Нанотехнологии в строительстве

Б етоны и строительные растворы, полученные из цемента, извести, гипса или их смесей в различном сочетании, содержащие в качестве заполнителя песок, щебень, гравий и т. п., обычно имеют недостаточные для успешной эксплуатации показатели прочности при растяжении и трещиностойкость, а главное – отличаются неравномерностью (анизотропностью) механических свойств [1].

С целью упрочнения в бетонные композиции вводят стальные стержни или арматуру. Железобетон, полученный таким образом, имеет достаточную для успешной эксплуатации прочность. Однако такие недостатки, как низкая трещиностойкость и анизотропность, до конца не устраняются при армировании бетона; коэффициент использования стальной арматуры не превышает 4,5.

Для повышения равномерности физико-механических свойств по объему (тропности) строительных материалов в композиции для их получения вводят дисперсно-распределенные армирующие элементы, такие как стальные, искусственные, асбестовые или деревянные волокна (фибры).

Известна композиция для получения фибробетона, включающая цемент в качестве минерального вяжущего, воду, песок, в качестве заполнителя, и стальную фибру – до 10% от массы композиции. У фибробетона, изготовленного из указанной композиции, увеличивается прочность при растяжении, повышается трещиностойкость и стойкость к истиранию, однако прочность на сжатие повышается только на 10 - 20%.

Недостатком данной композиции является то, что армирование бетона стальной фиброй происходит на макроуровне без изменения структуры цементного камня. Кроме того, для изготовления такой композиции требуется специальное оборудование - вибросито, «беличьи колеса», смесители принудительного действия с большим потреблением энергии.

Также известна композиция для получения строительных материалов, включающая минеральное вяжущее - цемент, воду и до 15 мас.% тонковолокнистого асбеста [2].

Добавка тонковолокнистого асбеста приводит к тому, что возрастает и прочность при сжатии, и прочность на растяжение при изгибе изделия. Макроизотропность свойств этой композиции выше макро-

В.П. КУЗЬМИНА Нанотехнологии в строительстве изотропности сталефибробетона. Недостатком такой композиции является то, что структура цементного камня остается без изменений, что проявляется в невысоких показателях ударной вязкости.

Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к заявляемой относится композиция для получения строительных материалов, которая содержит связующее, выбранное из группы, включающей цемент, известь, гипс или их смеси и воду [3].

Указанная композиция может также содержать легкий наполнитель, такой как вспученный перлит или вермикулит, или шлак, или золу ТЭС и др. Композиция используется для изготовления внутреннего слоя слоистых материалов.

Панелиизуказанныхматериаловлегкие (плотность–0,32 - 0,36г/см ³ ), но их прочность на растяжение при изгибе не велика – 0,35 - 0,55 МПа. Эти значения достаточны для целей указанного изобретения, но слишком низки для строительных материалов.

КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Патент № 2233254

Изобретение относится к составам на основе минеральных вяжущих, таких как цемент, известь, гипс или их смеси, и может найти применение в промышленности строительных материалов при изготовлении бетона, фибробетона, цементно-волокнистых строительных материалов, шифера, штукатурки, отделочных покрытий, в том числе лепнины. Технический результат заключается в повышении физикомеханических характеристик изделий.

Сущность изобретения заключается в том, что композиция для получения строительных материалов, содержащая минеральное вяжущее, выбранное из группы, включающей цемент, известь, гипс или их смеси и воду, дополнительно содержит углеродные кластеры фуллероидного типа с числом атомов углерода 36 и более. Причем компоненты взяты в следующих соотношениях, мас. %: минеральное вяжущее – 33 - 77; углеродные кластеры фуллероидного типа – 0,0001 - 2,0; вода - остальное.

Композиция может дополнительно содержать технологические добавки: заполнители, наполнители, армирующие элементы и химические добавки.

В качестве углеродных кластеров фуллероидного типа композиция может включать полидисперсные углеродные нанотрубки или смесь нанотрубок с фуллеренами с числом атомов углерода 36 и более, или к содержанию

В.П. КУЗЬМИНА Нанотехнологии в строительстве полиэдральные многослойные углеродные наноструктуры фуллероид-ного типа с межслоевым расстоянием 0,34 - 0,36 нм и размером частиц 60 - 200 нм.

Нанотрубки получены так, как это описано в [4], фуллерены - как в [5], полиэдральные многослойные углеродные наноструктуры с межслоевым расстоянием 0,34 - 0,36 нм и размером частиц 60 - 200 нм выделены заявителем из корки катодного депозита, полученного в пламени дугового разряда в атмосфере гелия путем последовательных операций окисления в газовой и в жидкой фазе и идентифицированы им.

Углеродные кластеры вводятся в композицию в виде водной дисперсии.

В качестве заполнителей композиция может включать песок, щебень, гравий, гальку, шлаки, камни и т. п. В качестве наполнителей композиция может содержать мелкодисперсные, с диаметром частиц менее 0,1 мм, твердые вещества, полученные путем помола, конденсации или другими способами. Это, например, могут быть молотые песок, руда, шлаки, кремнеземсодержащие вещества и т. п.

В качестве армирующих элементов композиция может содержать стальную арматуру, фибру различных видов, стружку и т. д. Армирующие элементы еще более увеличивают прочностные показатели, трещи-ностойкость и ударную вязкость изделий.

В качестве химических добавок композиция может содержать вещества, влияющие на скорость схватывания или твердения, и меняющие реологические свойства смеси или температуру протекания процесса, пенообразующие, гидрофобизирующие, бактерицидные и т. п.

Композиция может и не содержать химических добавок, заполнителей, наполнителей или армирующих элементов, или включать отдельные из них.

Заявителям не известно использование углеродных кластеров фул-лероидного типа в композициях на основе минеральных вяжущих.

Изобретение поясняется примерами, но не ограничено ими.

Пример 1

В смеситель роторного типа с рабочим объемом 0,3 м ³ загрузили в качестве минерального вяжущего 40 кг портландцемента и 8 кг модификатора бетона - порошкообразного продукта, содержащего кремнезем, суперпластификатор и регулятор твердения бетона МБ-01 производства «Предприятия Мастер-Бетон». Всего загружено 77 мас.% минерально-

В.П. КУЗЬМИНА Нанотехнологии в строительстве го вяжущего. Далее в смеситель загрузили 40 кг (83,3 мас.ч. на 100 ч минерального вяжущего) кварцево-полевошпатного песка в качестве заполнителя (технологическая добавка).

Сухие смеси перемешали и при непрерывном перемешивании в смеситель влили 12 кг воды, содержащей 0,001 кг (0,002 масс. %) углеродных нанотрубок. Смесь перемешивали 2 минуты и разлили в кубические формы со стороной 100 мм и призматические формы размером 100х100х400 мм. Состав отвердевал в течение 28 суток в нормальных условиях.

На полученных образцах определили прочность на сжатие (МПа) и прочность на растяжение при изгибе (МПа) по ГОСТ 10180 - 90.

Состав композиции и прочностные показатели приведены в таблице.

Пример 2 (контрольный)

Композицию получали как в Примере 1 , но в отсутствие углеродных кластеров.

Состав композиции и физико-механические свойства, которые уступают свойствам композиции по Примеру 1 , приведены в таблице.

Пример 3

Композицию получали как в Примере 1 , но в качестве углеродных кластеров ввели полиэдральные многослойные углеродные структуры с межслоевым расстоянием 0,34 - 0,36 нм и средним размером частиц 60 - 200 нм.

Состав композиции и физико-механические свойства, которые выше свойств композиции по Примеру 2 , но ниже свойств композиции по Примеру 1 , приведены в таблице.

Пример 4

Композицию получали, как в Примере 1 , но в качестве углеродных кластеров ввели смесь полидисперсных углеродных нанотрубок и фуллерена C60, взятых в соотношении 3:1. Дополнительно в композицию ввели армирующий элемент - стекловолокно длиной 7 - 19 мм.

Состав композиции и физико-механические свойства, которые выше свойств композиции в Примере 2 , но ниже свойств композиции в Примере 1 , приведены в таблице.

                        ( к содержанию з

CM	1 со 1	1                           1                           1	со	со со сч	СМ       1-1 гН    О
	1 со 1	CM о	00 05 СО СО	со со сч	Ю     т—| 1-1     О
к о	О О I ю см 1	1                           1                           1	о со	о о	сч           ,
о	О О I ю см 1	CM 1 1 4 о	00 05 05 см	о о	см     СО см      csf
у 00	1 1 9	1                           1                           1	о СО		О    1О
b-		CM о 1 1 о	00 05 05 05 ю
к CO	00    |      |	1                           1                           1	см со	см ю сч	1-1     о Ю     1-1
ю	00    |      |	см о	00 05 05 со	см ю сч	- 2
Tf<		00 см о о о о о о 1 о о о	05 05 05 05 сч см	о сч	сч СО       С£>
СО		см о	00 05 сч" см	о сч	со
й см		1                           1                           1	со см	о сч	со   Ч 1Z0     ю
1—1		см о 1 1 о	00 05 05 сч" см	о сч	о  ю со     ь?
0) S К А К	s s sr s В в s g в H S в в o 5         S  м  G o         5 sr s h и b я  £  ।   ।   ।	ф £    в - ® £ д £   S л 5 в Ч ••     в д ,s  к 5 В       ч о в £ о g В о у р S    5 ч о и в  aj  >= О  в  о г» В И ф В О щ .4          В аз СМ   К    1    1    1     g   В	<3 ы о Й со	аз В 2 S В О К • В у В Д 2 • ч В о аЗ В    & О g В o' ” '—' В h О ы 9 Ф 8 5 в Е4 ю о й . о о к -» ч н м	' аз о ю =8                В И S       в В у ^ д    д В v s н    н & о Ч в ф о в * в О s о в Ч л     л s о я 5    в в В в &  S & в Я В 1 л 1 н

В.П. КУЗЬМИНА Нанотехнологии в строительстве

Пример 5

Композиция получена и исследована как в Примере 1 , но в качестве минерального вяжущего взяли 25 кг (68 мас.%) минерального вяжущего низкой водопотребности марки ВНВ-100, включающего тонкодисперсный цемент и суперпластификатор С-3 (натриевая соль поликонденсата нафталинсульфокислот и формальдегида, сульфата натрия и натриевой соли лигносульфоновой кислоты). В качестве наполнителя и заполнителя в композицию ввели 56 кг гематита; дополнительно в композицию ввели 5 кг стальной фибры в качестве армирующего материала. Всего взято 244 масс. ч. технологических добавок на 100 масс. ч. минерального вяжущего.

Состав композиции и физико-механические показатели приведены в таблице.

Пример 6 (контрольный)

Композицию получили как в Примере 5 , но не добавляли углеродных нанотрубок.

Состав композиции и физико-механические показатели, которые ниже показателей композиции в Примере 5 , приведены в таблице.

Пример 7

В смеситель загрузили 40 кг (40 мас.%) полуводного гипса (CaSО ₄ •0,5 Н ₂ О) и при перемешивании добавили 59,998 кг воды, содержащей 0,002 кг (0,002 мас.%) полидисперсных углеродных наноструктур. После перемешивания из раствора отлили образцы размером 40х 40х160 мм. Образцы твердели в течение 2 часов при температуре 60 ^о С. Испытания прочности при изгибе и сжатии проводили по ГОСТ 310.4-81.

Состав композиции и физико-механические показатели приведены в таблице.

Пример 8 (контрольный)

Композиция получена и испытана как в Примере 9 , но она не включала углеродных кластеров. Состав композиции и физико-механические показатели, которые ниже показателей композиции по Примеру 7 , приведены в таблице.

                        ( к содержанию з

В.П. КУЗЬМИНА Нанотехнологии в строительстве

Пример 9

В смеситель загрузили 25 кг (52 мас.%) цемента, 10 кг (20,8 мас.%) гашеной извести и 50 кг кварцевого песка, то есть 143 мас.ч. технологической добавки на 100 мас.ч. минерального вяжущего. После смешения сухих компонентов при перемешивании в смеситель загрузили 13 кг воды, содержащей 0,02 кг (0,04 мас.%) полиэдральных многослойных углеродных наноструктур. После перемешивания из полученной массы отлили кубические образцы размерами 100х100х400 мм. Состав отвердевал на воздухе в течение 28 суток в нормальных условиях.

Испытания на сжатие и на изгиб проводили по ГОСТ 10180-90.

Состав композиции и физико-механические показатели приведены в таблице.

Пример 10 (контрольный)

Композиция получена и испытана как в Примере 9 , но без введения углеродных кластеров. Состав композиции и физико-механические показатели, которые ниже таких же показателей в Примере 9 , приведены в таблице.

Пример 11

В смеситель загрузили 10 кг (35,7 мас.%) гашеной извести и 18 кг воды, содержащей 0,02 кг (0,07 мас.%) полиэдральных многослойных углеродных наноструктур.

После смешения в известковое тесто при перемешивании добавили 70 кг (100 мас.ч. технологической добавки на 100 мас.ч. минерального вяжущего) песка. Из смеси изготовили образцы размером 40х40х160 мм, которые отвердевали на воздухе при 15 ^о С в течение 28 суток. Испытания на прочность при сжатии и на растяжение при изгибе проводились по ГОСТ 310.4-81. Состав композиции и физико-механические показатели приведены в таблице.

Пример 12 (контрольный)

Композиция получена и испытана как в Примере 11 , но без введения углеродных кластеров. Состав композиции и физико-механические показатели, которые ниже, чем показатели композиции в Примере 11 , приведены в таблице.

В.П. КУЗЬМИНА Нанотехнологии в строительстве

Как видно из таблицы, во всех случаях добавление углеродных кластеров, даже в количестве 0,0001 мас.% ( Пример 4 ), приводит к возрастанию как прочности при сжатии, так и прочности при изгибе.

Микрофибрилы меняют внутреннюю структуру цементного камня, улучшая прочностную однородность материала за счет ненаправленного увеличения сцепления микрофибрил между собой.

График, отражающий зависимости между напряжением ( σ ) и деформациями (Е), построен на основе испытаний на растяжение при изгибе композиций, усиленных стальной фиброй.

График зависимости между напряжением и деформациями

Представленный график зависимости между напряжением ( σ ) и деформациями (Е), построен на основе испытаний на растяжение при изгибе композиций, усиленных стальной фиброй ( Примеры 5 и 6 контр. ).

Кривая а) относится к контрольной композиции (фибробетон), кривая б) – к композиции сталефибробетона с добавками полидисперсных углеродных нанотрубок (фибробетон с нанотрубками).

Площадь под диаграммой, соответствующая работе разрушения, в 2,6 раза больше, чем для контрольной диаграммы. Изменился также характер разрушения: увеличились предельные и запредельные деформации, появилась площадка текучести. Результаты исследова-

В.П. КУЗЬМИНА Нанотехнологии в строительстве ний свидетельствуют о том, что при внутреннем структурировании цементного камня затраты энергии на разрушение увеличиваются в несколько раз.

Как видно из таблицы, во всех случаях, добавление углеродных кластеров, даже в количестве 0,0001 мас.% ( Пример 4 ), приводит к возрастанию как прочности при сжатии, так и прочности при изгибе.

Микрофибрилы меняют внутреннюю структуру цементного камня, улучшая прочностную однородность материала за счет ненаправленного увеличения сцепления микрофибрил между собой.

Формула изобретения

• 1.    Композиция для получения строительных материалов на основе минерального вяжущего включает минеральное вяжущее, выбранное из группы, содержащей цемент, известь, гипс или их смеси, и воду, и отличается тем, что она дополнительно содержит углеродные кластеры фуллероидного типа с числом атомов углерода 36 и более при следующем соотношении компонентов в композиции, мас.%:

• 2.    Композиция по п.1 отличаетяся тем, что в качестве углеродных кластеров фуллероидного типа она содержит полидисперсные углеродные нанотрубки.

• 3.    Композиция по п.1 отличается тем, что в качестве углеродных кластеров фуллероидного типа она содержит полиэдральные многослойные углеродные наноструктуры с межслоевым расстоянием 0,34– 0,36 нм и размером частиц 60–200 нм.

• 4.    Композиция по п.1 отличается тем, что в качестве углеродных кластеров фуллероидного типа она содержит смесь полидисперсных углеродных нанотрубок и фуллерена C60.

• 5.    Композиция по п.1 отличается тем, что она дополнительно содержит технологические добавки, взятые в количестве 100–250 мас.ч. на 100 мас.ч. минерального вяжущего.

минеральное вяжущее 33–77

углеродные кластеры фуллероидного типа 0,0001–2,0

вода остальное.

Уважаемые коллеги!

При использовании материала данной статьи просим делать библиографическую ссылку на неё:

Кузьмина В.П. Нанотехнологии в строительстве // Нанотехнологии в строительстве: научный Интернет-журнал. М.: ЦНТ «НаноСтроительство». 2009, Том 1, № 3. C. 67–77. URL: (дата обращения: ______________).

Dear colleagues!

The reference to this paper has the following citation format:

Kuzmina V.P. Nanotechnologies in construction. Nanotechnologies in Construction: A Scientific Internet-Journal, Moscow, CNT «NanoStroitelstvo». 2009, Vol. 1, no. 3, pp. 67–77. Available at: (Accessed _____________). (In Russian).