Кавитационное диспергирование углеродных нанотрубок и модифицирование цементных систем

а прочностные и другие свойства цементных систем оказывают влияние различные факторы состава и технологических воздействий, обеспечивающих повышение плотности и активирующих физические и химические характеристики цементной матрицы [1–5].

Наиболее существенным направлением исследований в области строительного материаловедения является разработка новых эффективных методов повышения его прочностных свойств. Одним из таких способов является модифицирование матрицы композита с использованием углеродных нанотрубок (УНТ). Свойства наномодифицированных бетонов во многом зависят от выбранного способа введения углеродных наночастиц в объем материала. Предварительное диспергирование УНТ в воде затворения с пластифицирующей добавкой посредством ультразвукового воздействия на среду и находящихся в ней коллоидных и других частиц, в том числе наночастиц, является наиболее часто применяемым в исследованиях способом равномерного распределения нанотрубок в цементной системе. Так, в работах [3, 6–8] разделение агломерированных УНТ в суспензии осуществляли при помощи ультразвуковой обработки.

Последующий анализ показал, что основными недостатками ультразвуковой дисперсии являются высокая энергоемкость и малая производительность, что существенно затрудняет их применение в рамках реального производства. На практике все шире применяются методы кавитационного диспергирования, которые получили развитие в конце 90-х годов XX века [9–11].

Основным оборудованием предлагаемой технологии кавитационного диспергирования углеродных нанотрубок является пассивный гидродинамический кавитатор. Принцип работы установки (рис. 1) основывается на разделении агломерированных УНТ за счет кавитационных эффектов, возникающих при прохождении потока жидкости через специально спрофилированный канал кавитатора. При этом происходит образование газовых или парогазовых пузырьков, схлопывание которых сопровождается интенсивными ударно-волновыми процессами с возникновением локальных зон сверхвысоких давлений и темпера-

ГУСЕВ Б.В., ПЕТРУНИН С.Ю. Кавитационное диспергирование углеродных нанотрубок...

Рис. 1. Схема гидродинамической кавитационной установки:

1. Рабочая емкость для приема раствора; 2. Электрический двигатель мощностью 3 кВт; 3. Многоступенчатый многорядный насос; 4. Пассивный гидродинамический диспергатор; 5. Соединительные элементы тур, что приводит к равномерному распределению УНТ в объеме воды затворения.

Диспергацию углеродных нанотрубок производили следующим образом: в рабочую емкость поочередно загружали воду, поликарбокси-латный гиперпластификатор, углеродные нанотрубки и перемешивали. Смесь по соединительным трубкам под давлением закачивалась в канал пассивного гидродинамического диспергатора, в котором за счет обтекания стержней и прохождения различного типа сужений и расширений происходило увеличение и уменьшение скорости и давления в потоке. В результате этого наблюдается разделение и диспергирование агломерированных углеродных нанотрубок.

ГУСЕВ Б.В., ПЕТРУНИН С.Ю. Кавитационное диспергирование углеродных нанотрубок...

Производительность установки – 1,15 л/сек, объем обрабатываемого раствора равен 30 л. Длительность процесса составила 60 минут. За это время жидкость совершила 100–105 циклов прохождения через канал гидродинамического кавитатора. Полученные таким образом дисперсии применялись для затворения цементной смеси с целью ее модификации УНТ.

В качестве связующего при синтезе образцов бетона использовался портландцемент марки I 42,5 Б производственного предприятия ОАО «Мордовцемент». Армирующим элементом являлись многослойные углеродные нанотрубки, полученные по технологии пиролиза углеродосодержащих газов на лабораторной базе ВлГУ. Концентрация углеродных нанотрубок в объеме композита составила 0,05% от массы сухого вяжущего. Для повышения устойчивости воды затворения с углеродными нанотрубками и снижения седиментационного эффекта, присущего наночастицам, применялся поликарбоксилатный суперпластификатор П-11 научно-производственного предприятия ООО «Макромер». Образцы бетона испытывались согласно ГОСТ 10180 – 2011 на осевое сжатие и растяжение при изгибе после первого, седьмого и двадцать восьмого дня выдержки.

В табл. 1 показаны результаты изменения фактического предела прочности на осевое сжатие, растяжение при изгибе и коэффициент вариации ( υ _n). Испытания проводились на образцах кубической формы с размерами ребер 70 мм.

Согласно данным табл. 1 наблюдается увеличение предела прочности на осевое сжатие образцов на основе наномодифицированного бетона в возрасте 28 суток с 51 до 62 МПа. Введение УНТ приводит к интенси-

Таблица 1

Прочностные показатели бетона, модифицированного углеродными нанотрубками

ГУСЕВ Б.В., ПЕТРУНИН С.Ю. Кавитационное диспергирование углеродных нанотрубок...

фикации процессов гидратации, способствуя активному набору прочности в ранний период. Анализ данных испытаний на растяжение при изгибе показал, что максимальное повышение механических свойств составило 10% с 7 до 7,7 МПа. Значения коэффициентов вариации находятся в интервале от 1,5 до 7,56%, что свидетельствует о высоком уровне качества и степени однородности изучаемых свойств материала, содержащего углеродные нанотрубки.

Следовательно использование кавитационного гидродинамического оборудования позволяет получать стабильные и однородные углеродные дисперсии для введения и равномерного их распределения в объеме бетона так же, как и в случае использования ультразвуковой обработки. При этом преимуществами данной технологии являются существенное снижение энергозатрат и возможность обработки крупных объемов жидкости, необходимых для наномодификации бетона в условиях реального производства.

У важаемые коллеги !

П ри использовании материала данной статьи просим делать библиографическую ссылку на неё :

D ear colleagues !

T he reference to this paper has the following citation format :

ГУСЕВ Б.В., ПЕТРУНИН С.Ю. Кавитационное диспергирование углеродных нанотрубок...