериала: 1 - композиции, приготовленные только на омагниченной воде; 2 - композиции, приготовленные в АВС

Рис. 9 - Зависимость предела прочности от времени магнитной активации воды: 1 - предел прочности на изгиб; 2 - предел прочности на сжатие

Из приведенных зависимостей видно, что образцы, которые приготовлены только с использованием омагниченной воды, имеют прочность меньше на 20-25%. Это объясняется более качественным приготовлением смеси в АВС.

При дозировках превышающих 1% отмечено снижение прочностных показателей, как на изгиб, так и на сжатие.

В результате экспериментальных исследований установлено, что нанодобавки оказывают существенное влияние на прочностные показатели бетонной смеси, процессы структурообразования бетона. Так же есть основание полагать, что наномодифицированный бетон будет обладать лучшими показателями стойкости идолговечности.

В целом, исследования показали перспективность использования углеродных наночастиц в бетонах и активацию их в аппаратах вихревого слоя тира АСВ-100.

Рассмотрим области применения строительных материалов, созданных с применением нанотехнологий.

Нанотехнологии придают строительным материалам удивительные физико-механические характеристики.

Для преобразования бетонных композиций с использованием нанотехнологий наиболее распространены следующие варианты:

- добавление особых компонентов в состав бетона.

- использование модифицированной базальтовой микрофибры;

- применение сухих смесей готовых добавок.

- обработка специальными покрытиями уже существующих бетонных конструкций;

- использование в железобетоне модифицированной арматуры.

Бетонные композиции, изготовленные с применением базальтовой микрофибры, обладают:

- повышенными физико-механическими показателями: прочность на сжатие, разрыв, изгиб, растяжение;

- минимальные деформации при усадке;

- устойчивость к агрессивным действиям.

В России разработан и широко применяется в мостостроении бетон легкий наноструктурированный (БЛН) с такими параметрами (рис.10):

- прочность на сжатие, МПа, не менее 45... 55;

- прочность на растяжение при изгибе, МПа, не менее 6.8;

- водонепроницаемость, W, не менее 14.20;

- морозостойкость, циклов, не менее 350;

- удобоукладываемость П4... П5;

- плотность, кг/м3, не более 1500.1600.

Рис. 10 - Мост через реку Вятка с дорожной плитой из БЛН [1]

Одним из примеров эффективного использования нанотехнологий можно привести строительство автодорожного моста через р. Волга, введённого в эксплуатацию в 2007 г. Дорожные плиты выполнены из легкого конструкционного фибробетона на основе базальтовой микрофибры, модифицированной нанокластерами углерода. Это позволило снизить собственный вес покрытия более, чем на треть.

Рис. 11 - Мост через реку Волга в г. Кимры [1]

Использование легкого наномодифицированного бетона весьма перспективно в монолитных конструкциях для специальных объектов:

- в высотном строительство (уменьшение собственного веса позволит существенно уменьшить объемы фундаментных работ и самого каркаса здания);

- в подземном строительстве (водонепроницаемость W20 позволяет избежать работ, связанных с защитой сооружения от воды и влаги);

- в большепролетных конструкциях (уменьшение собственного веса с одновременным увеличением прочности бетона позволяют увеличивать пролеты);

- в строительстве в сейсмоопасных районах (уменьшение собственного веса снижает инерционные нагрузки на здания и позволяет частично компенсировать мероприятия, направленные на защиту зданий от землетрясений).

4. Направления и практика нанотехнологий при создании высококачественных бетонов

Успехи в технологических разработках бетонных композиций в начале 21 столетия связаны не только с внедрением эффективных вяжущих и модификаторов, а в основном с совершенно новыми технологическими способами и приемами в получении строительных композиционных материалов [1,5,8,18,20,33-44].

Роль высококачественных бетонов в мировой строительной практике стремительно возрастает, что сопровождается развитием как новых архитектурных форм, так и новых видов сооружений.

Современные бетоны с материаловедческой точки зрения классифицируются как многокомпонентные композиционные материалы.

Технический прогресс производства строительного непосредственно связан с разработкой и использованием современных строительных материалов, формирование которых основано на процессах структурообразования и знаний о химических свойствах, состава, строения составляющих компонентов.

В современные научные исследования и технологическую практику прочно вошли понятия «нанотехнология» и «наноматериалы».

Полностью сформировано определение нанотехнологии как совокупности методов исследования и получения продуктов с заданной атомарной и молекулярной структурой.

Нанотехнологии характеризуются практически неисчерпаемыми возможностями.

Строительство это одна из отраслей промышленности, где нанотехнологии развиваются достаточно интенсивно.

Следует отметить, что разработки в области строительных нанотехнологий направлены на улучшение уже имеющихся материалов и создание материалов с новыми и прогнозируемыми свойствами (рис.12).

Разработка бетона на наноуровне может происходить в твердой, жидкой фазе и на границах раздела, включая границы раздела между жидкой и твёрдой фазами и границы раздела двух твёрдых сред [40].

Рис. 12 - Научно-исследовательские опытно-конструкторские разработки в области нанотехнологии строительных материалов: 1 - цементные бетонные композиции; 2 - полимерные композиции; 3- металлические композиции; 4 - другие

Основные направления технологии нанобетонов:

- применение активных наноразмерных наполнителей;

-оптимизация процесса сочетания наполнителей различной дисперсности, включая нанодисперсных;

- формирование модифицированных структурированных межфазных границ;

-введение наноразмерных элементов-зародышей направленной кристаллизации цементного камня;

- дисперсное изменяющееся самоармирование;

- модификация пластификаторов для управления подвижностью бетонных смесей.

Вот этими доводами и обусловлен выбор исходных наноматериалов-модификаторов (табл.2):

- наночастицы цемента;

- наночастицы песка;

- аморфный кремнезем.

Прежде чем рассмотреть практику нанотехнологий при создании высококачественных бетонов, остановимся на основных составляющих высококачественного бетона.

Цемент - порошкообразный неорганический материал, обладающий способностью твердеть на воздухе и в воде после смешения с водой, при этом формируется прочное камневидное тело.

Процесс твердения цементного раствора сопровождается сложными физико-химическими процессами, результатом которых является образование нерастворимых гидратных соединений.

Сложный механизм образования цементного камня сопровождаются процессами растворения и кристаллизации.

Прочное камневидное тело представляет собой гетерогенную дисперсную систему, в структуре которой располагаются нерастворенные цементные зерна в аморфной оболочке с кристаллическими включениями.

При формировании бетонной композиции цемент и иные вяжущие смешиваются как с активными, так и с инертными в химическом отношении компонентами: заполнителями, наполнителями, добавками различной степени дисперности.

Прочность цементного бетона в большой степени зависит от степени измельчения составляющих компонентов, от соотношения между ними, а также от качества их смешения.

Таблица 2 - Применение наноматериалов и нанотехнологий при создании высококачественного бетона

№пп

Материалы

Технологии

Конструкции

1

Цемент (наночастицы цемента)

Повышение дисперсности и активности методами механоактивации

Высокопрочные конструкционные элементы зданий и сооружений

2

Цемент (наночастицы цемента)

Механоактивация непосредственно перед использованием

Пеноблоки в производстве пенобетона

3

Заполнитель (речной песок и т.п.) - наночастицы заполнителя

Включение регулируемого количества нанодисперсной фазы заполнителя

Высокопрочные конструкционные элементы зданий и сооружений

4

Активный высокодисперсный заполнитель (наночастицы аморфного кремнезема и т.п.)

Улучшение структуры цементного камня и его взаимодействия с заполнителем

Высокопрочные конструкционные элементы зданий и сооружений

5

Наномодифицированные заполнители - песок и др. (модификаторы -наночастицы гидросиликатов)

Улучшение структуры цементного камня, самоармирование, уплотнение межфазных границ

Высокопрочные конструкционные элементы зданий и сооружений с повышенной трещиностойкостью

Многочисленными физико-химическими и физико-механическими исследованиями установлено, что дисперсность частиц оказывают влияние на процесс формообразования строительного композита:

- кинетику реакций;

- величину деформаций усадки и расширения;

- прочность структуры.

Рассмотрим нанокомпоненты в структуре бетонной композиции.

Для цементных строительных композитов нанокомпоненты подразделяются на два уровня:

- первый уровень представлен частицами с размером 1…20 нм;

- второй уровень представлен частицами с размером 21…100 нм.

В современных строительных технологиях и производстве бетонов рациональными модифицирующими добавками являются наночастицы и нанопорошки различной природы:

1) диоксиды - первое поколение компонентов в строительных композитах с использованием нанотехнологий:

- диоксид кремния (SiO2) - один из основных компонентов бетонной смеси. Многочисленными исследованиями процессов структурообразования бетонной смеси доказано, что использование наночастиц оксида кремния приводит к структурным изменениям и уплотнению бетона и, соответственно, повышению прочностных показателей;

- диоксид титана (TiO2) относится к широко используемой добавке в бетонных композициям.. Кроме того, диоксид титана обладает ярко выраженной гидрофильностью, что придает содержащим его материалам способность к самоочистке. Известен и производится белый бетон с добавкой диоксида титана, что обеспечивает конструкциям из него более эстетичный вид.

2) природные фуллерены: шунгит, шунгитовый углерод, углеродсодержащие минералы;

3) углеродные нанотрубки - используются как добавки к портландцементу, что приводит к улучшению физико-механических свойств, в частности, прочностных характеристик.

4) магнезиальные породы типа Mg3x(OH)4xSi2xO5x;

5) таурит.

Наночастицы, имея большую площадь поверхности по отношению к объему (рис.13), обеспечивают высокую химическую активность протекания сложных процессов формирования строительных композиций.

Рис. 13 - Размер частиц и удельная площадь поверхности бетонных материалов [40]

Одним из перспективных направлений нанотехнологии строительного материаловедения и нанотехнологии строительных композиций являются разработки в области создания наноструктурированного бетона [41-43].

Остановимся на наиболее перспективных и интересных методах и практиках нанотехнологии строительного композита при создании высококачественного бетона [42-44].

Дисперсное армирование цементного камня. Образование протяженных структур длиной в сотни мкм, так называемое микродисперсное самоармирование цементного камня, за счет введения в бетонные композиции углеродных нанотрубок и наночастиц фуллероидного типа приводит к упрочнению бетонных композиций.

Интересен, уникален и перспективен процесс направленного структурообразования в бетонных смесях путем нанесения наноинициаторов - микрофибры в виде высокомодульных базальтовых микроволокон длиной 100-500 мкм.

Управление подвижностью бетонных смесей. Обеспечивается введением в бетонные смеси модификаторов-пластификаторов. При этом решается задача создания высококачественного бетона, в частности самоуплотняющегося бетона.

Рассмотренные нами направления и практика нанотехнологий при создании высококачественных бетонов и области их применения позволяют сформулировать вывод о перспективах комплекса существующих возможностей развития строительного материаловедения в направлении создания материалов с прогнозируемыми и улучшенными свойствами.

Более точное, на основе результатов научно-исследовательских разработок при использовании нанотехнологий, и глубокое понимание процессов структурообразования и получения заданных свойств, приведет к созданию и развитию высококачественных и высокотехнологичных бетонов.

5. Методы исследования и характеристика исходных материалов

Методы исследования:

- в процессе работы были применены теоретические и экспериментальные методы исследования;

- использованы методики, регламентированные действующими стандартами, поверенного оборудования.

Физико-химические исследования:

- анализ гранулометрического состава компонентов, дисперсности порошковых материалов;

- химические методы анализа - на содержание: SiO2, Al2O3, Mg0, CaO, Na2O, K2O, Fe2O3;

- макроструктурный и микроструктурный анализ с применением оптических микроскопов.

Физико- механические исследования:

- плотность бетона представляет собой косвенную характеристику таких показателей, как прочность, долговечность, водонепроницаемость, морозостойкость.

Определение плотности бетонной смеси, исследуемых составов, производится непосредственно перед формованием образцов по методике ГОСТ 10181-2014.

Определение плотности бетона производится согласно ГОСТ 12730.0-78, ГОСТ 12730.1-78 на 28 сутки твердения образцов в нормально-влажностных условиях.

- прочность бетона является интегральной характеристикой, которая зависит от свойств компонентов бетона, его состава, условий приготовления, твердения, эксплуатации и испытания, определяется по ГОСТ 10180-2012 Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам.

Прочность бетона в первую очередь определяется прочностью его основных составляющих: частиц крупного заполнителя, растворной части и контактной зоны между ними. Разрушение будет происходить по наиболее слабым элементам этой структуры.

- морозостойкость. Определение морозостойкости рабочих составов проводится по методике ГОСТ 10060-2012, или применяется ускоренный метод (среда насыщения, замораживания, оттаивания 5% водный раствор NaCl, температура замораживания 50±5 °С) на образцах размеров 100Ч100Ч100 мм, в возрасте 28 суток, при хранении в нормальных условиях твердения по ГОСТ 10180-2012.

Обработка результатов проводится с применением современных математических методов обработки экспериментальных данных и компьютерного программирования.

Используются высокодисперсные исходные материалы:

- диспергированный микрокремнезем;

- коллоидные растворы микрокремнезема.

Микрокремнезем является продуктом ферросплавного производства, и образуется в процессе выплавки ферросилиция и его сплавов.

Применялось дополнительное диспергирование микрокремнезема в шаровой мельнице.

Через 5 часов помола брались пробы микрокремнезема.

На лазерном анализаторе размера частиц Mastersizer 2000 измерялось распределение частиц микрокремнезема по размерам в диапазоне от 20 нм до 1000 мкм.

Для исследования влияния малых концентраций добавок высокодиспергированного микрокремнезема готовились коллоидные растворы, которые являются гетерогенной дисперсной системой.

Размеры частиц такой дисперсной фазы лежат в диапазоне 1-200нм.

Измельчение твердых тел в жидкой среде возможно при помощи ультразвукового диспергатора (рис.14).

Рис. 14 - Ультразвуковой диспергатор УЗД-Вт

Был изготовлен и исследован коллоидный раствор: микрокремнезем (после 5 часов помола) при концентрации 5% от массы воды.

В ходе эксперимента установлено, что ультразвуковое диспергирование микрокремнезема в воде позволяет получать высокодисперсные, однородные и стабильные коллоидные растворы.

При исследовании влияния высокодиспергированного микрокремнезема на технологические и физико-механические свойства бетонной композиции использовались: портландцемент марки ПЦ М500 производства ОАО «Себряковцемент», песок природный/карьерный, ГОСТ 8736-2014, фракции 0 - 0,63 мм, микрокремнезем МКУ -85, пластификатор MF 5581, вода дистиллированная по ГОСТ 6709-72.

Рис. 15 - Микрокремнезем МКУ -85

Состав бетонной композиции:

? ПЦ М500 (ОАО «Себряковцемент»).…………………… 610 г/л

? Песок природный/карьерный, фракция 0-0,63 мм………. 1450 г/л

? Микрокремнезем МКУ-85………….........................................70 г/л

? Пластификатор MF 5581………………….…………………1,35 г/л

? Вода дистиллированная ……………. ………………………270 г/л

Предварительно бетонная смесь испытывалась на подвижность.

Удобоукладываемость бетонных смесей оценивали по осадке конуса или по расплыву конуса, отформованного из бетонной смеси, согласно ГОСТ 10181-2014.

Приготовленную смесь укладывали в формы 70х70х70мм. После изготовления образцы хранились в формах сутки. Образцы далее хранились до испытания их физико-механических показателей в распалубленном виде при нормальных условиях. Перед испытанием на прочность образец измеряли и взвешивали. Линейные размеры образцов определяли с погрешностью не более 1%.

Прочностные характеристики измерялись по ГОСТ 10180-2012.

6. Механизм влияния высокодисперсных фаз на свойства бетонных композиций при создании высококачественных бетонов

Неоспоримым фактом в развитии современной строительной индустрии является то, что создание качественных композиционных бетонов с более высокими технологическими и эксплуатационными характеристиками напрямую связано с уровнем развития технологии бетонов.

Современные технологии производства строительных композиций, в том числе и высококачественных композиционных бетонов, направлены на использование комплексной компонентной базы, свойства которой прогнозируются на наноразмерном уровне [45].

В соответствии с современными представлениями строительного материаловедения бетоны представляют собой композиционные материалы. Установлено, что изменяя размеры структурных элементов композиционных бетонов в сторону значительного уменьшения и вводя в бетонную композицию нанокомпоненты (менее 100 нм), оказываем направленное воздействие на свойства бетона [42,45-47].

Перспективы улучшения свойств композиционных бетонов объясняются комплексным изменением физическо-химических свойств наноразмерного вещества по сравнению с его макросостоянием.

При уменьшении размера частицы происходит увеличение как площади поверхности к объемному отношению, так и доли поверхностных несвязанных атомов. Все это активизирует процессы структурообразования:

- искажение кристаллической структуры у поверхности частиц;

- уменьшение содержания внутренних дефектов,

и способствует изменению твердости и прочности бетонной композиции [48].

На основании многочисленных исследований [36,37,40,43,49-57] сделаны обобщающие выводы о воздействии наночастиц на микроструктуру и свойства композиционных бетонов.

Нанокомпонеты бетонных цементных композиций:

- активизируют граничные диффузионные процессы, улучшая структуру контактных зон в многокомпонентной и высокодисперсной бетонной смеси;

- выполняют роль центров кристаллизации гидратов цемента, что в конечном итоге ускоряет процесс гидратации;

- заполняют пустоты между частицами цемента, что способствует связыванию свободной воды;

- увеличивают вязкость жидкой фазы, тем самым, повышая устойчивость смеси к расслоению;

- повышают однородность бетонной нанокомпозиции [36,37,40,43,49-57].

По данным работ [18,58] высокодисперсные частицы за счет своей высокой реакционной способности способствуют гидратации цементной композиции и соответственно снижают показатели пористости.

Имеется достаточно большое научно-исследовательских и технологических работ [59-62]. в области применения нанокварца (нано-SiO2), в которых сделан практический вывод, что даже малое количество добавки нано-SiO2 увеличивает прочность бетонных композиций.

Замечен и подтвержден факт, что дисперсия микрочастиц и наночастиц играет важную роль в бетонной композиции.

Неоспоримый и известный факт в строительном материаловедении и в процессе формирования бетона тот, что высокая чистота и высокая дисперсность такого компонента как кремнезем, способствует эффективной и быстропротекающей реакции гидратации цемента и вяжущих соединений.

Механизм такого воздействия высокодисперсного кремнезема красив и интересен: нано - и микрочастицы кремнезема распределяются по поверхности частиц цемента, тем самым уплотняя цементный раствор образующимися продуктами гидратации, и повышают скорость диффузионных процессов, улучшая сцепление компонентов в бетонной композиции.

Итогом протекающих процессов является формирование бетонной композиции повышенной плотности и прочности.

Рассмотрим влияние высокодисперсного кремнезема на свойства бетонной композиции (рис.16-19).

В качестве добавки- модификатора используем 5% коллоидный раствор высокодисперсного кремнезема.

Бетонная смесь испытывалась на подвижность (рис.16,17).

бетонный композиция нанотехнология

Рис. 16 - Подвижность смеси бетонной композиции при введении коллоидного высокодисперсного кремнезема (без пластифицирующих добавок)

Рис. 17 - Подвижность смеси бетонной композиции при введении коллоидного высокодисперсного кремнезема (с пластификатором)

Результаты измерения подвижности в диапазоне от 180,5 мм до 196,3 мм (рис.16) при многократных наблюдениях показали, что полученные средние значения имеют доверительный интервал не более 1,7% при доверительной вероятности Р=0,95.

Из экспериментальной зависимости (рис.16) выявляется явный максимум при количестве высокодисперсного микрокремнезема в 0,02% от общей массы бетонной смеси.

Характер изменения подвижности смеси бетонной смеси с применением пластификатора показан на рис.17.

Результаты измерения подвижности в диапазоне от 118,0 до 171,7 при произведенных многократных наблюдениях показал, что полученные средние значения имеют доверительный интервал не более 4,9% при доверительной вероятности Р=0,95.

Из экспериментальной зависимости (рис.17) следует, что при увеличении количества коллоидного раствора высокодисперсного микрокремнезема в составе бетонной смеси с пластификатором, ее подвижность немонотонно увеличивается, выходя на плато, начиная с 20 мл/л бетонной смеси.

Изучая влияние введенного количества коллоидного высокодисперсного кремнезема на прочность бетонной композиции (рис.18) без использования пластифицирующих добавок отмечаем, что существует нелинейная зависимость рассматриваемых показателей.

Наблюдаем прирост прочности при следующих значениях введенного коллоидного раствора высокодисперсного кремнезема: 10 мл (от 23,3 МПа до 29,3 МПа) и 80 мл (от 23,3 МПа до 30,9 МПа).

Рис. 18 - Прочность на сжатие бетонной композиции при введении коллоидного высокодисперсного кремнезема (без пластифицирующих добавок)

Таким образом, в областях пиковых значений прочности на сжатие высокодисперсный кремнезем является активной модифицирующей добавкой, действующей на наноуровне.

При использовании пластификатора максимум прочности на сжатие - 50,2 МПа соответствует 10мл введенного коллоидного раствора высокодисперсного кремнезема (рис.19).

Таким образом, установлен комплексный механизм действия высокодисперсного кремнезема:

- действует как модификатор композиционного бетона, улучшающий его физико-механические свойства;

- действует как химический активатор процесса пуццоланизации.

Рис. 19 - Прочность на сжатие бетонной композиции при введении коллоидного высокодисперсного кремнезема (с пластификатором)

Применение нанотехнологий при разработке композиционных бетонов - это современный подход к процессу формирования композитов, предусматривающий сборку структуры «снизу вверх»: от микро- до макро-, контроль и управление на процессом структурообразования, начиная с наноразмерного уровня и прогнозирование свойств.

Заключение

1. Освоение нанотехнологий в любой отрасли науки и производства, тем более в строительстве, для цивилизованной страны - это прорыв в будущее. Сегодня к этим странам относятся Россия, США, Япония, Китай и др., которые имеют возможность включать для исследований значительные ресурсы страны.

2. По данным отечественных и зарубежных исследований применение нанотехнологий открывает широкие возможности целенаправленного управления экономическими, технологическими и физико-механическими свойствами строительных материалов, в том числе бетонов.

3. Перспективным является разработка нового поколения строительных материалов путем исследования более экономичных технологий получения наномодификаторов, поиска наноматериалов за счет природных месторождений сырья и отходов промышленных производств.

4. При выполнении выпускной квалификационной работы (магистерской диссертации) изучен отечественный и зарубежный опыт направлений и практического использования нанотехнологий при создании высококачественных бетонов.

5. Подобраны наноматериалы для практического применения нанотехнологий в бетонных композициях: наночастицы и нанопорошки различной природы: диоксиды, природные фуллерены, углеродные нанотрубки, магнезиальные породы типа Mg3x(OH)4xSi2xO5x, таурит.

6. В исследовательской части магистерской диссертации в бетонных композициях применялся диоксид кремния высокодисперсный: диспергированный микрокремнезем, коллоидные растворы микрокремнезема.

7. Проводились испытания на удобоукладываемость бетонных смесей (подвижность) и испытания на прочность бетонных композиций, сформированных с применением метода нанотехнологии.

8. Применение высокодисперсного микрокремнезема (в виде коллоидного раствора) при оптимальном микроколичестве приводит к возрастанию прочности на сжатие на 20-30%.

9. Результаты проведенных экспериментальных исследований позволяют сделать однозначный вывод о том, что применение высокодисперсного микрокремнезема, как метода нанотехнологии, является эффективным технологическим инструментом при разработке рецептур высококачественных современных бетонов перспективных поколений.

10. Установлены взаимосвязи в системе: наноматериал - технология - свойство - конструкция;

11. Определены области применения на примере практических результатов использования нанотехнологий при создании высококачественных бетонов:

- комплексы высотных зданий в Москве;

- мосты и путепроводы в Москве, Калуге, Твери и Орле;

- транспортные тоннели в городах России;

- коллектор для инженерных коммуникаций.

Список литературы

1. Ponomarev A. High Performance Concretes Producing: Opportunities and Practical Application of Nanotechnology Methods // J. Scientific Israel-Technological Advanced. 2009. Vol. 11, № 3. P. 27-38.

2. Программа координации работ в области нанотехнологий и наноматериалов в Российской Федерации.- Правительство российской федерации. Распоряжение от 25 августа 2006 г. N 1188-р.- г. Москва.

3. Mann S. Nanotechnology and Construction // Nanoforum.org. European Nanotechnology Gateway. 2006.

4. Wegner T., Winandy J., Ritter M. Nanotechnology Opportunities in Residential and Non-Residential Construction // Proceeding of International Symposium on Nanotechnology in Construction. Bilbao: Spain, 2005.

5. Королев Е.В. Проблемы и Перспективы Нанотехнологии в строительстве // Известия КазГАСУ. Строительные материалы и изделия., 2010, С. 200-208.

6. Лотов В.А. Нанодисперсные системы в технологии строительных материалов и изделий // Строительные материалы. 2006. № 8. С. 5-7.

7. Королев Е.В., Баженов Ю.М., Береговой В.А. Модифицирование строительных материалов наноуглеродными трубками и фуллеренами // Строительные материалы. 2006. № 8. С. 1-4.

8. Фиговский О.Л., Пономарев А.Н., Бейлин Д.А. и др. Использование нанотехнологических принципов при создании новых строительных материалов / Исследование и инновационные разработки РААСН: сб. статей к общему собранию РААСН. М. 2010. С. 244-252.

9. Figovsky O. Active Fillers for Composite Materials: Interaction with Penetrated Media // Encyclopedia of surface and colloid science edited by P. Somasundaran. N.Y. 2006. Vol. 1. P. 94-96.

10. Usherenko S., Figovsky O. Superdeep Penetration as the New Physical Tool for Creation of Composite Materials / Advanced Materials Research. 2008. Vol. 47-50. P. 395-402.

11. Figovsky O., Beilin D., Blank N. Advanced Environment Friendly Nanotechnologies / Silicon Versus Carbon. Springer Science + Business Media. B.V. 2009. P. 19-29.

12. Figovsky O. Materials Nanotechnology: Risks and Benefits. Proceedings of EuroNanoForum. Prague, Czech Republic. 2009. P.175-176.

13. Гусев Б.В. Проблемы создания наноматериалов и развития нанотехнологий в строительстве // Нанотехнологии в строительстве: научный Интернет-журнал. М.: ЦНТ «НаноСтроительство». 2009. № 2. С. 5-10. URL: http://www.nanobuild.ru

14. Applications of Nanotechnology in Concrete Design. Proceeding of the International Conference held at the University of Dundee Scotland UK. 2005.

15. Balagura P.N. Nanotechnology and Concrete: Background, Opportunities and Challenges / Applications of Nanotechnology in Concrete Design, Proceeding of the International Conference, University of Dundee Scotland UK. 2005. P. 113-122.`

16. Пономарев А.Н. Перспективные конструкционные материалы и технологии, создаваемые с применением нанодисперсных фуллероидных систем // Вопросы материаловедения. 2001. Т. 26. № 2. С. 65.

17. Ивачева С. Применение нанотехнологий в производстве цемента и бетона позволит не только получать высококачественный продукт нового уровня, но и избавиться от дефицита, считают специалисты // интернет-портал«Стройпульс». URL:http://stroypuls.ru/technology

18. Sobolev К., Ferrada-Gutierrez V. How Nanotechnology Can Change the Concrete World. Part 2 / American Ceramic Society Bulletin. 2005. № 1. P. 16-19.

19. Applications of Nanotechnology in Concrete Design. Proceeding of the International Conference held at the University of Dundee Scotland UK. 2005.

...

Подобные документы

  • Классификация бетонов и железобетона. Исследование ассортимента изделий, выпускаемых предприятием АО "FEC". Изучение технологии производства бетонной смеси на заводах и крупных установках, бетонных и железобетонных изделий. Способы перемещения цемента.

    отчет по практике [1,2 M], добавлен 08.12.2013

  • Материалы для производства жаростойких бетонов. Требования к материалам для изготовления жаростойких бетонов. Виды заполнителей для жаростойких бетонов, нормативные документы и рекомендуемая область применения. Расчет состава жаростойкого бетона.

    реферат [61,5 K], добавлен 13.10.2010

  • Классификация бетонов. Компоненты для приготовления бетонной смеси. Контроль качества. Физико-механические основы формования и уплотнения. Статическое прессование. Влияние состава смеси и продолжительности прессования на плотность и прочность материала.

    курсовая работа [158,5 K], добавлен 09.04.2012

  • Особенности производства различных видов бетонных и железобетонных изделий. Направления вторичного использования цементного и асфальтового бетонов. Рациональный выбор оборудования для переработки некондиционного бетона и железобетона, схема утилизации.

    курсовая работа [894,3 K], добавлен 14.10.2011

  • Возникновение и развитие нанотехнологии. Общая характеристика технологии консолидированных материалов (порошковых, пластической деформации, кристаллизации из аморфного состояния), технологии полимерных, пористых, трубчатых и биологических наноматериалов.

    реферат [3,1 M], добавлен 19.04.2010

  • Нанотехнологии и переход к водородной энергетике, разработка и изготовление наномашин. Основной вклад нанотехнологий в "чистое" производство водорода. Развитие новой области знаний о поведении наноразмерных систем с ионной и смешанной проводимостью.

    курсовая работа [2,7 M], добавлен 16.11.2009

  • Использование нанотехнологий в пищевой промышленности. Создание новых пищевых продуктов и контроль за их безопасностью. Метод крупномасштабного фракционирования пищевого сырья. Продукты с использованием нанотехнологий и классификация наноматериалов.

    презентация [4,6 M], добавлен 12.12.2013

  • Технико-экономические преимущества бетона и железобетона. Основные недостатки бетона как строительного материала. Виды добавок для бетонов. Материалы, необходимые для приготовления тяжелого бетона. Реологические и технические свойства бетонной смеси.

    реферат [19,2 K], добавлен 27.03.2009

  • Понятие нанотехнологий и области их применения: микроэлектроника, энергетика, строительство, химическая промышленность, научные исследования. Особенности использования нанотехнологий в медицине, парфюмерно-косметической и пищевой промышленностях.

    презентация [4,5 M], добавлен 27.02.2012

  • Изучение нормативных требований к материалам для приготовления бетонной смеси. Методики расчета расхода материалов, плотности смеси в уплотненном состоянии, производственного состава бетона. Определение дозировки материалов на замес бетоносмесителя.

    курсовая работа [481,3 K], добавлен 23.05.2015

  • История развития нанотехнологий; их значение в медицине, науке, экономике, информационном окружении. Схематическое изображение и направления применения однослойной углеродной нанотрубки. Создание нанотехнологических центров в Российской Федерации.

    презентация [894,7 K], добавлен 23.09.2013

  • Развитие нанотехнологий в XXI веке. Нанотехнологии в современной медицине. Эффект лотоса, примеры использования его уникального свойства. Интересное в нанотехнологиях, виды нанопродукции. Сущность нанотехнологий, достижения в этой отрасли науки.

    реферат [21,4 K], добавлен 09.11.2010

  • Различные направления нанотехнологии. Проектирование и изготовление разумных миниатюрных машин. Манипулирование материалами в атомном и молекулярном масштабах. Самоорганизующееся производство структур, объектов, материалов. Нанотехнологии Б-типа.

    презентация [558,9 K], добавлен 24.05.2014

  • Основные физико-механические свойства древесины. Процесс вулканизации синтетических каучуков. Технология получения бетонов – искусственных камневидных материалов. Материалы на основе пластмасс и их применение. Расшифровка марки стали 50А, чугуна ЧХ28.

    контрольная работа [31,9 K], добавлен 02.02.2015

  • Классификация железобетонных конструкций, характеристика исходных материалов, цемента, вяжущих веществ и заполнителей. Центробежный прокат, производство безнапорных труб, транспортирование бетонной смеси. Технологические расчеты бетоносмесительного цеха.

    дипломная работа [947,0 K], добавлен 20.09.2010

  • Механические свойства строительных материалов: твердость материалов, методы ее определения, суть шкалы Мооса. Деформативные свойства материалов. Характеристика чугуна как конструкционного материала. Анализ способов химико-термической обработки стали.

    контрольная работа [972,6 K], добавлен 29.03.2012

  • Биоповреждения цементных композитов. Методы защиты от биоповреждений. Анализ себестоимости производства бетонов. Анализ потерь от биоповреждений цементных композитов под действием бактерий и плесневых грибов. Технология получения биоцидных бетонов.

    курсовая работа [185,7 K], добавлен 14.09.2015

  • Проектирование пароразогрева бетонной смеси в технологии получения плит покрытия. Технологическая схема двухсекционной бетоносмесительной установки цикличного действия. Электроразогрев и пароразогрев бетонной смеси, условия проведения процессов.

    курсовая работа [611,7 K], добавлен 06.02.2015

  • Многослойные и комбинированные пленочные материалы. Адгезионная прочность композиционного материала. Характеристика и общее описание полимеров, их свойства и отличительные признаки от большинства материалов. Методы и этапы испытаний полимерных пленок.

    дипломная работа [1,7 M], добавлен 21.11.2010

  • Современные клеи, свойства, виды и области применения клеящих материалов. Лакокрасочные материалы и их основные компоненты, классификация по виду, химическому составу, основному назначению. Основные свойства и использование лакокрасочных материалов.

    контрольная работа [31,3 K], добавлен 25.11.2011

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.