НАНОАЛМАЗЫ В СОСТАВЕ ВЫСОКОПРОЧНОГО БЕТОНА: ВЛИЯНИЕ НА ГИДРАТАЦИЮ И НАБОР ПРОЧНОСТИ

NANODIAMONDS IN HIGH-STRENGTH CONCRETE: EFFECT ON HYDRATION AND STRENGTH DEVELOPMENT

Susha Ivan Olegovich

Student, Department of Industrial and Civil Engineering, Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University,

Russia, St. Petersburg

Dzhashi Natela Antonovna

Scientific supervisor, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Building Materials and Technologies, Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University,

 Russia, St. Petersburg

АННОТАЦИЯ

Статья содержит аналитический обзор публикаций, затрагивающих вопросы применения наноалмазов в цементных системах и высокопрочных бетонах. Показано, что при введении наноалмазных частиц в небольших дозировках заметно ускоряется ранняя гидратация цемента, возрастает число центров зарождения C‑S‑H, уплотняется структура и, как следствие, повышается прочность бетона. Согласно имеющимся в литературе данным, для детонационных наноалмазов наиболее отчётливый каталитический эффект при гидратации портландцементного клинкера наблюдается при содержании порядка 0,1 мас. %, тогда как в бетонах и высокопрочных композитах рабочие дозировки, как правило, находятся в пределах 0,4–0,6 % от массы вяжущего. Автор приходит к выводу, что наноалмазы перспективны для материалов, используемых при возведении уникальных зданий и сооружений, однако необходимым условием остаётся качественное диспергирование и дополнительная проверка долговечности.

ABSTRACT

The paper provides an analytical review of studies dealing with the use of nanodiamonds in cement systems and high-strength concrete. It is shown that small nanodiamond dosages noticeably accelerate early cement hydration, increase C‑S‑H nucleation sites, densify the microstructure, and thereby raise concrete strength. According to published data, detonation nanodiamonds exhibit the most distinct catalytic effect on Portland clinker hydration at approximately 0.1 wt. %, while effective dosages for concrete and high-strength composites normally fall within 0.4–0.6 % by binder mass. The author concludes that nanodiamonds hold promise for materials employed in unique buildings and structures, provided that dispersion quality is ensured and durability is further verified.

Ключевые слова: наноалмазы, детонационные наноалмазы, высокопрочный бетон, гидратация цемента, C‑S‑H, водопоглощение.

Keywords: nanodiamonds, detonation nanodiamonds, high-strength concrete, hydration, C‑S‑H, water absorption.

При проектировании и строительстве уникальных зданий и сооружений к бетону предъявляются повышенные требования: нужна высокая несущая способность, малая проницаемость, а зачастую — ещё и ускоренный набор прочности. Не случайно внимание исследователей в последние годы сосредоточено на наномодифицированных портландцементных материалах. Обзорные работы показывают, что введение наночастиц позволяет интенсифицировать гидратацию, улучшить микроструктуру цементного камня и поднять механические характеристики — главным образом за счёт эффекта заполнения пор и создания дополнительных центров кристаллизации [4; 5]. Здесь важно подчеркнуть, что свойства формирующегося камня во многом определяются механизмом образования C‑S‑H, который остаётся главным продуктом гидратации цемента [1].

На этом фоне наноалмазы выглядят довольно привлекательно: это малорасходная добавка с большой удельной поверхностью, заметно влияющая на начальные стадии структурообразования. Ряд авторов показал, что такие частицы способны ускорить взаимодействие клинкерных фаз с водой, перераспределить продукты гидратации и уменьшить долю крупных пор [2; 6]. Вместе с тем положительный эффект проявляется экстремально: стоит превысить оптимум — и частицы начинают агломерировать, из-за чего действие добавки заметно слабеет [4].

Современные представления о нуклеации C‑S‑H основаны на многостадийной модели: вначале формируются первичные кластеры, которые затем агрегируют и переходят в термодинамически более устойчивые формы [1]. Если в систему ввести наноразмерные частицы, число зародышевых центров изменится, а значит — изменится и вся последующая микроструктура камня. В обзоре E. John, T. Matschei и D. Stephan подчёркнуто, что многие наночастицы ускоряют гидратацию преимущественно физическим путём, предоставляя дополнительные поверхности для нарастания гидратных фаз [5]. Для наноалмазов этот физический механизм дополняется взаимодействием с продуктами гидратации — прежде всего с портландитом [6].

Рисунок 1. Предполагаемый механизм действия наноалмазов в цементной матрице (составлено автором по данным [1; 2; 4; 5; 6])

Среди ранних специальных исследований стоит выделить работу, выполненную на материалах с портландцементным клинкером и детонационными наноалмазами в количестве от 0,1 до 9 мас. %. Авторы этой работы установили неоднозначный эффект: в зависимости от концентрации добавка могла как ускорять, так и тормозить гидратацию, причём наиболее выраженное каталитическое действие было зафиксировано при содержании около 0,1 мас. % [6]. Для практики строительных материалов этот результат весьма значим: он говорит о том, что большие расходы наноалмазов не нужны, а их передозировка не усиливает, а, напротив, снижает полезное действие.

В работе 2024 года, посвящённой модификации бетона химически чистыми наноалмазами кавитационного синтеза, установлено, что наибольший эффект приходится на ранний возраст твердения. Так, при содержании 0,4 % от массы вяжущего прирост прочности через двое суток достиг 28,6 % при сжатии и 26,1 % при изгибе. К возрасту 28 суток положительное влияние сохранялось, хотя стало более умеренным — 15,1 и 15,7 % соответственно [2]. Такие данные позволяют рассматривать наноалмазы как добавку, особенно ценную для технологий с коротким циклом производства.

Пожалуй, наиболее показательные количественные результаты появились в публикации 2025 года, где наноалмазную добавку сопоставляли с nano-Al₂O₃ в диапазоне 0–1,4 % с шагом 0,2 %. Выяснилось, что оптимальная дозировка наноалмазов составляет 0,6 %: прочность при сжатии выросла на 47,1 %, при изгибе — на 44,9 %, а водопоглощение снизилось на 33,0 % по сравнению с контрольным составом [3]. Для оксида алюминия лучший результат был получен при 1,0 %, и он оказался существенно скромнее: прирост прочности — 17,0 % при сжатии и 16,3 % при изгибе, снижение водопоглощения — 26,0 % [3].

Интересно, что совместное введение 0,6 % наноалмазов и 1,0 % nano-Al₂O₃ привело к синергетическому эффекту: прочность при сжатии возросла на 58,2 %, при изгибе — на 54,1 %, водопоглощение уменьшилось на 49,1 % [3]. Отсюда следует, что наноалмазы вполне могут выступать не только самостоятельной, но и комплексной модифицирующей добавкой для составов высокопрочных бетонов.

Рисунок 2. Изменение прочности и водопоглощения бетона при использовании наноалмазов (составлено автором по данным [2; 3])

Если взглянуть на проблему с позиций специальности «строительство уникальных зданий и сооружений», практическую ценность наноалмазной модификации можно свести к трём ключевым моментам. Во-первых, ускоряется начальный набор прочности — это существенно при изготовлении ответственных элементов и при сокращении сроков распалубки. Во-вторых, уменьшается водопоглощение, что свидетельствует об уплотнении структуры материала. В-третьих, значительный прирост прочности достигается при сравнительно небольшом расходе добавки, а это делает её технологически привлекательной [2; 3].

Тем не менее имеющиеся результаты пока нельзя напрямую переносить в промышленную практику. Обзоры по наномодифицированным цементным материалам неизменно подчёркивают, что нужен контроль агломерации частиц, их стабильное диспергирование, а также расширенная база данных по долговечности [4]. Применительно к наноалмазам особую роль играют испытания на морозостойкость, усадку, ползучесть, стойкость к хлоридному проникновению и карбонизации — именно эти показатели в конечном счёте определят, реализуется ли лабораторный прирост прочности в условиях реальной эксплуатации.

Подводя итог, можно констатировать, что опубликованные данные дают основание считать наноалмазы вполне перспективной добавкой для высокопрочных бетонов. Эффективные дозировки обычно укладываются в интервал 0,4–0,6 % от массы вяжущего; при малых концентрациях наноалмазы ускоряют гидратацию и уплотняют структуру цементного камня. Для того чтобы внедрить эту добавку в строительные материалы, применяемые в уникальных зданиях и сооружениях, необходимо продолжить исследования — как в части технологии введения, так и в части долговечности получаемых композитов [2; 4; 6].

Список литературы:

1. Aretxabaleta X.M., López-Zorrilla J., Etxebarria I. et al. Multi-step nucleation pathway of C-S-H during cement hydration from atomistic simulations // Nature Communications. 2023. Vol. 14. Art. 7979. DOI: 10.1038/s41467-023-43500-y.
2. Beskopylny A.N., Stel’makh S.A., Shcherban’ E.M. et al. Performance and mechanism of the structure formation and physical-mechanical properties of concrete by modification with nanodiamonds // Construction and Building Materials. 2024. Vol. 452. Art. 138994. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2024.138994.
3. Beskopylny A.N., Özkılıç Y.O., Stel’makh S.A. et al. The Influence of Nanodiamonds and Aluminum Oxide Nanoparticles on the Structure and Properties of High-Strength Concrete // Civil Engineering Journal. 2025. Vol. 11. No. 12. P. 5049–5073. DOI: 10.28991/CEJ-2025-011-12-08.
4. Franco-Luján V.A., Montejo-Alvaro F., Ramírez-Arellanes S. et al. Nanomaterial-Reinforced Portland-Cement-Based Materials: A Review // Nanomaterials. 2023. Vol. 13. No. 8. Art. 1383. DOI: 10.3390/nano13081383.
5. John E., Matschei T., Stephan D. Nucleation seeding with calcium silicate hydrate – A review // Cement and Concrete Research. 2018. Vol. 113. P. 74–85. DOI: 10.1016/j.cemconres.2018.07.003.
6. Shilova O.A., Frank-Kamenetskaya O.V., Korobkova A.I. On the influence of detonation nanodiamond dopants on phase content and hydration features of portland cement materials // Glass Physics and Chemistry. 2015. Vol. 41. P. 206–211. DOI: 10.1134/S108765961502011X.