КОМПОЗИТННЫЕ РАСТВОРЫ ПОВЫШЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА

Панфилова М.И.¹, Зубрев Н.И.², Леонова Д.А.³, Звездкин Б.Е.⁴, Панфилова И.С.⁵

¹ORCID: 0000-0001-5939-7717, кандидат химических наук, доцент,

ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский московский государственный строительный университет» (НИУ МГСУ) г. Москва

²ORCID: 0000-0002-3620-051x, кандидат технических наук, профессор,

ФГБО ВО МГУПС (МИИТ) Императора Николая II

³ORCID: 0000-0002-5933-7954, старший преподаватель,

ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский московский государственный строительный университет» (НИУ МГСУ) г. Москва

⁴ORCID: 0000-0001-8179-8349, начальник лаборатории, ООО «БРОК-БЕТОН»

⁵специалист, Московский финансово-юридический университет, г. Москва

КОМПОЗИТННЫЕ РАСТВОРЫ ПОВЫШЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА

Аннотация

Рассмотрено влияние добавок алюмосиликатных нанотрубок (АНТ) на структурообразование бентонито-цементных композитных растворов. Установлено, что введение добавок алюмосиликатных нанотрубок к массе цемента приводит к изменению прочности композитов, а именно, с увеличением содержания АНТ происходит увеличение прочности композитной системы, а затем ее снижение. Прочность системы возрастает при введении 0,125% АНТ к массе цемента, скорость ультразвуковых колебаний увеличивается в 1,22 раза по сравнению с контрольным образцом, что свидетельствует об уплотнении структуры материала и создании дополнительных контактов между частицами, а, следовательно, происходит уплотнение слоев за счет заполнения пустот.

Ключевые слова: композитные материалы, алюмосиликатные нанотрубки, кинетика, структурообразование, прочность композитного раствора, ультразвуковой метод.

Panfilova M.I.¹, Zubrev N.I.², Leonova D.A.³, Zvezdkin B.E.⁴, Panfilova I.S.⁵

¹ORCID: 0000-0001-5939-7717, PhD in Chemistry, Associate professor,

FSBEI of HE National Research Moscow State University of Civil Engineering, Moscow

²ORCID: 0000-0002-3620-051X, PhD in Engineering, Professor,

FSEI of HE Emperor Nicholas II Moscow State University of Railway Engineering

³ORCID: 0000-0002-5933-7954, Senior lecturer,

FSBEI of HE National Research Moscow State University of Civil Engineering, Moscow

⁴ORCID: 0000-0001-8179-8349,

Head of BROK-BETON LLC laboratory

⁵Specialist, Moscow University of Finance and Law, Moscow

COMPOSITE SOLUTIONS FOR INCREASED SAFETY OF CONSTRUCTION

Abstract

The effect of aluminosilicate nanotubes additives (ANT) on the structure formation of bentonite-concrete composite solutions is considered in the paper. It is established that the introduction of aluminosilicate nanotubes additives to cement mass leads to a change in the strength of the composites, namely, as the ANT content increases, the strength of the composite increases, and then decreases. The strength of the system increases with the introduction of 0.125% ANT to the cement mass, the speed of ultrasonic vibrations increases by 1.22 times compared to the control sample, which indicates the compaction of the material structure and the creation of additional contacts between the particles, and, therefore, the layers are consolidated by filling voids.

Keywords: composite materials, aluminosilicate nanotubes, kinetics, structure formation, strength of composite solution, ultrasonic method.

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)₄×nH₂O, где n=0÷2, 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

 

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.1.

 

Таблица 1 – Скорость ультразвуковых колебаний от концентрации АНТ

Концентрация АНТ к массе цемента, %	0,000	0,100	0,125	0,150	0,300	0,400	0,450	0,600
Скорость ультразвуковых колебаний, V, м/c	1379	1597	1680	1659	1387	1295	1265	1207
Прочность, Р, МПа	1,38	2,95	3,2	2,83	2,55	2,17	1,97	1,7

 

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 / References

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.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Staroverov V.D. Struktura i svojstva nanomodificirovannogo modificirovannogo kamnja.[Structure and properties of modified stone nanomodified] / V.D.Staroverov // Avtoref. dis. kand. tehn. Nauk .[Dissertation of the candidate of technical sciences]. SPb., – 2009. – P. 19. [in Russian]
2. Jakovlev G.I. Modifikacija porizovannyh cementnyh matric uglerodnymi nanotrubkami [Modification of porous cement matrix carbon nanotubes]/ G.I. Jakovlev, G.N. Pervushin, A.F. Bur'janov, i dr. // Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2009.- №3.- P. 99-102. [in Russian]
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.- P. 1624–1652. [in English]
4. Panfilova M.I. Nanomodificirovannye cementno-bentonitovye kompozity [Nanomodified cement-bentonite composites] / M.I. Panfilova, N.I. Zubrev, D.A Leonova i dr.// XXI vek: itogi proshlogo i problemy nastojashhego pljus[XXI century: the results of past and present problems plus].- 2015.-№5(27) -P. 95-98. [in Russian]
5. Thostenson, E.T. Nanocomposites in context. / E.T. Thostenson, et al. // Composites Science and Technology. – 2005. – №65. – P. 491-516. [in English]
6. Korolev E.V. Parametry ul'trazvuka dlja gomogenizacii dispersnyh sistem s nanorazmernymi modifikatorami [Ultrasound parameters for homogenisation of disperse systems with nanoscale modifiers] / E.V. Korolev, M.I. Kuvshinova // Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. – 2010. – №9. – P.  85-88. [in Russian]
7. Panfilova M.I. Perspektivnye napravlenija razvitija kompozitov s dobavkami sery [Future direction of composites with additions of sulfur] / M.I. Panfilova, N.I. Zubrev, D. A. Leonova i dr. // Nauchnoe obozrenie [scientific Review]. -2015,- №14,- P. 172-175. [in Russian]
8. Perfilov V.A. Primenenie modificirujushhih mikroarmirujushhih komponentov dlja povyshenija prochnosti jacheistyh materialov [Application microarming modifying components to enhance the strength of porous materials] / V.A. Perfilov, A.V. Atkina, O.A. Kusmarceva // Izvestija vuzov [Proceedings of the universities] 2010. – №9. – P. 11-14. [in Russian]
9. Urhanova L.A. Betony na kompozicionnyh vjazhushhih s nanodispersnoj fullerensoderzhashhej dobavkoj [Concrete on composite knitting Nanostructured fullerene additive] / L.A.Urhanova, S.L.Bujantuev, S.A.Lhasaranov, i dr. // Nanotehnologii v stroitel'stve. [Nanotechnology in Construction] – 2012. – №1. – P. 39-45). [in Russian]
10. Ponomarev A.N. Issledovanie mnogoslojnyh polijedricheskih nanochastic fulleroidnogo tipa – astralenov [Investigation of multilayer polyhedral nanoparticles fulleroid type - astralenes] / A.N.Ponomarev, V.A.Nikitin, V.V.Rybalko // Poverhnost'. Rentgenovskie, sinhrotronnye i nejtronnye issledovanija [Surface. X-ray, synchrotron and neutron research]. – 2006. – №5. – P. 44-47. [in Russian]