Наномодификация пластификаторов. Регулирование их свойств и прочностных характеристик литых бетонов
Статья посвящена изучению возможности улучшения потребительских свойств пластификаторов цементных бетонов за счет их микромодификации [1] фуллероидными нанодобавками.
В последние десятилетия в строительной химии появились новые виды пластифицирующих добавок к бетонам, основанных на использовании олигокарбоксилатов и их производных, отличающихся чрезвычайно высокой пластифицирующей способностью [2]. Однако их широкое применение сдерживается весьма значительной стоимостью — более $3–8 за кг. В этих условиях крайне актуальной задачей является поиск и исследование путей снижения технологических концентраций пластификаторов в цементных растворах. В данной работе рассматривается оригинальная методика решения этой задачи, основанная на практическом использованием принципиально новых физических явлений, связанных с возможностями современных нанотехнологий.
В работе исследовались свойства следующих пластификаторов:
№1 — VP 2500, №2 — VP 2453, №3 — FK-48, №4 — FK-63, №5 — C-3, №6 — Sta-chement 2000, №7 — Cementol Zeta Super-5, №8 — Sika Visconcrete 5-800.
Производителями данных суперпластификаторов являются: №№1, 2 — Degussa AG, Германия; №№2, 3 — Muroplasttm, Россия-Германия; №5 — Россия; №6 — Sta-chema, Австрия; №7 — Dynamon, Чехия, №8 — Sika, Словакия.
Изучалось возможное влияние следующих нескольких типов фуллероидных наномодификаторов [3]:
- полностью синтетический наномодификатор Астраленытм, обозначаемый далее как NTC [4];
- наномодификатор на минеральной углеродсодержащей основе, обозначение — NTD (NTD0);
- наномодификатор на минеральной основе, допированный Астраленами, обозначение — NTD1 (1% Астраленов).
Во всех случаях при введении наномодификаторов было зафиксировано явление значительного увеличения пластифицирующих свойств пластификаторов рассмотренных марок. В дальнейшем, однако, основное внимание было уделено исследованию наномодификаторов NTD1 и особенно NTD0. Это связано с тем обстоятельством, что данные наноматериалы значительно дешевле и доступны в больших количествах, хотя и требуют большей дозировки.
Впервые были выполнены предварительные исследования возможности улучшения потребительских свойств карбоксилатного суперпластификатора VP 2500 (Германия). Для этого проводилась модификация состава VP 2 500 (далее VP) с помощью микроколичеств фуллероидного наномодификатора марки NTC.
В основном изучались пластифицирующие свойства модифицированного VP 2 500, также были получены некоторые характеристики прочности (на балочках 40Ч40Ч160 мм). Твердение цементно-песчаной смеси происходило на воздухе (влажность около 90 отн. %) при комнатной температуре в течение двух недель. Пластифицирующие свойства изучались методом измерения величины расплыва конуса, а прочностные характеристики — методом определения усилия сжатия и на изгиб до разрушения (все по ГОСТ 310.4-81). В качестве модельной смеси здесь и далее была выбрана смесь состава цемент/песок = 1/2 при фиксированном водоцементном соотношении, равном 0,37. Был использован цемент марки М400Д0 (г. Пикалево, Ленинградская обл.).
Углеродный наномодификатор вводился в объем суперпластификатора VP 2 500 и диспергировался в этом объеме с помощью ультразвукового диспергатора УЗДН-А. При этом были получены устойчивые суспензии. В таблице 1 приведены измеренные нами показатели пластичности и прочности, причем все цифры являются результатом усреднения по двум-трем опытам.
Таблица 1
|
Добавки в цементно-песчаную смесь
|
Расплыв конуса от диаметра 100 мм (мм)
|
Rи (МПа)
|
Rсж (МПа)
|
|
|
VP 2500, % по массе
|
NTC, % по массе
|
|||
|
0
|
0
|
110
|
7,52
|
37,4
|
|
0,25
|
0
|
157
|
7,81
|
47,0
|
|
0,75
|
0
|
191
|
7,60
|
45,8
|
|
0,75
|
0,005
|
210
|
8,10
|
54,2
|
|
0,75
|
0,001
|
221
|
7,56
|
51,8
|
|
0,75
|
0,0005
|
209,5
|
8,14
|
41,7
|
|
0,4
|
0,0005
|
204
|
7,89
|
56,0
|
|
0,25
|
0,001
|
197
|
8,09
|
51,5
|
|
1,05
|
0,005
|
208,5
|
7,95
|
34,9
|
Анализ данных, представленных в таблице, доказывает наличие несомненного эффекта — улучшения потребительских свойств пластификатора VP 2 500 при введении в него каталитических количеств фуллероидного модификатора.
Из Восточной Европы были получены три вида пластификаторов (соответственно №№6, 7, 8). Было проведено исследование возможности улучшения их свойств с помощью фуллероидных наномодификаторов. В основном изучалось влияние наномодификаторов NTD0 и NTD1 на подвижность цементной смеси. В отдельных случаях были изготовлены балочки 40Ч40Ч160 мм и определены прочностные характеристики материала, из которого они изготовлены.
Методика изучения подвижности соответствовала ГОСТ 310.8-81 и заключалась в измерении расплыва конуса с основанием 100 мм.
Эксперимент производился следующим образом. Рассчитанное количество углеродного нанопорошка (типично 200–400 мг)диспергировалось посредством ультразвукового устройства УЗДН-А в рассчитанном количестве воды (типично 10–15 мл). Затем эта водная суспензия смешивалась с рассчитанным количеством пластификатора (типично 4–6 мл)и в таком виде использовалась как добавка к воде затворения цементно-песчаной смеси состава цемент/песок=1/2 (использовался портландцемент марки 400Д0 производства г. Белгород, Россия). Модуль крупности песка составил Мк=2,7. Водоцементное отношение составляло величину, равную 0,36.
Был исследован широкий интервал концентраций наномодификаторов (от 0,001 до 0,03 вес. % по отношению к цементу). Однако с целью не затруднять восприятие большим количеством цифр, приводятся (таблица 2) только результаты, соответствующие двум концентрациям (0,01% и 0,013%). Именно в области данных значенийнаблюдается максимальный эффект действия фуллероидных наномодификаторов.
Таблица 2
|
Пластификатор и его содержание в % по массе цемента
|
Содержание модификатора в % по массе цемента
|
Разность расплыва/ Разность расплыва в %* (R сж, МПа)
|
|
|
NTD0
|
NTD1
|
||
|
№6 — 0,5% №7 — 0,5% №8 — 0,5% №8 — 1,0% №8 — 1,5%
|
0,01%
|
43/102 — 22/55 (37,1)** 30/35 (35,4)** 17/44
|
— — — 37/66 (36,8)**
|
|
0,01%
|
13/22 44/112 33/71 33/40
|
— — 36/65 4, 25/46
|
|
* Разность расплывов конуса от величины начального диаметра 100 мм при использовании модификатора и без него/та же величина в % к величине расплыва конуса от 100 мм при использовании чистого модификатора.
** Среднее значение прочности для образца с немодифицированным пластификатором составляет Rсж0=30,3 МПа.
Кроме того, как уже отмечалось, в отдельных случаях были измерены прочностные характеристики. Однако надо заметить, что полученные значения прочности являются их нижней оценкой, т. к. при использовании модифицированного пластификатора, строго говоря, необходимо было бы уменьшить количество воды.
Другими словами, необходимо было бы поддерживать постоянной величину подвижности смеси, а не водоцементное отношение, как было сделано. При этом результирующая прочность образцов должна увеличиваться.
Самые последние данные по сравнительной эффективности действия различных модифицированных пластификаторов приведены в таблице 3.
Таблица 3
|
Марка пластиф.
|
В/Ц
|
% пластиф. от массы Ц
|
% модиф. от массы Ц
|
расплыв (0) / расплыв (мм)
|
|
№7
|
0,36
|
0,5
|
0,013
|
140/184
|
|
№8
|
0,36
|
0,5
|
0,013
|
145/171
|
|
№2
|
0,36
|
0,5
|
0,013
|
159/186
|
|
№3
|
0,35
|
1,5
|
0,03
|
177/239
|
|
№3
|
0,35
|
0,75
|
0,015
|
— /195
|
|
№6
|
0,34
|
1,0
|
0,01
|
165/190
|
Технологически (на производстве) использование настоящего эффекта может сводиться к следующему. На растворном узле с помощью небольшой ультразвуковой ванны приготовляется суспензия углеродсодержащего порошка в смеси 1:1 пластификатора с водой. Суспензия содержит 1% (по массе) углеродсодержащего нанопорошка и является по сути концентратом, который в соответствующем (рассчитанном) количестве добавляется в воду затворения. Время жизни суспензии составляет от 5 до 8 часов.
В результате проведенных работ получены основные результаты и сделаны следующие выводы:
1. Использование фуллероидных наномодификаторов в каталитических количествах позволяет при всех прочих равных условиях усилить пластифицирующий эффект на величину от 30% до 100%.
2. Такое же использование наномодификаторов позволяет увеличить прочность бетона на 20–25%. Эта величина является нижней оценкой эффекта, поскольку при уменьшении В/Ц, очевидно, будет получено дополнительное увеличение прочности.
3. Пластичность цементной смеси увеличивается в первые 1–2 ч. после приготовления еще примерно на 20%.
4. Время жизни суспензии наномодификатора составляет 5–8 ч. Гарантийный срок хранения сухого наномодификатора составляет 1–2 месяца.
5. Эффект модификации пластификаторов усиливается при понижении температуры.
Направление практического применения исследованных эффектов может быть следующим:
- для снижение расхода пластификатора на 50–60% без ущерба для показателей удобоукладываемости цементной смеси;
- для увеличение прочности бетона за счет снижения В/Ц на 15–20%, которое, в свою очередь, можно использовать для снижения расхода цемента на 15–25% и для уменьшения толщины конструктивных элементов.
Литература
1. Пономарев А. Н. Технологии микромодификации полимерных и неорганических композиционных материалов с использованием наномодификаторов фуллероидного типа. : Труды Международной конференции ТПКММ, 27–30 августа 2003 г., Москва, Россия, с. 508–518.
2. Батраков В. Г. Модифицированные бетоны. — М.: «Стройиздат», 1990, с. 132.
3. Гуняев Г. М., Ильченко С. И., Алексашин В. М.,Комарова О. А., Пономарев А. Н., Никитин В. А,Деев И. С. Фуллероидные наноматериалы — активные структурные модификаторы полимеров и полимерных композитов./«Пластмассы», №10, 2003, с. 15–18.
4. Пономарев А. Н., Никитин В. А. Поли-эдральные многослойные углеродные наноструктуры фуллероидного типа.: Патент РФ на изобреитение № 2196731, Реестр ФИПС от 21.09.2000 г.
| Автор: М. Е. Юдович, А. Н. Пономарев Дата: 04.10.2007 Журнал Стройпрофиль 6-07 Рубрика: бетоны и жби: технологии, оборудование Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |