Новые технологии в строительстве нано- и микродобавки в строительном материаловедении

 

 Ввиду пространственной неоднородности напряженности электромагнитных полей поиск оптимального режима удобно определять по регулировке силы тока в обмотке электромагнита для конкретной установки омагничивания жидкости данного состава.

 

 

Примеры характера изменения угла скатывания при различных режимах омагничивания водопроводной воды (использованной для затворения теста) для постоянного магнита и магнита с пульсирующим магнитным полем даны в нереальных дисперсных системах [2]. Заданная скорость пересечения сосуда с водой силовых линий магнитного поля задавалась маятниковым устройством за счет изменения амплитуды качания. Наличие экстремальных изменений угла скатывания капель омагниченной воды по подложке с малой начальной смачиваемостью позволяет экспериментально подбирать оптимальный режим электромагнитного воздействия с целью наиболее эффективного изменения свойств твердеющей смеси.

 

 

 

 

На рис.1 представлена диаграмма относительного изменения предела прочности на сжатие образцов из цементно-песчаных смесей (по отношению к контрольным) с указанными выше технологическими вариантами при соотношении цемент — песок — вода ЦПВ = 1:1:0,4. Часть опытов проделана с гипсом, а также при водо-цементном отношении ВЦ = 0,3.

 

 

Номера вариантов на рис.1 показывают следующие виды микродобавок и режимы магнитной обработки (режим 1 и 2, соответственно) при максимальном и минимальном угле скатывания по указанной методике:

1 — СШОВ2 с длительным настоем  воды на шунгитовом порошке (более 30-ти суток) с контрольным содержанием  наноуглерода в отстое  0,17 % (а в пересчете на твердую фазу смесей — 0,01–0,015%) и омагниченной в режиме 2;

2 — КрОВ1 — добавка кремнезема (0,3% от массы цемента) при омагничивании  воды в режиме 1;

3 — КрОВ2 — тоже при режиме  омагничивания 2;

4 — КрОВ1 — тоже в режиме 1 (омагничивание теста);

5 — ВШО2 — кратковременный настой  воды на шунгите (при содержании  наноуглерода в отстое около 0,07 %) с последующем омагничиванием  в режиме 2;

6 — ОВ2т — омагничивание влажного  теста;

7 — ВШО1 — тоже, что и вариант  № 5 при режиме 1;

8 — ВШ — тоже без омагничивания;

9 — ОВ2 — омагничивание воды  затворения в режиме 2;

10 — Кр1 — добавка кремнезема 0,1 %;

11 — ОВ1 — омагничивание воды  в режиме 1;

12 — ТВ — затворение талой  водой (быстрое таяние льда).

 

 

Вариант с омагничиванием талой воды (образец ТВО) не дал существенного эффекта.

 

 

Опыты с гипсовым камнем дали следующие результаты прироста прочности: ВШ — до 35 %; ТВ — 15–25 %; ОВ — 17–25 %; СШ — до 40 %; СШО1 — 5–10 %.

 

 

Использование анолита не дало существенного результата, а для католита получен отрицательный эффект (снижение прочности до15 %).

 

 

 

 

На рис. 2 представлена диаграмма приращения прочности сжатия после затвердения стандартной цементно–песчаной смеси для ЦПВ =1:3:0,4 и изменения коэффициента Y=σм/σТ, где σм — напряжение разрушения образцов (нарушение сплошности), σТ — напряжение, соответствующее появлению микротрещин. На этом графике представлены образцы с водой затворения, содержащей наноразмерные частицы углерода (шунгитовый отстой) и кремния при использовании омагничивания жидкой фазы в режиме 1 и режиме 2. Маркировка образцов на рис. 2 (СШ, ВШ, СШО, ВШО, КрОВ, Кр) соответствует указанным выше. СШТ — образцы с жидкой фазой из шунгитового отстоя быстрого замораживания и таяния. Содержание наночастиц в стандартной смеси (по весу) составляет: СШ — 0,02 %, ВШ — 0,01 %, Кр — 0,06% (с погрешностью до 20 %). По результатам опытов с образцами стандартного состава можно сделать предварительные выводы:

– наблюдается значительное различие эффективности использования комбинированных технологий на быстро– и медленнотвердеющих смесях (гипсовых и цементно–песчаных);

– прирост прочности на сжатие цементно–песчаных смесей с использованием низко марочного цемента составлял 140–300 %, а для гипса при добавке 30–50 % воды — до 130–150 %;

– повышение прочности в ряде образцов увеличивает коэффициент Y, который косвенно свидетельствует о повышении хрупкости, но при уменьшенном содержании наночастиц (около 0,01 % для фуллеренов и 0,03–0,04 % для кремнезема) значительное повышение прочности относительно мало влияет на хрупкость по сравнению с контролем);

– подтверждается предположение о значительном влиянии режима омагничивания, характеризующимся изменением углов смачивания или скатывания капель омагниченной воды с гидрофобизированной подложки;

– обращает на себя внимание более низкая эффективность (по приросту прочности на сжатие) омагничивания жидкой фазы, содержащей огромное количество наночастиц;

– подтверждается значительное влияние структурной перестройки воды при быстром нагреве–охлаждении, что делает этот сравнительно простой способ перспективным для увеличения прочности влагосодержащих твердеющих смесей.

 

 

В целом комбинированные технологии дали значительно меньший эффект для быстротвердеющих смесей (гипс — вода). В тоже время для смесей с водоцементным отношением ВЦ = 0,3 многие варианты дали больший прирост прочности ,чем для ВЦ = 0,5. Интересно отметить относительное изменение пластичности–деформативности по условному показателю общей деформации сжатия образца до появления микротрещины или полного разрушения. При снижении ВЦ наибольшее приращение прочности дали образцы ВШ с существенным ростом деформативности. Образцы комбинированных технологий с максимальным приростом прочности имели более низкий показатель деформативности. Наилучшее значение Y = 1,12 получено для образцов с талой водой затворения. В работе К.А. Ермоленко [5] приведены данные, где соотношение напряжений сжатия с нарушением сплошности образцов к напряжениям появления микроразрушений подчиняется логарифмической зависимости от предела прочности и дает значения 1,8-2. 

 

 

В опытах автора близкое по физическому смыслу соотношение изменялось в пределах Y = 1,1–1,8. Подчеркнем, что вариант с талой водой (ТВ) дает больший эффект прироста прочности (до 40 %) для быстротвердеющего вяжущего (гипса), чем для для медленно-твердеющих цементных смесей. Эффект от применения талой воды связан с нарушением полимерности обычной воды при быстром оттаивании льда и пониженным содержании растворенных газов. Можно отметить близкий эффект от вакуумной дегазации воды затворения для приготовления фибробетона (с добавкой тонкодисперсных полимерных волокон) [6]. По данным этой работы получено дополнительное повышение прочности бетона на сжатие в пределах 18–23 %.

 

 

Предварительно можно сделать вывод о значительной эффективности комбинированных технологий, особенно для низкомарочных цементов при пониженном значении ВЦ. Можно полагать, что применение наноуглеродных добавок концентрацией 0,04–0,06 % к массе вяжущего в сочетании с краткой импульсной электромагнитной обработкой позволят увеличить конечную прочность материалов на основе вяжущих веществ в 2,5–3 раза при условии правильного подбора соотношения компонентов начальной смеси и оптимального режима ее обработки. Для более дисперсных высокомарочных цементов следует ожидать значительно меньшего эффекта при указанных технологических режимах. 

 

 

Литература:

1. Заднепровский Р.П. Об эффективности  и перспективах использования  наноуглеродных  микродобавок для строительных смесей // Строительные материалы. Технологии XXI века , 2011. № 8. — С.22–25.

2. Заднепровский Р.П., Бодров В.В. Оптимизация режима электромагнитной  активации водосодержащих смесей  при регулировании когезионных  и фрикционных характеристик // Строительные  материалы, 2011. № 11. — С. 37–39.

3. Заднепровский Р.П. Об эффективности  и механизме активационных технологий  повышения качества строительных  материалов и изделий на основе  высокодисперсных тел, содержащих  наноразмерные частицы. Материалы  ΙΙ Всеросс. н/т конф. «Нанотехнологии  и наноматериалы: Современное состояние  и перспективы развития в условиях  Волгоградской области». Волгоград: ВолГУ, 2009. — С.187–206.

4. Заднепровский Р.П. О рациональном  фракционном составе многокомпонентных  смесей с учетом дисперсности  и энергоактивности нано- и микрочастиц// Стоительные материалы, 2011. № 2. —  С.33–35.

5. Ермоленко К.А. Исследование высокопрочного  керамзитобетона при воздействии  сжимающей статической и многократно  повторяющихся нагрузок // Изв. ВУЗол  «Строительство и архитектура», 1970. № 12. — С.19–24.

6. Колтляревская А.В., Вольская О.Н., Перфилов В.А., Кусмарцев О.А. Влияние  активированной воды затворения  и модифицирующих добавок на  прочность ячеистых бетонов // Вестник  ВолГАСУ « Строительство и  архитектура», 2011. Вып. 22. — С.65–68.

7. Тезисы докладов нанотехнологических  секций  международного форума по нанотехнологиям. Т.1, 2.— М: РосНАНО, 2008. — 956 с.