Практическая работа №11 «Контроль качества добавок наномодификаторов к бетонам и их характеристики»
план-конспект занятия

Практическая работа №11

«Контроль качества добавок наномодификаторов к бетонам и их характеристики»

Цель работы: Изучить методику контроля качества добавок наномодификаторов к бетонам и их характеристики

Теоретические сведения

Современное строительство связано с производством и переработкой значительных объемов бетонных и цементных смесей, от которых требуется высокая удобоукладываемость, высокая подвижность, сохраняемость достигнутого уровня реологических характеристик во времени, возможность повышения прочности бетона при одновременном снижении расхода цемента. Именно в этом направлении особенно перспективным представляется использование наномодификаторов.

Рассматривая бетон в качестве композита, сформированного из крупного и мелкого заполнителя, цементного камня, воды, воздушных пор, можно сформулировать основную задачу наномодифицирования как управление процессом формирования структуры материала снизу вверх (от наноуровня к макроструктуре бетонной смеси) и кинетикой всего спектра химических реакций, сопровождающих процесс твердения.

При изготовлении современных наноматериалов на основе портландцемента (бетона, железобетона, пенобетона, сухих строительных смесей) введение в исходные цементные смеси очень небольшого количества наночастиц различных веществ способно заметно улучшить показатели свойств изделий. Такие НЧ получили название наномодификаторов(НМ), а их использование — наномодифицирования.

Рассмотрим влияние добавок различных наномодификаторов на свойства инъекционных растворов и свойства бетона.

Инъекционные растворы представляют собой цементно-песчаные растворы или цементное тесто, применяемое для заполнения каналов предварительно напряженных конструкций. К инъекционным растворам предъявляются повышенные требования. По прочности (не менее М300), водоудерживающей способности и морозостойкости. Для того, чтобы удовлетворить всем данным требованиям, строители используют наномодификаторы. Ниже представлены некоторые из них.

Астрален-С.

Первых успехов наномодифицирования бетонов добился исследователь из Санкт-Петербурга А.Н. Пономарев с сотрудниками. Им был создан водорастворимый аналог фуллерена «Астрален-С», специально предназначаемый для цементных материалов. (К слову, фуллерен это молекулярное соединение, принадлежащее классу аллотропных форм углерода и представляющее собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёх координированных атомов углерода, является наномодификатором с большой областью применения.) Астрален-С представляет собой порошок с насыпной плотностью 600 — 900 кг/куб. м. Каждая его крупинка является кластером, построенным из наночастиц. Средний размер кластеров 300 нм.

Введение «Астрален-С» в цементные смеси в количестве 0,15% от массы цемента позволяет повысить их подвижность от П1 до П5, заметно увеличив прочность.

На основе «Астралена-С» был разработан «Астрофлекс-РК» — наноструктурированный неорганический ремонтный композит на водной основе. Его предназначение — быстрый ремонт взлетных полос аэродромов, железнодорожных железобетонных шпал, путей метрополитена, а также других подобных объектов.

Через два часа после использования прочность «Астрофлекса-РК» достигает 20 +/-2МПа, через 12 часов — 30 +/-5МПа, через 36 часов — 40 +/-5МПа.

Петербургские разработчики создали также «Астрофлекс ГП-1» — материал, проявляющий свойства гиперпластификатора. Производится он в виде порошка и 30%-ного водного раствора. Вводить его надо в количестве 0,15% от массы цемента. Подвижность смеси при этом повышается от П1 до П5. Увеличивается также прочность, снижается водопроницаемость изделий, изготовленных из смесей с этой добавкой. «Астрофлекс ГП-1» предназначен для использования в гидротехнических, дорожных и самоуплотняющихся бетонах, в том числе в железобетоне заводского изготовления и цементно-песчаных смесях.

Очень интересной разработкой А.Н. Пономарева является модифицированная астраленами базальтовая микрофибра (МФ), предназначенная для дисперсного армирования бетонов вместо прутковой стальной арматуры или дисперсного армирования стальной фиброй.

Введение МФ позволяет получить двойной эффект. Во-первых, МФ становится дисперсной арматурой для бетона, а дисперсное армирование эффективнее традиционного — прутковой арматуры. Во-вторых, с помощью МФ легче равномерно распределять в бетонной смеси НЧ астраленов.

С использованием такой микрофибры уже уложены сотни кубометров бетонных смесей различного назначения, в частности при строительстве моста через Волгу в г. Кимры Тверской области. Бетон там использован легкий (плотность 1,6 т/куб. м, но прочность его была высокой: на сжатие до 60, на растяжение до 6 МПа). Морозостойкость также высокая (F300). Великолепны и водопроницаемость (W16 — 20), и водопоглощение (менее 1%).

Возможной областью строительства, где применение модифицированной базальтовой МФ и водорастворимых астраленов окажется эффективным и масштабно востребованным, станет производство наноструктурированных пено- и газобетонов. Эксперименты с такими материалами показали, что при изготовлении из них блоков стандартного размера будут достигнуты следующие результаты:

заметное увеличение выхода годных блоков вследствие повышения трещиностойкости и прочности на сжатие;

сокращение производственного цикла;

снижение плотности на 8 — 10% при одновременном повышении технико-экономических показателей.

Модификатор «Таунит».

Наномодификатор «Таунит» (Тамбовский университет), разработанный и запущенный в промышленное производство совместными усилиями сотрудников Тамбовского государственного технического университета, ООО «Тамбовский инновационно-технологический центр машиностроения», ОАО «Тамбовский завод «Комсомолец» им. Н.С. Артемова». Производителем «Таунита» в настоящее время является ООО «НаноТехЦентр», г. Тамбов.

Получают «Таунит» каталитическим пиролизом углеводородов, при этом образуются твердые углеродные наномасштабные нитевидные образования преимущественно цилиндрической формы с внутренним каналом. Установлено, что добавление сверхмалых (0,001 — 0,0001%) доз «Таунита» в цементные смеси позволяет в полтора раза повышать прочность бетонов. Эффективен «Таунит» и как модификатор полиэтилена, полипропилена, полиуретана, фторопласта (в 1,5 — 3 раза повышает прочность этих полимеров), клеев, лакокрасочных материалов (увеличивает адгезионную прочность, теплостойкость), гальванических, хромовых, цинковых покрытий (повышает твердость, износостойкость, снижает пористость).

Ныне всем известно о негативном влиянии на человека электромагнитных излучений. Введение «Таунита» в материалы, предназначаемые для поглощения этих излучений, позволяет усилить экранирующую способность.

«Таунит» понравился даже японцам, которые являются лидерами в нанотехнологической гонке. Одна из японских фирм закупила у тамбовчан реактор синтеза «Таунита». Еще один такой реактор закупила Украина, а в России второй реактор смонтирован в г. Владимире.

Доля и роль высококачественных бетонов в мировой строительной индустрии стремительно возрастает и сопровождает развитие архитектурных форм и функционально новых видов сооружений. При проектировании и строительстве существенную роль играет выбор материала бетона. От него будет зависеть прочность, надежность конструкций и сооружения в целом. Техника производства бетона непрерывно развивается и сам бетон становится все более и более усовершенствованным, причем особое внимания в настоящее время в этом смысле уделяется нанотехнологиям. Нанобетон, характеризующийся высокими физико-механическими показателями, открывает новые возможности для проектирования и строительства. Для улучшения структуры цементного камня, повышения его трещиностойкости и повышения динамической вязкости в состав бетона вводятся наномодификаторы. Введенные в бетонную смесь модификаторы в микродозах армируют цементный камень, превращая его в композиционный материал за счет направленного регулирования кристаллизационного процесса. Они ведут себя в цементном растворе как зародыши кристаллов, но поскольку они имеют не точечную, а протяженную форму, кристаллы образуются вытянутые. Разрастаясь, кристаллы переплетаются, частично прорастают друг в друга и образуют пространственную сеть, пронизывающую в единое целое весь цементный камень. Повышение прочности и морозоустойчивости применения наномодификаторов доказано как теоретически, так и практически. Настоящее и будущее

Строительная индустрия, представляющая гигантское поле деятельности с точки зрения применения нанотехнологий, весьма раздроблена: 97 % строительных фирм в Европе насчитывает персонал не более 20 человек. Именно этот фактор ограничивает финансирование направленной научно-исследовательской работы, которая концентрируется на решении конкретных задач из области создания тех или иных конструкций или конструкционных материалов. На сегодняшний день развитие строительного материаловедения определяется во многом успехами в исследованиях смежных дисциплин (например, автомобиле- и авиастроение). Небольшими размерами строительных фирм обусловлен также и их относительный консерватизм – сравнительно медленное внедрение новых материалов, связанное с неспособностью к крупным инновационным капиталовложениям. Однако даже небольшие изменения в эффективности используемых в строительстве материалов и технологий оборачиваются чрезвычайно большим экономическим, экологическим, энергетическим эффектом. Поэтому обязательной становится выработка рациональной политики государства, направленной на поддержку инновационного развития строительных предприятий.

Перечисленные выше технологии уже находят свое применение в строительной индустрии. Заглянем, однако, немного дальше – на 10–15 лет вперед. Сегодня мы наблюдаем изменение размеров различных сенсоров, способных к автономной работе и к объединению в беспроводные сети. А теперь представьте подобную сеть, внедренную в дорожное покрытие, конструкцию здания или моста. Подобные «умные» конструкции будут способны осуществлять само мониторинг – нанодатчики температуры, давления, механических напряжений вовремя сообщат в эксплуатационные службы о развитии трещин в материале, позволяя сэкономить большое количество трудодней обслуживающего персонала и значительно увеличить безопасность конструкций. Нанодетекторы способны не только контролировать состояние самой конструкции, но и ее окружения. Дома, способные «чувствовать» присутствующих в них людей, или дороги, определяющие нарушение скоростного режима, движущегося по ним транспорта, могут послезавтра стать нашей реальностью.

Контроль качества наноструктурированных бетонов

При контроле качества нанобетона определяется, насколько этот строительный материал соответствует заданным показателям. Для нанобетонов важнейшим показателем является прочность на сжатие – главное физико-механическое свойство материала.

Морозостойкость и водонепроницаемость – это эксплуатационные свойства нанобетона. Они важны в тех случаях, когда бетонные конструкции контактируют с водой или попеременно замораживаются и оттаивают в условиях насыщения бетона влагой. Контрольные образцы, изготовленные на заводе или отобранные перед заливкой непосредственно на строительной площадке, испытывают в специальных лабораториях.

Основные показатели качества нанобетона

Главный показатель качества – прочность на сжатие. При контроле однородности и прочности определяются средние показатели относительно нормируемых значений. В ходе этой проверки выделяют анализируемый и контрольный периоды.

Первый занимает по срокам 1-2 месяца и предназначается для формирования статистических показателей. Чтобы получить статистические данные, отобранные пробы объединяют в серию образцов, а серии комплектуются в партии. Второй период осуществляется непосредственно на производстве и занимает по времени 2 недели или 1 месяц.

Как осуществляется контроль

Образцы лучше всего изготовлять в чугунных или стальных разъемных формах, отшлифованных внутри. Формовать смесь и уплотнять ее в образцах следует в условиях лабораторной виброплощадки.

Из всех партий нанобетона берут минимум две пробы из различных замесов и хотя бы одну суточную пробу – сразу на производстве. Количество проб берется одинаковое из всех партий на протяжении всего контролируемого периода.

Помимо изготовления образцов, прочность нанобетона можно определить непосредственно в конструкции неразрушающими методами. Для этого используют приборы механического и электронно-акустическогодействия. Чтобы определить плотность нанобетона, дефектные образования, влажность, используют рентгеновскую и радиометрическую аппаратуру, магнитные и электромагнитные методы, а также люминесцентные и цветные дефектоскопы.

Также распространено ультразвуковое исследование. Ультразвуковыми переносными приборами определяют физико-механические свойства нанобетона.