Конструкционные сталефибробетоны, модифицированные комплексными углеродными микро- и наноразмерными добавками
На правах рукописи
Алаторцева Ульяна Владимировна
КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛЕФИБРОБЕТОНЫ,
МОДИФИЦИРОВАННЫЕ КОМПЛЕКСНЫМИ УГЛЕРОДНЫМИ
МИКРО- И НАНОРАЗМЕРНЫМИ ДОБАВКАМИ
Специальность 05.23.05 - «Строительные материалы и изделия»
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Волгоград - 2011
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении
высшего профессионального образования
«Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»
Научный руководитель: – доктор технических наук, доцент
Перфилов Владимир Александрович
Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор
Бочарников Александр Степанович
ГОУ ВПО Липецкий государственный
технический университет (г. Липецк)
- кандидат технических наук, доцент
Григорьевский Вадим Васильевич
ГОУ ВПО «Волгоградский государственный
архитектурно-строительный университет
(г. Волгоград)
\
Ведущая организация: - ГОУ ВПО «Московский государственный
строительный университет» (г. Москва)
Защита состоится 17 февраля 2011 г. в 10-00 часов в ауд. Б-203 на заседании диссертационного совета Д. 212.026.04 при ГОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»
Автореферат разослан 14 января 2011 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Акчурин Т.К.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В настоящее время высококачественные бетоны становятся всё более востребованы в строительной отрасли в связи с различными современными конструкторскими решениями, новыми видами зданий и сооружений, а так же нестандартными архитектурными формами, наличие которых предполагает применение высокопрочных бетонов, в том числе сталефибробетонов.
К числу основных проблем внедрения сталефибробетона в России можно отнести более высокую исходную цену по сравнению с обычным бетоном и относительно небольшое увеличение прочности на сжатие при значительном увеличении прочности на растяжение при изгибе. Достигнуть увеличения прочности сталефибробетона возможно за счет увеличения объемного содержания дорогостоящей стальной фибры (более 2.5 % на 1м3 бетонной смеси) при понижении удобоукладываемости смеси в виду комкования фибры с образованием «ежей». При этом стальная фибра позволяет увеличить прочность и трещиностойкость фибробетона только на макроуровне.
С целью обеспечения необходимой удобоукладываемости фибробетонной смеси и достижения бетонной матрицей высокой прочности необходимо использовать различного рода модифицирующие добавки, включая комплексные. Применение модифицирующих добавок способствует уплотнению структуры матрицы на микро, а иногда и наноуровне.
В качестве компонентов модифицирующих добавок широко развивается область по утилизации отходов, которая дает возможность применять большие залежи, в основном, отходов теплоэнергетики при производстве строительных материалов. В частности, при сжигании твердого и жидкого топлива в котлах образуются продукты неполного сгорания топлива - мелкодисперсные сажистые и золовые отложения. Проведены многочисленные исследования по применению золошлаковых отходов при производстве строительных материалов. Влияние сажевых отходов на свойства фибробетонных смесей практически не оценивалось. Сажа (технический углерод) - высокодисперсный аморфный углеродный продукт с размерами частиц 13-120 нм. Использование отходов в виде тонкодисперсной сажи при изготовлении фибробетонов позволит снизить себестоимость производства, а ее применение в комплексе с суперпластифицирующей добавкой, вероятно, позволит увеличить прочность сталефибробетона за счет упрочнения бетонной матрицы на микроуровне.
Другой формой твердого углерода являются фуллерены. Однако в настоящее время влияние углеродных кластеров на модификацию бетонов практически не изучено.
Последнее двадцатилетие активно развивается нанохимия и нанотехнология. Применение наночастиц нашло своё место и в технологии строительных материалов. Очевидными преимуществами бетонов, модифицированных углеродным наноматериалом, являются значительное увеличение прочности на сжатие и изгиб, увеличение морозостойкости и водонепроницаемости за счет уплотнения структуры бетонов. При введении в смесь наноразмерные частицы играют роль зародышей структурообразования, наноармирующего элемента, центров зонирования новообразований в матрице.
Проведенные ранее исследования показали перспективность применения фуллеренов в качестве модификаторов с целью регулирования и управления структурообразованием на микро- и наноуровнях. Однако экспериментальные исследования в области наномодификации требуют дальнейшего изучения и углубления знаний о влиянии комплексного наномодификатора на свойства и структуру не только тяжелых бетонов, но и специальных бетонов, в том числе и фибробетонов.
Цель работы – получение модифицированной фибробетонной смеси, направленное на улучшение физико-механических свойств за счет компонентов, упрочняющих структуру фибробетона на микро- и наноуровнях.
Для решения поставленной цели решались следующие задачи:
- изучить влияние комплексных модифицирующих добавок, включающих технический углерод (сажа) и пластификатор, на свойства цементно-песчаного раствора.
- исследовать влияние параметров армирования на макроструктуру и свойства сталефибробетона.
- определить влияние комплексной модифицирующей добавки, включающей сажевые отходы, и макроупрочнителя в виде фибры «Миксарм» на кинетику роста прочности фибробетона.
- исследовать влияние нанодобавки «Таунит», суперпластификатора и совместное действие вышеперечисленных добавок на свойства фибробетонной смеси и получаемого фибробетона, а также на их структуру.
- разработать новые составы и технологии изготовления фибробетонов, модифицированных комплексными добавками.
- разработать практические рекомендации по применению фибробетонной смеси с макроупрочнителем из стальной фибры «Миксарм» и комплексными нанодобавками.
Научная новизна работы:
- произведено теоретическое и экспериментальное обоснование применения комплексных модифицирующих углеродных микро- и наноразмерных добавок, упрочняющих структуру фибробетонов.
- экспериментально подтверждена возможность применения комплексной модифицирующей добавки, включающей углеродный наномодификатор «Таунит» при изготовлении сталефибробетона и раствора. Исследовано влияние комплексных модифицирующих добавок на физико-механические свойства раствора и сталефибробетона.
- обоснована эффективность применения сажи (углерода технического), являющейся отходом теплоэнергетики, в качестве составляющей комплексной модифицирующей добавки для цементно-песчаной смеси и сталефибробетона.
- разработаны новые составы сталефибробетона с комплексными модифицирующими добавками, включающие в свой состав углеродный наноматериал «Таунит».
- предложена технология изготовления сталефибробетонов с использованием комплексных модифицирующих добавок.
Практическая значимость работы:
- разработаны составы сталефибробетона с комплексными модифицирующими добавками и легкого жаростойкого фибробетона. Получено два патента на изобретение РФ (№ 2361847, 2386599);
- Разработаны практические рекомендации по применению фибробетоннной смеси с упрочнителем из фибры «Миксарм» и нанодобавками.;
На защиту выносится:
- теоретическое и экспериментальное обоснование применения комплексных модифицирующих углеродных микро- и наноразмерных добавок, упрочняющих структуру фибробетонов.
- результаты исследований зависимостей основных физико-механических свойств и структуры цементно-песчаных растворов и сталефибробетонов от вида и количества комплексных модифицирующих углеродных микроразмерных добавок и параметров армирования.
- оптимальные составы сталефибробетона с комплексными модифицирующими добавками, включающие в свой состав углеродный наноматериал «Таунит».
- результаты оценки влияния нанодобавки «Таунит», суперпластификатора и совместное действие вышеперечисленных добавок на свойства фибробетонной смеси и получаемого фибробетона, а также на их структуру.
- технология приготовления модифицированной фибробетонной смеси с использованием комплексных модифицирующих добавок
Реализация работы:
- практические рекомендации и результаты проведенных исследований применялись при расчете составов фибробетонов для бетонирования полов яхт-клуба, расположенного по адресу: 400007, г. Волгоград, нижняя терраса Краснооктябрьского района, на улице Матевосяна. Экономический эффект от применения разработанных составов фибробетонов с учетом значительного сокращения расхода цемента и арматурных каркасов составляет 101 640 (сто одна тысяча шестьсот сорок) рублей при площади напольного покрытия 840 
;
- разработанный состав сталефибробетона с применением фибры «Миксарм» и комплексной добавкой включающей, технический углерод и суперпластификатор «СП-3» использовался при устройстве полов промышленного здания в г. Волгоград по адресу: Аптечный проезд, 1 пункт «Волгофарм». Экономический эффект от применения сталефибробетона составил 40440 рублей, за счет отказа от использования стержневой арматуры и арматурных работ, а как следствие снижение материалоемкости и трудоемкости. Площадь уложенного покрытия составило 240 
;
Достоверность результатов работы обеспечена:
- комплексом исследований с применением стандартных поверенных средств измерений и современных приборов неразрушающего контроля для определения прочности (ультразвуковой прибор Пульсар-1.2.), а для ускоренного определения морозостойкости использовался прибор «Бетон – Фрост»;
- применением современных методов исследований, математических методов обработки экспериментальных данных;
- опытными испытаниями большого количества различных видов и составов растворов и фибробетонов с использованием эффективных комплексных микро- и наномодификаторов;
- исследованием микро- и наноструктуры разработанных составов растворов и фибробетонов с использованием современных компьютеризированных оптических приборов: цифровой микроскоп «Альтами LCD», сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) Nanoeducator (NT-MDT).
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на: Втором Международном форуме по нанотехнологиям (6-8 октября, 2009 г. - Москва: ГК Роснанотех); Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Проведение научных исследований в области индустрии наносистем и материалов» (12-16 ноября, 2009г. - Белгород: БелгГУ); 66-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР университета за 2008 год «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика» (г. Самара, 2009 г.); 5-й Международной научной конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» (г. Волгоград, 2009 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Нанотехнологии и наноматериалы: современное состояние и перспективы развития в условиях Волгоградской области» (г.Волгоград, ВолгГУ, 2009 г.); 6-й Международной научной конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды» (Волгоград: ВолгГАСУ, 2008 г.); 3-й Всероссийской научно-практической конференции «Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса региона» (г. Михайловка, Волгоградской области, 2009 г.), Международной конференции «Неделя строительных материалов, посвященная 65-летию образования строительно-технологического факультета МГСУ (г. Москва: МГСУ, 2009 г.).
Публикации. Результаты диссертационной работы и выполненных исследований изложены в 17 публикациях, в том числе: 3 работы опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях определенных ВАК, 2 технических условий ТУ 574510-001-02068077-2008 и ТУ 574510-002-02068077-2008 и 2 патента на изобретения РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы, включающего 122 наименования, и приложения. Содержит 151 страницу машинописного текста, в том числе 27 рисунков и 41 таблицу.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность, научная новизна и практическая значимость диссертационной работы. Сформулированы цель и задачи исследований.
В первой главе представлен анализ литературных источников в области дисперсно-армированных бетонов. Опыт их практического применения свидетельствует о том, что при введении стальных волокон (фибры) в бетон улучшаются основные характеристики по сравнению с исходным бетоном. Улучшаются механические свойства, повышается эксплуатационный срок службы конструкций, что позволяет добиться значительного экономического эффекта.
В разработку и исследования свойств сталефибробетона в России внесли значительный вклад: Баженов Ю.М, Бочарников А.С., Волков И.В., Гулимова Е.В., Копацкий А.В., Крылов Б.А., Курбатов Л.Г., Лобанов И.А., Малышев В.Ф., Моргун Л.В., Пухаренко Ю.В., Рабинович Ф.Н, Романов В.П. и другие.
Проанализированы источники образования отходов теплоэнергетики и рассмотрены пути их утилизации в качестве тонкодисперсных углеродных модифицирующих добавок при производстве строительных материалов.
Для получения высокопрочных бетонов, которые отвечали бы требованиям современного строительства выявлена необходимость подбора оптимальных составов фибробетонов с минимальным расходом дорогостоящего макроупрочнителя, а также исследования различных модификаторов специального назначения, с использованием которых возможно улучшение физико-механических свойств сталефибробетонов за счет упрочнения структуры фибробетона на микро- и наноуровнях.
Проанализированы источники образования отходов теплоэнергетики и рассмотрены пути их утилизации в качестве тонкодисперсных углеродных модифицирующих добавок при производстве строительных материалов.
Проведена предварительная оценка целесообразности применения углеродных наноматериалов при разработке новых составов бетонов с улучшенной структурой и свойствами. Подбор составов бетонов с использованием наномодификаторов на данный момент находится в начальной стадии разработок, как и технология равномерного распределения нанодобавки. В технологии строительных материалов работы Пономарева А.Н., Пухаренко Ю.В., Юдовича М.Е., Комохова П.Г. и других показали положительный эффект от введения наноразмерных частиц. В связи с чем, выявлена необходимость проведения экспериментальных исследований с целью изучения влияния наномодификатора на свойства и структуру цементных бетонов, в том числе и фибробетонов. Требуется расширить знания в области физико-механических свойств и формирования структуры фибробетонов с использованием в качестве модификаторов углеродных микро-и наноразмерных добавок.
Во второй главе представлены характеристики исходных материалов, а также оборудование и методики, отвечающие нормативной документации, соответствующие современному уровню исследований и обеспечивающие достоверность полученных результатов.
В диссертационной работе при проведении эксперимента использовались следующие материалы:
- - портландцемент c минеральными добавками Себряковского цементного завода;
- - щебень габбро-диабаз ОАО «Орского карьероуправления» фракции 5-20 мм;
- - кварцевый песок двух карьеров: ООО «Волгоградский карьерный союз» и ЗАО «Орловский песчаный карьер»;
- - в качестве пластифицирующих добавок применялись: Полипласт «СП-3», пластификатор «Д-11», «С-3»;
- - в качестве углеродистых добавок использовали тонкоизмельченный порошок технического углерода (сажа) следующих марок: П234 и П324 ОАО «Волгоградского завода технического углерода» и углеродный наномодификатор «Таунит» ООО «НаноТехЦентр» Тамбовского государственного технического университета;
- - в качестве макроармирующих волокон применялась фибра с конусообразными анкерам «Миксарм» на основе стальной проволоки, выпускаемой ОАО «Северсталь-метиз».
В качестве стандартного применялось следующее оборудование разрушающего контроля: пресс гидравлический ВМ-3.5 мощностью 1000 кН и стандартная испытательная машина, оборудованная дополнительным перераспределяющим устройством высокой жесткости типа «кольцо» для определения трещиностойкости.
Для изучения структуры контрольных образцов применяли цифровой микроскоп «Альтами LCD» и сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) Nanoeducator (NT-MDT).
- При проведении эксперимента использовали современные приборы неразрушающего контроля фирмы НПП «Интерприбор». Для определения прочности ультразвуковым методом применяли измеритель времени распространения ультразвука «Пульсар -1.2». С помощью современного прибора «Бетон – Фрост» проводили испытания по ускоренному методу определения морозостойкости контрольных образцов.
В третьей главе рассмотрены принципы структурообразования сталефибробетона, как композиционного материала, которые разделены на три уровня: макроскопический, микроскопический и наноуровень. Установлено, что стальная фибра является не единственной структурообразующей составляющей и влияет на свойства и структуру сталефибробетона, в основном, на макроуровне. Другими, не менее важными составляющими являются комплексные модифицирующие добавки, включающие в свой состав суперпластификатор и углеродистые добавки (технический углерод или углеродный наномодификатор «Таунит»), которые позволяют управлять структурообразованием и влиять на свойства фибробетонов на микро- и даже наноуровнях.
Исследованы процессы модифицирования цементно-песчаной смеси с помощью комплексных добавок, включающих в свой состав: технический углерод, суперпластификатор «СП-3», пластификатор «Д-11», суперпластификатор «С-3». Установлено, что влияние модифицирующих добавок «Д-11», «С-3» в комплексе с добавкой технического углерода позволяет получить наибольшие результаты по прочности по сравнению с контрольными образцами при применении каждой из этих добавок в отдельности. Наибольшей прочностью обладает состав, модифицированный комплексной добавкой, включающей «Д-11» и технический углерод. Результаты влияния пластифицирующей добавки «Д-11» и комплексной добавки, включающей «Д-11» и технический углерод, на свойства цементно-песчаного раствора представлены в таблице 1.
Таблица 1
Влияние пластифицирующей добавки «Д-11» и комплексной добавки, включающей «Д-11» и технический углерод, на свойства цементно-песчаного раствора
| № п/п | Количество добавки «Д-11», % от массы цемента | Прочность цементно-песчаной смеси с «Д-11», МПа | Количество комплексной добавки («Д-11»+Тех.углерод) в соотношении 1:1, % от массы цемента | Прочность цементно-песчаной смеси с комплексной добавкой, МПа | ||
| Rри | Rсж | Rри | Rсж | |||
| 1 | 0 | 0.49 | 27.3 | 0 | 0.49 | 27.3 |
| 2 | 0.25 | 0.4 | 43.64 | 0.25 | 0.4 | 53.28 |
| 3 | 0.35 | 0.35 | 43.54 | 0.35 | 0.37 | 54.2 |
| 4 | 0.5 | 0.38 | 46.5 | 0.5 | 0.42 | 51.2 |
| 5 | 0.75 | 0.34 | 47.4 | 0.75 | 0.43 | 53.4 |
| 6 | 1.0 | 0.33 | 49.8 | 1.0 | 0.37 | 52.5 |
| 7 | 1.5 | 0.35 | 45.6 | 1.5 | 0.37 | 51.4 |
Использование технического углерода (сажи) при изготовлении фибробетонов позволяет утилизировать сажевые отходы теплогенерирующих установок и снизить себестоимость производства. Применение сажевых отходов повышает реологические свойства смесей при одновременном увеличении прочности фибробетонов.
Стальные волокна-фибры улучшают структуру бетона, препятствуя образованию полостей и трещин в цементном камне, блокируют развитие трещин, а следовательно повышают прочность и трещиностойкость бетона на макроуровне. Для оценки влияния геометрических размеров фибр на прочность фибробетона использовали фибру с различной относительной длиной. Результаты испытаний представлены в таблице 2.
Таблица 2
Влияние относительной длины стальных фибр
на прочность фибробетона
| Состав фибробетона | Относительная длина фибры,  | Предел прочности при сжатии, МПа | Предел прочности на растяжение при изгибе, МПа |
| Фибробетон с расходом фибры, составляющим 2,0 % от объема смеси | 30 | 47,8 | 5,3 |
| 54 | 53,1 | 9,5 | |
| 90 | 48,6 | 6,4 | |
| 120 | 40,5 | 4,9 |
Анализ данных, представленных в таблице 2 показал, что наибольшей прочностью обладают фибробетоны при использовании стальных волокон с относительной длиной фибры, составляющей 54.
В настоящее время существует огромное многообразие фибр, которые различаются по: виду, форме, геометрическим размерам, механическим свойствам и стоимости. Наиболее эффективной для проведения экспериментов является фибра «Миксарм». Основным преимуществом данного вида фибр является ее форма (конусообразные анкеры), благодаря которой фибра имеет самый большой коэффициент удержания в бетоне 95 %. Также оптимальными являются и механические свойства данного вида фибр при относительно невысокой стоимости.
Дальнейшие экспериментальные исследования были направлены на подбор оптимального содержания фибровых волокон «Миксарм» и изучение свойств сталефибробетона в зависимости от их объемного количества в смеси. Влияние комплексной добавки и стальной фибры «Миксарм» на рост прочности фибробетонов в естественных условиях твердения представлено в таблице 3 и на рис.1.
Таблица 3
Кинетика нарастания прочности фибробетонов во времени
| № состава | Объемный процент армирования | Предел прочности (МПа) в возрасте, сут | ||
| 3 | 7 | 28 | ||
| 1. Эталон | 0 | 3.49 34.35 | 3.52 40.4 | 4.1 44.2 |
| 2. | 0.25 | 4.12 34.9 | 4.7 43.4 | 5.3 50.4 |
| 3. | 0.5 | 5.1 35.1 | 5.4 44.1 | 5.7 52.2 |
| 4. | 1.0 | 5.9 35.31 | 5.9 45.2 | 6.5 53.3 |
| 5. | 1.5 | 6.2 37.1 | 6.81 47.5 | 7.9 55.8 |
| 6. | 2.0 | 7.2 38.5 | 8.1 48.3 | 9.5 58.4 |
| 7. | 2.5 | 7.5 35.1 | 8.3 41.2 | 10.1 50.1 |
Примечание: В числителе приведены значения прочности на растяжение при изгибе, в знаменателе – прочности на сжатие.
Рис. 1. Микрофотографии структуры фибробетона с фиброй «Миксарм» и комплексной
модифицирующей добавкой, включающей пластификатор «Д-11» и технический углерод
Анализ полученных данных свидетельствует о том, что дисперсное армирование с объемным содержанием фибры от 1 % до 2.0 % приводит к увеличению прочности, как на сжатие, так и на растяжение при изгибе. Состав № 6 с объемным содержанием фибры 2 % от объема смеси является оптимальным. При увеличении расхода фибры до 2.5 % отмечено ее комкование, уменьшение прочности на сжатие и незначительное повышение прочности на растяжение при изгибе.
Стальные волокна «Миксарм», располагающиеся в модифицированной комплексной добавкой прочной цементно-песчаной матрице, заполняют пространство между зернами крупного заполнителя фибробетона. Это способствует перераспределению напряжений с менее прочной цементно-песчаной матрицы на более прочные фибровые волокна. В результате прочность контактной зоны «матрица-заполнитель-фибра» значительно возрастает, как на сжатие, так и на растяжение при изгибе. Ведение комплексной модифицирующей добавки в фибробетонную смесь способствовало повышению однородности и плотности микроструктуры цементно-песчаной матрицы и уменьшению микропор и микротрещин (рис.1).
В настоящей работе проведены исследования влияния комплексной добавки и стальной фибры «Миксарм» на кинетику нарастания прочности фибробетона во времени. Для повышения прочности на макроуровне вводилась стальная фибра «Миксарм» диаметром 1 мм и длиной 54 мм с анкерами на концах. Содержание фибр составило 1-2 % от объема смеси.
В качестве модификатора применялась вышеуказанная комплексная добавка, включающая в свой состав пластификатор «Д-11» и технический углерод в соотношении 1:1, в количестве 0.75-1.5 % от массы цемента. Комплексную добавку растворяют в небольшом количестве воды затворения до получения однородного раствора. После предварительного перемешивания цемента, заполнителя, раствора комплексной и оставшейся воды затворения в бетоносмеситель вводят фибру «Миксарм». Конкретные составы комплексной добавки и макроупрочнителя в виде фибры «Миксарм» к фибробетонной смеси представлены в таблице 4.
Таблица 4
Составы комплексной добавки и количество упрочнителя в виде фибры «Миксарм»
к фибробетонной смеси
| Составы фибробетонной смеси | Содержание компонентов комплексной добавки, % от массы цемента | Фибра «Миксарм», % от объема смеси | |
| Пластификатор «Д-11» | Технический углерод | ||
| 1 | 0.375 | 0.375 | 1.0 |
| 2 | 0.5 | 0.5 | 1.5 |
| 3 | 0.75 | 0.75 | 2.0 |
Испытания на прочность при сжатии образцов-кубов проводили в ранние сроки твердения, начиная с 1-х суток. Влияние комплексной добавки и макроупрочнителя в виде фибры «Миксарм» на рост прочности фибробетона в естественных условиях твердения представлено в таблице 5.
Таблица 5
Влияние комплексной добавки и макроупрочнителя в виде фибры «Миксарм»
на кинетику нарастания прочности фибробетона во времени
| Составы фибробетонной смеси | Предел прочности при сжатии, МПа | |||
| Возраст фибробетона, сут | ||||
| 1 | 3 | 7 | 28 | |
| 1 | 14.3 | 31.2 | 45.7 | 53.4 |
| 2 | 18.5 | 34.6 | 49.8 | 55.8 |
| 3 | 21.6 | 38.2 | 51.2 | 57.4 |
| Известный состав бетона | 13.8-16.4 | 23.5-27.9 | 32.1-37.2 | 38.2-43.8 |
Данные представленные в таблице 5, показывают, что введение в фибробетонную смесь комплексной добавки, включающий пластификатор «Д-11» и технический углерод, а также стальные фибровые волокна «Миксарм», при указанных соотношениях входящих в нее компонентов способствует повышению прочности, в том числе и в ранние сроки твердения. Согласно составам № 1-3 увеличение прочности на сжатие в возрасте 28 суток составило 31-40 % по сравнению с известным составом. Нарастание прочности фибробетона при твердении в возрасте 1,3, 7 суток по сравнению с известным составом составило 31-38 %.
Оригинальная конструкция фибр «Миксарм» с анкерами на концах блокирует развитие макротрещин. Пластификатор «Д-11» и технический углерод позволяют снизить количество воды затворения, тем самым, уменьшить водоцементное отношение смеси, что приводит к ускоренному увеличению прочности затвердевшего бетона. Комплексная добавка позволила модифицировать микроструктуру цементного камня за счет более быстрого и полного связывания гидросиликатов и гидроксидов кальция, что значительно снижает их растворимость и увеличивает скорость нарастания прочности.
Кроме того, исследовались процессы формирования структуры фибробетона на наноуровне с помощью наноуглеродных модификаторов. В качестве модифицирующих добавок применялись суперпластификатор «СП-3» и углеродный наномодификатор «Таунит».
Сложность изготовления раствора с добавкой «Таунит» связана с тем, что углеродные нанотрубки нерастворимы в воде. Поэтому приготовление раствора нанодобавки «Таунит» осуществлялось с помощью ультразвукового диспергатора УЗД1-0.1/22 с частотой 22-26 кГц в течение 30 секунд.
Применение комплексной добавки, включающей углеродный наноматериал «Таунит» и суперпластификатор «СП-3», повышает прочность раствора, а также позволяет усилить действия суперпастификатора при совместном введении его с углеродной нанодобавкой «Таунит».
Результаты экспериментальных исследований влияния нанодобавки «Таунит», суперпластификатора «СП-3» и совместное действие вышеперечисленных добавок на свойства раствора представлены в таблице 6 и на рисунке 2. В результате испытаний прочность на сжатие повысилась на 24 %, а прочность на растяжение при изгибе – на 16 % по отношению к образцам, включающим в качестве добавки только суперпластификатор «СП-3».
Таблица 6
Влияние модифицирующих добавок на свойства раствора
| № п/п | Вид и количество добавок | Расплыв конуса, мм | В/Ц | Предел прочности (МПа) в возрасте, сут | |||
| СП-3, % от массы цемента | «Таунит», % от массы цемента | 3 | 7 | 28 | |||
| 1. | 0 | 0 | 115 | 0.5 | 10.1 | 15.8 | 17.8 2.9 |
| 2. | 0.5 | 0 | 115 | 0.42 | 11.8 | 19.9 | 22.23 3.8 |
| 3. | 0 | 0.0002 | 115 | 0.48 | 10.7 | 17.9 | 19.7 3.2 |
| 4. | 0.5 | 0.0002 | 115 | 0.4 | 12.86 | 21.0 | 27.52 4.4 |
Примечание: В числителе приведены значения прочности на сжатие, в знаменателе - на растяжение при изгибе
1-раствор без добавки;
2-раствор с добавкой «СП-3»;
3-раствор с добавкой «Таунит»;
4-раствор с комплексной добавкой;
Рис.2. Влияние добавок на прочностные характеристики раствора
Для изучения топологии поверхности скола растворных образцов с нанодобавкой «Таунит» и стандартных образцов проводились исследования на сканирующим зондовом микроскопе (СЗМ) Nanoeducator (NT-MDT), который дает возможность визуализировать и диагностировать образец с нанометровым уровнем пространственного разрешения.
На рисунках 3 и 4 показан общий вид исследуемой области и вид нанорельефа поверхности скола растворных образцов. Наиболее высокие точки рельефа выделяются светлыми цветами, а углубления выглядят гораздо темнее.
Рис. 3. Топология поверхности скола стандартного образца раствора.
Размер скана: 5.16 х 5.16 мкм
Рис. 4. Топология поверхности скола образца раствора с нанодобавкой «Таунит».
Размер скана: 5.59 х 4.40 мкм
Микроскопический анализ показал, что введение в раствор углеродного наноматериала «Таунит» приводит к изменению структуры поверхности скола контрольных образцов. При практически одинаковом размере сканирования, у образцов с нанодобавкой наблюдается более однородная упорядочная структура с ровной поверхностью скола. В образцах без добавки максимальная высота рельефа поверхности (шероховатость) наноструктурных элементов раствора составила 465 нм, а в образцах с комплексной наномодифицирующей добавкой, включающей нанотрубки «Таунит», - 146 нм. Это свидетельствует о том, что в образцах с нанодобавкой наблюдается более равномерная наноструктура гидросиликатов кальция с минимальной шероховатостью поверхности минералов.
Для подбора оптимального содержания углеродного наноматериала «Таунит» и изучения свойств раствора в зависимости от содержания данной добавки в комплексе с суперпластификатором «СП-3» проведены экспериментальные исследования, результаты которых приведены в таблице 7.
Анализ полученных экспериментальных данных свидетельствует о положительном влиянии комплексной модифицирующей добавки, включающей суперпластификатор «СП-3» и нанодобавку «Таунит» на прочностные характеристики растворов.
Таблица 7
Влияние комплексной добавки при различном содержании углеродных нанотрубок «Таунит» на физико-механические свойства раствора
| № п/п | Вид и количество добавок | Расплыв конуса, мм | В/Ц | Предел прочности (МПа) в возрасте, сут | ||
| СП-3, % от массы цемента | «Таунит», % от массы цемента | 3 | 28 | |||
| 1. | 0 | 0 | 110 | 0.48 | 19.3 | 27.8 |
| 2. | 0.5 | 0 | 108 | 0.4 | 22.8 | 29.7 |
| 3. | 0,5 | 0.0005 | 107 | 0.4 | 23.1 | 30.2 |
| 4. | 0.5 | 0.001 | 107 | 0.38 | 24.0 | 32.53 |
| 5. | 0.5 | 0,005 | 107 | 0.38 | 23.3 | 33.2 |
| 6. | 0.5 | 0,01 | 107 | 0.38 | 31.1 | 37.3 |
| 7. | 0.5 | 0.05 | 107 | 0.38 | 33.0 | 38.7 |
| 8. | 0.5 | 0.1 | 108 | 0.38 | 31.3 | 37.0 |
| 9. | 0.5 | 1.0 | 108 | 0.38 | 35.9 | 37.4 |
Результаты исследований показали, что прочность на сжатие растворных образцов с комплексной добавкой увеличивается от 8.5 % до 39 % по сравнению с образцами без добавки. Максимальное значение прочности получено при концентрации наномодификатора 0.05 % от массы цемента, и увеличение составляет 39 %. Однако при концентрации 0.01 % углеродного наномодификатора «Таунит» прочность повысилась на 36 %, но расход добавки сократился в пять раз.
Исследовано влияние нанодобавки «Таунит» и суперпластификатора «СП-3» на подвижность фибробетонных смесей и прочности фибробетонов. Анализ результатов испытаний показал, что введение в смесь комплексной добавки, включающей суперпластификатор «СП-3» и нанодобавку «Таунит», способствует увеличению прочности по сравнению с образцами без добавки или образцами только с суперпластификатором при одинаковой подвижности смеси.
Полученные данные также свидетельствует об усилении действия суперпастификатора при совместном введении его с УНМ «Таунит». Основные результаты приведены в таблице 8.
Таблица 8
Влияние добавок «СП-3» и «Таунит» на прочность фибробетона
| № п/п | Вид и количество добавок | Предел прочности (МПа) в возрасте, сут | ||
| СП-3, % от массы цемента | «Таунит», % от массы цемента | 7 | 28 | |
| 1. | 0 | 0 | 35.1 | 40.1 |
| 2. | 0.5 | 0 | 36.8 | 45.7 |
| 4. | 0.5 | 0.0002 | 36.7 | 53.2 |
Для комплексной оценки влияния добавок «СП-3» и нанодобавки «Таунит» на прочность фибробетонов были проведены исследования с использованием методов математического планирования полного двухфакторного факторного эксперимента. В качестве факторов варьирования были выбраны: Х1 - расход пластифицирующей добавки «СП-3», в процентах от массы цемента (интервал варьирования составляет 0,25 %), Х2 – расход нанодобавки «Таунит», в процентах от массы цемента (интервал варьирования составляет 0,045 %). При планировании эксперимента были приняты параметры оптимизации в виде показателей прочности: на сжатие - Y1 и на растяжение при изгибе – Y2. В качестве стальной фибры применяли фибру с конусообразными анкерами «Миксарм» диаметром 1 мм и длиной 54 мм в количестве, составляющем 1 % от общего объема смеси.
В результате обработки матрицы математического планирования эксперимента получены уравнения регрессии, связывающие параметры прочности с совокупностью изменений характеристик его составляющих.
- Уравнения регрессии
(1)
Средняя ошибка аппроксимации S = 1 %
(2)
Средняя ошибка аппроксимации S = 1 %
Согласно полученным уравнениям регрессии прочность фибробетона в значительно большей степени повышается с увеличением расхода нанодобавки «Таунит» при некотором возрастании расхода пластификатора.
В четвертой главе отображены области применения разработанного состава сталефибробетона с комплексной добавкой. Прочностные характеристики разработанного и заводского состава для изготовления плит аэродромных покрытий указаны в таблице 9. Приводится расчет технико-экономической эффективности. Для разработанного состава дополнительно определены такие показатели, как морозостойкость и водонепроницаемость. Результаты испытаний свидетельствуют о том, что состав фибробетона с комплексной добавкой, имеющий большую прочность и сравнительно низкую себестоимость, может применяться при изготовлении сборных аэродромных покрытий.
Таблица 9
Влияние комплексной добавки и фибры «Миксарм» на прочность фибробетона
| Составы смеси | Прочность при сжатии, МПа | Прочность на растяжение при изгибе, МПа |
| Разработанный состав фибробетона | 55.4 | 6.3 |
| Заводской состав бетона | 40.2 | 4.8 |
Проведены экспериментальные исследования трещиностойкости разработанных рецептурных составов, содержащих модифицирующие добавки. На основании результатов проведенных исследований установлено, что введение в фибробетонную смесь пластифицирующей и модифицирующей добавок способствовало упрочнению микроструктуры бетонной матрицы, повышению сопротивляемости фибробетона растягивающим нагрузкам, и соответственно, значительному увеличению энергетического и силового параметров трещиностойкости.
Разработана технология приготовления модифицирующей фибробетонной смеси, которая при значительном сокращении дорогостоящего макроупрочнителя в виде стальной фибры «Миксарм» и его совместной электромагнитной обработки с цементом, пластифицирующей и модифицирующими добавками способствовала уплотнению макро-, микро- и наноструктуры полученного фибробетона. Физико-механические свойства фибробетона изготовленного по предлагаемой технологии приготовления модифицированной фибробетонной смеси (состав 1) и по известной технологии (состав 2) представлены в таблице 10.
Таблица 10
Физико-механические свойства фибробетонов
| Составы фибробетонной смеси | Предел прочности при сжатии, МПа | Предел прочности на растяжение при изгибе, МПа | Морозостойкость, F, циклы | Водонепроницаемость, W |
| 1 | 78,3 | 15,6 | F 450 | W 14 |
| 2 | 58,7 | 10,2 | F 400 | W 12 |
| Известная сталефибробетонная смесь СФБ-Г-11-РПА | 67,3 | 11,6 | F 450 | - |
Применение предварительной электромагнитной обработки и перемешивание портландцемента, суперпластификатора, микропорошка технического углерода (сажа), углеродных нанотрубок и стальной фибры (состав № 1) в линейно-индукционном вращателе способствует увеличению прочности на сжатие полученного фибробетона по сравнению с фибробетоном, приготовленным без предварительной электромагнитной обработки (состав № 2), - на 33 %, прочности на растяжение при изгибе – на 53 %.
В пятой главе приводятся практические рекомендации по применению фибробетонной смеси с упрочнителем из фибры «Миксарм» и нанодобавками, включающие требования к сырьевым материалам, технологию приготовления, приемку и контроль качества, транспортировку и контроль физико-механических показателей.
Внедрение разработанных составов подтверждает их актуальность и целесообразность. Указанные практические рекомендации и результаты проведенных исследований применялись при расчете составов фибробетонов для бетонирования полов яхт-клуба, расположенного по адресу: 400007 г. Волгоград, нижняя терраса Краснооктябрьского района, на улице Матевосяна. Экономический эффект от применения разработанных составов фибробетонов с учетом значительного сокращения расхода цемента и арматурных каркасов составляет 101 640 (сто одна тысяча шестьсот сорок) рублей при площади напольного покрытия 840 м2.
Разработанный состав сталефибробетона с применением фибры «Миксарм» и комплексной добавкой включающей, технический углерод и суперпластификатор «СП-3» использовался при устройстве полов промышленного здания в г. Волгоград по адресу: Аптечный проезд, 1 пункт «Волгофарм». В бетонную смесь вводили металлические фибры «Миксарм» в количестве 0.5 % от объема смеси, а также применяли комплексную добавку, включающую суперпластификатор «СП-3» в количестве 0.5 % от массы цемента и технический углерод (сажа) 1 % от массы цемента.
Экономический эффект от применения сталефибробетона составил 40440 рублей за счет отказа от использования верхней арматурной сетки 150х150 12 мм и арматурных работ, а как следствие снижение материалоемкости и трудоемкости. Площадь уложенного покрытия составило 240 м2.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1. Теоретически проанализировано применение наноуглеродных материалов при производстве бетонов. Обоснована возможность использования отходов теплоэнергетики и рассмотрены пути их утилизации в качестве тонкодисперсных углеродных модифицирующих добавок при производстве строительных материалов.
2. Проанализированы физико-химические свойства сырьевых материалов, в том числе ряд пластифицирующих и модифицирующих добавок, применение которых целесообразно при изготовлении сталефибробетона. Приведены основные методики и оборудование для изучения свойств разработанных составов, которые отвечают нормативной документации и соответствуют современному уровню исследований.
3. На основе проведенных исследований изучены различные показатели, влияющие на свойства сталефибробетонов и факторы, которыми необходимо руководствоваться при проектировании составов фибробетона. Приведены результаты исследований влияния количества комплексных добавок, геометрических параметров фибр и их объемного содержания на прочность сталефибробетона. Установлено, что влияние модифицирующих добавок «Д-11», «С-3» в комплексе с добавкой технического углерода позволяет достигнуть наибольшие результаты по прочности по сравнению с контрольными образцами при применении каждой из этих добавок в отдельности. Оптимальной дозировкой комплексной добавки, включающей пластификатор «Д-11» и технический углерод, является диапазон от 0,35 % до 0,75 % от массы цемента.
4. Исследовано влияние нанодобавки «Таунит» и суперпластификатора «СП-3» на подвижность фибробетонных смесей и прочность фибробетонов. Установлено усиление действия суперпастификатора при совместном введении его с УНМ «Таунит». Введение в смесь комплексной добавки, включающей суперпластификатор «СП-3» и нанодобавку «Таунит», способствует увеличению прочности, как на сжатие, так и на растяжение при изгибе по сравнению с образцами, содержащими одну из добавок в отдельности.
5. Проведен микроскопический анализ стандартных растворных образцов и образцов с нанодобавкой «Таунит». Полученные данные свидетельствуют о том, что в образцах с нанодобавкой « Таунит» наблюдается более однородная упорядочная структура.
6. Разработаны новые составы сталефибробетона с комплексными модифицирующими добавками. Для разработанных составов определены основные физико-механические показатели такие, как прочность, морозостойкость, водонепроницаемость и трещиностойкость.
7. Обоснована возможность применения разработанного состава сталефибробетона с комплексной добавкой для изготовления плит аэродромных покрытий. Приведен расчет технико-экономической эффективности.
8. Разработана технология приготовления модифицированной фибробетонной смеси, которая при значительном сокращении дорогостоящего макроупрочнителя в виде стальной фибры «Миксарм» и его совместной электромагнитной обработки с цементом, пластифицирующей и модифицирующими добавками способствовала уплотнению макро-, микро- и наноструктуры полученного фибробетона.
9. На основании результатов экспериментальных исследований определены рациональные области применения разработанных составов сталефибробетонов. Разработаны Технические условия, включающие требования к сырьевым материалам, технологию приготовления, приемку и контроль качества, транспортировку и контроль физико-механических показателей.
Результаты проведенных исследований использованы при расчете и устройстве полов промышленных зданий следующими организациями: ООО «РСР-строй», общая площадь 240 м2 и ООО «Юг-сервис» площадь напольного покрытия составило 840 м2. Применение разработанных составов позволило достигнуть значительного экономического эффекта за счет полного или частичного отказа от использования стержневой арматуры и арматурных каркасов, а также значительного сокращения расхода цемента.
Основные результаты диссертационной работы изложены в 17 публикациях, в том числе:
Работы, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК РФ:
1 Применение модифицирующих нанодобавок для повышения прочности фибробетонов / У.В. Алаторцева [и др.] // Изв. вузов. Стр-во. 2009. № 8. С. 17-20.
2 Перфилов В.А., Алаторцева У.В., Тюрин А.А. Легкий жаростойкий фибробетон // Изв. вузов. Стр-во. 2008. № 9. С. 23-25.
3 Перфилов В.А., Алаторцева У.В. Фибробетон ускоренного твердения // Изв. вузов. Стр-во. 2009. № 1. С. 48-51.
Публикации в других изданиях:
4 Сырьевая смесь для производства легкого огнеупорного фибробетона: пат. № 2361847 Рос. Федерация, МПК С 04 В 38/02. №2007143752/03; заявл. 26.11.07; опубл. 20.07.09, Бюл. № 20.
5 Фибробетонная смесь: пат. № 2386599 Рос. Федерация, МПК С 04 В 28/02. №2008133782/03; заявл. 15.08.08; опубл. 20.04.10, Бюл. № 11.
6 Алаторцева У.В. Фибробетоны на основе наноструктурных вяжущих // Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика: материалы 66-й Всерос. науч.-техн. конф. по итогам НИР ун-та за 2008 год. Самара: СГАСУ, 2009. С. 209-210.
7 Алаторцева У.В., Аткина А.В., Кусмарцева О.А. Наномодифицированная структура вяжущих фибробетонов // Нанотехнологии и наноматериалы: современное состояние и перспективы развития в условиях Волгоградской области: материалы Всерос. науч.-техн. конф. Волгоград: ВолгГУ, 2009. С. 373-380.
8 Перфилов В.А., Алаторцева У.В., Аткина А.В. Фибробетоны с применением модифицирующих нанодобавок // Вопросы применения нанотехнологий в строительство: сб. докл. участников круглого стола, посвящ. Междунар. недели строит. материалов. М.: МГСУ, 2009. С. 105-110.
9 Перфилов В.А., Алаторцева У.В. Конструкционные фибробетоны с применением модифицирующих нанодобавок // Сборник тезисов докладов участников Второго Международного конкурса научных работ молодых ученых в области нанотехнологий. М.: ГК Роснанотех, 2009. С. 374-375.
10 Перфилов В.А., Алаторцева У.В Конструкционные фибробетоны с применением модифицирующих нанодобавок // Проведение научных исследований в области индустрии наносистем и материалов: материалы Всерос. конф. с элементами науч. шк. для молодежи. Белгород: БелгГУ, 2009. С. 206-209.
11 Перфилов В.А., Алаторцева, У.В., Неизвестный Д.Л. Влияние стальной фибры «Миксарм» на прочность фибробетона // Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов : материалы V Междунар. науч.-техн. конф., Волгоград, 23-24 апреля 2009 г.: [в 3 ч.]. Волгоград: ВолгГАСУ, 2009. Ч. 1. С. 211-213.
12 Перфилов В.А., Алаторцева У.В. Фибробетоны с нанодобавками // Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов : материалы V Междунар. науч.-техн. конф., Волгоград, 23-24 апреля 2009 г.: [в 3 ч.]. Волгоград: ВолгГАСУ, 2009. С. 213-215.
13 Перфилов В.А., Алаторцева У.В., Тюрин А.А. Фибробетоны с повышенной прочностью, трещиностойкостью, морозостойкостью, водонепрницаемостью и долговечностью // Строймастер. 2008. № 1. С. 22
14 Перфилов В.А., Алаторцева У.В., Тюрин А.А. Утилизация отходов теплогенерирующих установок для получения фибробетонов и повышения экологической безопасности окружающей среды // Качество внутреннего воздуха и окружающей среды: материалы VI Междунар. науч. конф., 14-18 мая 2008 г., Волгоград. Волгоград: ВолгГАСУ, 2008. С. 98-101.
15 Фибробетоны с макроупрочнителями и нанодобавками / У.В. Алаторцева [и др.] // Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса региона. Наука. Практика. Образование: материалы III Всерос. науч.-техн. конф., г. Волгоград - г. Михайловка, 22-23 окт. 2009 г. Волгоград: Изд-во ВолгГАСУ, 2009. С. 236-238.
16 Фибробетонные смеси с упрочнителем из фибры «Миксарм» и нанодобавками: ТУ 574510-002-02068077-2008 / В.А. Перфилов, У.В. Алаторцева. Волгоград: Изд-во ВолгГАСУ. 13 с.
17 Фибробетонные смеси с упрочнителем из фибры «Миксарм»: ТУ 574510-001-02068077-2008 / В.А. Перфилов, У.В. Алаторцева. Волгоград: Изд-во ВолгГАСУ. 13 с.
АЛАТОРЦЕВА УЛЬЯНА ВЛАДИМИРОВНА
КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛЕФИБРОБЕТОНЫ,
МОДИФИЦИРОВАННЫЕ КОМПЛЕКСНЫМИ УГЛЕРОДНЫМИ
МИКРО- И НАНОРАЗМЕРНЫМИ ДОБАВКАМИ
05.23.05 Строительные материалы и изделия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Подписано в печать 12.01.2010г. Заказ № 10. Тираж 100 экз. Печ.л. 1,0
Формат 60х84/16
Бумага писчая. Печать плоская.
Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет
400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1.
Сектор оперативной полиграфии ЦИТ
