Высокоэффективный тяжелый бетон с использованием углеродсодержащего модификатора

Актуальной задачей строительной индустрии является снижение расхода цемента в производстве бетонных смесей. Цель исследования заключается в оптимизации структуры бетонного камня путем подбора гранулометрического состава компонентов, вплоть до наноразмерных величин. К подобным микронаполнителям относятся микрокремнезем, метакаолин, золы, нанографит/графен и т.д. Перспективным направлением является получение добавок комплексного действия – обладающих пластифицирующей способностью, а также содержащих в своем составе тонкодисперсные наполнители, образующие соединения с вяжущими свойствами. При помощи ультразвуковой ванны с генератором мощностью 80 Вт была выполнена диспергация в водной среде терморасширяющегося графита и его ультразвуковая обработка. Анализ гранулометрического состава графитсодержащей суспензии проводился на лазерном дифракционном приборе измерения размера частиц FritschNanoTeс с блоком диспергирования в жидкой среде (диапазон измерения от 0,01 до 2100 мкм). Микроскопическое исследование проводилось  с  применением  сканирующего  (растрового)  электронного  микроскопа  TESCAN Mira 3 с диапазоном увеличения до 1 000 000 крат. В статье приведены данные исследований физико-механических характеристик тяжелого бетона с введением модифицированного окисленного терморасширяющегося графита. Представлены результаты микроскопического анализа и изучения гранулометрического состава графитсодержащей суспензии. Проведенные исследования свидетельствуют об эффективности ультразвуковой обработки графитсодержащей суспензии и ее влиянии на прочностные характеристики бетона. Представленные результаты позволяют сделать вывод о возможности применения ультразвуковой обработки для дополнительного измельчения частиц графита в графитсодержащей суспензии и об улучшении физико-механических характеристик бетонного камня при введении данной суспензии в его состав.

1. Pan Z., He L., Qiu L., Korayem A. H., Li G., Zu J. W., et al. Mechanical properties and microstructure of a grapheme oxide – cement composit // Cement and Concrete Composites. 2015. Vol. 58. p. 140-147. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2015.02.001.

2. Chuah S., Pan Z., Sanjaan J. G., Wang C. M., Duan W. H. Nano reinforced cement and concrete composites and new perspective from grapheme oxide // Construction and Building Materials. 2014. Vol. 73. p. 113-124. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2014.09.040.

3. Миляев И. В. Оптимизация свойств модифицированного цементного камня // Научный вестник ВГАСУ. 2009. № 5. С. 102–104.

4. Федорова Г. Д., Александров Г. Н., Смагулова С. А. Исследование устойчивости водной суспензии оксида графена // Строительные материалы. 2015. № 2. С. 15–21.

5. Федорова Г. Д., Александров Г. Н., Смагулова С. А. К вопросу применения оксида графена в цементных системах // Строительные материалы. 2016. № 1-2. С. 21–26.

6. Moxmmed A., Sanjayn J. G., Duan W. H., Nazari A. Incorporating grapheme oxide in cement composites: A study of transport properties // Construction and Building Materials. 2018. Vol. 84. p. 341-347. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.01.083.

7. Sedaghat A., Ram M. K., Zayed A., Kamal R., Shanahan N. Investigation of Physical Properties of Graphene-Cement Composite for Structural Applications // Open Journal of Composite Materials. 2014. Vol. 4. № 1. p. 41685. https://doi.org/10.4236/ojcm.2014.41002.

8. Баженов Ю. М., Алимов Л. А., Воронин В. В. Развитие теории формирования структуры и свойств бетонов с техногенными отходами // Известия вузов. Строительство. 1996. № 4. С. 55–58.

9. Al Muhit B. A., Nam B. H., Zhai Lei, Zuyus J. Effects of microstructure on the compressive strength of graphene oxide-cement composites // Nanotecnology in Construction. 2015. URL: https://pantherfile.uwm.edu/sobolev/www/NICOM-5/13_Nam.pdf (23.11.2015).

10. Хархардин А. Н. Структурная топология дисперсных систем взаимодействующих микро- и наночастиц // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2011. № 5. С. 119–125.

11. Raki L., Beaudoin J. J., Alizadeh R., Makar J. M., Sato T. Cement and concrete nanoscience and nanotechnology // Materials. 2010. Vol. 3. p. 918-942. https://doi.org/10.3390/ma3020918.

12. Horszczaruk E., Mijowska E., Kalenczuk R. J., Aleksandrzak M., Mijowska S. Nanocomposite of cement/graphene oxide - Impact on hydration kinetics and Young’s modulus // Construction and Building Materials. 2015. Vol. 78. p. 234-242. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2014.12.009.

13. Wang Q., Wang J., Lu C., Lie B., Jang R., Li C. Influence of grapheme oxide additions on the microstructure and mechanical strength of cement // New Carbon Materials. 2015. Vol. 30. Iss. 4. p. 349-359. https://doi.org/10.1016/S1872-5805(15)60194-9.

14. Pan Z., Duan W. H., Li D., Collins F. Graphene oxide reinforced cement and concrete. Patent WO2013096990A1. Declared 21.12.2012. Published 04.07.2013.

15. Selezneva O., Orlov М., Shustov P. Oxidized thermally expanded graphite as a raw material for the production of cement composites // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. International Scientific Conference "Investments. Construction. Real estate: new technologies and targeted development priorities-2020" (Irkutsk, 23–24th April 2020). Vol. 880. Irkutsk, 2020. p. 012019. https://doi.org/10.1088/1757-899X/880/1/012019.

16. Кожухова Н. И., Бондаренко А. И., Строкова В. В. Зависимость механизма структурообразования от химического состава как ключевого фактора вяжущей системы // Строительный комплекс России. Наука. Образование. Практика: мат-лы междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 50-летию Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления и строительного факультета (г. Улан-Удэ, 11–14 июля 2012 г.). Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ, 2012. С. 162–164.

17. Фаликман В. Р. Наноматериалы и нанотехнологии в современных бетонах // ALITinform: Цемент. Бетон. Сухие смеси. 2011. №5-6. С. 34–48.

18. Voiry D., Yang J., Kupferberg J., Fullon R., Lee C., Jeong H. Y., et al. High-quality graphene via microwave reduction of solution-exfoliated graphene oxide // Science. 2016. Vol. 353. Iss. 6306. p. 1413-1416. https://doi.org/10.1126/science.aah3398.

19. Орлов В. С., Селезнева О. И., Шустов П. А. Структура и гранулометрический состав углеродсодержащей добавки в тяжелых бетонах // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2020. Т. 10. № 4. С. 594–601. https://doi.org/10.21285/2227-2917-2020-4-594-601.