Микроструктура цементного камня, модифицированного углеродными нанотрубками

УДК 691.33

Р. А. Ибрагимов, Л. И. Киямова

МИКРОСТРУКТУРА ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ, МОДИФИЦИРОВАННОГО УГЛЕРОДНЫМИ НАНОТРУБКАМИ

Ключевые слова: цементный камень, углеродные нанотрубки, модификация.

В данной работе представлено влияние углеродных нанотрубок на микроструктуру цементного камня, а также на физико-механические свойства цементного раствора. Выявлено, что при модификации цементного камня углеродными нанотрубками наблюдается более мелкокристаллическая структура, что и объясняет увеличение прочности на сжатие и изгиб цементного модифицированного раствора.

Keywords: cement stone, carbon nanotubes, modification.

This paper presents the effect of carbon nanotubes on the microstructure of cement paste, as well as on the physical and mechanical properties of cement mortar. Revealed that the modification of cement stone-walled carbon nanotubes is observed more fine-grained structure, which explains the increase in compressive strength and flexural strength of cement modified solution.

Введение

Одним из способов повышения эксплуатационных свойств тяжелого бетона является его модификация химическими добавками, особенно углеродными нанотрубками. На современном этапе развития нанотехнологий изучение свойств бетона, модифицированного нанотрубками, представляет собой особый научный и практический интерес.

Существует несколько видов нанодобавок. Для улучшения механических свойств цементных композитов рационально использовать вытянутые наночастицы, например углеродные нанотрубки (УНТ) [1]. Они обладают высокой прочностью, инертностью к кислотам и щелочам, армируют цементный камень и являются центрами кристаллизации, превращая его в высокопрочный материал [2].

Известно два направления

модифицирования структуры цементных бетонов наноразмерными частицами [3, 4]:

- предварительный синтез частиц и последующее их введение в бетонную смесь;

- целенаправленное выращивание в твердеющей вяжущей системе необходимых для модифицирования структуры наноразмерных частиц.

Наибольшее распространение пока получил первый метод, но из-за высокой поверхностной активности УНТ, при синтезе они объединяются в конгломераты в виде порошкообразных гранул, т.е. имеют склонность к агломерации, что затрудняет их равномерное распределение по объему композита [3], что в результате приводит к получению материала с высокой неоднородность по прочности, плотности и другим свойствам.

Методы и материалы

В данной работе приведены исследования по влиянию УНТ на основные свойства цементно-песчаного раствора, который в принципе может служить моделью обычного тяжелого бетона.

Растворную смесь состава 1:3 (цемент : песок) затворяли водопроводной водой, в которой предварительно размешивалась суспензия УНТ в водном растворе смеси гиперпластификатора (ГП) и гидрофобизатора (ГФ). Для обеспечения однородности данной суспензии все ее компоненты предварительно подвергались ультразвуковой диспергации. Время ультразвукового

диспергирования составило 3.5 мин, мощность - 100 Вт, объем суспензии - 100 мл. В качестве ГП использовалась добавка Кешкгйе 8Р60 (на основе эфира поликарбоксилата), в качестве ГФ - Типром-С (55 % концентрат на основе алкилсиликоната калия).

В составе комплексной добавки, содержащей ГП и ГФ использовали однослойные УНТ «Таунит» (далее ОУНТ) с удельной геометрической поверхностью 90-130 м2/г, и многослойные УНТ (далее МУНТ) «Таунит-МД» с удельной геометрической поверхностью 180-200 м2/г производства ООО «НаноТехЦентр». Удельная поверхность определялась по многоточечному методу БЭТ.

Предварительными экспериментами

определена оптимальная дозировка УНТ в составе цементных композиций, которая составила для однослойных УНТ 0.005 % от массы цемента, а для многослойных -0.0005 % от массы цемента.

Результаты

Изучено влияние исследуемых

модификаторов как монодобавок, так и в составе комплексной добавки на физико-механические свойства цементного раствора.

Экспериментальные работы выполнялись по методике ГОСТ 310.4-81 с использованием портландцемента ЦЕМ Ш/А 32.5Н Ульяновского завода. В качестве мелкого заполнителя использовался песок Камско-Устьинского месторождения с модулем крупности 2.7. Дозировка добавок принята в процентах от массы цемента. Результаты испытаний приведены в табл. 1.

Таблица 1 - физико-механические свойства модифицированного цементного раствора

*Примечание: над чертой - численные показатели, под чертой - относительные показатели в % от контрольного.

Проведены исследования микроструктуры цементного камня на высокоразрешающем автоэмиссионном сканирующем электронном микроскопе Merlin компании CARL ZEISS. Сколы проб цементного камня напыляли сплавом Au/Pd в соотношении 80/20 на высоковакуумной установке Quorum T150 ES. Электронно-микроскопические снимки приведены на рис. 1.

Б

В

Рис. 1 - Электронно-микроскопические снимки образцов цементного камня: А - контрольный состав

Заключение

Из данных, приведенных на рис. 1, видно, что введение однослойных углеродных нанотрубок приводит к образованию однородной, плотной и более мелкокристаллической структуры по сравнению с контрольным образцом цементного камня. При ведении многослойных углеродных нанотрубок в цементную композицию микроструктура цементного камня отличается неоднородной и более рыхлой структурой.

Из табл. 1 видно, что при введении в цементный раствор добавки Кешкгйе SP60 (состав №3) прочность при изгибе цементно-песчаного раствора через 7 суток нормального твердения повышается на 35 % , а через 28 суток на 30%, при сжатии увеличение прочности составляет 42% и 22% соответственно, по отношению к составу без добавок.

Цементно-песчаный раствор,

модифицированный комплексной добавкой, где однослойные УНТ диспергированы в растворе ГП и ГФ (состав №4), показывает наибольший прирост прочности. Так, прочность при изгибе на 7 и 28 сутки твердения повышается на 41 % и 36 % соответственно, а при сжатии - на 55 % и 46 % по сравнению с контрольным составом.

Модификация многослойными

углеродными нанотрубками по сравнению с однослойными оказывает меньшее влияние на прочность цементного раствора как при сжатии, так и при изгибе (состав №5).

Литература

1. Королев Е.В. Основные принципы практической нанотехнологии в строительном материаловедении // Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал. 2009. № 1. С.66-79.

2. Яковлев Г.И., Первушин Г.Н., Бурьянов А.Ф., Кодолов В.И., Крутиков В.А., Фишер Ф.-Б., Керене Я.

№ п/п Дозировка добавок, % В/Ц, % Прочность при изгибе, МПа Прочность при сжатии, МПа

ГП ГФ ОУНТ МУНТ 7 сутки 28 сутки 7 сутки 28 сутки

1 0 0 0 0 42* 100 % 4.19* 4.96* 30.17* 39.96*

100% 100% 100% 100%

2 1 0.1 0 0 32 5.04 5.76 35.69 44.90

76% 130% 126% 138% 122%

3 1 0 0 0 32 5.67 6.44 33.95 50.35

76% 135% 130% 142% 129%

4 1 0.1 0.005 0 32 5.91 6.74 42.24 51.95

76% 141% 136% 155% 146%

5 1 0.1 0 0.0005 32 4.94 5.90 33.79 47.95

76% 118% 119% 112% 119%

Модификация поризованных цементных матриц углеродными нанотрубками // Строительные материалы.

2013. № 2. С. 57-59.

строительного композита // Строительные материалы.

№ 3. 2009. С. 99-102.

4. Маева И.С., Яковлев Г.И., Изряднова О.В., Хасанов О.Л. Структурирование ангидридовых матриц углеродными наносистемами // Материалы XV Академических чтений РААСН. 2010. С.294-298.

3. Габидуллин М.Г., Хузин А.Ф., Рахимов Р.З., Ткачев А.Г и др. Ультразвуковая обработка - эффективный метод диспергирования углеродных нанотрубок в объеме

© Р. А. Ибрагимов, канд. техн. наук, доцент каф. «Технология, организация и механизация строительства» КГАСУ, rusmag007@yandex.ru; Л. И. Киямова, асс. каф. предпринимательства и внешнеэкономической деятельности МГТУ им. Баумана, kiamova@insteh-msk.ru.

© R. A. Ibragimov, Ph.D., Associate Professor, VPO Kazan State University of Civil Engineering, Department of "Technology, organization and mechanization of construction", rusmag007@yandex.ru; L. I. Kiyamova, Assistant of the Department of Entrepreneurship and Foreign Economic Affairs MSTU. Bauman; kiamova@insteh-msk.ru.