Влияние введения пенографита на прочность цементно-песчаного раствора

В настоящее время проведено множество исследований в области строительных материалов с использованием нанодобавок различных аллотропных форм углерода: трехмерных (графит), двухмерных (графен), одномерных (нанотрубки) и нульмерных (фуллерены) [1–3]. Уникальность свойств углеродных наноструктур рассмотрена многими авторами [4–10].

Несмотря на явные преимущества от использования нанодобавок в бетон, высокая стоимость не позволяет использовать наномодификаторы в промышленном масштабе. Основными препятствиями использования нанодобавок в промышленных масштабах является энергозатратная и дорогостоящая технологии их получения [11, 12], а также обеспечение равномерности распределения нанодобавок в матрице материала.

Наиболее приемлемым представителем нанодобавок с точки зрения стоимости, способа получения и метода введения в состав, обеспечивающего однородное распределение [13, 14], является графит и его производное – пенографит.

Пенографит обладает частью свойств графена [15–17], но его размеры на порядок выше, что является преимуществом, поскольку размеры частиц пенографита и портландцемента отличаются незначительно. Преобладающий размер частиц портландцемента находится в диапазоне от 5 до 50 мкм, пенографита – 100–500 мкм с крупными порами между слоями. За счет крупных пор имеется возможность измельчения [18, 19] пено-графита до частиц менее 100 мкм.

Материалы и методы

Эффект введения пенографита оценивали по изменению прочности на сжатие цементнопесчаных растворов. Для этого изготавливали образцы, состоящие из вяжущего и песка для строительных работ в соотношении 1:3, поликарбокси-латного суперпластификатора (СП), пенографита (ПГ) и воды затворения. В качестве вяжущего применяли портландцемент (ПЦ), доменный гранулированный шлак молотый (ДГШ) и их смеси. Сухие компоненты – вяжущее, ПГ и СП всех составов – подвергали совместному перемешиванию в лабораторном истирателе ЛИ-1 в течение 1 минуты для достижения однородного распределения пено-графита в вяжущем и его доизмельчения. Воду затворения вводили в количестве, обеспечивающем одинаковую консистенцию теста вяжущего.

Для получения достоверных результатов прочности при сжатии использовали утвержденные методики испытаний [20] с применением поверенного оборудования. Образцы растворов испытывали на сжатие в возрасте 1 сут и 28 сут с момента изготовления после твердения в нормальных условиях (температура воздуха (20±2) °С, относительная влажность воздуха не менее 90 %), а также после тепловлажностной обработки (ТВО) по режиму: равномерный подъем температуры с 20 °С до (85 ±5) °С в течение (180 ± 10) мин со скоростью 15 °С/ч, изотермический прогрев при температуре (85±5) °С – (360±10) мин, остывание образцов в закрытой камере ТВО при отключенном подогреве – (120±10) мин.

Исследуемые составы приведены в табл. 1.

Результаты и обсуждение

Определение прочности на сжатие цементнопесчаного раствора является базовым методом для установления эффективности введения ПГ. По результатам, полученным в данной работе, для дальнейшего исследования будут выбраны наиболее оптимальные дозировки ПЦ и ДГШ в составе вяжущего.

В табл. 2 и на рисунке представлены полученные значения прочности на сжатие цементнопесчаных растворов составов с ПГ и без ПГ.

Исходя из полученных данных, видим, что при введении ПГ происходит прирост прочности на сжатие цементно-песчаного раствора от 4 до 34 % – в возрасте 1 суток, от 20 до 34 % – в воз- расте 28 суток, от 1 до 11 % – после ТВО в зависимости от рассматриваемого вяжущего.

В первые сутки нормального твердения все составы, содержащие добавку пенографита, имеют прочность на сжатие выше, чем составы без ПГ. Полученные данные подтверждают исследования [19].

Результаты состава № 4 наиболее интересны с точки зрения замещения дорогостоящего компонента растворной смеси – портландцемента более дешевым – молотым доменным гранулированным шлаком. Прочность на сжатие образцов состава № 4 (ПЦ : ДГШ, 40 : 60 %) в возрасте 28 суток и после ТВО наибольшая среди исследуемых составов. Прочность на сжатие образцов состава № 4 в возрасте 28 суток превышает прочности после ТВО. Однако, прочность на сжатие образцов, хранившихся в нормальных условиях, будет увеличиваться с течением времени, а прочность, полученная после ТВО, не изменится, так как структура закристаллизована полностью и не содержит негидратированных частиц портландцемента и цементного геля.

Таблица 1

Исследуемые составы

№ состава	Вяжущее, %		Супер-пластификатор Sika225 (сух.), % от массы вяжущего	Пено графит (ПГ), % от массы вяжущего
	Портландцемент ЦЕМ I 42,5Н ГОСТ 31108-2016 производства ООО «СЛК Цемент»	Доменный гранулированный шлак молотый GreenCems® GGBS-450 ТУ 38.32.22-012-99126491-2017 производства ООО «Мечел-Материалы»
1	100	0	0,5	0,00
2	80	20
3	60	40
4	40	60
5	20	80
6	0	100
1*	100	0	0,5	0,01
2*	80	20
3*	60	40
4*	40	60
5*	20	80
6*	0	100

Таблица 2

Прочность на сжатие

№ состава	Прочность на сжатие, МПа
	После ТВО	Определенная в возрасте, сут
		1	28
1	63	55	66
2	68	53	78
3	66	46	83
4	63	32	85
5	51	14	64
6	25	9	49
1*	69	65	99
2*	69	56	103
3*	70	48	106
4*	71	36	109
5*	57	20	91
6*	26	14	61

Строительные материалы и изделия

■ ПГ

■ Без ПГ

■ ПГ

■ Без ПГ

в)

Диаграмма изменения прочности на сжатие цементно-песчаного раствора при введении ПГ: а) через 1 сутки с момента изготовления, б) через 28 суток после изготовления, в) после ТВО

Выводы

Введение ПГ в количестве 0,01 % от массы вяжущего в состав цементно-песчаного раствора приводит к увеличению прочности на сжатие. Наблюдается значительное увеличение прочности при сжатии цементного камня в возрасте 28 суток (до 34 %). Введение ПГ в количестве 0,01 % от массы вяжущего в состав комбинированного вяжущего, состоящего из 20–60 % молотого доменного гранулированного шлака, позволяет получить не только высокие результаты по прочности на сжатие, но и значительно снизить потребление портландцемента, благоприятно воздействуя на экологическую обстановку в мире.