Материал: Синтез наномодифицирующих добавок для технологии строительных композитов. Артамонова О.В

6.2. Комплексная оценка эффективности применение добавок наномодификаторов в технологии цементных бетонов

Таким образом, наши исследования показывают, что эффект наномодифицирования цементного камня в отношении R заключается в том, что он быстрее упрочняется в ранние сроки структурообразования и становиться более прочным при завершении процесса твердения. И это является основанием для сокращения в целом сроков твердения и отказа от тепловой обработки твердеющего цемента.

Оценивая эффективность наномодифицирования, необходимо анализировать критериальные характеристики, интегрирующие в «привязке» к условиям наномодифицирования (к виду и дозировке добавки, к продолжительности процесса твердения, к температуре его протекания) меру достигаемых изменений кинетических параметров протекания гидратации и твердения цемента и связанных с ними критериев E, , R. При этом потребуется ввести соответствующие сопоставительные показатели эффективности в виде коэффициентов. Обработка полученных экспериментальных данных на принципе их интегрирования (табл. 11) приводит к следующим выводам:

1) введение в цементно-водную систему наномодифицирующих добавок изменяет кинетические параметры развития эволюционного маршрута и ускоряет гидратацию цемента в 10 – 30 раз, что объясняется снижением энергии активации процесса практически в 2 – 3 раза;

2) имеющее место модифицирование структуры цементного камня по дисперсности и морфологии новообразований сопровождается повышением величины прочности в 28 суточном возрасте на 45 – 65 % в зависимости от вида добавки (при их дозировке 0,01 % от массы цемента);

3) применение добавок на основе наночастиц SiO₂, родственных по кристаллохимическому строению минералам новообразований цементного камня, обеспечивает завершение процесса твердения практически в первые сутки;

4) коэффициент эффективности наномодифицирования по повышению удельной прочности цементного камня (то есть по показателю эффективности реализации потенциала активности цемента при синтезе прочности в условиях применения нанодобавок) в первые сутки твердения в 2,5 раза выше для добавки КНД по сравнению с добавкой УНТ;

Таблица 11

Критерии и коэффициенты эффективности наномодифицирования систем твердения цемента при введении добавок кнд и унт

5) в «зрелом» 28 суточном возрасте величина коэффициента эффективности наномодифицирования по повышению удельной прочности цементного камня составляет 1,36 для добавки КНД и 1,25 для добавки УНТ и это показывает, что влияние наномодифицирования введением добавок целесообразно оценивать не только в первые сроки, когда проявляется ускоряющее их действие на параметры кинетики гидратации и, соответственно, на количественные накопления фазы новообразований, но и в нормативные сроки (28 сут), когда в полной мере начинают проявлять себя качественные характеристики продуктов гидратации цемента;

6) действие добавок на основе углеродных нанотрубок заметно менее эффективно по коэффициентам ускорения гидратации, набора прочности при твердении, повышения достигаемых максимальных значений прочности цементного камня, повышения удельной его прочности, то есть по реализации потенциала активности цемента при синтезе прочности.

Заключение

Синтез и изучение свойств новых комплексных наноразмерных добавок для модифицирования строительных композитов имеет большое значение для практики. На основе таких исследований могут быть найдены методы решения многих конкретных технологических задач. Перспективными направлениями в области органоминеральных добавок для различных систем твердения станут методы их синтеза на основе золь-гель процессов.

Фундаментальной проблемой химии и физики нанокомпозитов остается зависимость «состав – структура – свойство». Комплексное исследование этой проблемы при наномодифицировании строительных композитов позволит перейти к их целенаправленному проектированию. Сегодня над этой задачей во всем мире активно работают специалисты из различных областей знаний [72].

Данная монография – попытка обобщения собственных исследований и уже существующего опыта различных исследователей в области строительного материаловедения модифицированных композитов, а также интеграция полученных результатов применительно к решению конкретных технологических задач.

Библиографический список

1. Чернышов, Е.М. Нанотехнологические исследования строительных композитов: общие суждения, основные направления и результаты / Е.М. Чернышов // Нанотехнологии в строительстве. 2009. № 1. С. 45 – 59

2. Баженов, Ю.М. Конструирование структур современных бетонов: определяющие принципы и технологические платформы / Ю.М. Баженов, Е.М. Чернышов, Д.Н. Коротких // Строительные материалы. 2014. № 3. С. 6 – 14.

3. Чернышов, Е.М. Модифицирование структуры цементного камня микро- и наноразмерными частицами кремнезема (вопросы теории и приложений) / Е.М. Чернышов, Д.Н. Коротких // Строительные материалы, оборудование и технологии XXI века. 2008. № 5. С. 30 – 32.

4. ГОСТ 24211 – 2003 Добавки для бетонов и строительных растворов. – Введ. 2004-03-01. – М.: Издательство стандартов, 2004. – 18 с.

5. Артамонова, О.В. Концепции и основания технологий наномодифицирования структур строительных композитов. Часть 1. Общие проблемы фундаментальности, основные направления исследований и разработок / О.В. Артамонова, Е.М. Чернышов // Строительные материалы. 2013. № 9. С. 82 – 90.

6. Мелихов, И.В. Физико-химическая эволюция твердого вещества / И.В. Мелихов. – М.: БИНОМ, Лаборатория знаний, 2009. – 309 с.

7. Handbook of nanoscience, engineering, and technology / Ed. by W.A. Goddard, D.W. Brenner, S.E. Lyshewski, G.J. Iafrate. – Boka Raton: CRC Hress, 2003. – 800 p.

8. Третьяков, Ю.Д. Химия и технология твердофазных материалов / Ю.Д. Третьяков, Х. Лепис. – М.: МГУ, 1985. – 364 с.

9. Гусев, А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии / А.И. Гусев. – М.: Физматлит, 2007. – 416 с.

10. Koch, C.C. Nanostructured materials: Processing, Properties and Potential Applications / C.C. Koch. – Noyes Publications: New York, 2002. – 612 p.

11. Ратинов, В.Б. Добавки в бетон / В.Б. Ратинов, Т.И. Розенберг. – М.: Стройиздат, 1989. – 188 с.

12. Российский строительный портал [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http:// www.stroy-firms.ru/board.html, свободный.

13. Дьячков, П.Н. Углеродные нанотрубки: строение, свойства, применения / П.Н. Дьячков. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006.–293 с.

14. Артамонова, О.В. Строительные материалы: тенденции развития и перспективы / О.В. Артамонова, О.Р. Сергуткина // Научный Вестник Воронежского ГАСУ. 2013. № 6. С. 13 – 22.

15. Пономарев, А.Н. Высококачественные бетоны. Анализ возможностей и практика использования методов нанотехнологии / А.Н. Пономарев // Инженерно-строительный журнал. 2009. №6 (8). С. 25 – 33.

16. Пухаренко, Ю.В. Эффективность активации воды затворения углеродными наночастицами / Ю. В. Пухаренко, И. У. Аубакирова, В. Д. Староверов // Инженерно-строительный журнал. – 2009. №1. С. 40 – 45.

17. Яковлев, Г.И. Модификация цементных бетонов многослойными углеродными нанотрубками / Г.И. Яковлев, Г.Н. Первушин, А.С. Корженко, А.Ф. Бурьянов, И.А. Пудов, А.А. Лушникова // Строительные материалы. 2011. № 2. С. 47 – 51.

18. Koizumi, K. Effects of chemical admixtures on the silicate structure of hydrated portland cement / K. Koizumi, Y. Umemura, N. Tsuyuki // Proceedings of the 12^th International Congress on the Chemistry of Cement. Montreal, 2007. P. 64 – 71.

19. Каприелов, С.С. Влияние структуры цементного камня с добавками микрокремнезема и суперпластификатора на свойства бетона / С.С. Каприелов, А.В. Шейнфельд, Ю.Р. Кривобородов // Бетон и железобетон. 1992. № 7. С. 4 – 7.

20. http://silinom-nomak.ru/?path=katalog/kremnezoli

21. Комохов, П.Г. Высокопрочный бетон на основе элементов нанотехнологии по методу золь-гель / П.Г. Комохов, Л.Б. Сватовская, В.Я. Соловьева, А.М. Сычева // Материалы IX академических чтений РААСН, Пенза: Изд-во ПГУАС, 2006. Часть П. С. 8 – 10.

22. Чебакина, В.К. Синтез наноразмерных гидрозолей цеолитов типа NаX / В.К. Чебакина, О.В. Артамонова // Тез. докл. III Международной научной конференции: Наноструктурные материалы – 2012: Россия – Украина – Беларусь. Санкт-Петербург, 19 – 22 ноября 2012 г. – Санкт-Петербург: Изд-во «Лема», 2012. – С. 491.

23. Королёв, А.С. Мелкозернистые бетоны с нанодобавками синтетического цеолита / А.С. Королев, Э.Ш. Хакимова // Бетон и железобетон. 2008. № 6. С. 13 – 15.

24. Roco, M.C. Nanotechnology Research Directions: Vision for Nanotechnology in the Next Decade / M.C. Roco, R.S. Williams and P. Alivisatos. – Kluwer Academic Publishers, 2000. – 356 р.

25. Коротких, Д.Н. О требованиях к наномодифицирующим добавкам для высокопрочных цементных бетонов / Д.Н. Коротких, О.В. Артамонова, Е.М. Чернышев // Нанотехнологии в строительстве. 2009. №2. С. 42 – 49. www.nanobuild.ru.

26. Батраков, В.Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика / В.Г. Батраков. – М. 1998. – 768 с.

27. Чернышов, Е.М. Приложения нанохимии в технологии твердофазных строительных материалов: научно-инженерная проблема, направления и примеры реализации / Е.М. Чернышов, О.В. Артамонова, Д.Н. Коротких и др. // Строительные материалы. 2008. № 2. С. 32 – 36.

28. Артамонова, О.В. Формирование структуры и управление прочностными свойствами в гидросиликатных системах модифицированных ультра- и наноразмерными частицами / О.В. Артамонова, Д.Н. Коротких, Е.М. Чернышов // Сборник статей по материалам Первой международной конференции «Деформация и разрушение материалов». Т. II. М. 2006. С. 514 – 516.

29. Чернышов, Е.М. Высокотехнологичные высокопрочные бетоны: вопросы управления их структурой / Е.М. Чернышов, Д.Н. Коротких // Современные проблемы строительного материаловедения и технологии: матер. междунар. конгресса «Наука и инновации в строительстве». Т.1. 2008. кн. 2. С. 616 – 620.

30. Тимашев, В.В. Структура самоармированного цементного камня. Избранные труды. Синтез и гидратация вяжущих материалов / В.В. Тимашев, И.И. Сычева, Н.С. Никонова. – М.: Наука. 1986. С. 390 – 400.

31. Помогайло, А.Д. Наночастицы металлов в полимерах / А.Д. Помогайло, А.С. Розенберг, И.Е. Уфлянд. – М. : Химия, 2000. – 672 с.

32. Шабанова, Н.А. Химия и технология нанодисперсных оксидов: учебное пособие / Н.А. Шабанова, Попов В.В., П.Д. Саркисов. − М.: ИКЦ «Академкнига», 2006. − 309 с.

33. Королев, Е.В. Основные принципы практической нанотехнологии в строительном материаловедении / Е.В. Королев // Научный интернет-журнал «Нанотехнологии в строительстве». 2009. № 1. С. 66 – 79. www.nanobuild.ru.

34. Артамонова, О.В. Исследование кинетики набора прочности модифицированного цементного камня / О.В. Артамонова, О.Б. Кукина // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения. 2014. № 2 (9). С. 83 – 93.

35. Артамонова, О.В. Синтез нанодисперсного модификатора на основе SiO₂ для цементных композитов / Артамонова О.В., Сергуткина О.Р., Останкова И.В, Шведова М.А. // Конденсированные среды и межфазные границы. 2014. Т. 16. № 2. С.152 – 162.

36. Строительное материаловедение / Под общ. ред. В. А. Невского. Ростов н/Д : Феникс, 2009. – 589 с.

37. Жерновский, И.В. Некоторые вопросы понятийного аппарата наносистемного строительного материаловедения / И.В. Жерновский, В.В. Строкова // Строительные материалы. 2012. № 3. С. 8 – 10.

38. Тейлор, Х. Химия цемента / Х. Тейлор ; Пер. с англ. – М.: Мир, 1996. – 500 с.

39. Шабанова, Н.А. Химия и технология нанодисперсных оксидов / Н.А. Шабанова, В.В. Попов, П.Д. Саркисов. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2006. – 309 с.

40. Лукутцова, Н. П. Наномодифицирующие добавки в бетон / Н.П. Лукутцова // Строительные материалы. 2010. № 9. С. 101 – 108.

41. Джумагелдиева, Ш.А. Структурообразование цементных композитов на основе нанодисперсного кремнезёма / Ш.А. Джумагелдиева // Вестник ЕНУ им. Л. Н. Гумилёва. 2011. № 4. С.159.

42. Логанина, В.И. Золь – гель технология для синтеза кремнийсодержащей добавки известковых отделочных составов / В.И. Логанина, Н.А. Прошина, О.А. Давыдова // Строительные материалы. 2009. № 7. С. 48 – 52.

43. Седунов, С.Г. Разработка способа получения наноразмерных коллоидных систем на основе диоксида кремния / С.Г. Седунов и др. // Молекулярные технологии. 2011. № 5. С. 263 – 269.

44. Айлер, Р.К. Химия кремнезёма / Р.К. Айлер ; Пер. с англ. Т. 1, 2. М.: Мир, 1982. – 712 с.

45. Singh, L.P. Preparation of silica nanoparticles and its beneficial role in cementitious materials / L.P. Singh, S.K. Agarwal, S.K. Bhattacharyya // Nanomaterials, nanotechnology. 2011. №1. Vol.1. P. 44 – 51.

46. Попов, В.В. Образование дисперсных систем оксидов, оксигидроксидов и гидроксидов элементов / В.В. Попов. Обзор. инф. «Актуальные вопросы химической науки и технологии и охраны окружающей среды. Общеотраслевые вопросы». – М.: НИИТЭХИМ, 1991. вып. 7 (309). – 78 с.

47. Стрелко, В.В. Механизм полимеризации кремниевых кислот / В.В. Стрелко // Коллоид. журн. 1970. Т. 33. № 3. С. 430 – 436.

48. Handbook of nanoscience, engineering, and technology / Ed. by W.A. Goddard, D.W. Brenner, S.E. Lyshewski, G.J. Iafrate. – Boka Raton: CRC Hress, 2003. – 800 p.

49. Vigil, G. Interactions of Silica Surfaces / G. Vigil, Xi Zh, J Israelachvili, S. Steiberg // J. Interface Sci. 1994. V. 165. № 2. P. 367 – 385.

50. Артамонова, О.В. Исследование процесса образования и эволюции наноразмерных частиц кремнезема в растворах электролитов / О.В. Артамонова, О.Р. Сергуткина, И.В. Останкова // Тез. докл. VI Всероссийской конференции: Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах (ФАГРАН-2012). Воронеж, 2012. С. 148.

51. Шабанова, Н.А. Механизм поликонденсации кремниевой кислоты в разбавленных растворах / Н.А. Шабанова, В.В. Попов, Ю.Г. Фролов // Изв. вузов. Химия и хим. технол. 1985. Т. 28. Вып. 6. С. 58 – 63.

52. Артамонова, О.В. Исследование скорости гетерофазной поликонденсации наноразмерного кремнезема синтезированного золь-гель методом / О.В. Артамонова, А.С. Кузовкина, М.С. Рогожникова и др. // Тез. докл. первой Всероссийской конференции: Золь-гель синтез и исследование неорганических соединений, гибридных функциональных материалов и дисперсных систем. Санкт-Петербург, 22 – 24 ноября 2010 г. – Санкт-Петербург: Изд-во «Лема», 2010. – С. 149.

53. Накамото, К. Инфракрасные и спектры комбинационного рассеяния неорганических и координационных соединений / К. Накамото ; Пер с англ. М.: Мир, 1991. – 536 с.

54. Тарасевич, Б.Н. ИК-спектры основных классов органических соединений: справочные материалы / Б.Н. Тарасевич. – М.: МГУ, 2012. – 55 с.

55. Чукин, Г. Д. Химия поверхности и строение дисперсного кремнезёма / Г.Д. Чукин. – М.: Типография Паладин, ООО «Принта», 2008. – 172 с.

56. Артамонова, О.В. Исследование процесса образования гидратированных оксидов на наномасштабном уровне / О.В. Артамонова // Науч. Вестник ВГАСУ. Сер.: Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения. Воронеж. 2013. Выпуск № 2 (7). С. 3 – 10.

57. Чернышов, Е.М. Синтез наноразмерных частиц для модифицирования структуры цементного камня / Е.М. Чернышов, О.В. Артамонова, Д.Н. Коротких и др. // Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии: сб. докл. междунар. науч.- практич. конф. – Белгород. 2007. С. 302 – 305.