Конструкционные сталефибробетоны, модифицированные комплексными углеродными микро-и наноразмерными добавками

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 1 м³ бетонной смеси) при понижении удобоукладьтваемости смеси в виду комкования фибры с образованием «ежей». При этом стальная фибра позволяет увеличить прочность и трсщиностойкость фибробетона только на макроуровне.

С целью обеспечения необходимой удобоукладываемости фибробетон-ной 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 фи-бробетонов 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 панохимия и нанотехно-логия. 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 микрои наноуровнях. Однако экспериментальные исследования в области наномодификации требуют дальнейшего изучения и углубления знаний о влиянии комплексного наномодификатора на свойства и структуру не только обычных бетонов, но и специальных бетонов, в том числе и фибробетонов.

В соответствии с вышеизложенным, целью научных исследований является получение модифицированной фибробетонной смеси, направленное на улучшение физико-механических свойств за счет компонентов, упрочняющих структуру фибробетона на микрои наноуровнях.

В связи с поставленной целью необходимо выполнить следующий ряд задач :

1. Изучить влияние комплексных модифицирующих добавок, включающих технический углерод (сажа) и пластификатор, на свойства цементно-песчаного раствора.

2. Исследовать влияние параметров армирования на макроструктуру и свойства сталефибробетона.

3. Определить влияние комплексной модифицирующей добавки, включающей сажевые отходы, и макроупрочнителя в виде фибры «Миксарм» па кинетику роста прочности фибробетона.

4. Исследовать влияние нанодобавки «Таунит», суперпластификатора и совместное действие вышеперечисленных добавок на свойства фибробе-тонной смеси и получаемого фибробетона, а также на их структуру.

5. Разработать новые составы и технологии изготовления фибробето-нов, модифицированных комплексными добавками.

6. Разработать практические рекомендации по применению фибробе-тонной смеси с макроупрочнителем из стальной фибры «Миксарм» и комплексными нанодобавками.

Научная новизна работы.

1. Произведено теоретическое и экспериментальное обоснование применения комплексных модифицирующих углеродных микрои наноразмер-ных добавок, упрочняющих структуру фибробетонов.

2. Экспериментально подтверждена возможность применения комплексной модифицирующей добавки, включающей углеродный наномо-дификатор «Таунит» при изготовлении сталефибробетона и раствора. Исследовано влияние комплексных модифицирующих добавок на физико-механические свойства раствора и сталефибробетона.

3. Обоснована эффективность применения сажи (углерода технического), являющейся отходом теплоэнергетики, в качестве составляющей комплексной модифицирующей добавки для цементно-песчаной смеси и сталефибробетона.

4. Разработаны новые составы сталефибробетона с комплексными модифицирующими добавками, включающие в свой состав углеродный наноматериал «Таунит».

5. Предложена технология изготовления сталефибробетонов с использованием комплексных модифицирующих добавок.

Практическое значение работы:

1. Разработаны составы сталефибробетона с комплексными модифицирующими добавками и легкого жаростойкого фибробетона. Получено два патента на изобретение РФ (№ 2 361 847, 2 386 599) .

2. Разработаны практические рекомендации по применению фибробетоннной смеси с упрочнителем из фибры «Миксарм» и нанодобавками.

3. Внедрение результатов осуществлено в следующем виде: ' '.

— практические рекомендации и результаты проведенных исследований применялись при расчете составов фибробетонов для бетонирования полов яхт-клуба, расположенного по адресу: 400 007, 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. (см. приложение).

— 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 40 440 рублей за счет отказа от использования стержневой арматуры и арматурных работ, а как следствие снижение материалоемкости» и трудоемкости. Площадь уложенного покрытия составило 240 м². (см. приложение).

Достоверность результатов работы обеспечена:

— комплексом исследований с применением стандартных 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 микрои наномодификаторов;

— исследованием микрои 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 положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались 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, 2009 г. — 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 574 510−001−2 068 077−2008 и ТУ 574 510−002−2 068 077−2008 и 2 патента на изобретения РФ.

Структура и объем работы. 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.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ I.

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. ПривеI дены 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 «ДI.

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 фибробе-тонной смеси, которая при значительном сокращении дорогостоящего макро-упрочнителя в виде стальной фибры «Миксарм» и его совместной электромагнитной обработки с цементом, пластифицирующей и модифицирующими добавками способствовала уплотнению макро-, микрои наноструктуры полученного фибробетона.

9. На основании результатов экспериментальных исследований определены рациональные области применения разработанных составов сталефи-бробетонов. 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.