Прикладные нанотехнологические задачи повышения эффективности процессов твердения цементных бетонов
Автор: Чернышов Е.М., Артамонова О.В., Славчева Г.С.
Журнал: Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал @nanobuild
Рубрика: Результаты исследований ученых и специалистов
Статья в выпуске: 1 т.9, 2017 года.
Бесплатный доступ
Охарактеризованы научные основания решения прикладных задач технологии бетонов через применение средств из арсенала «нано», обеспечивающих организацию гетерогенного процесса гидратации и твердения цемента. Показано, что введение нанодобавок обеспечивает возможность непосредственного регулирования процессов структурообразования в цементных системах на наноуровне. результативность применения средств из арсенала «нано» предложено оценивать по комплексным критериям, количественно характеризующим изменение энергии активации, скорости процесса и времени его завершения , величину и энергоемкость технологии Е при обеспечении задаваемого уровня качества R. По данным критериям произведен мониторинг результатов наших исследований и выявлены наиболее эффективные наномодифицирующие добавки двух типов. тип i - комплексная нанодобавка на основе наночастиц sio2 в сочетании с суперпластификатором, механизм действия которой связан с каталитической ролью наночастиц в процессах фазообразования гидратных соединений. тип ii - нанодобавка на основе хризотиловых или углеродных нанотрубок, обеспечивающих зонирование структуры твердения и повышение плотности упаковки системы сложения дисперсных частиц. Показано, что применение данных наномодификаторов в оптимальной их дозировке ускоряет процесс гидратации цемента в 10-30 раз (что объясняется снижением энергии активации процесса практически в 2-3 раза), обеспечивает завершение процесса твердения практически в первые сутки, сопровождается повышением величины прочности на 45-65% и одновременно характеризуется повышением удельной прочности в расчете на единицу измерения степени гидратации цемента в 1,25-1,35 раза. Сформулированы инженерные задачи и обозначены решения по повышению энергоэффективности заводского производства железобетонных изделий и конструкций, предопределяющие снижение величины максимальной температуры тепловлажностной обработки бетона, сокращение продолжительности достижения необходимой степени гидратации цемента при твердении бетона, сокращение сроков твердения цементных бетонов до достижения регламентированных значений их прочности, повышение прочности бетона на единицу измерения расхода цемента на м3, повышение энергоэффективности процесса твердения бетонов при получении железобетонных изделий.
Система твердения цементов, нанотехнологии бетонов, критерии эффективности наномодифицирования
Короткий адрес: https://sciup.org/14265807
IDR: 14265807 | УДК: 691.327 | DOI: 10.15828/2075-8545-2017-9-1-25-41
Applied nanotechnological tasks of increased efficiency in the hardening processes of cement concrete
The scientific basis of the solution to the applied tasks of concrete technology through the use of «nano» tools, which provide the organization of the heterogeneous process of cement hydration and hardening, has been characterized. it is shown that the introduction of nanoadditives enables the direct regulation of the processes of structure formation in cement systems at the nanolevel. the effectiveness of the use of «nano» tools has been proposed to evaluate by means of complex criteria characterizing quantitatively the change in the activation energy, the rate of the process and time of its completion , the size and power consumption of the technology E while ensuring quality levels specified by R. According to the criteria, the monitoring of the results of the research has been made. Moreover, the most effective nanomodifying admixtures of two types have been identified. type i is a compound nanoadditive based on nanoparticles sio2 in combination with a superplasticizer, which mechanism of action is associated with the catalytic role in the processes of phase formation of nanoparticles of hydrated compounds. type ii is a nanoadditive based on chrysotile or carbon nanotubes providing the zoning of the structure of hardening and increase in the density of the system of dispersed particles addition. it is shown that the appli- cation of the given nanomodifiers in their optimal dosage makes the cement hydration process 10-30 times faster, which can be explained by the decrease in the activation energy of the process virtually 2-3 times. Furthermore, it also ensures the completion of the hardening process practically in the first twenty four hours. Besides, it is accompanied by the increase in the strength value by 45-65% and also characterized by the increase in specific strength per unit measure the degree of cement hydration by 1.25-1.35 times. engineering problems have been formulated. Moreover, the solutions are in- dicated for increasing the energy efficiency of the factory production of reinforced concrete products and structures. these solutions predetermine the reduction in the value of the maximum temperature for the curing of concrete, the reduction of the duration of the achievement of the required degree of cement hydration while concrete hardens, the reduction of time of cement concrete hardening to reach the regulated values of its strength, the increase in concrete strength per unit of cement consumption per m3 and energy efficiency of concrete hardening process in the preparation of reinforced concrete products.
Список литературы Прикладные нанотехнологические задачи повышения эффективности процессов твердения цементных бетонов
- Баженов Ю.М. Использование наносистем в строительном материаловедении//Научно-технический журнал Вестник МГСУ. -2009. -№ 3. -С. 10-13
- Chernyshev E.M., Artamonova O.V., Slavcheva G.S. Concepts and technology base nanomodification of structures of building composites. Part 3: effective nanomodification of systems and structures of cement hardening cement stone (criteria and conditions)//Строительные материалы. -2015. -№ 10. -С. 54-63
- Quercia G., Hüsken G., Brouwers H.J.H. Water demand of amorphous nano silica and its impact on the workability of cement paste//Cement and Concrete Research. -2012. -№ 42. -P. 344-357
- Bullard J.W., Jennings H.M., Livingston R.A. et al. Mechanisms of cement hydration//Cement and Concrete Research. -2011. -№ 41. -P. 1208-1223
- Raki L., Beaudoin J., Alizadeh R., Makar J. & Sato T. Cement and Concrete Nanoscience and Nanotechnology//Materials. -2010. -№ 3. -Р. 918-942
- Wu M., Johannesson B., Geiker M. A review: Self-healing in cementitious materials and engineered cementitious composite as a self-healing material//Construction and Building Materials. -2012. -№ 28. -P. 571-583
- Singh L.P., Agarwal S.K., Bhattacharyya S.K. Preparation of silica nanoparticles and its beneficial role in cementitious materials//Nanomaterials, nanotechnology. -2011. -Vol. 1, № 1. -P. 44-51
- Koizumi K., Umemura Y., Tsuyuki N. Effects of chemical admixtures on the silicate structure of hydrated portland cement. Proceedings of the 12th International Congress on the Chemistry of Cement. Montreal, 2007, pр. 64-71
- Lothenbach В., Winnefeld F., Figi R. The influence of superplasticizers on the hydration of Portland cement//Proceedings of the 12th International Congress on the Chemistry of Cement. -Montreal, 2007. -Рр. 211-233
- Чернышов Е.М. Нанотехнологические исследования строительных композитов: общие суждения, основные направления и результаты//Нанотехнологии в строительстве. -2009. -Том 1, № 1. -С. 45 -59. -http://www.nanobuild.ru/magazine/nb/Nanobuild_1_2009.pdf
- Коротких Д.Н., Артамонова О.В., Чернышев Е.М. О требованиях к наномодифицирующим добавкам для высокопрочных цементных бетонов//Нанотехнологии в строительстве. -2009. -№ 2. -С. 42-49. -http://www.nanobuild.ru/magazine/nb/Nanobuild_1_2009.pdf
- Артамонова О.В., Сергуткина О.Р., Останкова И.В., Шведова М.А. Синтез нанодисперсного модификатора на основе SiO2 для цементных композитов//Конденсированные среды и межфазные границы. -2014. -Т. 16, № 1. -P
- Артамонова О.В., Кукина О.Б., Солохин М.А. Исследование структуры и свойств цементного камня, модифицированного комплексной нанодобавкой//Деформация и разрушение материалов. -2014. -№ 11. -С. 18-22
- Артамонова О.В., Сергуткина О.Р., Коротких Д.Н., Чернышов Е.М. Золь-гель синтез наноразмерных частиц SiO2 для модифицирования структуры цементного камня//Нанотехнологии в строительстве. -2010. -Т. 2, № 1. -P. 97-105. -http://www.nanobuild.ru/magazine/nb/Nanobuild_2_2010.pdf
- Артамонова О.В. Исследование процессов структурообразования в цементных системах, модифицированных нанотрубками хризотила//Вестник Центрального территориального отделения Российской академии архитектуры и строительных наук. -Липецк: Изд-во Липецкого государственного технического университета. -2015. -Выпуск 14. -С. 154-162
- Чернышов Е.М., Славчева Г.С., Артамонова О.В. Управление реологическими и конструкционными свойствами цементного камня при наномодифицировании//Нанотехнологии в строительстве. -2016. -Том 8, № 6. -С. 87-101. - dx.doi.o DOI: rg/10.15828/2075-8545-2016-8-6-87-101
- Чернышов Е.М., Славчева Г.С., Артамонова О.В. К концептуальным моделям управления сопротивлением разрушению наномодифицированных структур конгломератных строительных композитов//Известия КГАСУ. -2014. -№ 3 (29). -С. 156-161
- Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика. -М.: Стройиздат, 1998. -768 с
- Пащенко А.А. Теория цемента. -Киев: Будiвельник, 1991. -168 с
- Stuzman P. Chemistry and structure of hydration products//Cement Research Progress. -1999. -№ 2. -Р. 37-69