Реферат: Изменения структуры и свойств цементных композитов под влиянием углеродных наномодификаторов

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


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.




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

Показатель

Н2О

дист.

5% водный раствор

FK-63

концентрация н.м. в суспензии, % массовых

5∙10-2

1∙10-2

5∙10-3

1∙10-3

рН

5,71

4,95

4,87

4,80

4,85

4,90

σ, мкСм∙см-1

3,58

57,0

59,0

55,4

56,5

57,0


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%.