Бетон повышенной долговечности для производства опор линий электропередачи

УДК 691.328.2

Г.И. ЯКОВЛЕВ, д-р техн. наук., Г.Н. ПЕРВУШИН, д-р техн. наук., И.С. ПОЛЯНСКИХ, канд. техн. наук, С.А. СЕНЬКОВ, канд. техн. наук, И.А. ПУДОВ, канд. техн. наук, А.Е. МОХАМЕД, инженер

Ижевский государственный технический университет им. М.Т. Калашникова

Бетон повышенной долговечности

для производства опор линий электропередачи

С целью повышения физико-технических свойств цементного бетона в традиционный состав плотного цементного бетона вводились дисперсии многослойных углеродных нанотрубок производства французской корпорации «Аркема» диаметром 10-15 нм и длиной до 15 мкм для модификации структуры и свойств цементного бетона. Установлено, что при введении в состав бетона многослойных углеродных нанотрубок в количестве 0,006% от массы цемента повышается прочность бетона на 28%, морозостойкость увеличивается с F200 до F400, водонепроницаемость - с W8 до W14, что предполагает повышение долговечности модифицированного бетона.

Ключевые слова: многослойные углеродные нанотрубки, опоры линий передачи, морозостойкость, водонепроницаемость, диспергация, трещиностойкость, долговечность.

G.I. YAKOVLEV, Doctor of Sciences (Engineering), G.N. PERVUSHIN, Doctor of Sciences (Engineering), I.S. POLYANSKIKH, Candidate of Sciences (Engineering), S.A. SENKOV, Candidate of Sciences (Engineering), I.A. PUDOV, Candidate of Sciences (Engineering), Ali Elsayed Mohamed, engineer Kalashnikov Izhevsk State Technical University

Concrete of Enhanced Durability for Production of Pillars of Power Lines

To enhance physical and technical properties of cement concrete, dispersions of multilayered carbon nanotubes of 10-15 nanometers diameter and up to 15 microns long produced by the French corporation "Arkema" were introduced into the traditional composition of dense cement concrete to modify the structure and properties of cement concrete. It is established that introduction of multilayered carbon nanotubes in amount of 0,006% of the cement mass into the concrete composition increases the strength of concrete by 28%, impermeability to water from W8 up to W14, frost resistance from F200 to F400 that presupposes the enhancement of durability of modified concrete.

Keywords: multilayered carbon nanotubes, pillars of power lines, frost resistance, water tightness, dispergation, crack resistance, durability.

Несмотря на повышенный интерес российских и зарубежных исследователей к технологии наномодифи-кации, многие эксперты выражают скептицизм в отношении гипотез, описывающих механизм формирования структуры цементного камня в присутствии углеродных частиц нанометрового размера [1, 2]. Одной из основных причин этого скепсиса о влиянии углеродных нанотрубок (УНТ) на структуру и свойства цементной матрицы является неполное их диспергирование в жидкой фазе.

В силу высокой поверхностной энергии, УНТ при синтезе образуют глобулы, размеры которых колеблются в пределах 400—900 мкм. Нанотрубки плохо распределяются в водной среде и требуют специальных технологий по их диспергированию. Задача при этом состоит не только в дезинтеграции исходных глобул, но и в предотвращении процесса коагуляции УНТ в водно-дисперсной системе при хранении.

Обычно диспергация УНТ достигается продолжительным механическим измельчением исходного продукта. Однако, в силу законов термодинамики, существует определенный предел дисперсности ввиду стремления системы к уменьшению свободной энергии, что проявляется в обратном агрегировании частиц [3]. Таким образом, важнейшей технологической задачей является дезагрегирование углеродных нано-трубок и их равномерное распределение в бетонной смеси.

В результате исследований [4—6], проведенных в ИжГТУ им. М.Т. Калашникова, показано существенное улучшение физико-технических свойств бетонов, модифицированных углеродными нанотрубками. При этом отмечается, что такие бетоны проявляют при модификации лучшие показатели прочности, морозостойкости и водонепроницаемости [6]. Все эти показатели являются определяющими для конструкций желе-

зобетонных опор, используемых для возведения линий электропередачи.

Традиционно используемые составы бетонов не обеспечивают необходимой долговечности за счет разрушения прежде всего защитного слоя бетона для арматуры (рис. 1).

Задача повышения долговечности железобетонных опор решалась модифицированием цементного бетона многослойными углеродными нанотрубками Graphistrength Masterbatch CW2-45 (МУНТ) производства французской корпорации «Аркема». Для диспер-гации МУНТ использовалась высокоскоростная бисерная мельница, разработанная в компании ООО «Новый дом» (г. Ижевск). Дисперсия УНТ в настоящее время производится под торговым названием Fulvec 100.

Рис. 1. Морозное разрушение защитного слоя бетона в железобетонной опоре линий электропередачи

92

научно-технический и производственный журнал

май 2014

iA

Materials and technologies

MJig s ждо я X _, WlennmiOll EHT= 2401«

X-I t r>- FIB Name - СОШЛИ KM .Jpg

ViO-?Fnini „.о IО [II >».'  V liwhi 5Я1г

Рис. 2. Фрагмент микроструктуры поверхности контрольного образца тяжелого бетона класса В-30 после испытаний на морозостойкость, соответствующего марке F200 при 50000-кратном увеличении

Введение 0,006% МУНТ от массы портландцемента дисперсии Graphistrength Masterbatch CW2-45, содержащей 2% МУНТ, приготовленной в бисерной мельнице («Дисперсия 2-БМ»), в состав тяжелого бетона класса В-30 позволило повысить прочность образцов на 28%. Результаты испытания образцов-кубов тяжелого бетона класса В-30 с добавлением дисперсий Graphistrength Masterbatch CW2-45 при нормальных условиях твердения в возрасте 28 сут и после ТВО приведены в табл. 1.

Введение дисперсии МУНТ приводит к структурным изменениям цементного камня, связанным с образованием плотной оболочки по поверхности твердых фаз, включая частицы цемента и заполнителя. При этом посредством контактных взаимодействий структурированных граничных слоев формируются пространственные каркасные ячейки в модифицированной цементной матрице с плотными слоями кристаллогидратов.

Рис. 3. Фрагмент микроструктуры поверхности образца с добавлением УНТ после испытаний на морозостойкость, соответствующего марке F400 при 20000-кратном увеличении

Это ведет к упрочнению всей модифицированной цементной матрицы.

Наличие пространственного каркаса на основе гидросиликатов кальция повышенной плотности предопределяет его большую прочность, что приводит к росту морозостойкости цементного камня в составе бетона (рис. 2, 3).

Испытания тяжелого бетона, модифицированного УНТ (класс по прочности В-30) на морозостойкость, показали повышение марки с F200 до F400 (рис. 3).

Водонепроницаемость бетона является одним из важнейших параметров, оказывающих влияние на долговечность бетона.

По результатам испытаний марка бетона по водонепроницаемости контрольной серии образцов составила W8. Для экспериментальной серии образцов из модифицированного бетона испытания проводились до 7-й ступени включительно при давлении воды 1,4 МПа; при этом на верхней торцевой поверхности образца признаков фильтрации воды в виде капель или мокрого пятна обнаружено не было. В результате марка по водонепроницаемости экспериментальной серии образцов бетона составила W14.

Повышение марки по водонепроницаемости экспериментальных образцов при одинаковом В/Ц в условиях соблюдения технологии проведения испытания подтверждает предположение о меньшем количестве сообщающихся микропор и капилляров, способствующих проницаемости бетона.

Опытно-промышленная апробация модифицирующей добавки УНТ осуществлялась при производстве железобетонных опор линий электропередачи ВЛ 0,4— 10 кВ марки СВ-95-3а [7]. Стендовые испытания прово-

Таблица 2

Таблица 1

Маркировка образцов Средняя прочность, Rc28, МПа Относительное изменение прочности, %

Контрольный(нормальные условия твердения) 54,1 -

С добавлением «Дисперсии 2-БМ» (нормальные условия твердения) 69,3 +28,1

Контрольный (после ТВО) 36,4 -

Экспериментальный с добавкой «Дисперсия 2-БМ» (после ТВО) 41,8 +14,8

№ ступени Нагрузка, кН Время выдержки, мин Фактический прогиб, мм Ширина раскрытия трещин, мм Требования ТУ 53163-00700113557-94 по прочности, жесткости, трещиностойкости

С УНТ Без УНТ С УНТ Без УНТ

1 1 10 26 35 н/о н/о -

2 2,5 10 92 103 н/о Трещины менее 0,05 -

3 3,3 30 142 162 Трещины менее 0,05 Трещины менее 0,05 Трещины < 0,05 мм

4 4 30 167 195 Трещины 0,05 Трещины до 0,1 Прогиб < f=400 мм

5 5 10 237 277 Трещины до 0,1 Трещины менее 0,15 -

6 5,6 30 292 348 Трещины до 0,15 Трещины до 0,15 Разрушений нет. Прогиб < f=400 мм. Трещины < 0,15 мм

Ы

научно-технический и производственный журнал

май 2014

93

дились на предприятии ООО «Завод железобетонных изделий» (г. Ижевск). Опоры изготавливались из бетона класса В-30 в соответствии с ТУ 5863-007-00113557-94 по рабочим чертежам типовых конструкций серии 3.407.1-143. Основные параметры, полученные при производственных испытаниях железобетонных стоек для опор линий электропередачи ВЛ 0,4-10 кВ марки СВ-95-3 [7], приведены в табл. 2.

В результате испытаний установлено, что железобетонные стойки опор ВЛ 0,4-10 кВ марки СВ-95-3а, изготовленные из тяжелого бетона модифицированного дисперсией УНТ, по прочности, жесткости и трещино-стойкости соответствуют требованиям ТУ 53163-00700113557-94. Также отмечено уменьшение прогиба железобетонных стоек с УНТ в среднем на 20% в сравнении с контрольными изделиями, изготовленными из бетона без модифицирования.

Проведенный расчет экономической эффективности показал, что при увеличении рыночной стоимости железобетонных стоек марки СВ-95-3а на 5% за счет модифицирования углеродными нанотрубками срок эксплуатации стоек увеличится не менее чем на 8 лет. Экономический эффект от модификации бетона составит 40% от стоимости железобетонной стойки, изготовленной без применения модифицирующей добавки.

Список литературы

1. Пудов И.А., Пислегина А.В., Лушникова А.А., Первушин Г.Н., Яковлев Г.И., Хасанов О.Л., Тулаганов А.А. Проблемы диспергации углеродных нанотрубок при модификации цементных бетонов // Сб. трудов II международной конференции «Нано-технологии для экологичного и долговечного строительства». Ижевск. 2010. С. 34-38.

2. Пудов И.А., Яковлев Г.И., Лушникова А.А., Изряднова О.В. Гидродинамический способ диспер-гации многослойных углеродных нанотрубок при модификации минеральных вяжущих // Интеллектуальные системы в производстве. 2011. № 1. С. 285-292.

3. Холмберг К., Йенссон Б., Кронберг Б. и др. Поверхностно-активные вещества и полимеры в водных растворах. М.: БИНОМ. Лаб. знаний, 2007. 528 с.

4. Яковлев Г.И., Soliman S., Первушин Г.Н., Пудов И.А., Saber M. Структурирование цементных вяжущих матриц многослойными углеродными трубками // Строительные материалы. 2011. № 11. С. 3-5.

5. Yakovlev G., Pervushin G., Maeva I., Keriene J., Pu-dov I., Shaybadullina A., Buryanov A., Korzhenko A., Senkov S. Modification of Construction Materials with Multi-Walled Carbon Nanotubes. 11th International

Conference on Modern Building Materials, Structures and Techniques, MBMST 2013 // Procedia Engineering. 57 (2013). P. 407 - 413.

6. Федорова Г.Д., Саввина А.В, Яковлев Г.И., Мае-ва И.С., Сеньков С.А. Оценка полифункционального модификатора бетона ПФМ-НЛК в качестве сур-фактанта при диспергации углеродных нанотрубок // Строительные материалы. 2013. № 2. С. 48-54.

7. Патент РФ на полезную модель. № 140055. Опора ВЛ 0,4-10 КВ модифицированная // Г.И. Яковлев, И.С. Маева, И.А. Пудов, Э.В. Алиев, Д.Р. Хазеев, А.В. Шайбадуллина. Приоритет 26.08.2013. Опубл. 27.04.2014. Бюл. № 12.

References

1. Pudov I.A., Pislegin A.V., Lushnikova A.A., Pervushin G. N., Yakovlev G. I., Chasanoff O. L., Tulaganov A.A. Problems of a dispergation of carbon nanotubes at modification of cement concrete. Collection of works II of the international conference "Nanotechnologies for Eco-friendly and Durable Construction". Izhevsk. 2010, рр. 34-38. (In Russia).

2. Pudov I.A., Yakovlev G.I., Lushnikova A.A., Izryadno-va O. V. Gidrodinamichesky a way of a dispergation of multilayered carbon nanotubes at modification mineral knitting. Intellektual'nye sistemy v proizvodstve. 2011. No. 1, рр. 285-292. (In Russia).

3. Kholmberg K., Iensson B., Kronberg B. i dr. Poverkh-nostno-aktivnye veshchestva i polimery v vodnykh rast-vorakh [Surfacants and polymers in aqueous solutions]. M.: BINOM. Lab. znanii, 2007. 528 p. (In Russia).

4. Yakovlev G.I., Soliman S., Pervushin G.N., Pudov I.A., Saber M. Structuring cement knitting matrixes by multi-layered carbon tubes. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2011. No. 11, pp. 3-5. (In Russia).

5. Yakovlev G., Pervushin G., Maeva I., Keriene J., Pudov I., Shaybadullina A., Buryanov A., Korzhenko A., Senkov S. Modification of Construction Materials with Multi-Walled Carbon Nanotubes. 11th International Conference on Modern Building Materials, Structures and Techniques, MBMST 2013 // Procedia Engineering. 57 (2013), pp. 407-413.

6. Fedorova G. D., Savvin A.V, Yakovlev G. I., Mayev I.S. Senkov S. A. Otsenka of the multifunctional modifier of PFM-NLK concrete as surfactant at a dispergation of carbon nanotubes. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2013. No. 2, pp. 48-54. (In Russia).

7. Patent RF 112913. Opora VL 0,4-10 KV modifitsirovan-naya [The VL support of 0,4-10 KV modified]. G.I. Yakovlev, I.S. Mayeva I.A., Poods E.V., Aliyev D.R., Hazeev A.V., A.V. Shaybadullina. Declared 26.08.2013. Published 27.04.2014. Bulletin No. 12. (In Russian).

На Тимлюйском цементном заводе обновление

В ООО «ТимлюйЦемент» (входит в ОАО «ХК «Сибцем») открыт новый упаковочный комплекс. На возведение и оснащение объекта «Сибирский цемент» направил более 153 млн р.

Строительство упаковочного отделения началось на заводе в 2012 г. В соответствии с проектом для цеха, в котором производится тарирование готовой продукции в бумажные мешки и мягкие контейнеры, было возведено новое здание, выполнена реконструкция железнодорожных путей.

В современном комплексе функционируют две линии. На одной из них установлено оборудование российской фирмы «Вселуг», предназначенное для тарирования цемента в мягкие контейнеры. На другой смонтирована трехштуцерная упаковочная машина немецкой компании HAVER & BOECKER, осуществляющая фасовку цемента в мешки по 50 кг. Процессы монтажа и наладки оборудования проходили под контролем специалистов фирм-изготовителей.

Главные преимущества новых упаковочных машин - высокая производительность и точность дозирования. После запуска техники процесс фа-

совки и погрузки цемента стал полностью автоматизированным, что значительно облегчает труд рабочих. Использование высокопроизводительного оборудования и новых схем работы дает возможность быстро и точно отгружать тарированный цемент одновременно и в вагоны, и в автомобили для самовывоза.

В здании нового цеха работает автономная компрессорная станция. Также здесь смонтировано мощное пылеулавливающее оборудование. Рукавные фильтры, позволяющие значительно сократить количество выбросов, установлены как на машине HAVER & BOECKER, так и на агрегате «Вселуг».

Помещение мастеров оборудовано компьютером, на экран которого выводится мнемосхема, отражающая весь процесс работы техники, от подачи цемента с силосов в холодильники до погрузки. Система мгновенно диагностирует сбои и неполадки, что помогает оперативно устранять проблемы, избегая простоя упаковочных машин.

По материалам пресс-службы холдинга «Сибирский цемент»

научно-технический и производственный журнал Q'fffjyTf S JJbrlbJ" ~94 май 2014 Ь^ШШ'