авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 ||

Структура и свойства наномодифицированного цементного камня

-- [ Страница 2 ] --

Снижение рН и повышение удельной электропроводности свидетельствуют об изменении ионного произведения воды, вызванного сорбцией гидроксильных групп ОН– на поверхности введенных в жидкость углеродных наночастиц. При специфической сорбции анионов воды на поверхности углеродной наночастицы возникает избыточный отрицательный заряд, изменяющий ориентацию дипольных молекул воды. Результатом этого является изменение равновесия в диссоциации кислотных и основных групп, приводящее к разрушению близкодействующих связей между молекулами воды и образованию избыточного количества активных ионов H3O+, Н+. Доказательством предположения о смещении подвижного равновесия в диссоциации молекул воды является также изменение удельной электропроводности, зависящее не только от концентрации наномодификатора, но и от направленного движения свободных носителей зарядов. Таким образом, в случае наноструктурного модифицирования происходит ориентационное взаимодействие молекул воды с углеродными наночастицами, переводящее систему в активированное состояние. В водной среде с фуллероидным материалом возникает новая структура, зависящая от межионного взаимодействия, в значительной мере искажающего собственную структуру чистой воды, при этом пространственная водородная сетка не разрушается и ее устойчивость не нарушается. Углеродные наномодификаторы выступают как стабилизаторы процессов самоорганизации водной системы. Развитие данного процесса приводит к возникновению вторичной наноструктуры – фрактальной сетки, которая располагается во всем объеме воды.

Автором установлено, что изменения свойств воды при введении в неё наномодификатора носит полиэкстремальный характер, и в наибольшей мере проявляется при концентрации фуллероидного материала в интервале 10–6 ... 10–4 % об.

Проведенные автором исследования позволили выявить временной характер активации воды затворения углеродными наночастицами, заключающийся в постепенном снижении эффективной работы углеродных кластеров в водной среде в течение 3...4 месяцев. Это обусловлено седиментационно-агрегативной устойчивостью исследуемых суспензий и объясняется динамичностью протекающих процессов. Так, тепловое движение и температурные перепады, вызывая десорбцию связанных поверхностью наномодификатов гидроксильных групп, приводят к разрушению сольватной оболочки, что определяет коагуляцию самих углеродных наночастиц в более крупные агрегаты и снижение избыточной поверхностной энергии. В то же время известна релаксационная способность, под действием которой активированная водная система стремится вернуться в исходное стационарное состояние, из которого была выведена углеродными наночастицами. В результате с течением времени углеродные наночастицы постепенно вытесняются из собственной структуры воды с образованием крупных агрегатов, занимающих минимально возможное энергетическое состояние и не способных влиять на изменения структуры воды. Так наноструктурированная вода теряет свою активность. Однако система вновь может быть приведена к первоначальному активированному состоянию механическим воздействием с меньшими энергетическими затратами, приводящим к диспергации образовавшихся агрегатов.

Очевидно, что по сравнению с другими способами физической активации, модифицирование воды углеродными наночастицами имеет более продолжительный по времени эффект активации.

В диссертационной работе автором исследовано влияние модифицированной углеродными наночастицами воды затворения на характеристики цементного теста и камня. Установлено, что у цементов, затворенных наноструктурированной водой при различной концентрации наномодификатора, несколько удлиняются сроки схватывания (рис. 2): в зависимости от вида цемента начало схватывания увеличивается до 35%, конец схватывания – до 22%. Одновременно возрастает подвижность цементного теста и её первоначальная сохраняемость во времени. Так, в зависимости от вида цемента, эффект повышения пластификации в начальный момент после завершения перемешивания составляет 10% и через 150 минут достигает максимума 25%.

Рис. 2. Сроки схватывания цементного теста,

изготовленного на ПЦ 500-Д0-Н, ОАО «Мордовцемент» (а) и

на CEM I 42,5R, Holcim (б), при В/Ц=0,28

Изменение сроков схватывания цементного теста, изготовленного на наномодифицированной воде, связано с изменением скорости образования Ca(OH)2 в жидкой фазе. За счет интенсивной протонизации зерен цемента происходит переход избыточного количества ионов Са2+ в гидратный раствор, адсорбированные на поверхности углеродных наночастиц гидроксильные группы ОН– более длительное время не связываются в Ca(OH)2. Процесс насыщения и пересыщения жидкой фазы протекает медленнее, скорость возникновения центров кристаллизации в пересыщеном растворе снижается. Также центры кристаллизации образуются вблизи поверхности углеродных наночастиц в результате взаимодействия ионов Са2+ с гидроксильными группами ОН– сольватных оболочек. Развитии ионного обмена Са2+ 2Н+ (рис.3) приводит к высвобождению новых молекул воды, что способствует увеличению пластификации цементного теста. Повышению подвижности цементного теста способствует и высвобождаемая иммобилизованная вода при пептизации агрегатов из флокул цемента.

Рис. 3. Схема протонизации поверхности зерен цемента

Результатом воздействия углеродной композиции является подкисление полученных суспензий, которое благоприятным образом сказывается на процессах гидратации и формирования структуры цементного камня. В этом случае возможна реакция нейтрализации между наиболее растворимой формой гидроксида кальция и активными ионами гидроксония с образованием воды, которая в дальнейшем связывается с менее растворимыми продуктами гидратации портландцемента.

Структура цементного камня, модифицированная углеродными наночастицами, претерпевает заметные изменения. Установлено снижение капиллярного водопоглощения цементного камня, изготовленного на наноструктурированной воде затворения (рис. 4). В силу структурных изменений цементного камня увеличивается доля пор с размером до 1000 , при этом часть пор переходит в условно замкнутое состояние. Это характеризует увеличение объема условно замкнутых пор, недоступных проникновению воды, и объясняется образованием более плотной упаковки гидратных новообразований с равномерно распределенными в структуре цементного камня порами. Выявлено, что наибольшее снижение водопоглощения наблюдается в случае использования модифицированной воды затворения с концентрацией наномодификатора в диапазоне 10–6 ... 10–4 % об. В этом же интервале концентраций наномодификатора в воде затворения наблюдается увеличение предела прочности при изгибе и сжатии цементного камня.

В табл. 1 приведены результаты относительного изменения прочностных характеристик цементного камня, полученного при водоцементном отношении (В/Ц), равном водопотребности исследуемых цементов, абсолютные значения приведены на рис. 5, 6.

Рис. 4. Водопоглощение при капиллярном подсосе

Автором установлено, что зависимость прочностных характеристик цементного камня от содержания наномодификатора в воде затворения не носит линейного характера при повышении концентрации наномодификатора. При этом определена однозначная тенденция повышения прочностных характеристик при введении в цементный камень наномодификатора, составляющая в среднем при изгибе 15%, при сжатии – 25%. Как было показано выше, наибольший существенный эффект модификации цементного камня фуллероидным материалом наблюдается при концентрации последнего в воде затворения в довольно узком интервале. Полученные данные об изменении прочностных характеристик хорошо коррелируются с изменениями, происходящими при формировании поровой системы наномодифицированного цементного камня.

Рис. 5. Предел прочности цементного камня при изгибе

Рис. 6. Предел прочности цементного камня при сжатии

При определении оптимальных параметров наноструктурного модифицирования цементного камня получены уравнения регрессии, количественно характеризующие влияние концентрации наномодификатора на характеристики исследуемого материала.

Для изучения влияния концентрации наномодификатора на свойства цементного камня использовался композиционный ротатабельный план второго порядка. Планирование эксперимента (табл. 2) велось в полулогарифмических координатах, в качестве исследуемых факторов были приняты основные параметры модификации цементного камня:

Х1 – кодированная переменная десятичного логарифма концентрации наномодификатора (Н.М.);

Х2 – кодированная переменная В/Ц.

Rсж = 99,95+4,56·Н.М.–4,79·В/Ц–15,99·Н.М.2–15,44·В/Ц2, (1)

Rизг=17,28+1,00·Н.М.–3,38·В/Ц–6,51·Н.М.2–5,13·В/Ц2, (2)

Wкап=0,26+0,07·Н.М.+0,45·В/Ц+0,50·Н.М.2+0,75·В/Ц2–0,26·Н.М.·В/Ц, (3)

=0,31+0,01·Н.М.–0,01·В/Ц–0,06·Н.М.2–0,11·В/Ц2–0,03·Н.М.·В/Ц, (4)

=1,27+0,01·Н.М.+0,15·В/Ц+0,20·Н.М.2 +0,20·В/Ц2+0,5·Н.М.·В/Ц, (5)

где Н.М. – концентрация наномодификатора; В/Ц – водоцементное отношение; Wкап – водопоглощение при капиллярном подсосе; – показатель однородности размера пор; – показатель среднего размера пор.

Как следует из полученных уравнений (1) – (5) и функций отклика (рис. 7), введение наномодификатора оказывает положительное влияние на свойства цементного камня. При этом на прочность при сжатии и изгибе (1) – (2) варьирование концентрации наномодификатора влияет настолько в большую сторону, насколько изменение В/Ц приводит к уменьшению отклика функции.

Уравнение (3) показывает существенное влияние концентрации наномодификатора на капиллярное водопоглощение, и, следовательно, на объем условно замкнутых пор. Однородность структуры цементного камня зависит от концентрации наномодификатора так же сильно, как и от В/Ц (уравнение (4)). Уравнение (5) свидетельствует о синергизме действия концентрации наномодификатора и В/Ц: каждый из этих факторов совместно усиливает друг друга. Это доказывает, что наноструктурированная вода затворения оказывает заметное влияние на формирование порового пространства цементного камня и прочностные характеристики.

Рис. 7. Функции отклика:

предела прочности цементного камня при сжатии (а),

предела прочности цементного камня при изгибе (б),

водопоглощения при капиллярном подсосе (в), показателя среднего размера пор (г)

В четвертой главе рассмотрены результаты исследования наномодифицированных бетонных смесей и бетонов, их опытно-промышленной апробации и внедрения технологии модифицирования углеродными наноматериалами пластифицированных бетонных смесей.

Автором установлено значительное повышение подвижности бетонной смеси, полученной при совместном действии пластифицирующей добавки и наномодифицированной воды затворения. Также выявлено значительное повышение времени сохранения свойств наномодифицированных бетонных смесей до 2,5 раз, что благоприятным образом сказывается на возможности их транспортировки на значительные расстояния.

Проведенные испытания бетонов, изготовленных из наномодифицированных бетонных смесей при постоянном В/Ц с сокращенным расходом пластифицирующей добавки и цемента, свидетельствует о повышении прочности до 10% по сравнению с контрольным составом. При этом водонепроницаемость возрастает на 2...3 ступени, а морозостойкость – на 1...3 марки.

Установлено, что эффект от применения наномодификатора в большей мере проявляется у бетонов с повышенными требованиями: класс бетона по прочности на сжатие не ниже В30, марка по водонепроницаемости не ниже W6, морозостойкость не ниже F200.

Разработаны экономичные составы наномодифицированных бетонных смесей и бетонов, а также технологический регламент на их изготовление.

Показана экономическая целесообразность применения углеродных наномодификаторов в производстве бетонных смесей на основе сравнительного расчета себестоимости конечного продукта. Установлено, что применение наномодифицированных цементных композитов позволяет снизить себестоимость обычных бетонов до 10...12%, а бетонов с повышенными эксплуатационными требованиями до 14...17%.

ВЫВОДЫ

  1. На основе критического анализа современного состояния вопроса активации воды затворения цементных систем показана перспективность применения фуллероидных материалов в качестве модификаторов, способных повышать эксплуатационные свойства строительных материалов.
  2. Разработана методика совмещения наномодификатора с водой затворения, позволяющая получать суспензии с высокой седиментационно-агрегативной устойчивостью.
  3. На основании изучения физико-химических свойств водных суспензий с различной концентрацией фуллероидных наночастиц определен интервал наномодификатора, в котором возникает объемная фрактальная сетка, способная изменять электрохимические свойства воды затворения. В результате проведенных исследований сформулирован механизм наноструктурирования исходной воды посредством сорбции гидроксильных групп поверхностью наномодификатора.
  4. Впервые экспериментально показано, что введением сверхмалых количеств фуллероидных наночастиц возможно регулирование реологии цементного теста, структуры и физико-механических характеристик цементного камня. Установлено, что при наноструктурном модифицировании цементного камня изменяется размерность капилляров и характер их распределения в структуре порового пространства, существенно возрастает доля условно замкнутых пор (до 1,5 раз), что определяет повышение водонепроницаемости и морозостойкости бетонов. Также показан рост прочности наномодифицированного цементного камня, составляющий в среднем при изгибе 15%, при сжатии – 25%.
  5. С помощью методов статистического планирования эксперимента получены математические модели наноструктурного модифицирования цементного камня, устанавливающие связь между физико-механическими характеристиками цементного камня и водой затворения с различной концентрацией наномодификатора.
  6. На основании проведенных исследований разработаны составы наномодифицированных бетонных смесей и бетонов, обеспечивающие увеличение подвижности (до 1,5 раз) и сохраняемости (до 2,5 раз) бетонной смеси, повышение прочности (до 30%), водонепроницаемости (на 2...3 марки) и морозостойкости (на 1...3 марки) бетонов. По результатам опытно-промышленной проверки полученных составов наномодифицированных бетонов разработан технологический регламент их изготовления и установлена экономическая эффективность от применения фуллероидного материала, заключающаяся в снижении себестоимости до 10...17%.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

  1. Староверов, В.Д. Опыт промышленного применения наномодифицированных бетонных смесей / А.Ю. Ковалева, И.У. Аубакирова, В.Д. Староверов // Вестник гражданских инженеров. – 2008. – №3(16). – С. 74–76. – (из списка ВАК).
  2. Староверов, В.Д. Опыт промышленного применения наномодифицированных бетонных смесей / А.Ю. Ковалева, Ж.В. Беляева, И.У. Аубакирова, В.Д. Староверов // Популярное бетоноведение. – 2008. – №3(23). – С. 28-29.
  3. Пухаренко, Ю.В. Структура и свойства наномодифицированных цементных систем / Ю.В. Пухаренко, И.У. Аубакирова, В.А. Никитин, В.Д. Староверов // Международный конгресс «Наука и инновации в строительстве «SIB-2008». Современные проблемы строительного материаловедения и технологии. – Воронеж, 2008. – Т.1. Кн. 2. – С. 424–429.
  4. Староверов, В.Д. Влияние наноструктурированной воды затворения на свойства цементных композитов / В.Д. Староверов // Актуальные проблемы современного строительства. 60-я Международная научно-техническая конференция молодых ученых. Сборник материалов конференции. – СПб.: СПбГАСУ, 2007. – Ч. I. – С. 178–183.
  5. Староверов, В.Д. Особенности структурирования воды затворения углеродными наночастицами / В.Д. Староверов // Доклады 65-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных руководителей, инженеров и аспирантов университета. – СПб.: СПбГАСУ, 2008. – Ч. I. – С. 210–213.

Подписано к печати 27.01.2009. Формат 60*84 1/16. Бум. офсет. Усл.-печ. л. 1,1

Тираж 120 экз. Заказ

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет.

190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4.

Отпечатано на ризографе СПбГАСУ.

190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 5.



Pages:     | 1 ||
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.