ИЗУЧЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КОМПОЗИТНОГО РАСТВОРА НА ОСНОВЕ АЛЮМОСИЛИКАТНЫХ НАНОТРУБОК

Сегодня в строительной практике и не только используют несколько видов наноматериалов. Например, для повышения механических показателей цементных композитов, применяют углеродные нанотрубки (УНТ) [1], которые являются армирующим материалом, способным превращать цементный камень в композиционную среду повышенной прочности [2]. Известно, что малые концентрации наноуглеродных добавок (1 – 2 %; 0,1 – 0,3%) способны повышать значения таких механических показателей, как прочность и модуль упругости цементного камня [3].

На сегодняшний день наравне с УНТ начинают использовать армирующие наноалюмосиликаты или как их еще называют алюмосиликатные нанотрубки (АНТ). Данный материал получают из природного минерала – галлуазита, состоящий из гидросиликата алюминия Al₂Si₂O₅(OH)₄·nH2O, точно также как и каолинит. Известно, что природная глина обладает многослоистой структурой, в то время как галлуазит представляет собой на 95% закрученные в нанотрубки глинистые слои [4].

На данный момент огромное количество способов применения многослойных трубчатых наносистем уже открыто. Этот факт объясняется, прежде всего тем, что была проведена огромная работа по изучению углеродных нанотрубок, которая практически раскрыла весь потенциал применяемости трубчатых наноструктур. Однако УНТ уступают галлуазитовым наноматериалам, которые, в свою очередь, обладают существенными преимуществами:

• биосовместимость АНТ, подтвержденная многочисленными экспериментами с живыми простейшими организмами;
• различные химические свойста поверхностей АНТ, объясняются особенным строением алюмосиликатов: нанопластины скручены таким образом, что на внутренней поверхности нанотрубок находится оксид алюминия, притягивающий к себе, отрицательно заряженные частицы, а на внешней – оксид кремния, имеющий положительный заряд (рис. 1.)

Рисунок 1. Химические свойства поверхностей галлуазитовых нанотрубок,  (зеленым цветом показан оксид алюминия, красным – оксид кремния)

Алюминий и кремний, из которых состоят алюмосиликатные нанотрубки (рис. 2), являются основными компонентами цемента и бентонита. Следовательно, можно предполагать, что введение АНТ в композитную среду способствует возрастанию физико-механических показателей композиционной среды таких как: прочность на растяжение (по причине высокой адгезивной способности между армирующей добавкой и вяжущим веществом), ударная вязкость; термостабильность и огнестойкость нанокомпозита.

Цель данной работы заключается в изучении зависимости скорости структурообразования цементных композиционных материалов от концентрации алюмосиликатных армирующих добавок.

При приготовлении композитного раствора в качестве сырья применялись следующие компоненты: вяжущее вещество – портландцемент M500, замедлитель сроков схватывания в начальные сроки твердения - жидкое стекло универсал марки TEKC, алюмосиликатные нанотрубки, бентонит П2T2A, состоящий из монтмориллонита 75-80%, кварца 15-17%, каолинита 1-2% и мусковитной гидрослюды 1-2%. Воду добавляли к цементу в отношении 2:1.

Рисунок 2. Схема строения аллюмосиликатной нанотрубки

Смесь получали сухим соединением бентонита с наноматериалом, затем вносили воду, получившуюся смесь доводили до однородности в электрической мешалке с частотой вращения 600 об/мин, после этого добавляли цемент и 5% жидкого стекла к массе раствора.

Известно, что основная прочность цеметно-бентонитовой смеси образуется в течение первой недели нормального твердения, поэтому исследование влияния армирующей добавки на скорость структурообразования велось в начальные стадии формирования композитного раствора.

Прочностные характеристики получившихся образцов определяли на приборе Ребиндера-Гораздовского через 1, 3, 5, 7, 14 и 28 суток и на гидравлическом прессе Controls 50 спустя 7, 14 и 28 суток (табл. 1, рис. 3).

Таблица 1.

Структурообразование композитного раствора с добавками АНТ при хранении

Рисунок 3. Скорость структурообразования при различном содержании нанотрубок к массе цемента, % 1-0%, 2-0,1%, 3-0,15%, 4-0,3%

Из данных, предоставленных на рис. 3 видно, что на протяжении первых 7-ми суток прочность композита приблизительно равна 65%, а в течение 14-ти дней нормального твердения возрастает до 90 %. Также на основе рис. 3, видно, что наибольшей скоростью структурообразования обладает образец №2 с содержанием АНТ 0,1 % к массе цемента. Эффект структурного роста образца №2 (в полтора раза) по сравнению с образцом №1 (без добавок АНТ), объясняется взаимным влиянием наноматериала на минералы цементного клинкера в зоне соприкосновения частиц этих элементов.

Таким образом, анализируя данные, полученные в ходе работы, можно прийти к выводам, что введение в раствор небольших количеств АНТ, способствует прочностному росту композита, а оптимальной концентрацией АНТ, при которой достигается максимальная прочность образцов в течение 28-ми суток, является 0,1% к массе цемента.

Список литературы:

1. Староверов В.Д. Структура и свойства наномодифицированного модифицированного камня. Автореф. дис. канд. техн. наук. –– СПб., 2009. –– С. 19.
2. Яковлев Г.И., Первушин Г.Н., Бурьянов А.Ф., Кодолов В.И., Крутиков В.А., Фишер Ф.-Б., Керене Я. Модификация поризованных цементных матриц углеродными нанотрубками // Строительные материалы ––2009. –– №3. С. 99–102.
3. J.N. Coleman, U. Khan, W.J. Blau, Y.K. Gun’ko. Small but strong: A review of the mechanical properties of carbon nanotube–polymer composites // Carbon. –– 2006. Vol. 44. № 9. –– Р. 1624–1652.
4. Lvov, Y., Wang, W., Zhang, L. and Fakhrullin, R. Halloysite Clay Nanotubes for Loading and Sustained Release of Functional Compounds. // Adv. Mater. –– 2016. Vol. 28 № 6 –– P. 1227–1250.