Углеродосодержащиебетоны на основе измельченной древесины

связи с ростом объема строительного производства и ужесточением требований к материалам и срокам строительства все более актуальными становятся вопросы повышения характеристик строительных материалов на основе бетона.

Использование материалов на основе цементных смесей с добавками углеродсодержащих порошков для экранирования электромагнитного излучения имеет на сегодняшний день большое распространение. Применение углеродных материалов для модифицирования бетона производится с целью повышения его прочности при растяжении и изгибе, увеличения трещиностойкости, придания ему электропроводности и способности поглощать электромагнитное излучение.

В литературе представлены исследования влияния добавок графита [1, 2, 3], углеродных нанотрубок [4, 5, 6], шунгита [7, 8], технического углерода [9, 10] в составе бетонов.

В работах [7, 11] разработаны варианты экранирующих строительных материалов на основе портландцемента с добавлением порошкообразного шунгита. Шунгитобетонные строительные плитки толщиной до 3 мм и весом 0,5 кг/м2 на основе портландцементов с введением в воду, используемую для приготовления бетонного раствора, хлорида кальция, ослабляют электромагнитное излучение от 4,0 дБ до 9,0 дБ, при этом коэффициент отражения при размещении металлического отражателя составляет –9,0 дБ в диапазоне частот 10,0–18,0 ГГц. В диапазоне 0,5–8,0 ГГц плоские строительные плитки характеризуются невысокой отражательной способностью (–2,0 дБ).

В [12, 13] представлены исследования модулей экранов электромагнитного излучения, основанных на нанесении шунгитосодержащей цементной смеси на пирамидообразные поверхности. Коэффициент отражения таких экранов электромагнитного излучения, измеренный в режиме короткого замыкания и согласованной нагрузки, составляет –5…–12 дБ в диапазоне частот 2–18 ГГц, при этом такие модули характеризуются высокими массогабаритными показателями.

Целью данной работы являлось исследование экранирующих электромагнитное излучение характеристик бетонов с добавление технического углерода.

Технический углерод – наноматериал, имеющий турбостратное (разориентированное) строение частиц (см. рис. 1), широкий интервал размеров первичных частиц и их агрегатов, разнообразие форм распределения частиц, способность формировать вторичную пространственную структуру [14, 15, 16].

Технический углерод применяется в качестве усиливающего компонента в производстве резин и других пластических масс; в качестве чёрного пигмента, замедлителя «старения» пластмасс; компонента, придающего специальные свойства (увеличение электропроводности, способность поглощать ультрафиолетовое излучение и излучение радаров). Технический углерод – это высокодисперсный продукт термического или термоокислительного разложения углеводородов, содержащихся в природных и промышленных газах, нефтяных и каменноугольных маслах. Плотность сажи – 1,76–1,95 г/см3. Она состоит, главным образом, из углерода (не менее 90%), содержит до 5% хемосорбированного О2, до 0,8% Н2, до 1,1% S и до 0,45% минеральных примесей. Средний размер частиц сажи составляет около 50 нм [17].

В данной работе изготавливали образцы размером 9х6 см, толщиной 3 мм, из портландцемента марки ПЦ 500 Д20 (с добавкой гранули-

Рис. 1. Электронно-микроскопическое изображение частиц технического углерода: совокупность отдельных частиц и агрегатов (а); пространственная структура агрегата (б) (увеличение х120000)

рованного доменного шлака до 20%) [18, 19] с добавлением технического углерода марки П-803 [20]. Изготовление образцов производилось в соответствии с ГОСТ 28013–98 «Растворы строительные».

Методика изготовления включала следующие этапы:

• •    подготовку порошка технического углерода (промывку дистиллированной водой, сушку в печи при температуре 50^оC в течение 1 часа в сушильном шкафу);

• •    смешивание порошка технического углерода с портландцементом;

• •    добавление водного раствора при равномерном помешивании (в качестве водного раствора использовалась вода или насыщенный водный раствор хлорида кальция);

• •    заполнение емкости углеродсодержащим цементным раствором.

В табл. 1, 2 представлены массовые доли компонентов в исследуемых образцах. Использование хлорида кальция в качестве добавки обусловлено уменьшением временем схватывания бетона (примерно в 3 раза), увеличением прочностных характеристик (в два раза), увеличением поверхностной прочности бетона (в 1,5 раза) [21].

Для исследования экранирующих электромагнитное излучение характеристик проводилось измерение коэффициента передачи и коэффициента отражения в диапазоне частот 8–12 ГГц. В данном диапазоне частот работают устройства передачи, приема и обработки информации, радиолокационное оборудование. Коэффициент передачи характеризует ослабление энергии электромагнитной волны, прошедшей ( W _прош ) через исследуемый образец по отношению к падающей ( W _пад ). Коэффициент отражения характеризуется соотношением энергии падающей

Таблица 1

Состав исследуемых образцов углеродсодержащего бетона

№ п/п	Массовая доля, %			Масса 1 м2, кг
	портландцемента	технического углерода	воды
1.1	65	5	30	2,8
1.2	60	10	30	2,9
1.3	55	20	25	2,9
1.4	47	30	23	2,8
1.5	40	40	20	2,7

Таблица 2

Состав исследуемых образцов углеродсодержащего бетона с добавлением насыщенного водного раствора хлорида кальция

№ п/п Массовая доля, % Масса 1 м2, кг портландцемента технического углерода насыщенного раствора хлорида кальция 2.1 65 5 30 3,5 2.2 60 10 30 3,6 2.3 55 20 25 3,8 2.4 47 30 23 3,9 2.5 40 40 20 3,5 электромагнитной волны (Wпад) к отраженной (Woтp) от поверхности образца (рис. 2).

Для измерения коэффициента отражения и передачи в диапазоне 8–12 ГГц использовался панорамный измеритель ослабления и КСВН (коэффициента стоячей волны по напряжению) Я2Р-67 с ГКЧ-61 и волноводным трактом, который обеспечивает выделение и детектирование уровней падающей и отраженной (или прошедшей) волн электромаг-

Рис. 2. Механизм отражения и прохождения падающей электромагнитной волны

нитного излучения. Калибровка оборудования перед началом измерений экранирующих характеристик производилась по стандартной методике [22].

По результатам измерения КСВН и ослабления производился расчет коэффициента передачи электромагнитного излучения ( S ₂₁ ) и коэффициента отражения S ₁₁ по методике, представленной в [23].

На рис. 3 представлены результаты измерений коэффициента передачи и отражения электромагнитного излучения для образцов на основе портландцемента, приготовленного по стандартной технологии, с добавлением технического углерода.

Результаты измерения показали, что величина коэффициента передачи уменьшается при уменьшении концентрации технического углерода в составе образцов, что объясняется снижением электрической проводимости материала. Минимальный коэффициент переда-

Рис. 3. Частотные характеристики коэффициента передачи (а), коэффициента отражения, измеренного в режиме согласованной нагрузки (б), и короткого замыкания (в) углеродсодержащих бетонов в диапазоне частот 8–12 ГГц

чи (–13,4…–14,8 дБ в диапазоне частот 8–12 ГГц) получен для образца № 1.5 (40 масс.% технического углерода), максимальный (–6,2…–8 дБ) для образца № 1.1 (5 масс.% технического углерода).

Коэффициент отражения, измеренный в режиме согласованной нагрузки, для всех образцов изменяется в пределе от –3 до –7 дБ в диапазоне частот 8–12 ГГц. Необходимо отметить, что для образца № 1.5 (40% технического углерода) коэффициент отражения имеет минимальное значение (–6…–7 дБ) при измерениях в режиме согласованной нагрузки и короткого замыкания. Образцы № 1.1 (5% технического углерода), 1.2 (10% технического углерода) при измерениях в режиме короткого замыкания составляют –4…–8 дБ.

На рис. 4 представлены результаты измерений коэффициента передачи и отражения электромагнитного излучения для образцов на осно-

Рис. 4. Частотные характеристики коэффициента передачи (а), коэффициента отражения, измеренного в режиме согласованной нагрузки (б), и короткого замыкания (в) углеродсодержащих бетонов с добавлением насыщенного раствора хлорида кальция в диапазоне частот 8–12 ГГц

ве портландцемента с раствором хлорида кальция с добавлением технического углерода.

По результатам исследования минимальный коэффициент передачи получен для образца № 2.5 (40% технического углерода), значение которого изменяется от –16 до –18 дБ в диапазоне частот 8–12 ГГц. Значение коэффициентов передачи для образцов на основе хлорида кальция на 2–3 дБ меньше, чем для образцов, изготовленных по стандартной методике.

Коэффициент отражения, измеренный в режиме согласованной нагрузки, для образцов № 2.1–2.5 изменяется в пределах –4…–6 дБ. При измерениях в режиме короткого замыкания коэффициент отражения минимальный для образца № 2.2 (10% технического углерода) и составляет –8,4…–14 дБ в диапазоне частот 8–12 ГГц.

На основе проведенных исследований установлено, что углеродсодержащие бетоны с добавлением насыщенного раствора хлорида кальция и 10% технического углерода обладают коэффициентом отражения порядка –12 дБ и коэффициентом передачи –10 дБ.

Одно из эффективных направлений утилизации древесных отходов – производство лёгких бетонов, таких, как опилочные бетоны. По своим качествам опилкобетон сочетает в себе прочность камня, тепло и пластику дерева. Он отличается хорошей огнестойкостью, биостойкостью, экологической чистотой, практическим отсутствием радиационного фона. Данный материал обладает низкими значениями звукопоглощения, теплопроводности, массы, имеет хорошую обрабатываемость и совместимость с отделочными материалами. По сравнению с бетонами на минеральных заполнителях, деревобетоны обеспечивают снижение расхода вяжущего в пересчёте на 1 м2 поверхности стены [24, 25].

На основе полученных исследований разработаны углеродсодержащие бетоны с добавлением измельченной древесины. В качестве измельченной древесины используются древесные частицы различной формы и величины, получаемые в результате механической обработки, а именно щепа, дробленка, стружка, опилки, древесная мука, древесная пыль [26]. Для исследования коэффициентов отражения и передачи углеродсодержащих бетонов в качестве добавок использовали древесные опилки, мелкие частицы древесины, образующиеся в процессе пиления.

Методика изготовления образцов включала следующие этапы:

• •    подготовку материала: древесных опилок и порошка технического углерода (промывку водой, сушку при температуре 50^оC в течение 1 часа в сушильном шкафу);

• •    подготовку водного раствора и насыщенного водного раствора хлорида кальция с добавлением технического углерода при равномерном помешивании;

• •    пропитку древесных опилок полученными растворами в течение 24 ч, состав полученной смеси представлен в табл. 3, 4;

• •    подготовку раствора портландцемента с добавлением технического углерода (10 масс.%) и насыщенного водного раствора хлорида кальция (30 масс.%) по методике, представленной выше;

• •    равномерное заполнение емкости с пропитанными древесными опилками углеродсодержащим цементным раствором.

В результате сформированы бетонные плиты толщиной 5 мм, средний вес 1 м2 для всех образцов составил 2,5 кг. Измерения в диапазоне частот 8–12 ГГц показали, что у всех образцов коэффициент передачи составляет более 40 дБ, коэффициент отражения, измеренный в режи-

Таблица 3

Состав пропитанных древесных опилок углеродсодержащим раствором

№ п/п	Массовая доля, %
	технического углерода	воды	древесных опилок
3.1			100
3.2	20	40	40
3.3	50	25	25

Таблица 4

Состав пропитанных древесных опилок углеродсодержащим раствором на основе хлорида кальция

№ п/п	Массовая доля, %
	технического углерода	водного раствора CaCl2	древесных опилок
4.1	20	40	40
4.2	50	25	25

ме короткого замыкания и согласованной нагрузки, имеет идентичные значения. Минимальный коэффициент отражения получен для образца 3.2 (40 масс.% древесных опилок) и составляет –7,7…–8 дБ (рис. 5).

В результате исследований получено, что формирование бетонов с добавлением технического углерода позволяет получать материалы, экранирующие электромагнитное излучение. При добавлении более 30% технического углерода в состав бетона с добавлением воды коэффициент передачи электромагнитного излучения составляет менее –10 дБ, при добавлении менее 20% технического углерода коэффициент отражения составляет –4… –8 дБ в диапазоне частот 8–12 ГГц, средний вес 1 м2 таких бетонных плит составляет 2,8 кг.

При добавлении в состав бетона с насыщенным водных раствором хлорида кальция более 20% технического углерода коэффициент передачи изменяется в пределах –14…–18 дБ в диапазоне частот 8–12 ГГц, при этом минимальный коэффициент отражения (–8…–14дБ) получен для бетонов с добавлением 10% технического углерода. Вес 1 м2 бетонов с добавлением насыщенного водного раствора хлорида кальция составляет 3,5 кг, что на 1 кг больше, чем у бетонов на водной основе. Существенно снизить расход цемента и массу бетонов (до 2,5 кг для 1 м2) позволяет добавка древесных опилок, при этом коэффициент отражения составляет –8 дБ, коэффициент передачи –40 дБ в диапазоне ча-

Рис. 5. Частотные характеристики коэффициента отражения, измеренного в режиме согласованной нагрузки и короткого замыкания, углеродсодержащих бетонов с добавлением пропитанных древесных опилок в диапазоне частот 8–12 ГГц стот 8–12 ГГц. Данные бетоны могут быть применены при разработке и строительстве экранированных от электромагнитного излучения помещений, для защиты оборудования, для обработки, хранения и передачи информации от утечки, информации по электромагнитного каналу, а также для защиты от внешних электромагнитных помех.

У важаемые коллеги !

П ри использовании материала данной статьи просим делать библиографическую ссылку на неё :

D ear colleagues !

T he reference to this paper has the following citation format :