Патентный обзор «наномодифицированные фиброкомпозиционные материалы»

^^^^^^^м 89

к содержанию

В.П. КУЗЬМИНА Патентный обзор «Наномодифицированные фиброкомпозиционные материалы»

исперсное армирование цементных бетонов является основным способом повышения их физико-механических и специальных характеристик и снижения металлоёмкости конструкций зданий и сооружений за счёт перехода от методов стержневого армирования к изделиям из композиционных фибробетонов. Рынок фибробетонов непрерывно развивается, при этом решаются задачи не только строительной индустрии в целом, но и специальные: улучшается качество ремонта и строительства мостов и подземных сооружений, в частности, метрополитенов. Объем потребления фибробетонов и фибринов составляет сотни тонн в год, ёмкость рынка – миллионы рублей. Номенклатура высокомодульных волокон, применяемых в качестве фибринов в настоящее время, не учитывает перспективы и возможности бурно развивающихся нанотехнологий [1].

Разработаны новые составы фибробетона с улучшенными физикомеханическими свойствами. Комплексное введение в сырьевую смесь металлических волокон-фибр Миксарм с коническими анкерами на концах, а также применение комплексной добавки, включающей пластифицирующую добавку СП-3 и многостенные углеродные нанотрубки, способствует увеличению прочности фибробетона [2].

В Институте химии силикатов РАН (Санкт-Петербург) разработан гидротермальный синтез нанотрубок переменного состава (Mg, Fe)3Si2O5(OH)4 со структурой хризотила (табл. 1). Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант №04-03-32293) [3].

Для получения наномодифицированных композиционных материалов на основе воздушных и гидравлических вяжущих веществ весьма целесообразно использование в качестве наполнителей синтезированных в гидротермальных условиях неорганических нанотрубок гидросиликата магния Мg3Si2O5(OH)4 со структурой хризотила. Нанотрубки синтезированы в результате гидротермальной обработки различных прекурсоров: оксида магния и диоксида кремния, силикатов энстатитового ряда МgSiO3, гидротермальными растворами NaOH с концентрацией до 3 масс.% при температурах 250–450оС и давлениях 30–100 МПа.

В.П. КУЗЬМИНА Патентный обзор «Наномодифицированные фиброкомпозиционные материалы»

Таблица 1

Характеристика синтезированных Mg–Fe-нанотрубок

Об-ра-зец	Размер нанотрубок			Оптические константы			V, эл.яч A
	Длина, мкм	Диаметр, нм		Ng	Np	Ng–Np
		наружный	внутренний
1	1–20	20–25	4	1,547	1,542	0,005	714,8
2	1–15	20–30	4–5	1,560	1,554	0,006	не опред.
3	1–10	25–35	5	1,575	1,566	0,009	717,1
4	0,5–5	30–50	5–6	1,590	1,581	0,009	719,4

Синтезированы нанотрубки магниевого хризотила (Мg-хризотила) Мg3Si2O5(OH)4 различной морфологии (наноцилиндры, наноконусы, наномуфты) и размеров (наружный диаметр 15–25 нм, внутренний – 4 нм, длина до 20 мкм) [4, 5]. Нанотрубки магниевого хризотила гидрофильны и совместимы с вяжущими материалами. Нанотрубки синтетического хризотила являются перспективным материалом для получения функциональных нанокомпозитов. Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ №04-03-32293 и №04-03-32470a.

На вопрос о возможности управления структурой цементного камня в фибробетоне ответ был получен при опытном затворении цементнопесчаной смеси коллоидной системой вода–углеродные нанотрубки и (или) астралены.

Фуллероидные наночастицы, располагаясь на поверхностях фрагментов наполнителя в поляризованном состоянии, направленно воздействуют на процесс гидратации минеральных вяжущих, формируя при этом фибриллярные микроструктуры многомикронного порядка изотропного цементного камня.

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 – повышение физико-механических характеристик изделий [6].

В.П. КУЗЬМИНА Патентный обзор «Наномодифицированные фиброкомпозиционные материалы»

Бетоны 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 тре-щиностойкость, а главное, отличаются неравномерностью (анизотропностью) механических свойств. Для 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 железобетона, а коэффициент использования стальной арматуры не превышает 4,5 [5].

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

Пример 1

В композицию 1 для получения фибробетона включен цемент в качестве минерального вяжущего, вода, песок в качестве заполнителя и до 10% от массы композиции стальной фибры [7, с. 64]. У фибробетона, изготовленного из указанной композиции, увеличена прочность при растяжении, повышена трещиностойкость и стойкость к истиранию, однако прочность на сжатие выше только на 10–20%.

Недостаток композиции в том, что армирование бетона стальной фиброй происходит на макроуровне без изменения структуры цементного камня.

Пример 2

В состав композиции 2 в качестве минерального вяжущего ввели 25 кг (68 масс.%) минерального вяжущего низкой водопотребности марки ВНВ-100, тонкодисперсный цемент и суперпластификатор С-3 (натриевая соль поликонденсата нафталинсульфокислот и формальдегида, сульфата натрия и натриевой соли лигносульфоновой кислоты); в качестве наполнителя и заполнителя – 56 кг гематита; дополнительно композиция содержит 5 кг стальной фибры в качестве армирую-

В.П. КУЗЬМИНА Патентный обзор «Наномодифицированные фиброкомпозиционные материалы»

щего материала. Всего взято 244 масс.ч. технологических добавок на 100 масс.ч. минерального вяжущего.

Пример 3

Композиция 3 для получения строительных материалов на основе минерального вяжущего, выбранного из группы, включающей цемент, известь, гипс (или их смеси) и воду, дополнительно содержит углеродные кластеры фуллероидного типа с числом атомов углерода 36 и более. Соотношение компонентов в композиции (масс.%) следующее: минеральное вяжущее 33–77; углеродные кластеры фуллероидного типа 0,0001–2,0; вода – остальное. В качестве углеродных кластеров фул-лероидного типа композиция может содержать полидисперсные углеродные нанотрубки. В качестве углеродных кластеров фуллероидного типа она может содержать полиэдральные многослойные углеродные наноструктуры с межслоевым расстоянием 0,34–0,36 нм и размером частиц 60–200 нм. В качестве углеродных кластеров фуллероидного типа композиция может содержать смесь полидисперсных углеродных нанотрубок и фуллерена С60. Композиция может дополнительно содержать технологические добавки, взятые в количестве 100–250 масс.ч. на 100 масс.ч. минерального вяжущего. Углеродные кластеры вводят в композицию 3 в виде водной дисперсии.

В качестве армирующих элементов композиция 3 может содержать стальную арматуру, фибру различных видов, стружку и т.д. Армирующие элементы еще более увеличивают прочностные показатели, трещи-ностойкость и ударную вязкость изделий.

Пример 4

Композиция 4 для получения строительных материалов включает минеральное вяжущее (цемент, воду) и до 15 масс.% тонковолокнистого асбеста [8].

Добавка тонковолокнистого асбеста увеличила прочность при сжатии и растяжении изделия. Макроизотропность свойств этой композиции выше макроизотропности сталефибробетона. Недостатком композиции 4 является отсутствие изменений структуры цементного камня, что проявляется в невысоких показателях ударной вязкости.

В.П. КУЗЬМИНА Патентный обзор «Наномодифицированные фиброкомпозиционные материалы»

Способ приготовления модифицированной сталефибробетонной смеси и модифицированная сталефибробетонная смесь

Патент № 2214986

Способ приготовления модифицированной сталефибробетонной смеси для дорожного и аэродромного строительства, изготовления и ремонта конструкций мостовых сооружений, включающий перемешивание в смесителе цемента, заполнителя, фибры стальной, добавки и воды затворения, отличающийся тем, что предварительно осуществляют активацию в роторно-пульсационном аппарате воды затворения с полифунк-циональной добавкой и частью цемента. Продукт указанной активации перемешивают с сухой смесью, полученной при последовательном введении в смеситель заполнителя, оставшегося цемента и фибры.

Пример 5

Образец СФБ-Г-II-РПА. Состав модифицированной сталефибробетонной смеси, кг/м³: портландцемент ПЦ «500» – 400; песок кварцевый М_кр = 2,61 плотностью 2,6 г/см³ – 848; щебень гранитный фракции 5–20 мм плотностью 2,8 г/см³; фибра ХАРЕКС-83 (1% по объему) – 998; ЦМИД-4 – 8,2; вода – 160 л.

При приготовлении фибробетонной смеси осуществляют активацию воды затворения, добавки ЦМИД-4 и части цемента (10% по массе) в роторно-пульсационном аппарате со скоростью 2900 об/мин, далее в бетоносмесительный узел вводят последовательно щебень, песок, цемент, фибру и продукт указанной активации, перемешивание осуществляют в течение 4–5 мин.

Пример 6

Образец СФБ-Г-I - РПА. Состав модифицированной сталефибробетонной смеси, кг/м³: портландцемент ПЦ «500» – 485; песок кварцевый М_кр = 2,61 плотностью 2,6 г/см³ – 1390; фибра ХАРЕКС (1% по объему) –100; ЦМИД-4 – 10; вода – 179 л.

При приготовлении фибробетонной смеси осуществляют совместную активацию воды затворения, добавки ЦМИД-4 и части цемента (10% по массе) в роторно-пульсационном аппарате со скоростью

В.П. КУЗЬМИНА Патентный обзор «Наномодифицированные фиброкомпозиционные материалы»

2900 об/мин в течение 40 с. Далее в бетоносмесительный узел вводят последовательно песок, цемент, фибру и продукт указанной активации и перемешивают смесь в течение 4–5 мин. Свойства полученного стале-фибробетона приведены в таблице 2.

Таблица 2

Результаты сертификационных испытаний бетонных смесей СФБ-Г-I-РПА (партия 1), СФБ-Г-II-РПА (партия 2), СФБ-Г-II (партия 3) на соответствие нормативным документам

№№ п/п	Наименование измеряемого образца (маркировка)	НД на испытания	Нормативные значения по ГОСТ, СНиП и ТУ	Результаты испытаний	Примечание
1	2	3	4	5	6
1	Удобоукладываемость бетонной смеси (У), см СФБ-Г-I-РПА У 1-1-1 * У1-3-2 СФБ-Г-II-РПА У 2-1-1 * У 2-3-2 СФБ-Г-II У 3-3-1 * У 3-3-2	ГОСТ 10181-2000	ТУ 5745-00101386160-001 1–4 5–9 10–15	3–4 5–6 12–15	соответствует соответствует соответствует
2	Средняя плотность бетонной смеси ( p ), г/см 3 СФБ-Г-I-РПА p 1-1-1 * P 1-3-2 СФБ-Г-II-РПА P 2-1-1 * P 2-3-2 СФБ-Г-II P 3-3-1 ~ P 3-3-2	ГОСТ 10181-2000	ТУ 5745-00101386160-001 не менее: 2,10–2,30 2,3–2,50 2,40	2,13–2,30 2,30–2,60 2,52–2,57	соответствует соответствует соответствует
3	Прочность бетона при сжатии (Rc), МПа СФБ-Г-I-РПА СФБ-Г-II-РПА Серия 1 R c1-1-7 ~ R c1-1-15 R c2-1-7 * R c2-1-10	ГОСТ 10180-90	ТУ 5745-00101386160-001 не ниже: 40 45	44,1 49,3	соответствует

Испытаниям подвергались пробы каждой бетонной смеси, а также по 32 образца, изготовленных из каждой бетонной смеси серии 1 (ОБ), 2 (СФБ), 3 (СФБ+ЦМИД) в партиях 1 (мелкозернистая смесь), 2, 3 (смесь на крупном заполнителе), РПА – с активацией воды и добавок. Номера регистрации образцов ИЦ «ЦНИИС-Тест».

В.П. КУЗЬМИНА Патентный обзор «Наномодифицированные фиброкомпозиционные материалы»

Фибробетоны возможно рационально применять при возведении монолитных конструкций – автомобильных дорог, ирригационных каналов, мостовых настилов, взрыво- и взломоустойчивых сооружений, водоотбойных дамб, ёмкостей для воды и других жидкостей; а также для отделки тоннелей, пространственных покрытий и сооружений, оборонных сооружений, ремонта монолитных конструкций полов, дорог и др.; сборных элементов и конструкций (железнодорожные шпалы, трубопроводы, склепы, балки, ступени, стеновые панели, кровельные панели и черепица, модули плавающих доков, плиты аэродромных, дорожных, тротуарных покрытий и креплений каналов, карнизные элементы мостов, сваи, шпунт, обогревательные элементы, элементы пространственных покрытий и сооружений, уличная фурнитура); для перекладки покрытий, промышленных полов, огнезащитной штукатурки и т. д. [9, 10].

Мостостроение является одной из самых консервативных областей строительной отрасли. Обычно на согласование каких-либо изменений в конструкции моста, касающихся строительных материалов, уходит много лет. Исключением из этого правила стала реконструкция моста через Волгу в районе г. Кимры, которая закончилась в ноябре 2007 года [11]. Применение легкого фибробетона класса В30 с увеличенной прочностью на растяжение позволило снизить собственный вес покрытия более чем на треть. Покрытие моста через реку Волга в г. Кимры Тверской области выполнено из легкого конструкционного фибробетона на основе базальтовой микрофибры, модифицированной нанокластерами углерода.

В.П. КУЗЬМИНА Патентный обзор «Наномодифицированные фиброкомпозиционные материалы»

Уважаемые коллеги!

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

Кузьмина В.П. Патентный обзор «Наномодифицированные фиброкомпозиционные материалы» // Нанотехнологии в строительстве: научный Интернет-журнал. М.: ЦНТ «НаноСтроительство». 2010, Том 2, № 5. C. 89–98. URL: (дата обращения: __ ____________).

Dear colleagues!

The reference to this paper has the following citation format:

Kuzmina V.P. The patent review «Nanomodified fiber composite materi-als». Nanotechnologies in Construction: A Scientific Internet-Journal, Moscow, CNT «NanoStroitelstvo». 2010, Vol. 2, no. 5, pp. 89–98. Available at: (Accessed _________ ____). (In Russian).