Создание строительных композитов многоуровневого строения при введении нанодобавок типа «сверху-вниз»

В.П. КУЗЬМИНА Создание строительных композитов многоуровневого строения...

торая группа нанодобавок типа «сверху–вниз» включает приемы получения нанодобавок путём воздействия на макрообъекты с постепенным их разделением вплоть до наночастиц: механическое разрушение, механохимические методы, лазерные нанотехнологии и др. [1–3].

Инновационные направления работ по внедрению наноструктур по системе «сверху–вниз»

Первый базисный аспект: при разработке нанотехнологии создают базовые основы, которые позволяют применять их для получения целой группы наноматериалов различного функционального назначения.

Второй базисный аспект: при разработке и получении материалов с заданными характеристиками имеют цель получить продукт с характеристиками, соответствующими характеристикам исходных компонентов.

В основу технологии получения строительных смесей положено решение задачи предварительного создания сухой микронизированной механоактивированной наномодифицированной комплексной добавки и способа ее получения [4–6].

Предлагаемый способ создания строительных композитов многоуровневого строения (макро-, микро-, наноуровень) при введении способом помола-механоактивации нанодобавок типа «сверху–вниз» позволяет получить микронизированный механоактивированный на-номодифицированный премикс с заданными свойствами на основе цемента, гипса, наполнителя или заполнителя. За счет увеличения рабочей поверхности строительной смеси и гомогенного распределения функциональных добавок в необходимом количестве происходит активация, и функциональных добавок, и премикса, и всей смеси, что позволяет оптимизировать многоуровневую структуру получаемого искусственного конгломерата различного состава и толщины в результате

В.П. КУЗЬМИНА Создание строительных композитов многоуровневого строения...

его уплотнения и равномерного распределения мелких пор по его объему. Получаемый микронизированный механоактивированный наномо-дифицированный премикс сохраняет родительские свойства исходных компонентов. При этом, как следствие, увеличивается долговечность, морозостойкость и качество поверхности искусственного конгломерата из строительной смеси.

Данный способ получения механоактивированных микронизиро-ванных наномодифицированных премиксов может быть использован при изготовлении строительных смесей для различных областей применения, например: для возведения опережающих сводов щитовой проходки тоннелей метрополитенов и шахт, для устройства скважин нефте-и газодобычи, артезианских скважин для минерализованной и морской воды, для густо армированных портовых сооружений, отделочных составов для внутренних и наружных работ в зданиях, подверженных различным излучениям, а также электрокоррозии, для отделки зданий, сооружений и их частей, подвергающихся систематическому увлажнению (цоколей, балюстрад наружных стен, оград, фундаментов и конструктивных деталей мостов), для изготовления изделий из бетона и железобетона, силикатного пескобетона, гипсобетона, бетонополи-мера, полимербетона.

Использование в технологии получения вышеописанной смеси предварительной механоактивации и наномодификации части рецептурных цемента или песка, функциональных добавок и предварительно механоактивированного гипер- или суперпластификатора позволяет наиболее эффективно стабилизировать зародыши новой фазы на дефектах структуры компонентов рабочей смеси при твердении строительного конгломерата и снизить до 30% водопотребность строительной смеси [7–8].

Рассмотренные выше преимущества технологии получения микро-низированных механоактивированных наномодифицированных премиксов для строительных смесей объясняются не только накоплением дефектов, изменяющих физико-химические свойства компонентов смесей и их реакционную способность. Накопление дефектов вызывает ускорение реакций с участием компонентов смесей при затворении водой и образовании искусственного конгломерата, снижение водопотребности, увеличение скорости кинетики твердения вяжущих веществ при комнатной температуре, уплотнение контактной зоны конгломерата.

В.П. КУЗЬМИНА Создание строительных композитов многоуровневого строения...

Пластическая деформация компонентов строительной смеси приводит не только к изменению формы твердого тела, но и к аморфизации поверхностии т.д. [10].

Особенностью процесса механоактивирования премикса в результате обработки в мельнице планетарного типа является то, что активирование происходит, когда размер частиц компонентов премикса по мере измельчения достигает некоторой критической величины. Далее в ходе механохимической активации не столько увеличивается поверхность, сколько накапливаются дефекты во всем объеме кристаллов. Это резко изменяет многие физико-химические свойства компонентов смеси премикса, в том числе, реакционную способность и неорганических, и особенно органических компонентов различного кристаллического строения, формы и размера [7–9].

Повышение реакционной способности компонентов в результате механохимической активации премикса с нанодобавкой можно рассматривать как один из методов наномодификации твердых веществ в ме-тастабильной, активной форме.

Задача механической активации состоит не только в том, чтобы произвести накопление дефектов вообще, но и получить именно тот вид дефектов, который необходим для данной реакции. Эта цель может быть достигнута, как подбором условий механического воздействия на кристалл (энергия воздействия, длительность, соотношение между давлением и сдвигом, температура обработки, состав окружающей атмосферы), так и учетом вида добавок, особенностей строения их кристаллов, характера химической связи между атомами, их прочностных характеристик и т.д.

Композиция для получения строительных материалов

Патент РФ № 2233254

ЗАО «Астрин-Холдинг» СПб,

НИЦ 26 ЦНИ института Мин. обороны РФ

Разработан способ модификации и оптимизации структуры контактной зоны между искусственным камнем и заполнителем ( макроструктура ).

Микроструктурирование искусственного камня на основе композиции из минеральных вяжущих (цементного, известкового, гипсово-

В.П. КУЗЬМИНА Создание строительных композитов многоуровневого строения...

го, цементно-известкового или цементно-гипсового) осуществляется за счёт введения углеродных кластеров фуллероидного типа.

В качестве углеродных кластеров фуллероидного типа ( наноструктуры ) композиция может содержать:

• •    полидисперсные углеродные нанотрубки;

• •    полиэдральные многослойные углеродные наноструктуры с межслоевым расстоянием 0,34–0,36 нм и размером частиц 60–200 нм;

• •    смесь полидисперсных углеродных нанотрубок и фуллерена С₆₀.

Данная группа наноструктур есть комбинация из двух типов строения, используемая для создания синергического эффекта. Синергия означает совместное и однородное функционирование элементов системы.

Композиция может дополнительно содержать технологические добавки, взятые в количестве 100–250 мас.ч. на 100 мас.ч. минерального вяжущего вещества.

Пример 1. В смеситель роторного типа с рабочим объемом 0,3 м³ загрузили в качестве минерального вяжущего 40 кг портландцемента и 8 кг порошкообразного модификатора бетона. Модификатор содержит кремнезем, суперпластификатор и регулятор твердения бетона МБ-01 производства предприятия «Мастер-Бетон».

Итого: загружено 77 мас.% минерального комплексного вяжущего вещества. Далее в смеситель загрузили 40 кг (83,3 мас.ч. на 100 мас.ч. минерального комплексного вяжущего) кварцево-полевошпатного песка в качестве заполнителя (технологической добавки).

Сухие компоненты смеси перемешали и при непрерывном перемешивании в смеситель влили 12 кг воды, содержащей 0,001 кг (0,002 мас.%) углеродных нанотрубок.

В целях усиления армирующих элементов композиции, а также для увеличения прочностных показателей, трещиностойкости и ударной вязкости изделий формировалась наноструктура строительных композитов многоуровневого строения путём введения смеси полиди-сперсных углеродных нанотрубок и фуллерена C60.

В качестве армирующих элементов композиция может содержать стальную арматуру, фибру различных видов, стружку и т.д.

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

В.П. КУЗЬМИНА Создание строительных композитов многоуровневого строения...

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

Рассмотрим другой пример . 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.

Физико-механические свойства строительного конгломерата из данной композиции превысили показатели контрольного образца, но оказались ниже свойств композиции по примеру 1.

Результаты выполненных экспериментов (см. табл.) показали, что наномодифицированные комплексные добавки улучшают свойства

Таблица

Композиция для получения строительных материалов

Состав композиций				и физико-механические показатели
Пример	1	2к	3	4	5	6к	7	8к	9	10к	11	12к
I. Состав композиции (мас.%) 1. Минеральное вяжущее: – цемент	77	77	77	77	68	68			50	50
– известь									20	20	33	33
– гипс							40	40
2. Углеродные кластеры: – нанотрубки	0,002	–	–	0,00008	0,002	–	0,002	–	–	–	–	–
– фуллерены	–	–	–	0,00002	–	–	–	–	–	–	–	–
– полиэдральные многослойные	–	–	0,02	–	–	–	–	–	0,02	–	0,02	–
наноструктуры
3. Вода	22,998	23	22,98	22,9999	31,998	32	59,998	60	29,98	30	66,98	67
4. Технологические добавки (масс.ч. на 100 ч. минерального вяжущего)	120	120	120	120	252	252			100	100	233	233
II. Прочностные показатели (МПа):
– прочность	69	53	67	62	70	51	19	10	22	12	1,5	1,2
на сжатие
– прочность на растяжение при изгибе	7,5	5,3	7,1	6,9	10,2	10	7	4,5	2,3	1	0,15	0,1

В.П. КУЗЬМИНА Создание строительных композитов многоуровневого строения...

строительных конгломератов многоуровневого строения не только за счет уменьшения количества воды затворения, но и за счет изменения структуры цементного камня и бетона.

Комплексное использование нанодисперсных добавок и пластификатора с гипсовым вяжущим веществом приводит к увеличению прочности в 2 раза.

Введение в сухие строительные смеси наноразмерных зародышей ставит своей целью направленную кристаллизацию гипсового камня (см. табл., пример № 7) за счёт динамического дисперсного самоарми-рования, управление подвижностью и водоредуцированием гипсобетонных смесей за счет модификации пластификаторов.

Выводы:

• 1.    Производство и применение механоактивированных микронизи-рованных наномодифицированных премиксов в производстве строительных смесей широкого ассортимента позволяет формировать заданную структуру искусственного конгломерата в комплексе на макро-, микро- и наноуровне. При этом получаемые материалы обладают комплексом заданных свойств нового порядка, например, стойкостью к различным излучениям.

• 2.    Применение механоактивированных микронизированных нано-модифицированных премиксов в сочетании с функциональными добавками нового поколения позволяет вывести на новый виток развития разработки прежних лет по применению смешанных и композиционных вяжущих веществ.

• 3.    Целевое применение нескольких добавок одновременно в составе механоактивированного микронизированного наномодифициро-ванного премикса позволяет использовать синергический эффект воздействия их друг на друга, значительно снизить их расход, унифицировать ассортимент строительных смесей и изделий из них.

• 4.    Окупаемость затрат при использовании помольных модулей с ви-броцентробежной (планетарной) мельницей для получения механо-активированных добавок и микронизированного наномодифициро-ванного премикса зависит от стоимости готового продукта и может быть равна двум годам после ввода линии в эксплуатацию.

В.П. КУЗЬМИНА Создание строительных композитов многоуровневого строения...

Уважаемые коллеги!

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

Кузьмина В.П. Создание строительных композитов многоуровневого строения при введении нанодобавок типа «сверху–вниз» // Нанотехнологии в строительстве: научный Интернет-журнал. М.: ЦНТ «НаноСтроительство». 2012, Том 4, № 6. C. 69–77. URL: (дата обращения: ______________).

Dear colleagues!

The reference to this paper has the following citation format:

Kuzmina V.P. Creation of building multilevel structured composites by introducing nanoadditives of type «from top to down». Nanotechnologies in Construction: A Scientific Internet-Journal, Moscow, CNT «NanoStroitelstvo». 2012, Vol. 4, no. 6, pp. 69–77. Available at: (Accessed _____________). (In Russian).