автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Конструкционные сталефибробетоны, модифицированные комплексными углеродными микро- и наноразмерными добавками

и

Алаторцева Ульяна Владимировна

КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛЕФИБРОБЕТОНЫ, МОДИФИЦИРОВАННЫЕ КОМПЛЕКСНЫМИ УГЛЕРОДНЫМИ МИКРО- И НАНОРАЗМЕРНЫМИ ДОБАВКАМИ

Специальность 05.23.05 - «Строительные материалы и изделия»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

О 3 013 2311

Волгоград - 2011

4853684

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель: - доктор технических наук, доцент

Перфилов Владимир Александрович

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Защита состоится 17 февраля 2011 г. в 10-00 часов в ауд. Б-203 на заседании диссертационного совета Д. 212.026.04 при ГОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

Автореферат разослан 14 января 2011г.

Бочарников Александр Степанович ГОУ ВПО Липецкий государственный технический университет (г. Липецк)

кандидат технических наук, доцент Григорьевский Вадим Васильевич ГОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет (г. Волгоград)

Ведущая организация: - ГОУ ВПО «Московский государственный

строительный университет» (г. Москва)

Ученый секретарь диссертационного совета

Акчурин Т.К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время высококачественные бетоны становятся всё более востребованы в строительной отрасли в связи с различными современными конструкторскими решениями, новыми видами зданий и сооружений, а так же нестандартными архитектурными формами,- наличие которых предполагает применение высокопрочных бетонов, в том числе сталефиб-робетонов.

К числу основных проблем внедрения сталефибробетона в России можно отнести более высокую исходную цену по сравнению с обычным бетоном и относительно небольшое увеличение прочности на сжатие при значительном увеличении прочности на растяжение при изгибе. Достигнуть увеличения прочности сталефибробетона возможно за счет увеличения объемного содержания дорогостоящей стальной фибры (более 2.5 % на 1м3 бетонной смеси) при понижении удобоукладываемости смеси в виду комкования фибры с образованием «ежей». При этом стальная фибра позволяет увеличить прочность и тре-щиностойкость фибробетона только на макроуровне.

С целью обеспечения необходимой удобоукладываемости фибробетонной смеси и достижения бетонной матрицей высокой прочности необходимо использовать различного рода модифицирующие добавки, включая комплексные. Применение модифицирующих добавок способствует уплотнению структуры матрицы на микро, а иногда и наноуровне.

В качестве компонентов модифицирующих добавок широко развивается область по утилизации отходов, которая дает возможность применять большие залежи, в основном, отходов теплоэнергетики при производстве строительных материалов. В частности, при сжигании твердого и жидкого топлива в котлах образуются продукты неполного сгорания топлива - мелкодисперсные сажистые и золовые отложения. Проведены многочисленные исследования по применению золошлаковых отходов при производстве строительных материалов. Влияние сажевых отходов на свойства фибробетонных смесей практически не оценивалось. Сажа (технический углерод) - высокодисперсный аморфный углеродный продукт с размерами частиц 13-120 нм. Использование отходов в виде тонкодисперсной сажи при изготовлении фибробетонов позволит снизить себестоимость производства, а ее применение в комплексе с суперпластифицирую-щей добавкой, вероятно, позволит увеличить прочность сталефибробетона за счет упрочнения бетонной матрицы на микроуровне.

Другой формой твердого углерода являются фуллерены. Однако в настоящее время влияние углеродных кластеров на модификацию бетонов практически не изучено.

Последнее двадцатилетие активно развивается нанохимия и нанотехноло-гия. Применение наночастиц нашло своё место и в технологии строительных материалов. Очевидными преимуществами бетонов, модифицированных углеродным наноматериалом, являются значительное увеличение прочности на сжатие и изгиб, увеличение морозостойкости и водонепроницаемости за счет уплотнения структуры бетонов. При введении в смесь наноразмерные частицы

играют роль зародышей структурообразования, наноармирующего элемента, центров зонирования новообразований в матрице.

Проведенные ранее исследования показали перспективность применения фуллеренов в качестве модификаторов с целью регулирования и управления структурообразованием на микро- и наноуровнях. Однако экспериментальные исследования в области наномодификации требуют дальнейшего изучения и углубления знаний о влиянии комплексного наномодификатора на свойства и структуру не только тяжелых бетонов, но и специальных бетонов, в том числе и фибробетонов.

Цель работы - получение модифицированной фибробетонной смеси, направленное на улучшение физико-механических свойств за счет компонентов, упрочняющих структуру фибробетона на микро- и наноуровнях.

Для решения поставленной цели решались следующие задачи:

- изучить влияние комплексных модифицирующих добавок, включающих технический углерод (сажа) и пластификатор, на свойства цементно-песчаного раствора.

- исследовать влияние параметров армирования на макроструктуру и свойства сталефибробетона.

- определить влияние комплексной модифицирующей добавки, включающей сажевые отходы, и макроупрочнителя в виде фибры «Миксарм» на кинетику роста прочности фибробетона.

- исследовать влияние нанодобавки «Таунит», суперпластификатора и совместное действие вышеперечисленных добавок на свойства фибробетонной смеси и получаемого фибробетона, а также на их структуру.

- разработать новые составы и технологии изготовления фибробетонов, модифицированных комплексными добавками.

- разработать практические рекомендации по применению фибробетонной смеси с макроупрочнителем из стальной фибры «Миксарм» и комплексными нанодобавками.

Научная новизна работы:

- произведено теоретическое и экспериментальное обоснование применения комплексных модифицирующих углеродных микро- и наноразмерных добавок, упрочняющих структуру фибробетонов.

- экспериментально подтверждена возможность применения комплексной модифицирующей добавки, включающей углеродный наномодификатор «Таунит» при изготовлении сталефибробетона и раствора. Исследовано влияние комплексных модифицирующих добавок на физико-механические свойства раствора и сталефибробетона.

- обоснована эффективность применения сажи (углерода технического), являющейся отходом теплоэнергетики, в качестве составляющей комплексной модифицирующей добавки для цементно-песчаной смеси и сталефибробетона.

- разработаны новые составы сталефибробетона с комплексными модифицирующими добавками, включающие в свой состав углеродный наноматери-ал «Таунит».

- предложена технология изготовления сталефибробетонов с использова-

нием комплексных модифицирующих добавок.

Практическая значимость работы:

- разработаны составы сталефибробетона с комплексными модифицирующими добавками и легкого жаростойкого фибробетона. Получено два патента на изобретение РФ (№ 2361847,2386599);

- Разработаны практические рекомендации по применению фибробетонн-ной смеси с упрочнителем из фибры «Миксарм» и нанодобавками.;

На защиту выносится:

- теоретическое и экспериментальное обоснование применения комплексных модифицирующих углеродных микро- и наноразмерных добавок, упрочняющих структуру фибробетонов.

- результаты исследований зависимостей основных физико-механических свойств и структуры цементно-песчаных растворов и сталефибробетонов от вида и количества комплексных модифицирующих углеродных микроразмерных добавок и параметров армирования.

- оптимальные составы сталефибробетона с комплексными модифицирующими добавками, включающие в свой состав углеродный наноматериал «Таунит».

- результаты оценки влияния нанодобавки «Таунит», суперпластификатора и совместное действие вышеперечисленных добавок на свойства фибробетон-ной смеси и получаемого фибробетона, а также на их структуру.

- технология приготовления модифицированной фибробетонной смеси с использованием комплексных модифицирующих добавок

Реализация работы:

- практические рекомендации и результаты проведенных исследований применялись при расчете составов фибробетонов для бетонирования полов яхт-клуба, расположенного по адресу: 400007, г. Волгоград, нижняя терраса Крас-нооктябрьского района, на улице Матевосяна. Экономический эффект от применения разработанных составов фибробетонов с учетом значительного сокращения расхода цемента и арматурных каркасов составляет 101 640 (сто одна тысяча шестьсот сорок) рублей при площади напольного покрытия 840 м3;

- разработанный состав сталефибробетона с применением фибры «Миксарм» и комплексной добавкой включающей, технический углерод и суперпластификатор «СП-3» использовался при устройстве полов промышленного здания в г. Волгоград по адресу: Аптечный проезд, 1 пункт «Волгофарм». Экономический эффект от применения сталефибробетона составил 40440 рублей, за счет отказа от использования стержневой арматуры и арматурных работ, а как следствие снижение материалоемкости и трудоемкости. Площадь уложенного покрытия составило 240 м3;

Достоверность результатов работы обеспечена:

- комплексом исследований с применением стандартных поверенных средств измерений и современных приборов неразрушающего контроля для определения прочности (ультразвуковой прибор Пульсар-1.2.), а для ускоренного определения морозостойкости использовался прибор «Бетон - Фрост»;

- применением современных методов исследований, математических ме-

тодов обработки экспериментальных данных;

- опытными испытаниями большого количества различных видов и составов растворов и фибробетонов с использованием эффективных комплексных микро- и наномодификаторов;

- исследованием микро- и наноструктуры разработанных составов растворов и фибробетонов с использованием современных компьютеризированных оптических приборов: цифровой микроскоп «Альтами LCD», сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) Nanoeducator (NT-MDT),

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на: Втором Международном форуме по нанотехнологиям (6-8 октября, 2009 г. -Москва: ГК Роснанотех); Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Проведение научных исследований в области индустрии наносистем и материалов» (12-16 ноября, 2009г. - Белгород: БелгГУ); 66-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР университета за 2008 год «Аюуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика» (г. Самара, 2009 г.); 5-й Мезвдународной научной конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» (г. Волгоград, 2009 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Нанотехнологии и нано материалы: современное состояние и перспективы развития в условиях Волгоградской области» (г.Волгоград, ВолгГУ , 2009 г.); 6-й Международной научной конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды» (Волгоград: ВолгГАСУ,

2008 г.); 3-й Всероссийской научно-практической конференции «Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса региона» (г. Михайловка, Волгоградской области, 2009 г.), Международной конференции «Неделя строительных материалов, посвященная 65-летию образования строительно-технологического факультета МГСУ (г. Москва: МГСУ,

2009 г.).

Публикации. Результаты диссертационной работы и выполненных исследований изложены в 17 публикациях, в том числе: 3 работы опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях определенных ВАК, 2 технических условий ТУ 574510-001-02068077-2008 и ТУ 574510-00202068077-2008 и 2 патента на изобретения РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы, включающего 122 наименования, и приложения. Содержит 151 страницу машинописного текста, в том числе 27 рисунков и 41 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность, научная новизна и практическая значимость диссертационной работы. Сформулированы цель и задачи исследований.

В первой главе представлен анализ литературных источников в области дисперсно-армированных бетонов. Опыт их практического применения свидетельствует о том, что при введении стальных волокон (фибры) в бетон улуч-

шаются основные характеристики по сравнению с исходным бетоном. Улучшаются механические свойства, повышается эксплуатационный срок службы конструкций, что позволяет добиться значительного экономического эффекта.

В разработку и исследования свойств сталефибробетона в России внесли значительный вклад: Баженов Ю.М, Бочарников A.C., Волков И.В., Гулимова Е.В., Копацкий A.B., Крылов Б.А., Курбатов Л.Г., Лобанов И.А., Малышев В.Ф., Моргун Л.В., Пухаренко Ю.В., Рабинович Ф.Н, Романов В.П. и другие.

Проанализированы источники образования отходов теплоэнергетики и рассмотрены пути их утилизации в качестве тонкодисперсных углеродных модифицирующих добавок при производстве строительных материалов.

Для получения высокопрочных бетонов, которые отвечали бы требованиям современного строительства выявлена необходимость подбора оптимальных составов фибробетонов с минимальным расходом дорогостоящего макроупрочнителя, а также исследования различных модификаторов специального назначения, с использованием которых возможно улучшение физико-механических свойств сталефибробетонов за счет упрочнения структуры фиб-робетона на микро- и наноуровнях.

Проанализированы источники образования отходов теплоэнергетики и рассмотрены пути их утилизации в качестве тонкодисперсных углеродных модифицирующих добавок при производстве строительных материалов.

Проведена предварительная оценка целесообразности применения углеродных наноматериалов при разработке новых составов бетонов с улучшенной структурой и свойствами. Подбор составов бетонов с использованием наномо-дификаторов на данный момент находится в начальной стадии разработок, как и технология равномерного распределения нанодобавки. В технологии строительных материалов работы Пономарева А.Н., Пухаренко Ю.В., Юдовича М.Е., Комохова П.Г. и других показали положительный эффект от введения нанораз-мерных частиц. В связи с чем, выявлена необходимость проведения экспериментальных исследований с целью изучения влияния наномодификатора на свойства и структуру цементных бетонов, в том числе и фибробетонов. Требуется расширить знания в области физико-механических свойств и формирования структуры фибробетонов с использованием в качестве модификаторов углеродных микро-и наноразмерных добавок.

Во второй главе представлены характеристики исходных материалов, а также оборудование и методики, отвечающие нормативной документации, соответствующие современному уровню исследований и обеспечивающие достоверность полученных результатов.

В диссертационной работе при проведении эксперимента использовались следующие материалы:

- портландцемент с минеральными добавками Себряковского цементного завода;

- щебень габбро-диабаз ОАО «Орского карьероуправления» фракции 5-20 мм;

- кварцевый песок двух карьеров: ООО «Волгоградский карьерный союз» и ЗАО «Орловский песчаный карьер»;

- в качестве пластифицирующих добавок применялись: Полипласт «СП-3», пластификатор «Д-11», «С-3»;

- в качестве углеродистых добавок использовали тонкоизмельченный порошок технического углерода (сажа) следующих марок: П234 и П324 ОАО «Волгоградского завода технического углерода» и углеродный наномодифи-катор «Таунит» ООО «НаноТехЦентр» Тамбовского государственного технического университета;

- в качестве макроармирующих волокон применялась фибра с конусообразными анкерам «Миксарм» на основе стальной проволоки, выпускаемой ОАО «Северсталь-метиз».

В качестве стандартного применялось следующее оборудование разрушающего контроля: пресс гидравлический ВМ-3.5 мощностью 1000 кН и стандартная испытательная машина, оборудованная дополнительным перераспределяющим устройством высокой жесткости типа «кольцо» для определения трещиностойкости.

Для изучения структуры контрольных образцов применяли цифровой микроскоп «Альтами LCD» и сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) Nanoeducator (NT-MDT).

При проведении эксперимента использовали современные приборы не-разрушающего контроля фирмы НПП «Интерприбор». Для определения прочности ультразвуковым методом применяли измеритель времени распространения ультразвука «Пульсар -1.2». С помощью современного прибора «Бетон -Фрост» проводили испытания по ускоренному методу определения морозостойкости контрольных образцов.

В третьей главе рассмотрены принципы структурообразования сталефиб-робетона, как композиционного материала, которые разделены на три уровня: макроскопический, микроскопический и наноуровень. Установлено, что стальная фибра является не единственной структурообразующей составляющей и влияет на свойства и структуру сталефибробетона, в основном, на макроуровне. Другими, не менее важными составляющими являются комплексные модифицирующие добавки, включающие в свой состав суперпластификатор и углеродистые добавки (технический углерод или углеродный наномодификатор «Таунит»), которые позволяют управлять структурообразованием и влиять на свойства фибробетонов на микро- и даже наноуровнях.

Исследованы процессы модифицирования цементно-пссчаной смеси с помощью комплексных добавок, включающих в свой состав: технический углерод, суперпластификатор «СП-3», пластификатор «Д-11», суперпластификатор «С-3». Установлено, что влияние модифицирующих добавок «Д-11», «С-3» в комплексе с добавкой технического углерода позволяет получить наибольшие результаты по прочности по сравнению с контрольными образцами при применении каждой из этих добавок в отдельности. Наибольшей прочностью обладает состав, модифицированный комплексной добавкой, включающей «Д-11» и технический углерод. Результаты влияния пластифицирующей добавки «Д-11» и комплексной добавки, включающей «Д-11» и технический углерод, на свойства цементно-песчаного раствора представлены в таблице 1.

Таблица 1

Влияние пластифицирующей добавки «Д-11» и комплексной добавки, включающей «Д-11» и технический углерод, на свойства цемснтно-песчаиого раствора_

№ п/п Количество добавки «Д-11», % от массы цемента Прочность цемент-ио-пссчаной смеси с «Д-11», МПа Количество комплексной добавки («Д-11»+Тсх.углсрод) в соотношении 1:1, % от массы цемента Прочность цементно- песчаной смеси с комплексной добавкой, МПа

Ири Ясж Яри Ясж

1 0 0.49 27.3 0 0.49 27.3

2 0.25 0.4 43.64 0.25 0.4 53.28

3 0.35 0.35 43.54 0.35 0.37 54.2

4 0.5 0.38 46.5 0.5 0.42 51.2

5 0.75 0.34 47.4 0.75 0.43 53.4

6 1.0 0.33 49.8 1.0 0.37 52.5

7 1.5 0.35 45.6 1.5 0.37 51.4

Использование технического углерода (сажи) при изготовлении фибробе-тонов позволяет утилизировать сажевые отходы теплогенерирующих установок и снизить себестоимость производства. Применение сажевых отходов повышает реологические свойства смесей при одновременном увеличении прочности фибробетонов.

Стальные волокна-фибры улучшают структуру бетона, препятствуя образованию полостей и трещин в цементном камне, блокируют развитие трещин, а следовательно повышают прочность и трещиностойкость бетона на макроуровне. Для оценки влияния геометрических размеров фибр на прочность фибробетона использовали фибру с различной относительной длиной. Результаты испытаний представлены в таблице 2.

Таблица 2

Влияние относительной длины стальных фибр _на прочность фибробетона_

Состав фибробетона Относительная длина фибры, Предел прочности при сжатии, МПа Предел прочности на растяжение при изгибе, МПа

Фибробетон с расходом фибры, составляющим 2,0 % от объема смеси 30 47,8 5,3 .

54 53,1 9,5

90 48,6 6,4

120 40,5 4,9

Анализ данных, представленных в таблице 2 показал, что наибольшей прочностью обладают фибробетоны при использовании стальных волокон с относительной длиной фибры, составляющей 54.

В настоящее время существует огромное многообразие фибр, которые различаются по: виду, форме, геометрическим размерам, механическим свойствам и стоимости. Наиболее эффективной для проведения экспериментов является фибра «Миксарм». Основным преимуществом данного вида фибр является ее форма (конусообразные анкеры), благодаря которой фибра имеет самый большой коэффициент удержания в бетоне 95 %. Также оптимальными являют-

ся и механические свойства данного вида фибр при относительно невысокой стоимости.

Дальнейшие экспериментальные исследования были направлены на подбор оптимального содержания фибровых волокон «Миксарм» и изучение свойств сталефибробетона в зависимости от их объемного количества в смеси. Влияние комплексной добавки и стальной фибры «Миксарм» на рост прочности фибробетонов в естественных условиях твердения представлено в таблице 3 и на рис. 1.

Таблица 3

Кинетика нарастания прочности фибробетонов во времени

№ соста- Объемный про- Предел прочности (МПа) в возрасте, сут

ва цент армирова-

ния 3 7 28

1. Эталон 0 3.49 3.52 4.1

34.35 40.4 44.2

2. 0.25 4.12 4.7 5.3

34.9 43.4 50.4

3. 0.5 5.1 5.4 5.7

35.1 44.1 52.2

4. 1.0 5.9 5.9 6.5

35.31 45.2 53.3

5. 1.5 6.2 6.81 7.9

37.1 47.5 55.8

6. 2.0 7.2 8Л 9.5

38.5 48.3 58.4

7. 2.5 7.5 8.3 10.1

35.1 41.2 50.1

Примечание: В числителе приведены значения прочности на растяжение при изгибе, в знаменателе - прочности на сжатие.

Рис. 1. Микрофотографии структуры фибробетона с фиброй «Миксарм» и комплексной модифицирующей добавкой, включающей пластификатор «Д-11» и технический углерод

Анализ полученных данных свидетельствует о том, что дисперсное армирование с объемным содержанием фибры от 1 % до 2.0 % приводит к увеличению прочности, как на сжатие, так и на растяжение при изгибе. Состав № б с объемным содержанием фибры 2 % от объема смеси является оптимальным. При увеличении расхода фибры до 2.5 % отмечено ее комкование, уменьшение прочности на сжатие и незначительное повышение прочности на растяжение при изгибе.

Стальные волокна «Миксарм», располагающиеся в модифицированной комплексной добавкой прочной цементно-песчаной матрице, заполняют пространство между зернами крупного заполнителя фибробетона. Это способствует перераспределению напряжений с менее прочной цементно-песчаной матрицы на более прочные фибровые волокна. В результате прочность контактной зоны «матрица-заполнитель-фибра» значительно возрастает, как на сжатие, так и на растяжение при изгибе. Ведение комплексной модифицирующей добавки в фибробетонную смесь способствовало повышению однородности и плотности микроструктуры цементно-песчаной матрицы и уменьшению микропор и микротрещин (рис.1).

В настоящей работе проведены исследования влияния комплексной добавки и стальной фибры «Миксарм» на кинетику нарастания прочности фибробетона во времени. Для повышения прочности на макроуровне вводилась стальная фибра «Миксарм» диаметром 1 мм и длиной 54 мм с анкерами на концах. Содержание фибр составило 1 -2 % от объема смеси.

В качестве модификатора применялась вышеуказанная комплексная добавка, включающая в свой состав пластификатор «Д-11» и технический углерод в соотношении 1:1, в количестве 0.75-1.5 % от массы цемента. Комплексную добавку растворяют в небольшом количестве воды затворения до получения однородного раствора. После предварительного перемешивания цемента, заполнителя, раствора комплексной и оставшейся воды затворения в бетоносмеситель вводят фибру «Миксарм». Конкретные составы комплексной добавки и макроупрочнителя в виде фибры «Миксарм» к фибробетонной смеси представлены в таблице 4.

Таблица 4

Составы комплексной добавки и количество упрочнителя в виде фибры «Миксарм»

к фибробетонной смеси

Составы фибробетонной смеси Содержание компонентов комплексной добавки, % от массы цемента Фибра «Миксарм», % от объема смеси

Пластификатор «Д-11» Технический углерод

1 0.375 0.375 1.0

2 0.5 0.5 1.5

3 0.75 0.75 2.0

Испытания на прочность при сжатии образцов-кубов проводили в ранние сроки твердения, начиная с 1 -х суток. Влияние комплексной добавки и макроупрочнителя в виде фибры «Миксарм» на рост прочности фибробетона в есте-

ственных условиях твердения представлено в таблице 5.

Таблица 5

Влияние комплексной добавки и макроупрочнителя в виде фибры «Миксарм»

Составы фибробетонной смеси Предел прочности при сжатии, МПа

Возраст фиб робетона, сут

1 3 7 28

1 14.3 31.2 45.7 53.4

2 18.5 34.6 49.8 55.8

3 21.6 38.2 51.2 57.4

Известный состав бетона 13.8-16.4 23.5-27.9 32.1-37.2 38.2-43.8

Данные представленные в таблице 5, показывают, что введение в фибро-бетонную смесь комплексной добавки, включающий пластификатор «Д-11» и технический углерод, а также стальные фибровые волокна «Миксарм», при указанных соотношениях входящих в нее компонентов способствует повышению прочности, в том числе и в ранние сроки твердения. Согласно составам № 1-3 увеличение прочности на сжатие в возрасте 28 суток составило 31-40 % по сравнению с известным составом. Нарастание прочности фибробетона при твердении в возрасте 1,3, 7 суток по сравнению с известным составом составило 31-38 %.

Оригинальная конструкция фибр «Миксарм» с анкерами на концах блокирует развитие макротрещин. Пластификатор «Д-11» и технический углерод позволяют снизить количество воды затворения, тем самым, уменьшить водо-цементное отношение смеси, что приводит к ускоренному увеличению прочности затвердевшего бетона. Комплексная добавка позволила модифицировать микроструктуру цементного камня за счет более быстрого и полного связывания гидросиликатов и гидроксидов кальция, что значительно снижает их растворимость и увеличивает скорость нарастания прочности.

Кроме того, исследовались процессы формирования структуры фибробетона на наиоуровне с помощью наноуглеродных модификаторов. В качестве модифицирующих добавок применялись суперпластификатор «СП-3» и углеродный наномодификатор «Таунит».

Сложность изготовления раствора с добавкой «Таунит» связана с тем, что углеродные нанотрубки нерастворимы в воде. Поэтому приготовление раствора нанодобавки «Таунит» осуществлялось с помощью ультразвукового дисперга-тора УЗД1-0.1/22 с частотой 22-26 кГц в течение 30 секунд.

Применение комплексной добавки, включающей углеродный наномате-риал «Таунит» и суперпластификатор «СП-3», повышает прочность раствора, а также позволяет усилить действия суперпастификатора при совместном введении его с углеродной нанодобавкой «Таунит».

Результаты экспериментальных исследований влияния нанодобавки «Таунит», суперпластификатора «СП-3» и совместное действие вышеперечисленных добавок на свойства раствора представлены в таблице 6 и на рисунке 2. В результате испытаний прочность на сжатие повысилась на 24 %, а прочность на растяжение при изгибе - на 16 % по отношению к образцам, включающим в

качестве добавки только суперпластификатор «СП-3».

Таблица 6

_Влияние модифицирующих добавок на свойства раствора_

№ п/п Вид и количество добавок Расилыв конуса, мм В/Ц Предел прочности (МПа) в возрасте, сут

СП-3, % от массы цемента «Таунит», % от массы цемента 3 7 28

1. 0 0 115 0.5 10.1 15.8 17.8 2.9

2. 0.5 0 115 0.42 11.8 19.9 22.23 3.8

3. 0 0.0002 115 0.48 10.7 17.9 19.7 3.2

4. 0.5 0.0002 115 0.4 12.86 21.0 27.52 4.4

Примечание: В числителе приведены значения прочности на сжатие, в знаменателе - на растяжение при изгибе

Влияние модифицирующих добавок на прочность раствора

Различные составы раствора

1-раствор без добавки;

2-раствор с добавкой «СП-3»;

3-раствор с добавкой «Таунит»;

4-раствор с комплексной добавкой;

Рис.2. Влияние добавок на прочностные характеристики раствора

Для изучения топологии поверхности скола растворных образцов с нано-добавкой «Таунит» и стандартных образцов проводились исследования на сканирующим зондовом микроскопе (СЗМ) №поес1иса1ог (Ы'Г-МОТ). который дает возможность, визуализировать и диагностировать образец с нанометровым уровнем пространственного разрешения.

На рисунках 3 и 4 показан общий вид исследуемой области и вид нано-рельефа поверхности скола растворных образцов. Наиболее высокие точки рельефа выделяются светлыми цветами, а углубления выглядят гораздо темнее.

Рис. 3. Топология поверхности скола стандартного образца раствора. Размер скана: 5.16 х 5.16 мкм

Рис. 4. Топология поверхности скола образца раствора с нанодобавкой «Таунит». Размер скана: 5.59 х 4.40 мкм

Микроскопический анализ показал, что введение в раствор углеродного наноматсриала «Таунит» приводит к изменению структуры поверхности скола контрольных образцов. При практически одинаковом размере сканирования, у образцов с нанодобавкой наблюдается более однородная упорядочная структура с ровной поверхностью скола. В образцах без добавки максимальная высота рельефа поверхности (шероховатость) наноструктурных элементов раствора составила 465 нм, а в образцах с комплексной наномодифицирующей добавкой, включающей нанотрубки «Таунит», - 146 нм. Это свидетельствует о том, что в образцах с нанодобавкой наблюдается более равномерная наноструктура гидросиликатов кальция с минимальной шероховатостью поверхности минералов.

Для подбора оптимального содержания углеродного наноматериала «Таунит» и изучения свойств раствора в зависимости от содержания данной добавки в комплексе с суперпластификатором «СП-3» проведены экспериментальные исследования, результаты которых приведены в таблице 7.

Анализ полученных экспериментальных данных свидетельствует о положительном влиянии комплексной модифицирующей добавки, включающей суперпластификатор «СП-3» и нанодобавку «Таунит» на прочностные характеристики растворов.

Таблица 7

Влияние комплексной добавки при различном содержании углеродных нанотрубок «Таунит»

на физико-механические свойства раствора

№ Вид и количество Предел прочности (МПа) в

п/п добавок Расплыв возрасте, сут

СП-3, «Таунит», конуса, В/Ц

% от массы % от массы мм 3 28

цемента цемента

1. 0 0 110 0.48 19.3 27.8

2. 0.5 0 108 0.4 22.8 29.7

3. 0.5 0.0005 107 0.4 23.1 30.2

4. 0.5 0.001 107 0.38 24.0 32.53

5. .0.5 0,005 107 0.38 23.3 33.2

6. 0.5 0,01 107 0.38 31.1 37.3

7. 0.5 0.05 107 0.38 33.0 38.7

8. 0.5 0.1 108 0.38 31.3 37.0

9. 0.5 1.0 108 0.38 35.9 37.4

Результаты исследований показали, что прочность на сжатие растворных образцов с комплексной добавкой увеличивается от 8.5 % до 39 % по сравнению с образцами без добавки. Максимальное значение прочности получено при концентрации наномодификатора 0.05 % от массы цемента, и увеличение составляет 39 %. Однако при концентрации 0.01 % углеродного наномодификатора «Таунит» прочность повысилась на 36 %, но расход добавки сократился в пять раз.

Исследовано влияние нанодобавки «Таунит» и суперпластификатора «СП-3» на подвижность фибробетонных смесей и прочности фибробетонов. Анализ результатов испытаний показал, что введение в смесь комплексной до-

бавки, включающей суперпластификатор «СП-3» и нанодобавку «Таунит», способствует увеличению прочности по сравнению с образцами без добавки или образцами только с суперпластификатором при одинаковой подвижности смеси.

Полученные данные также свидетельствует об усилении действия супер-пастификатора при совместном введении его с УНМ «Таунит». Основные результаты приведены в таблице 8.

Таблица 8

Влияние добавок «СП-3» и «Таунит» на прочность фибробетона

№ п/п Вид и количество добавок Предел прочности (МПа) в возрасте, сут

СП-3, % от массы цемента «Таунит», % от массы цемента 7 28

1. 0 0 . 35.1 40.1

2. 0.5 0 36.8 45.7

4. 0.5 0.0002 36.7 53.2

Для комплексной оценки влияния добавок «СП-3» и нанодобавки «Таунит» на прочность фибробетонов были проведены исследования с использованием методов математического планирования полного двухфакторного факторного эксперимента. В качестве факторов варьирования были выбраны: Х1 -расход пластифицирующей добавки «СП-3», в процентах от массы цемента (интервал варьирования составляет 0,25 %), Х2- расход нанодобавки «Таунит», в процентах от массы цемента (интервал варьирования составляет 0,045 %). При планировании эксперимента были приняты параметры оптимизации в виде показателей прочности: на сжатие - У, и на растяжение при изгибе - У2. В качестве стальной фибры применяли фибру с конусообразными анкерами «Мик-сарм» диаметром 1 мм и длиной 54 мм в количестве, составляющем 1 % от общего объема смеси.

В результате обработки матрицы математического планирования эксперимента получены уравнения регрессии, связывающие параметры прочности с совокупностью изменений характеристик его составляющих.

Уравнения регрессии К, =37,039+3,13-*, +26,61-Хг, (1)

Средняя ошибка аппроксимации 8 = 1%

Г2 = 5,466+1,27 -Х,+ 5,37-Х2, Средняя ошибка аппроксимации 3=1%

Согласно полученным уравнениям регрессии прочность фибробетона в значительно большей степени повышается с увеличением расхода нанодобавки «Таунит» при некотором возрастании расхода пластификатора.

В четвертой главе отображены области применения разработанного состава сталефибробетона с комплексной добавкой. Прочностные характеристики разработанного и заводского состава для изготовления плит аэродромных покрытий указаны в таблице 9. Приводится расчет технико-экономической эффективности. Для разработанного состава дополнительно определены такие показатели, как морозостойкость и водонепроницаемость. Результаты испытаний свидетельствуют о том, что состав фибробетона с комплексной добавкой, имеющий большую прочность и сравнительно низкую себестоимость, может применяться при изготовлении сборных аэродромных покрытий.

Таблица 9

Влияние комплексной добавки и фибры «Миксарм» на прочность фибробетона

Составы смеси Прочность при сжатии, МПа Прочность на растяжение при изгибе, МПа

Разработанный состав фибробетона 55.4 6.3

Заводской состав бетона 40.2 4.8

Проведены экспериментальные исследования трещиностойкости разработанных рецептурных составов, содержащих модифицирующие добавки. На основании результатов проведенных исследований установлено, что введение в фибробетонную смесь пластифицирующей и модифицирующей добавок способствовало упрочнению микроструктуры бетонной матрицы, повышению сопротивляемости фибробетона растягивающим нагрузкам, и соответственно, значительному увеличению энергетического и силового параметров трещино-стойкости.

Разработана технология приготовления модифицирующей фибробетон-ной смеси, которая при значительном сокращении дорогостоящего макроуп-рочнителя в виде стальной фибры «Миксарм» и его совместной электромагнитной обработки с цементом, пластифицирующей и модифицирующими добавками способствовала уплотнению макро-, микро- и наноструктуры полученного фибробетона. Физико-механические свойства фибробетона изготовленного по предлагаемой технологии приготовления модифицированной фибробетонной смеси (состав 1) и по известной технологии (состав 2) представлены в таблице

10.

Таблица 10

_Физико-механические свойства фибробетонов__

Предел Предел прочно- Морозо- Водоне-

Составы фибробетонной прочности сти на растяже- стойкость, проницае-

смеси при сжа- ние при изгибе, Р, циклы мость,

тии, МПа МПа Ш

1 78,3 15,6 Р 450 ЧУ 14

2 58,7 10,2 Р400 12

Известная сталефибробе- 67,3 11,6 Р450 ■ -

тошгая смесь

СФБ-Г-11-РПА

Применение предварительной электромагнитной обработки и перемешивание портландцемента, суперпластификатора, микропорошка технического углерода (сажа), углеродных нанотрубок и стальной фибры (состав № 1) в линейно-индукционном вращателе способствует увеличению прочности на сжатие полученного фибробетона по сравнению с фибробетоном, приготовленным без предварительной электромагнитной обработки (состав № 2), - на 33 %, прочности на растяжение при изгибе - на 53 %.

В пятой главе приводятся практические рекомендации по применению фибробетонной смеси с упрочнителем из фибры «Миксарм» и нанодобавками, включающие требования к сырьевым материалам, технологию приготовления, приемку и контроль качества, транспортировку и контроль физико-механических показателей.

Внедрение разработанных составов подтверждает их актуальность и целесообразность. Указанные практические рекомендации и результаты проведенных исследований применялись при расчете составов фибробетонов для бетонирования полов яхт-клуба, расположенного по адресу: 400007 г. Волгоград, нижняя терраса Краснооктябрьского района, на улице Матевосяна. Экономический эффект от применения разработанных составов фибробетонов с учетом значительного сокращения расхода цемента и арматурных каркасов составляет 101 640 (сто одна тысяча шестьсот сорок) рублей при площади напольного покрытия 840 м2.

Разработанный состав сталефибробетона с применением фибры «Миксарм» и комплексной добавкой включающей, технический углерод и суперпластификатор «СП-3» использовался при устройстве полов промышленного здания в г. Волгоград по адресу: Аптечный проезд, 1 пункт «Волгофарм». В бетонную смесь вводили металлические фибры «Миксарм» в количестве 0.5 % от объема смеси, а также применяли комплексную добавку, включающую суперпластификатор «СП-3» в количестве 0.5 % от массы цемента и технический углерод (сажа) 1 % от массы цемента.

Экономический эффект от применения сталефибробетона составил 40440 рублей за счет отказа от использования верхней арматурной сетки 150x150 0 12 мм и арматурных работ, а как следствие снижение материалоемкости и трудоемкости. Площадь уложенного покрытия составило 240 м2.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Теоретически проанализировано применение наноуглеродных материалов при производстве бетонов. Обоснована возможность использования отходов теплоэнергетики и рассмотрены пути их утилизации в качестве тонкодисперсных углеродных модифицирующих добавок при производстве строительных материалов.

2. Проанализированы физико-химические свойства сырьевых материалов, в том числе ряд пластифицирующих и модифицирующих добавок, применение которых целесообразно при изготовлении сталефибробетона. Приведены основные методики и оборудование для изучения свойств разработанных составов, которые отвечают нормативной документации и соответствуют современ-

ному уровню исследований.

3. На основе проведенных исследований изучены различные показатели, влияющие на свойства сталефибробетонов и факторы, которыми необходимо руководствоваться при проектировании составов фибробстона. Приведены результаты исследований влияния количества комплексных добавок, геометрических параметров фибр и их объемного содержания на прочность сталефибробс-тона. Установлено, что влияние модифицирующих добавок «Д-11», «С-3» в комплексе с добавкой технического углерода позволяет достигнуть наибольшие результаты по прочности по сравнению с контрольными образцами при применении каждой из этих добавок в отдельности. Оптимальной дозировкой комплексной добавки, включающей пластификатор «Д-11» и технический углерод, является диапазон от 0,35 % до 0,75 % от массы цемента.

4. Исследовано влияние нанодобавки «Таунит» и суперпластификатора «СП-3» на подвижность фибробетонных смесей и прочность фибробетонов. Установлено усиление действия суперпастификатора при совместном введении его с УНМ «Таунит». Введение в смесь комплексной добавки, включающей суперпластификатор «СП-3» и нанодобавку «Таунит», способствует увеличению прочности, как на сжатие, так и на растяжение при изгибе по сравнению с образцами, содержащими одну из добавок в отдельности.

5. Проведен микроскопический анализ стандартных растворных образцов и образцов с нанодобавкой «Таунит». Полученные данные свидетельствуют о том, что в образцах с нанодобавкой « Таунит» наблюдается более однородная упорядочная структура.

6. Разработаны новые составы сталефибробетона с комплексными модифицирующими добавками. Для разработанных составов определены основные физико-механические показатели такие, как прочность, морозостойкость, водонепроницаемость и трещиностойкость.

7. Обоснована возможность применения разработанного состава сталефибробетона с комплексной добавкой для изготовления плит аэродромных покрытий. Приведен расчет технико-экономической эффективности.

8. Разработана технология приготовления модифицированной фибробе-тонной смеси, которая при значительном сокращении дорогостоящего макро-упрочнителя в виде стальной фибры «Миксарм» и его совместной электромагнитной обработки с цементом, пластифицирующей и модифицирующими добавками способствовала уплотнению макро-, микро- и наноструктуры полученного фибробетона.

9. На основании результатов экспериментальных исследований определены рациональные области применения разработанных составов сталефибробетонов. Разработаны Технические условия, включающие требования к сырьевым материалам, технологию приготовления, приемку и контроль качества, транспортировку и контроль физико-механических показателей.

Результаты проведенных исследований использованы при расчете и устройстве полов промышленных зданий следующими организациями: ООО «РСР-строй», общая площадь 240 м2 и ООО «Юг-сервис» площадь напольного покрытия составило 840 м2. Применение разработанных составов позволило

достигнуть значительного экономического эффекта за счет полного или частичного отказа от использования стержневой арматуры и арматурных каркасов, а также значительного сокращения расхода цемента.

Основные результаты диссертационной работы изложены в 17 публикациях, в том числе:

Работы, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК РФ:.

1 Применение модифицирующих нанодобавок для повышения прочности фибробетонов / У.В. Алаторцева [и др.] // Изв. вузов. Стр-во. 2009. № 8. С. 1720.

2 Перфилов В.А., Алаторцева У.В., Тюрин A.A. Легкий жаростойкий фибробетон // Изв. вузов. Стр-во. 2008. № 9. С. 23-25.

3 Перфилов В.А., Алаторцева У.В. Фибробетон ускоренного твердения // Изв. вузов. Стр-во. 2009! № 1. С. 48-51.

Публикации в других изданиях:

4 Сырьевая смесь для производства легкого огнеупорного фибробетона: пат. № 2361847 Рос. Федерация, МПК С 04 В 38/02. №2007143752/03; заявл. 26.11.07; опубл. 20.07.09, Бюл. № 20.

5 Фибробетонная смесь: пат. № 2386599 Рос. Федерация, МПК С 04 В 28/02. №2008133782/03; заявл. 15.08.08; опубл. 20.04.10, Бюл. № 11.

6 Алаторцева У.В. Фибробетоны на основе наноструктурных вяжущих // Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика: материалы 66-й Всерос. науч.-техн. конф. по итогам НИР ун-та за 2008 год. Самара: СГАСУ, 2009. С. 209-210.

7 Алаторцева У.В., Аткина A.B., Кусмарцева O.A. Наномодифицирован-ная структура вяжущих фибробетонов // Нанотехнологии и наноматериалы: современное состояние и перспективы развития в условиях Волгоградской области: материалы Всерос. науч.-техн. конф. Волгоград: ВолгГУ, 2009. С. 373-380.

8 Перфилов В.А., Алаторцева У.В., Аткина A.B. Фибробетоны с применением модифицирующих нанодобавок // Вопросы применения нанотехноло-гий в строительство: сб. докл. участников круглого стола, посвящ. Междунар. недели строит, материалов. М.: МГСУ, 2009. С. 105-110.

9 Перфилов В.А., Алаторцева У.В. Конструкционные фибробетоны с применением модифицирующих нанодобавок // Сборник тезисов докладов участников Второго Международного конкурса научных работ молодых ученых в области нанотехнологий. М.: ГК Роснанотех, 2009. С. 374-375.

10 Перфилов В.А., Алаторцева У.В Конструкционные фибробетоны с применением модифицирующих нанодобавок // Проведение научных исследований в области индустрии наносистем и материалов: материалы Всерос. конф. с элементами науч. шк. для молодежи. Белгород: БелгГУ, 2009. С. 206-209.

11 Перфилов В.А., Алаторцева, У.В., Неизвестный Д.Л. Влияние стальной фибры «Миксарм» на прочность фибробетона // Надежность и долговеч-

ность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов : материалы V Междунар. науч.-техн. конф., Волгоград, 23-24 апреля 2009 г.: [в 3 ч.]. Волгоград: ВолгГАСУ, 2009. Ч. 1. С. 211-213.

12 Перфилов В.А., Алаторцева У.В. Фибробетоны с нанодобавками // Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов : материалы V Междунар. науч.-техн. конф., Волгоград, 23-24 апреля 2009 г.: [в 3 ч.]. Волгоград: ВолгГАСУ, 2009. С. 213-215.

13 Перфилов В.А., Алаторцева У.В., Тюрин A.A. Фибробетоны с повышенной прочностью, трещиностойкостью, морозостойкостью, водонепрницае-мостью и долговечностью // Строймастер. 2008. № 1. С. 22

14 Перфилов В.А., Алаторцсва У.В., Тюрин A.A. Утилизация отходов теплогенерирующих установок для получения фибробетонов и повышения экологической безопасности окружающей среды // Качество внутреннего воздуха и окружающей среды: материалы VI Междунар. науч. конф., 14-18 мая 2008 г., Волгоград. Волгоград: ВолгГАСУ, 2008. С. 98-101.

15 Фибробетоны с макроупрочнителями и нанодобавками / У.В. Алаторцева [и др.] // Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса региона. Наука. Практика. Образование: материалы III Всерос. науч.-техн. конф., г. Волгоград - г. Михайловка, 22-23 окт. 2009 г. Волгоград: Изд-во ВолгГАСУ, 2009. С. 236-238.

16 Фибробетонные смеси с упрочнителем из фибры «Миксарм» и нанодобавками: ТУ 574510-002-02068077-2008 / В.А. Перфилов, У.В. Алаторцева. Волгоград: Изд-во ВолгГАСУ. 13 с.

17 Фибробетонные смеси с упрочнителем из фибры «Миксарм»: ТУ 574510-001-02068077-2008 / В.А. Перфилов, У.В. Алаторцсва. Волгоград: Изд-во ВолгГАСУ. 13 с.

АЛАТОРЦЕВА УЛЬЯНА ВЛАДИМИРОВНА

КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛЕФИБРОБЕТОНЫ, МОДИФИЦИРОВАННЫЕ КОМПЛЕКСНЫМИ УГЛЕРОДНЫМИ МИКРО- И НАНОРАЗМЕРНЫМИ ДОБАВКАМИ

05.23.05 Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 12.01.2010г. Заказ № 10. Тираж 100 экз. Печ.л. 1,0 Формат 60x84/16 Бумага писчая. Печать плоская. Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1. Сектор оперативной полиграфии ЦИТ

Введение.

Глава 1. Фибробетоны с применением модифицирующих добавок: направление, цель и задачи исследований.

1.1 Опыт производства конструкций и изделий из фибробетонов.

1.2 Основные виды фибры, их преимущества и недостатки.

1.3 Модифицированные бетоны.

1.4 Состояние и перспективы наномодификации бетонов.

1.5 Свойства бетонов армированных стальными фибрами.

1.6 Выводы по главе 1.

1.7 Направление, цель и задачи исследований.

Глава 2. Материалы, оборудование и методы исследований.

2.1 Материалы для проведения исследований.

2.2 Методы и оборудование для проведения экспериментов.

2.3 Выводы по главе 2.

Глава 3. Экспериментальные исследования сталефибробетонов с применением комплексных модифицирующих добавок.

3.1 Теоретические принципы структурообразования сталефибробетона.

3.2 Влияние добавок технического углерода, С-3 и Дна прочность цементно-песчаного раствора.

3.3 Влияние параметров армирования на структуру и свойства сталефибробетона с комплексной модифицирующей добавкой.

3.4 Влияние комплексной модифицирующей добавки и упрочнителя в виде фибры «Миксарм» на кинетику роста прочности фибробетона.

3.5 Влияние нанодобавки «Таунит» и суперпластификатора «СП-3» на подвижность фибробетонных смесей и прочность фибробетонов.

3.6 Выводы по главе 3.

Глава 4. Разработка оптимальных составов и технологии изготовления сталефибробетонов с использованием комплексных модифицирующих добавок.

4.1 Сталефибробетон с комплексной добавкой для изготовления плит аэродромных покрытий.

4.2 Сталефибробетон при воздействии высоких температур.

4.3 Технология приготовления модифицированной фибробетонной смеси.

4.4 Определение характеристик трещиностойкости разработанных составов бетона с макроупрочнителями и модифицирующими нанодобавками.

4.5 Выводы по главе 4.

В настоящее время высококачественные бетоны становятся всё более востребованы в строительной отрасли в связи с различными современными конструкторскими решениями, новыми видами зданий и сооружений, а так же нестандартными архитектурными формами, наличие которых предполагает применение высокопрочных бетонов, в том числе сталефибробетонов.

К числу основных проблем внедрения сталефибробетона в России можно отнести более высокую исходную цену по сравнению с обычным бетоном и относительно небольшое увеличение прочности на сжатие при значительном увеличении прочности на растяжение при изгибе. Достигнуть увеличения прочности сталефибробетона возможно за счет увеличения объемного содержания дорогостоящей стальной фибры (более 2.5 % на 1м3 бетонной смеси) при понижении удобоукладьтваемости смеси в виду комкования фибры с образованием «ежей». При этом стальная фибра позволяет увеличить прочность и трсщиностойкость фибробетона только на макроуровне.

С целью обеспечения необходимой удобоукладываемости фибробетон-ной смеси и достижения бетонной матрицей высокой прочности необходимо использовать различного рода модифицирующие добавки, включая комплексные. Применение модифицирующих добавок способствует уплотнению структуры матрицы на микро, а иногда и наноуровне.

В качестве компонентов модифицирующих добавок широко развивается область по утилизации отходов, которая дает возможность применять большие залежи, в основном, отходов теплоэнергетики при производстве строительных материалов. В частности, при сжигании твердого и жидкого топлива в котлах образуются продукты неполного сгорания топлива - мелкодисперсные сажистые и золовые отложения. Проведены многочисленные исследования по применению золошлаковых отходов при производстве строительных материалов. Влияние сажевых отходов на свойства фибробетонных смесей практически не оценивалось. Сажа (технический углерод) - высокодисперсный аморфный углеродный продукт с размерами частиц 13-120 нм. Использование отходов в виде тонкодисперсной сажи при изготовлении фи-бробетонов позволит снизить себестоимость производства, а ее применение в комплексе с суперпластифицирующей добавкой, вероятно, позволит увеличить прочность сталефибробетона за счет упрочнения бетонной матрицы на микроуровне.

Другой формой твердого углерода являются фуллерены. Однако в настоящее время влияние углеродных кластеров на модификацию бетонов практически не изучено.

Последнее двадцатилетие активно развивается панохимия и нанотехно-логия. Применение наночастиц нашло своё место и в технологии строительных материалов. Очевидными преимуществами бетонов, модифицированных углеродным наноматериалом, являются значительное увеличение прочности на сжатие и изгиб, увеличение морозостойкости и водонепроницаемости за счет уплотнения структуры бетонов. При введении в смесь наноразмерные частицы играют роль зародышей структурообразования, наноармирующего элемента, центров зонирования новообразований в матрице.

Проведенные ранее исследования показали перспективность применения фуллеренов в качестве модификаторов с целью регулирования и управления структурообразованием на микро- и наноуровнях. Однако экспериментальные исследования в области наномодификации требуют дальнейшего изучения и углубления знаний о влиянии комплексного наномодификатора на свойства и структуру не только обычных бетонов, но и специальных бетонов, в том числе и фибробетонов.

В соответствии с вышеизложенным, целью научных исследований является получение модифицированной фибробетонной смеси, направленное на улучшение физико-механических свойств за счет компонентов, упрочняющих структуру фибробетона на микро- и наноуровнях.

В связи с поставленной целью необходимо выполнить следующий ряд задач :

1. Изучить влияние комплексных модифицирующих добавок, включающих технический углерод (сажа) и пластификатор, на свойства цементно-песчаного раствора.

2. Исследовать влияние параметров армирования на макроструктуру и свойства сталефибробетона.

3. Определить влияние комплексной модифицирующей добавки, включающей сажевые отходы, и макроупрочнителя в виде фибры «Миксарм» па кинетику роста прочности фибробетона.

4. Исследовать влияние нанодобавки «Таунит», суперпластификатора и совместное действие вышеперечисленных добавок на свойства фибробе-тонной смеси и получаемого фибробетона, а также на их структуру.

5. Разработать новые составы и технологии изготовления фибробето-нов, модифицированных комплексными добавками.

6. Разработать практические рекомендации по применению фибробе-тонной смеси с макроупрочнителем из стальной фибры «Миксарм» и комплексными нанодобавками.

Научная новизна работы

1. Произведено теоретическое и экспериментальное обоснование применения комплексных модифицирующих углеродных микро- и наноразмер-ных добавок, упрочняющих структуру фибробетонов.

2. Экспериментально подтверждена возможность применения комплексной модифицирующей добавки, включающей углеродный наномо-дификатор «Таунит» при изготовлении сталефибробетона и раствора. Исследовано влияние комплексных модифицирующих добавок на физико-механические свойства раствора и сталефибробетона.

3. Обоснована эффективность применения сажи (углерода технического), являющейся отходом теплоэнергетики, в качестве составляющей комплексной модифицирующей добавки для цементно-песчаной смеси и сталефибробетона.

4. Разработаны новые составы сталефибробетона с комплексными модифицирующими добавками, включающие в свой состав углеродный наноматериал «Таунит».

5. Предложена технология изготовления сталефибробетонов с использованием комплексных модифицирующих добавок.

Практическое значение работы:

1. Разработаны составы сталефибробетона с комплексными модифицирующими добавками и легкого жаростойкого фибробетона. Получено два патента на изобретение РФ (№ 2361847, 2386599) .

2. Разработаны практические рекомендации по применению фибробетоннной смеси с упрочнителем из фибры «Миксарм» и нанодобавками.

3. Внедрение результатов осуществлено в следующем виде: ' '

- практические рекомендации и результаты проведенных исследований применялись при расчете составов фибробетонов для бетонирования полов яхт-клуба, расположенного по адресу: 400007, г. Волгоград, нижняя терраса Краснооктябрьского района, на улице Матевосяна. Экономический эффект от применения разработанных составов фибробетонов с учетом значительного сокращения расхода цемента и арматурных каркасов составляет 101640 (сто одна тысяча шестьсот сорок) рублей при площади напольного покрытия 840 м2. (см. приложение).

- разработанный состав сталефибробетона с применением фибры «Миксарм» и комплексной добавкой включающей, технический углерод и суперпластификатор «СП-3» использовался при устройстве полов промышленного здания в г. Волгоград по адресу: Аптечный проезд, 1 пункт «Волгофарм». Экономический эффект от применения сталефибробетона составил 40440 рублей за счет отказа от использования стержневой арматуры и арматурных работ, а как следствие снижение материалоемкости" и трудоемкости. Площадь уложенного покрытия составило 240 м2. (см. приложение).

Достоверность результатов работы обеспечена:

- комплексом исследований с применением стандартных средств измерений и современных приборов неразрушающего контроля для определения прочности (ультразвуковой прибор Пульсар-1.2.), а для ускоренного определения морозостойкости использовался прибор «Бетон — Фрост»;

- применением современных методов исследований, математических методов обработки экспериментальных данных;

- опытными испытаниями большого количества различных видов и составов растворов и фибробетонов с использованием эффективных комплексных микро- и наномодификаторов;

- исследованием микро- и наноструктуры разработанных составов растворов и фибробетонов с использованием современных компьютеризированных оптических приборов: цифровой микроскоп «Альтами LCD», сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) Nanoeducator (NT-MDT).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Втором Международном форуме по нанотехнологиям (6-8 октября, 2009 г. - Москва: ГК Роснанотех); Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Проведение научных исследований в области индустрии наносистем и материалов» (12-16 ноября, 2009г. - Белгород: БелгГУ); 66-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР университета за 2008 год «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика» (г. Самара, 2009 г.); 5-й Международной научной конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» (г. Волгоград, 2009 г.); -Всероссийской научно-технической конференции «Нанотехнологии и наноматериалы: современное состояние и перспективы развития в условиях Волгоградской области» (г.Волгоград, ВолгГУ , 2009 г.); 6-й Международной научной конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды» (Волгоград: ВолгГАСУ, 2008 г.); 3-й Всероссийской научно-практической конференции «Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса региона» (г. Михайловка, Волгоградской области, 2009 г.), Международной конференции «Неделя строительных материалов, посвященная 65-летию образования строительно-технологического факультета МГСУ (г. Москва: МГСУ , 2009 г.).

Публикации. Результаты диссертационной работы и выполненных исследований изложены в 17 публикациях, в том числе: 3 работы опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях определенных ВАК, 2 технических условий ТУ 574510-001-02068077-2008 и ТУ 574510-002-02068077-2008 и 2 патента на изобретения РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы, включающего 122 наименования, и приложения. Содержит 151 страницу машинописного текста, в том числе 27 рисунков и 41 таблицу.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ I

1. Теоретически проанализировано применение наноуглеродных материалов при производстве бетонов. Обоснована возможность использования отходов теплоэнергетики и рассмотрены пути их утилизации в качестве тонкодисперсных углеродных модифицирующих добавок при производстве строительных материалов.

2. Проанализированы физико-химические свойства сырьевых материалов, в том числе ряд пластифицирующих и модифицирующих добавок, применение которых целесообразно при изготовлении сталефибробетона. ПривеI дены основные методики и оборудование для изучения свойств разработанных составов, которые отвечают нормативной документации и соответствуют современному уровню исследований.

3. На основе проведенных исследований изучены различные показатели, влияющие на свойства сталефибробетонов и факторы, которыми необходимо руководствоваться при проектировании составов фибробетона. Приведены результаты исследований влияния количества комплексных добавок, геометрических параметров фибр и их объемного содержания на прочность сталефибробетона. Установлено, что влияние модифицирующих добавок «ДI

11», «С-3» в комплексе с добавкой технического углерода позволяет достигнуть наибольшие результаты по прочности по сравнению с контрольными образцами при применении каждой из этих добавок в отдельности. Оптимальной дозировкой комплексной добавки, включающей пластификатор «Д-11» и технический углерод, является диапазон от 0,35 % до.0,75 % от массы цемента.

4. Исследовано влияние нанодобавки «Таунит» и суперпластификатора «СП-3» на подвижность фибробетонных смесей и прочность фибробетонов. Установлено усиление действия суперпастификатора при совместном введении его с УНМ «Таунит». Введение в смесь комплексной добавки, включающей суперпластификатор «СП-3» и нанодобавку «Таунит», способствует увеличению прочности, как на сжатие, так и на растяжение при изгибе по сравнению с образцами, содержащими одну из добавок в отдельности.

5. Проведен микроскопический анализ стандартных растворных образцов и образцов с нанодобавкой «Таунит». Полученные данные свидетельствуют о том, что в образцах с нанодобавкой « Таунит» наблюдается более однородная упорядочная структура.

6. Разработаны новые составы сталефибробетона с комплексными модифицирующими добавками. Для разработанных составов определены основные физико-механические показатели такие, как прочность, морозостойкость, водонепроницаемость и трещиностойкость.

7. Обоснована возможность применения разработанного состава сталефибробетона с комплексной добавкой для изготовления плит аэродромных покрытий. Приведен расчет технико-экономической эффективности.

8. Разработана технология приготовления модифицированной фибробе-тонной смеси, которая при значительном сокращении дорогостоящего макро-упрочнителя в виде стальной фибры «Миксарм» и его совместной электромагнитной обработки с цементом, пластифицирующей и модифицирующими добавками способствовала уплотнению макро-, микро- и наноструктуры полученного фибробетона.

9. На основании результатов экспериментальных исследований определены рациональные области применения разработанных составов сталефи-бробетонов. Разработаны Технические условия, включающие требования к сырьевым материалам, технологию приготовления, приемку и контроль качества, транспортировку и контроль физико-механических показателей.

Результаты проведенных исследований использованы при расчете и устройстве полов промышленных зданий следующими организациями: ООО «РСР-строй», общая площадь 240 м2 и ООО «Юг-сервис» площадь напольного покрытия составило 840 м2. Применение разработанных составов позволило достигнуть значительного экономического эффекта за счет полного или частичного отказа от использования стержневой арматуры и арматурных каркасов, а также значительного сокращения расхода цемента.

1. Ананьев В. М., Левченко В. Н., Вишневский А. А. Использование золы-уноса в качестве добавки при производстве тяжелого бетона // Строит, материалы. 2006. № 11. С. 32-33.3 . Батраков В. Г. Модифицированные бетоны. М. : Стройиздат, 1990.395 с.

2. Бетонная смесь : пат. 2149850 Рос. Федерация, опубл. 22.05.2000, Бюл. № 15.

3. Браун У., Сроули Дж. Испытания высокопрочных металлических материалов на вязкость разрушения при плоской деформации. М. : Мир, 1972. 119 с.

4. Ваучский М. Наномодификация бетона абсолютная реальность // Стр-во: новые технологии, новое оборудование. 2009. № 2. С. 47-52.

5. Водопропускные трубы для автомобильных дорог из сталефибробетона / Ш. X. Аминов и др. // Строит, материалы. 2003. № 10. С. 21.

6. Войлоков И. А. Дисперсно-армированные бетоны // Популяр, бетоноведение. 2007. № 6. С. 18-21.

7. Войлоков И. А. Повышение качества и долговечности эксплуатации покрытий промышленных полов // Строит, материалы. 2008. № 7. С. 48-51.

8. Волков И. В., Газин Э. М., Бабекин В. В. Инженерные методы проектирования фибробетонных конструкций // Бетон и железобетон. 2007. № 4. С. 20-22.

9. Волков И. В. Проблемы применения фибробетона в отечественном строительстве // Строит, материалы. 2004. № 6. С. 12-13.

10. Гарибов Р. Б. Моделирование поведение фибробетонных конструкций в условиях радиационного облучения // Строит, материалы. 2008. №3. С. 19-22.

11. Голдовская Л. Ф. Химия окружающей среды. М. : Мир ; БИНОМ, Лаборатория знаний, 2008. 296 с.

12. Голубев В.Ю. Высокопрочный бетон повышенной вязкости разрушения : автореф. дис. . канд. техн. наук. СПб., 2009. С. 7-15.

13. ГОСТ 10060.3-95*. Бетоны. Диламетрический метод ускоренного определения морозостойкости. Введ. 01.09.96 // Бетоны. Методы определения морозостойкости : сб. М., 1997. С. 33-46. Изм. № 1 (ИУС. 2004. №3).

14. ГОСТ 10180-90* (CT СЭВ 3978-83). Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам. Взамен ГОСТ 10180-78 ; введ. 01.01.91. М. : Изд-во стандартов, 1990. 45 с. Группа Ж 19.

15. ГОСТ 12730.5-84. Бетоны. Методы определения водонепроницаемости. Взамен ГОСТ 12730.5-78, ГОСТ 19426-74 ; введ. 01.07.85. М. : Изд-во стандартов, 1985. 9 с. Группа Ж 19. Изм. № 1 (ИУС 1189).

16. ГОСТ 17624-78*.Бетоны. Ультразвуковой метод определения прочности. Взамен ГОСТ 17624-72 ; Введ. с 01.01.79. - М. : Изд-во стандартов, 1978. - 17 с. Группа Ж 19. - (Гос. стандарт Союза ССР). -Заменен на ГОСТ 17624-87 (Указ. стандартов, 2004).)

17. ГОСТ 25912* Плиты железобетонные предварительно напряженные ПАГ для аэродромных покрытий. Технические условия.

18. ГОСТ 29167 Бетоны. Методы определения характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении.

19. Гулимова Е. В. Исследование коррозионной стойкости арматуры в сталефибробетоне : автореф. дне. канд. техн. наук/ЛИСИ. Л., 1980. 23 с.

20. Гусев Б. В. Развитие нанонауки и нанотехнологий // Пром. и гражд. стр-во. 2007. № 4. С. 45-46.

21. Данилович И. Ю., Сканави Н. А. Использование топливных шлаков и зол для производства строительных материалов. М. : Высш. шк., 1988. 77 с.

22. Дисперсно-армированный сталефибробетон / В. С. Демьянова и др. // Строит, материалы. 2006. № 9. С. 54-55.

23. Зуев В. П., Михайлов В. В. Производство сажи. М. : Химия, 1970. С.9.14.

24. Каргин А. К. Исследование коррозионной стойкости волокон в дисперсно-армированных бетонах // Технология и свойства новых композиционных строительных материалов : сб. тр. ЛИСИ. Л., 1986. С. 13-19.

25. Комохов П. Г. Нанотехнология радиационного бетона // Строит, материалы, оборудование, технологии XXI века. 2006. № 5. С. 22-23.

26. Копанский Г. В., Курбатов Л. Г. К вопросу о подборе состава сталефибробетонной смеси // Производство строительных изделий и конструкций : сб. тр. ЛИСИ. Л., 1982. С. 151-154.

27. Копацкий А. В., Гулимова Е. В. Оценка коррозионной стойкости дисперсной арматуры в сталефибробетоне // Производство строительных изделий и конструкций : сб. тр. ЛИСИ. Л., 1979. С. 21-25.

28. Копацкий А. В., Гулимова Е. В. Сравнительная оценка коррозионной стойкости арматуры в армоцементе и сталефибротоне // Исследование и расчет экспериментальных конструкций из фибробетона. Л. : ЛенЗНИИЭП, 1978.

29. Копацкий А. В., Ефремова В. М. Влияние диаметра фибровой арматуры на ее коррозионную стойкость // Исследование тонкостенных пространственных конструкций и технология их изготовления. Л. : ЛенЗНИИЭП, 1980.

30. Копацкий А. В., Ефремова В. М. О структуре бетонной составляющей сталефибробетона, армированного фибрами крупного диаметра // Технология и долговечность дисперсно-армированных бетонов : сб. тр. Л. : ЛенЗНИИЭП, 1984. С. 55-59.

31. Королев А. С. Мелкозернистые бетоны с нанодобавками синтетического цеолита // Бетон и железобетон. 2008. № 6. С. 13-15.

32. Коротышев О. В. Полы из сталефибробетона и пенобетона // Строит, материалы. 2000. №3. С. 16-17.

33. Курбатов Л. Г., Лобанов И. А. Особенности проектирования и технологии изготовления сталефибробетонных конструкций. Л., 1978. С. 3839.

34. Курбатов Л. Г. Некоторые вопросы технологии и технико-экономической эффективности сталефибробетона // Производство строительных изделий и конструкций : сб. тр. ЛИСИ. Л., 1979. С. 38-39.

35. Курбатов Л. Г., Попов В. И. Трещиностойкость и раскрытие трещин в изгибаемых сталефибробетонных элементах // Пространственные конструкции в гражданском строительстве. Л. : ЛенЗНИИЭП, 1982.

36. Курбатов Л. Г., Рабинович Ф. Н. Об эффективности бетонов, армированных стальными фибрами // Бетон и железобетон. 1980. №3. С. 6-8.

37. Лезвинская Л. М., Тялин Ю. И., Финкель В. М. Поток энергии в вершине движущейся трещины // Изв. АН СССР. Механика твёрдого тела. 1978. №2. С. 155-158.

38. Леонович С. Н. Трещиностойкость и долговечность бетонных и железобетонных элементов в терминах силовых и энергетических критериев механики разрушения. Минск : «Тыдзень», 1999. 266 с.

39. Лобанов И. А. Основы технологии дисперсно-армированных бетонов (фибробетонов) : автореф. дис. . д-ра техн. наук / ЛИСИ. Л., 1982. 34 с.

40. Лобанов И. А. Фибробетоны: основные определения, технологические особенности изготовления изделий на их основе // Производство строительных изделий и конструкций : сб. тр. ЛИСИ. Л., 1982. С. 5.

41. Мащенко К. Г. Модификаторы — шаг к повышению качества бетонов и растворов // Строит, материалы. 2004. № 6. С. 62-63.

42. Мищенко С. В., Ткачев А. Г. Углеродные наноматериалы, производство, свойства, применение. М., 2008. С. 264-270.

43. Морозов В. И., Пухаренко Ю. В. Фибробетонные конструкции с высокопрочной арматурой // Пром. и гражд. стр-во. 2007. № 1. С. 45-46.

44. Общероссийский строительный каталог. СК-4. Строительные материалы. Добавки для бетонов и строительных растворов. М. : Росстрой, 2005. Вып. 1. С. 17-22.

45. Парфенов А. В. Ударная выносливость бетонов на основе стальной и синтетической фибры : автореф. дис. . канд. техн. наук. Уфа, 2004.

46. Первушин Г. Н., Орешкин Д. В. Проблемы трещиностойкости облегченных цементных материалов. Ижевск : ИжГТУ, 2002. 212 с.

47. Перфилов В. А., Алаторцева У. В. Конструкционные фибробетоны с применением модифицирующих нанодобавок // Материалы Второго

48. Международного форума по нанотехнологиям 6-8 октября, 2009 г. М. : ГК Роснанотех, 2009. С. 374-375.

49. Перфилов В. А., Алаторцева У. В., Неизвестный Д. Л. Фибробетоны с нанодобавками // Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов : материалы 5-й Междунар. науч. конф. Волгоград: ВолгГАСУ, 2009. С. 213-215.

50. Перфилов В. А., Алаторцева У. В., Тюрин А. А. Легкий жаростойкий фибробетон // Изв. вузов. Стр-во, 2008. № 9. С. 23-25.

51. Перфилов В. А., Алаторцева У. В., Тюрин А. А. Фибробетон ускоренного твердения // Изв. вузов. Стр-во, 2009. № 1. С. 48-51.

52. Перфилов В. А., Алаторцева У. В., Тюрин А. А. Фибробетоны с повышенной прочностью, трещиностойкостью, морозостойкостью, водонепрницаемостью и долговечностью // Строймастер, 2008. № 1. С. 22.

53. Пономарев А. Н. Нанобетон: концепция и проблемы. Синергизм наноструктурирования цементных вяжущих и армирующей фибры // Строит, материалы, 2007. № 6. С. 69-71.

54. Пономарев А. Н. Технико-экономические аспекты и результаты практической модификации конструкционных материалов микродобавками нанодисперсных фуллероидных модификаторов // Вопросы материаловедения, 2003. № 3. С. 49-57.