Физико-механические свойства цементных композитов, модифицированных нанодобавкой

УДК 691.33

А. И. Пименов, Р. А. Ибрагимов, В. С. Изотов

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИТОВ,

МОДИФИЦИРОВАННЫХ НАНОДОБАВКОЙ

Ключевые слова: модификатор, гиперпластификатор, гидрофобизатор, комплексная добавка, цементный композит, углеродные нанотрубки.

В данной работе рассмотрено влияние углеродных нанотрубок «Таунит», гиперпластификатора на основе полиэфиркарбоксилата, гидрофобизатора и комплексной добавки на физико-механические свойства цементных композитов. Исследовано влияние изучаемых добавок на сроки схватывания цементного теста. Определено влияние изучаемых добавок на морозостойкость и водонепроницаемость бетона.

Keywords: modifier giperplastifikator, water repellent, complex additive, cement composite, carbon nanotubes.

In this paper, we examine the effect of carbon nanotubes "Taunit" giperplastifikatora based poliefirkarboksilata, hydrophobizator and complex additives on physical and mechanical properties of cement composites. The influence of the studied additives on the setting time of cement paste. The effect of the studied additives on frost resistance and water resistance of concrete.

Введение

На современном этапе развития технологии монолитного строительства требуется ускорение набора распалубочной прочности бетона и увеличения его срок службы железобетонных конструкций. В настоящее время все большее предпочтение отдается разработке комплексных добавок -полифункциональных модификаторов бетонных смесей и бетонов, позволяющих одновременно решать несколько технологических задач.

Существует множество видов добавок и модификаторов, которые улучшают определенные свойства цементных композитов. Среди современных модификаторов можно выделить пластифицирующие добавки, гидрофобизирующие, ускорители твердения и другие [1]. Также научный интерес представляют нанодобавки, в особенности углеродные нанотрубки (УНТ), обладающие высоким сопротивлением кислотам и щелочам [2]. Исследованиями авторов [3] показано, что УНТ добавленные в цементные композиты, являются центрами кристаллизации, увеличивая при этом их прочностные характеристики.

Одной из проблем широкого применения УНТ в цементных композитах является однородное распределение малых количеств УНТ в воде затво-рения.

Задача данной работы состоит в резком повышении темпа роста прочности цементных композитов в ранние сроки твердения, обеспечении высокой марочной прочности, увеличении морозостойкости и водонепроницаемости, а также в однородном распределении УНТ в системе композита.

Методы и материалы

В экспериментальных исследованиях использовали портландцемент М400 ПЦ Д20 Вольского завода, удовлетворяющий требованиям ГОСТ 10178-85, песок Камско-Устьинского месторождения с модулем крупности 2.7, удовлетворяющий требованиям ГОСТ 8736-93 и ГОСТ 8735-88 и

щебень Камско-Устьинского месторождения фракции 5-20 мм.

В качестве гиперпластификатора (ГП) использовался гиперпластификатор «Кетсгйе 8Р-60» - сополимер на основе полиэфиркарбоксилатов, плотность 1,09 г/см3, имеет сертификационный номер: 0764-СРБ-0012 (согласно БМ 934-2:2001). Оптимальная дозировка добавки - 1 % от массы цемента.

В качестве углеродных нанотрубок (УНТ) использовалась продукция ООО «Нанотехцентр», представляющая собой коаксиальные многослойные углеродные нанотрубки с наружным диаметром 8-15 нм и длиной более 2 мкм под назвнием «Таунит» Число слоев одной трубки 6-10. Оптимальная дозировка 0,005% от массы цемента.

В качестве гидрофобизатора (ГФ) использовалась добавка «Типром-С» - кремнийорганическая воздухововлекающая добавка на основе 55 % концентрата алкилсиликоната калия, плотностью 1,3 г/см3. Массовая доля кремния - 8,0-14,0 %, производится по ТУ 2229-069-32478306-2003. Оптимальная дозировка составляет 0,1 % от массы цемента.

В настоящее время предложено несколько способов эффективной диспергации агломератов УНТ - метод гидродинамической кавитации [5], метод ультразвукового воздействия (УЗВ) [6].

В данной работе комплексную добавку (КД) получали ультразвуковым воздействием на УНТ в среде ГП и ГФ с использованием прибора УЗГ 130,1/22 в течение 3-3,5 мин. Мощность ультразвукового воздействия составила 100 Вт. Оптимальная дозировка комплексной добавки составляет 1,1 % от массы цемента.

Испытания указанных добавок выполнялись по методике ГОСТ 30459-2008 [8].

Прочность тяжелого бетона определялась в соответствии с ГОСТ 18105-86 [7].

Результаты

Исследовано влияние компонентов комплексной добавки на сроки схватывания и нормаль-

ную густоту цементного теста по ГОСТ 310.3-76. Экспериментальные данные приведены в табл. 1.

Из таб.1 видно, что добавка «Яеткгйе БР-60» уменьшает нормальную густоту цементного теста на 19 %, увеличивает начало схватывания (Н.С.) на 160 мин и конец схватывания (К.С.) на 200 мин, по сравнению с контрольным составом.

Таблица 1 - Влияние компонентов комплексной добавки на сроки схватывания цементного теста

№ п/п ГП, % ГФ, % УНТ, % Н.Г., % Сроки схватывания, мин

Н.С. К.С.

1 0 0 0 27 170 220

2 1 0 0 22 330 420

3 0 0,1 0 28 190 240

4 0 0 0,005 27 160 200

5* 1 1 0,005 22 260 370

*Примечание: состав №5 с комплексной добавкой.

ГФ «Типром-С» увеличивает начало и конец схватывания на 20 мин, по сравнению с контрольным составом.

Модификация цементного теста УНТ «Тау-нит» позволяет сократить начало схватывания на 10 мин, и конец на 20 мин, по сравнению с контрольным составом.

При введении КД в цементное тесто начало схватывания сокращается на 70 мин, а конец схватывания - на 50 мин, по сравнению с составом, содержащем только гиперпластификатор.

Исследовано влияние физико-механических свойств модифицированного цементного раствора по сравнению с контрольным составом (состав №1). Сравнивались составы, полученные при различном способе введения УНТ в состав цементного теста: механическим перемешиванием в среде ГП (состав №3), и в составе КД (состав №4), так и при введении только добавки «Яет1сге1е 8Р-60» (состав №2). Экспериментальные работы выполнялись в соответствии с ГОСТ 310.4-81. Результаты приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Физико-механические свойства модифицированного цементного раствора

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

2 сут. 28 сут. 2 сут. 28 сут.

1 0 42 100% 3,8* 100% 5,7* 100% 16,5* 100% 39,0* 100%

2 0 33 79% 5,3 138% 7,6 133% 27,3 165% 55,0 142%

3 0,005 33 79% 5,6 146% 7,8 136% 28,5 172% 57,4 147%

4 0,005 33 79% 5,4 140% 8,5 148% 29,0 178% 60,5 155%

Примечание*: над чертой приведено среднее значение показателя; под чертой - относительное значение показателя в % от контрольного.

Из табл. 2 видно, что при введении в цементный раствор добавки «Яет1сге1е 8Р-60» в оптимальном количестве прочность при изгибе це-ментно-песчаного раствора через 2 суток нормаль-

ного твердения повышается на 38 % , а через 28 суток на 33 %; при сжатии увеличение прочности составляет 65 % и 42 % соответственно, по отношению к составу без добавок.

При введении УНТ в ГП с последующим механическим перемешиванием в воде затворения, прочность образцов при изгибе в возрасте 2 суток нормального твердения увеличивается на 46 %, на 28-е сутки - на 36 %, а при сжатии на 7 и 28 сутки -72 % и 47 % соответственно.

Наибольший прирост прочности цементно-песчаного раствора наблюдается в составе, модифицированным КД. Так, прочность при изгибе на 7 и 28 сутки твердения увеличивается на 40 % и 48 %, соответственно, а при сжатии - на 78 % и 55 % по сравнению с контрольным составом.

Изучено влияние исследуемых добавок на кинетику набора прочности тяжелого бетона при нормальном твердении. Для эксперимента определен тяжелый бетон производственного состава (цемент: щебень: песок = 1:1,31:2,53) с осадкой конуса 5-6 см, с расходом портландцемента 450 кг/м3. Результаты испытаний приведены на рис.1.

Л

/

/

/ V

1 !/

0 г

о з и» ю н зо

Время твердения, сутки

Рис. 1 - Кинетика набора прочности тяжелого бетона: 1-без добавки; 2 - с добавкой «Яеткгйе 8Р-60»; 3 - с КД

Из рис.1. видно, что наибольший прирост прочности бетона наблюдается в составе с КД, при этом прочность при сжатии бетона на 28-е сутки 61 МПа, что на 86 % больше контрольного состава 33 МПа.

Изучено также влияние комплексной добавки на морозостойкость и водонепроницаемость тяжелого бетона приведенного выше состава. Марка по морозостойкости тяжелого бетона, модифицированного КД, составляет Б500, а контрольного -Б200. Марка по водонепроницаемости модифицированного бетона, составляет W16, что на 5 ступеней больше, чем у контрольного состава ^6).

Заключение

Анализ полученных данных позволяет сделать следующие выводы:

- предложен новый способ получения и сов-став комплексной добавки на основе УНТ, ГП и ГФ, заключающийся в ультразвуковом воздействии на УНТ в среде ГП и ГФ;

- комплексная добавка позволяет значительно повысить прочность цементных композитов.

- модификация цементного теста КД сокращает сроки схватывания на 50-70 мин по сравнению с составом, модифицированным только ГП;

- модификация цементных систем КД позволяет повысить прочность образцов из цементного раствора при изгибе и сжатии на 40-78 %, а прочность на сжатие тяжелого бетона увеличить в 1,5^2 раза по сравнению с контрольным составом без добавок;

- при модификации тяжелого бетона комплексной добавкой наблюдается повышение морозостойкости в 2,5 раза, а водонепроницаемости - на 5 ступеней по сравнению с составом без добавок.

Литература

1. Хозин В.Г., Морозов Н.М., Мугинов Х.Г. Особенности формирования структуры модифицированных песчаных бетонов// Строительные материалы, № 9, 2010, -С.72-73.

2. Яковлев Г.И., Первушин Г.Н., Бурьянов А.Ф., Кодолов В.И., Крутиков В.А., Фишер Ф.-Б., Керене Я. Модификация поризованных цементных матриц углеродными

нанотрубками // Строительные материалы, № 3, 2009, -С.99-102.

3. Королев Е.В. Основные принципы практической нано-технологии в строительном материаловедении // Нано-технологии в строительстве: научный интернет-журнал. 2009. № 1. -С.66-79.

4. Коротких Д.Н., Артамонова О.В., Чернышев Е.М. О требованиях к наномодифицирущим добавкам для высокопрочных бетонов // Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал, 2009, № 2, -С.42-49.

5. Luo, J.L. The influence of surfactants on the processing of multi-walled carbon nanotubes in reinforced cement matrix composites / J.L. Luo, et al. // Physica Status Solidi a-Applications and Materials Science. 2009. - №206. -p.2783-2790;

6. Makar, J.M. Growth of cement hydration products on single walled carbon nanotubes / J.M. Makar, G.W. Chan // J. Am. Ceram. Soc. - 2009. - №92. - p.1303-1310;

7. ГОСТ 18105-86. Бетоны. Правила контроля прочности.

8. ГОСТ 30459-2008. Добавки для бетонов. Методы определения эффективности.

© А. И. Пименов - асс. каф. «Технология, организация и механизация строительства», КГАСУ, kreation02@mail.ru; Р. А. Ибрагимов - канд. техн. наук, доц. той же кафедры, rusmag007@yandex.ru; В. С. Изотов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. «Технология, организация и механизация строительства», КГАСУ, v_s_izotov@mail.ru.

© A. I. Pimenov, a graduate student, assistant of Dept. of Technology, Organization and Mechanization of Construction, Kazan State University of Architecture and Engineering, kreation02@mail.ru; R. A. Ibragimov, Ph.D. in Engineering, Associate Professor of Dept. of Technology, Organization and Mechanization of Construction, Kazan State University of Architecture and Engineering, rusmag007@yandex.ru; V. S. Izotov, D. Sc. in Engineering, Prof., Head of Dept. of Technology, Organization and Mechanization of Construction, Kazan State University of Architecture and Engineering, v_s_izotov@mail.ru.