все записи



Дата: 14.07.2008
«Вестник строительного комплекса» № 56
Рубрика: ***

НАНОТЕХНОЛОГИИ В ПЛАСТИФИКАЦИИ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ


                                                                        М.Н. Ваучский профессор ВИТУ,

                                                    доктор технических наук, академик МАНЭБ

 

В настоящее время уже существуют и продолжают разрабатываться рецептуры высокопрочных бетонов для подземного и высотного строительства [1, 2, 3, 4]. Средняя прочность таких бетонов достигает 100 МПа при подвижности смеси П 4. При стандартном коэффициенте вариации 13,5 % это класс В75, а при снижении коэффициента вариации – В80 или даже В90.

Приготовить такой бетон без использования крупного карьерного песка, используя местный намывной песок, или превратить этот бетон в самоуплоняющийся, безусловно, заманчиво и экономически оправдано. Год назад это было практически невозможно, а сегодня – вполне реально.

Примерно 10 лет назад автор этой статьи познакомился с Андреем Николаевичем Пономаревым. У меня были разработки по высокопрочным фибробетонам, а у Пономарева – производство нанокластеров углерода. В результате общения появилась сумасшедшая по тем временам идея: «засунуть» эти кластеры в бетон и посмотреть, что получится. Стоили  тогда нанокластеры очень дорого, но уж очень хорошо зарекомендовали себя при легировании некоторых металлов, стекла и пластиков. Результаты экспериментов с бетонами превзошли все ожидания. Оказалось, что гомеопатические дозы углеродных нанокластеров (тысячные и десятитысячные доли процента) могут кардинально изменить свойства бетонов и растворов. Так родился зонтичный патент представленный на рисунке 1 и появился термин нанобетон.

Патент имеет расширенную формулу (рисунок 2), закрывающую всю область строительных композиций на основе минеральных вяжущих, модифицированных нанокластерами углерода. В последнее время на страницах научно-технических и научно-информационных журналов, а также в докладах на конференциях, все чаще мелькают сообщения об использовании для улучшения свойств бетона различных наномодификаторов. В некоторых случаях речь идет об “утках” или преувеличениях, когда желаемое выдается за действительное, но все чаще, встречаются случаи явного или скрытого плагиата, а иногда и прямого нарушения патентного законодательства.

Причина такой настырности кроется не только в моде на нанотехнологии, но и главным образом в том, что благодаря ничтожно малой доле нанокластеров углерода у бетона действительно улучшается целый ряд свойств. Существенно увеличивается прочность, в несколько раз возрастает ударная вязкость, качественно изменяется характер кристаллизации цементного камня. На рисунке 3 приведены фотографии микроструктуры цементного камня, сделанные при помощи электронного микроскопа. На левой показана микроструктура обычного цементного камня, а на правой (при том же увеличении) – микроструктура, образовавшаяся после введения в бетонную смесь гомеопатической дозы углеродных нанотрубок. В данном случае имеет место эффект направленной кристаллизации гидросиликатов и гидроалюминатов кальция на зародышах, роль которых играют углеродные нанотрубки [5].

К сожалению, не смотря на ряд уникальных эффектов, широкого внедрения наномодификаторов в производство строительных материалов тогда не произошло. Во-первых, кластеры стоили очень дорого, и даже гомеопатическая дозировка приводила к существенному удорожанию. Во-вторых, возникла производственная проблема: как равномерно распределить несколько граммов кластеров в кубическом метре бетонной смеси? Углеродные нанокластеры не растворяются в воде. Можно создать суспензию в щелочном растворе, но она быстро оседает. Для промышленного производства это непригодно.

Попробовали наносить углеродные нанокластеры на поверхность базальтовой микрофибры. Получилось. На рисунке 4 представлена фотография моста через Волгу в районе г. Кимры, реконструкция которого закончилась в ноябре 2007 года. Покрытие этого моста выполнено из легкого конструкционного фибробетона на основе базальтовой микрофибры, модифицированной нанокластерами углерода.

Известно, что мостостроение является одной из самых консервативных областей строительной отрасли. Обычно, на согласование каких-либо изменений в конструкции моста, касающихся строительных материалов, уходит много лет. Данный случай можно считать исключением из этого правила. В процессе реконструкции, после сокращения числа опор и вызванного этим увеличения длины пролетов, оказалось, что покрытие, выполненное из обычного бетона, чрезвычайно утяжеляет конструкцию. Положение изменило применение легкого фибробетона класса В30 с увеличенной прочностью на растяжение. Это позволило снизить собственный вес покрытия более чем на треть! Километровый мост – это уже серьезный аргумент, но еще не революция.

А в этом году, эволюционно накапливающиеся изменения, наконец, достигли критической массы, и произошел революционный скачок. Благодаря смелой идее талантливого химика Михаила Евгеньевича Юдовича мы научились получать водный раствор аддуктов углеродных нанокластеров. Если микродозу такого раствора смешать с пластифицирующей добавкой, то пластифицирующая и водоредуцирующая эффективность этой добавки весьма существенно усилится.

Разумеется, за короткий срок мы не могли проверить все пластифицирующие добавки – их сотни. Да этого и не требовалось. Мы модифицировали слабейшую из имеющихся на Санкт-Петербургском рынке пластифицирующую добавку – “Актипласт” и сильнейшую – “Зика Вискокрит”. Параллельно, на Полипласте под руководством Любови Дмитриевны Соловьевой попробовали модифицировать их пластифицирующие добавки на основе суперпластификатора С-3. Кардинальное усиление пластифицирующих и водоредуцирующих свойств наблюдалось во всех случаях. Суперпластификаторы превращались в гиперпластификаторы.

На рисунке 5 приведены результаты экспериментов с “Актипластом”. После добавления гомеопатической дозы нашей присадки добавка четвертой категории приобрела свойства суперпластификатора. При этом вклад присадки в пластификацию бетонной смеси в три раза превысил собственное действие пластифицирующей добавки. Если в бетонную смесь с В/Ц = 0,48, имеющую подвижность 3 см ввести добавку “Актипласт”, то подвижность смеси увеличивается до 8 см. Малоподвижная бетонная смесь превращается в подвижную. При добавке “Актипласта”, модифицированного аддуктом фуллероидных нанокластеров углерода, подвижность смеси увеличивается до 21 см. Малоподвижная смесь превращается в литую. Для получения аналогичного эффекта путем разбавления смеси водой требуется увеличить В/Ц с 0,48 до 0,60. При одинаковой подвижности прочность бетона, полученного из модифицированной смеси, в 2 раза выше, чем из контрольной.

Следует отметить, что аддукты фуллероидных нанокластеров углерода сами по себе не являются пластифицирующими добавками. При их введении в бетонную смесь без пластифицирующей добавки подвижность не изменяется. По сути - это легирующая присадка к пластифицирующим добавкам, позволяющая весьма существенно усиливать их свойства. При этом усиливающее действие присадки находится в прямой зависимости от величины собственных пластифицирующих и водоредуцирующих свойств модифицируемой добавки.

Обобщение данных, полученных в ходе экспериментов с разными пластифицирующими добавками, позволило сделать следующие выводы. Максимальная эффективность увеличения пластифицирующих и водоредуцирующих свойств (до трехкратной) наблюдается при модификации наиболее слабых добавок. Несколько меньшая (примерно в полтора раза, или на одну категорию) – при модификации суперпластификаторов. Минимальный, но тем не менее весьма существенный эффект наблюдается при модификации гиперпластификаторов, которые, казалось бы, улучшать дальше некуда.

В одном из опытов с гиперпластификатором “Зика Вискокрит” результат оказался отрицательным. Общеизвестно, что дозирование химических добавок осуществляется в процентах от массы цемента по сухому остатку. Но углеродные нанокластеры это не химическая добавка. Это присадка к добавке. Значит, дозировать ее надо от расхода добавки, а цемент тут не при чем. В результате дополнительных экспериментов, была получена зависимость, которая приведена на рисунке 6. Оказалось, что, с учетом экономической и технологической точек зрения, количество присадки должно составлять 2 % от сухого остатка пластифицирующей добавки. Как правило, это не превышает 10 г/м3 бетона. Последующие эксперименты с другими пластифицирующими добавками показали, что данная зависимость имеет не частный, а общий характер, распространяясь на пластификаторы различной химической природы.

Таким образом, раньше существовали четыре категории пластифицирующих добавок и внекатегорийные гиперпластификаторы. Теперь практически любую пластифицирующую добавку можно легко превратить в суперпластификатор, а любой суперпластификатор – в гиперпластификатор. То есть, теперь будет только две категории пластифицирующих  добавок: “супер” и “гипер”. Для этого необходимо всего около 10 граммов присадки на кубический метр бетона.

Кроме изменения общепринятой классификации пластифицирующих и водоредуцирующих добавок это позволит решить несколько серьезных проблем, возникших в последнее время у Санкт-Петербургских производителей бетонных смесей. Не секрет, что большая часть бетонных заводов Санкт-Петербурга работает на намывном песке. Раньше модуль крупности этого песка незначительно превышал 2, что позволяло относить его к пескам средней крупности. В последнее время модуль крупности намывного песка стал существенно меньше 2, что переводит его в категорию мелких песков. В соответствии с действующими нормативными документами [6] такой песок можно использовать для бетона класса не выше В15.

 Разумеется, практически, на мелком песке можно приготовить бетон и более высоких классов, что сейчас и делается, но это приводит к перерасходу цемента, а значит весьма существенно увеличивает себестоимость бетона. В случае замены обычных пластифицирующих добавок на гиперпластификаторы, перерасхода цемента не будет, но себестоимость бетона все равно увеличится за счет несоразмерно высокой стоимости гиперпластификаторов (стоимость импортного гиперпластификатора “Зика Вискокрит” вчетверо превышает цену отечественного суперпластификатора С3).

Если вместо импортных гиперпластификаторов на поликарбоксилатной основе использовать отечественные суперпластификаторы с нафталин-формальдегидной основой, модифицированные присадкой аддукта фуллероидных нанокластеров углерода, на мелком песке можно будет приготавливать даже высокопрочные бетоны. Сейчас, с развитием высотного и подземного строительства, где жизненно необходимы высокопластичные бетонные смеси, это становится особенно актуальным.


Полная или частичная перепечатка материалов - только с письменного разрешения редакции!


«« назад