Нанобетоны в строительстве

^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ 63 ( к содержанию3

В.П. КУЗЬМИНА Нанобетоны в строительстве

Д ля строительства специальных сооружений представляют интерес нанобетоны с уникальными характеристиками. Для увеличения плотности бетонов в их структуру могут быть введены наночастицы, а вяжущее будет усовершенствовано на квазиатомном уровне, что придаст бетону новые, совершенно уникальные свойства.

При введении сравнительно небольшого количества нанотрубок (в качестве нанофибр) с прочностью на разрыв, превышающей прочность стали в 100 раз, улучшаются механические характеристики нанобетона, в частности, прочность на сжатие – до 500 Н/мм2. Получается бетон прочнее обычной стали.

Конструкции из нанобетонов имеют значительно меньшую площадь поперечного сечения, больший пролет и весьма значительную долговечность за счёт высокой плотности бетона, которая препятствует распространению коррозии, как самого бетона, так и стальной арматуры при воздействии кислот, щелочей и их производных, в том числе при циклическом замораживании и оттаивании.

В нанобетонах в качестве армирующего материала широко применяются промышленные отходы измельчённой базальтовой фибры (ГОСТ 4640), модифицированной едким натром в количестве 0,05–0,1%, водой в количестве 0,3–0,5% и астраленом в количестве от 0,0001 до 0,01% от массы фибры в зависимости от назначения нанообъекта. Срок хранения такой фибры – не более 3 месяцев. Такие нанобетоны изготавливают по стандартной технологии. Особенность заключается в следующем: сухое гомогенное и последовательное перемешивание цемента или другого вяжущего вещества с наномодифицированной фиброй в количестве от 1,5 до 20% от массы вяжущего материала осуществляется не менее 10 мин. Затем в герметичный бетоносмеситель подают заполнители и воду затворения, смешанную с функциональными добавками. После этого производят окончательное перемешивание нанобетона.

При росте потребительских характеристик нанобетонов в 4–6 раз, их стоимость увеличивается не более чем на 10–20% по сравнению со стоимостью обычных нанобетонов. Это даёт основание предполагать бурный рост развития производства нанобетонов в ближайшем будущем.

В.П. КУЗЬМИНА Нанобетоны в строительстве

Для ограждения берегов канала в Нидерландах изготовили и успешно применили преднапряжённые шпунтовые сваи из UHPC (ultra high performance concrete). Стоимость 1 м3 UHPC значительно (до 4 раз) превышала стоимость 1 м3 обычного бетона В65, однако на изготовление свай ушло только 35% объема обычного бетона в связи с существенным уменьшением их поперечного сечения. В сочетании с другими преимуществами UHPC стоимость всей конструкции шпунтового ограждения не вышла за рамки стоимости свайного ограждения из обычного бетона. Другой успешный пример включал в себя применение плиты из UHPC для пролетной части реконструируемого моста. UHPC создает столь высокое обжатие, что позволяет полностью исключить появление трещин при эксплуатационных нагрузках.

ПОЛИЭДРАЛЬНЫЕ МНОГОСЛОЙНЫЕ УГЛЕРОДНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ ФУЛЛЕРОИДНОГО ТИПА (АСТРАЛЕНЫ)

Патент № 2196731

Предложенные полиэдральные многослойные наноструктуры фул-лероидного типа с межслоевым расстоянием 0,34–0,36 нм, со средним размером частиц 60–200 нм, насыпной плотностью 0,6–0,8 г/см3, пикнометрической плотностью 2,2 ± 0,1 г/см3, показателем термобароустойчивости к графитизации при 3000oС не менее 50 Кбар, рентгенографическим показателем графитизации 0,01–0,02 и удельным электрическим сопротивлением при давлении 120 МПа не более 2,5х10–4 Ом•м, получают распылением графитового анода в плазме дугового разряда в атмосфере инертного газа.

Катодный осадок имеет плотную корку и рыхлую сердцевину. Корку катодного осадка измельчают и подвергают окислению в газовой фазе. Продукт окисления разделяют электрофлотацией. Отбирают всплывшую фракцию 100–300 нм, высушивают, смешивают с сухим гидрооксидом, галогенидом, нитратом щелочного металла или их смесью. Жидкофазное окисление ведут в расплаве. Окисленный продукт снова разделяют электрофлотацией, нейтрализуют, промывают.

Изобретение позволяет использовать ту часть катодного осадка, которая раньше не использовалась.

                        ( к содержанию 3

В.П. КУЗЬМИНА Нанобетоны в строительстве

Рассмотрим изобретение, относящееся к химии неметаллических соединений, а именно: к химии углерода, и, в частности, к получению многослойных углеродных наноструктур фуллероидного типа. Указанные структуры обладают высокой химической стабильностью при существенной пористости, а также высокой термобароустойчивостью, и могут найти применение в различных отраслях химической технологии.

Многослойные углеродные наноструктуры фуллероидного типа образуются как побочный продукт при получении фуллеренов и нанотрубок термическим распылением графитового анода в плазме дугового разряда, горящей в атмосфере инертного газа, например, аргона или гелия. Продукты распыления осаждаются на охлаждаемых стенках камеры и, в основном, на поверхности катода.

При этом выход целевого продукта – фуллеренов или нанотрубок – зависит от нескольких факторов, в частности, от поддержания межэлектродного расстояния на фиксированном уровне и от поддержания минимального возможного тока дуги, необходимого для ее стабильного горения.

Случайное изменение этих параметров на несколько минут превращает катодный осадок в бесполезный твердый кусок запекшегося графита.

Реальный катодный осадок (катодный депозит) может представлять собой сложный агломерат, в центральной рыхлой части которого содержится до 10% масс нанотрубок, а в более плотной коре – преимущественно многообразные наноструктуры, которые считаются примесями, затрудняющими исследование и использование нанотрубок.

Некоторое количество указанных наноструктур есть и в центральной части катодного депозита. Эти частицы никто специально не выделял и не идентифицировал.

Наиболее близкими к заявленным являются многослойные наноструктуры фуллероидного типа – углеродные нанотрубки, полученные выделением из катодного осадка и имеющие широкий диапазон размеров.

Недостатком известных полиэдральных многослойных наноструктур является большое количество примесей и значительный разброс их параметров, а также то, что корка катодного осадка, содержащая некоторое количество таких наноструктур, не используется и считается отходом.

В.П. КУЗЬМИНА Нанобетоны в строительстве

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в выделении полиэдральных многослойных наноструктур фуллероидного типа как целевого продукта.

Выделенные полиэдральные многослойные углеродные наноструктуры фуллероидного типа имеют межслоевое расстояние 0,34–0,35 нм, средний размер частиц 60–200 нм, насыпную плотность 0,6–0,8 г/см3, пикнометрическую плотность 2,2 ± 0,1 г/см3, показатель термобароустойчивости к графитизации при 3000oС не менее 50 Кбар, рентгенографический показатель графитизации 0,01–0,02, удельное электрическое сопротивление при давлении 120 МПа не более 2,5х10–4 Ом•м.

Заявляемое изобретение далее поясняется примерами, но не ограничено ими.

Примеры

Электродуговой эрозией анодного графитового стержня сечением 100 мм2 с графитовым катодом того же сечения при плотности тока 200 А/см2 и падении напряжения на дуге 24 B в гелиевой атмосфере (давление Не 70 торр) получают катодный осадок. Осадок представляет собой трубчатую бахромчатую структуру длиной около 120 мм и диаметром около 35 мм, неоднородной плотности с рыхлой сердцевиной и плотной оболочкой (коркой) с внутренним диаметром 9–10 мм и толщиной около 2 мм.

Корку отделяют и измельчают до порошка со средней дисперсностью 200–800 нм. Порошок смешивают с 5 мас.% диспергированного нитрата калия и помещают во вращающуюся трубчатую печь, в которой проводят газофазное окисление при температуре 550–600oС.

После газофазного окисления порошок разделяют электрофлотацией, отбирая всплывающую фракцию дисперсностью 100–300 нм. Отобранную фракцию высушивают, смешивают с 5 мас. % сухого мелкодисперсного нитрата калия и помещают в расплав гидрооксида калия, где подвергают жидкофазному окислению при температуре около 500oС.

Расплав охлаждают, растворяют в воде, мелкодисперсный продукт отделяют электрофлотацией, нейтрализуют кислотой, тщательно промывают на фильтре дистиллированной водой и переводят в дисперсию в органическом растворителе, например, диметилформамиде.

В.П. КУЗЬМИНА Нанобетоны в строительстве

Продукт получают как и в предыдущем примере, но он отличается тем, что жидкофазное окисление проводят в расплаве:

• □    смеси нитратов лития и натрия в эквимольном соотношении;

• □    хлоридов лития и калия эвтектического состава;

• □    хлорида калия и гидрооксида натрия в соотношении 1:4.

Для определения физико-химических параметров продукт отделяют от растворителя и исследуют.

Полученные полиэдральные многослойные углеродные наноструктуры фуллероидного типа имеют следующие показатели:

• □    межслоевое расстояние - 0,34-0,36 нм;

• □    средним размером частиц - 60-200 нм;

• □    насыпная плотность – 0,6–0,8 г/см³;

• □    пикнометрическая плотность - 2,2 ± 0,1 г/см³;

• □    показатель термобароустойчивости к графитизации при 3000^oС – не менее 50 Кбар;

• □    рентгенографический показатель графитизации - 0,01-0,02;

• □    удельное электрическое сопротивление при давлении 120 МПа -

• не более 2,5х10–4 Ом•м.

Изобретение позволяет использовать как полезный продукт ту часть катодного осадка, которая ранее шла в отход производства фуллеренов и нанотрубок.

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОКОПРОВОДЯЩИХ ПАНЕЛЕЙ, СЫРЬЕВАЯ ШИХТА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОКОПРОВОДЯЩИХ ПАНЕЛЕЙ И ТОКОПРОВОДЯЩИЙ ЗАПОЛНИТЕЛЬ НА ОСНОВЕ МАГМАТИЧЕСКИХ КИСЛЫХ ЭФФУЗИВНЫХ СТЕКЛОВАТЫХ ПОРОД ДЛЯ НИХ

Заявка на изобретение 2007123548/09, 22.06.2007

Способ изготовления токопроводящих панелей для спецсоору-жений включает смешивание токопроводящего компонента – каменноугольного кокса с размером частиц 0,2–1,5 мм со связующим компонентом, формование изделий и их последующую термообработку.

В качестве связующего компонента используют молотый глинистый компонент, в составе токопроводящего материала дополнительно используют молотые графит, карбид кремния и токопроводящий заполнитель в виде гранул размером 0,1–1,0 мм, полученных из совместно молотой смеси, мас.%: карбоната кальция 1–6, графита 8–11, карбида кремния 6–10, порошка стекла 7–10, магматической кислой эффузивной стекловатой породы 63–78 и 8 – 12-процентного водного раствора жидкого стекла 1–3 сверх 100% при следующем соотношении компонентов шихты токопроводящего материала, мас.%:

графит	7–9
карбид кремния	3–5
глинистый компонент	15–35
токопроводящий заполнитель в виде гранул	4,5–10,5
каменноугольный кокс с размером частиц 0,2–1,5 мм	остальное

При этом перед формованием увлажняют сырьевую шихту до влажности 4–7%, формование осуществляют способом полусухого прессования, а термообработку ведут в слабоокислительной газовой среде при температуре 910–940оС.

* * * * * * *

Сырьевая шихта для изготовления токопроводящих панелей включает токопроводящий компонент – каменноугольный кокс с размером частиц 0,2–1,5 мм и связующий компонент и отличается тем, что шихта в качестве связующего компонента содержит молотый глинистый компонент, в составе токопроводящего материала дополнительно содержит молотые графит, карбид кремния и токопроводящий заполнитель в виде гранул размером 0,1–1,0 мм, состоящих из молотой смеси, мас.%: карбоната кальция 1–6, графита 8–11, карбида кремния 6–10, порошка стекла 7–10, магматической кислой эффузивной стекловатой породы 63–78 и 8 – 12-процентного водного раствора жидкого стекла 1–3 сверх 100% при следующем соотношении компонентов шихты, мас.%:

графит	7–9
карбид кремния	3–5
глинистый компонент	15–35
токопроводящий заполнитель в виде гранул	4,5–10,5
вода	4–7
каменноугольный кокс с размером частиц 0,2–1,5 мм	остальное

* * * * * * *

Предложен токопроводящий заполнитель для изготовления токопроводящих панелей в виде гранул. Размер гранул 0,1–1,0 мм. Они состоят из связанных между собой 8 – 12-процентным раствором жидкого стекла совместно молотых компонентов, мас.%:

карбонат кальция	1–6
графит	8–11
карбид кремния	6–10
порошок стекла	7–10
магматические кислые эффузивные стекловатые породы	63–78
водный раствор жидкого стекла сверх 100%	1–3

Источник информации: