Прогнозирование трещиностойкости бетона на основе метода конечных элементов (стр. 19 )

Разработанные углеродные нанотрубки использовались в качестве высокопрочной нанодисперсной арматуры для улучшения физико-технических свойств поризованных фторангидритовых композиций. Углеродные нанотрубки имели диаметр 30-40 нм (рис. 2а-в) и содержали в полостях интеркалированные частицы меди.

Композиции готовились на основе техногенного ангидрита (фторангидрит – отход производства плавиковой кислоты), который предварительно подвергался помолу до дисперсного состояния. Эффективность достигается за счет низкой стоимости сырья и упрощения технологии вследствие использования традиционного газообразователя в виде алюминиевой пудры. Обеспечение щелочной среды для достижения газообразования в приготавливаемой смеси достигается введением добавки, которая одновременно является активатором гидратации ангидрита. Вспучивание растворной смеси обеспечивается за счет выделения водорода в процессе взаимодействия алюминиевой пудры с щелочным активатором твердения.

Дисперсно-армирующая добавка представляла собой продукт с плотностью 0,086г/см3, содержащий углеродные нанотрубки диаметром 40 - 60 нм, заполненные медью. Количество армирующей фазы соответствовало 0,05 % от массы исходной смеси. Для определения физико-механических свойств готовили образцы с размерами (100х100х100) мм по стандартной методике. Результаты испытаний приведены в табл. 1.

Таблица 1

Физико-механические характеристики поризованной фторангидритовой композиции

№ п/п	Содержание нанотрубок в % от массы состава	Средняя плотность, кг/м3	Предел прочности при сжатии, МПа	Коэффициент теплопроводности λ, Вт/м оС	Размер пор, мкм	Состояние стенок пор
1	0	584	0,754	0,13	600 – 1200	перфорированы
2	0,05	542	0,897	0,11	400 - 800	однородные

Как видно из табл. 1, при модификации поризованной фторангидритовой композиции добавкой углеродных нанотрубок достигается повышение механической прочности на 19 %, стабилизация структуры газобетонабетона по размерам и форме пор, снижение теплопроводности газобетона и его средней плотности.

Отмечено, что наличие углеродных нанотрубок в составе поризованной фторангидритовой композиции приводит к стабилизации его структуры (рис. 3б), к отсутствию в них признаков перколяции стенок, проявляющихся в контрольных образцах (рис. 3в). Распределяясь в объеме поризованной фторангидритовой композиции нанотрубки играют роль центров направленной кристаллизации, что приводит, с одной стороны, к появлению фибриллярной структуры в стенках пор обеспечивая ее непрерывность и сплошность (рис. 3г), а, с другой стороны, к появлению упрочняющей структурно-ориентированной надмолекулярной оболочки вокруг нанотрубки.

В поризованной фторангидритовой композиции без добавки нанотрубок за счет интенсивной перколяции стенок пор (рис. 3а) происходит объединение пор с образованием крупных пор, которые дополнительно увеличивают теплопроводность поризованной композиции и снижают его механические характеристики. Стабилизация структуры поризованной фторангидритовой композиции происходит за счет армирующего эффекта при добавлении фибриллярных структур и упрочнения вследствие формирования надмолекулярных структур в стенках пор.

а) б) в) г)

Рис. 3. Структура пенобетона при увеличении х90: (а) - без добавки нанотрубок, (б) – с добавлением 0,05 % нанотрубок; стенки пор при увеличении х240: (в) - без добавки нанотрубок (перфорирована), (г) – стабилизирована при добавлении 0,05 % нанотрубок

С использованием растрового электронного микроскопа ESEM-FEG[1] совмещенного с микроанализатором [11] исследована структура стенок пор в поризованном ангидрите.

Формирование структуры поризованного анагидрита без углеродных нанотрубок достигается за счет образования двуводного гипса аморфной структуры с вкраплениями кристаллов гипса. Отмечается наличие столбчатых удлиненных кристаллов (рис. 4), которые согласно проведенному микроанализу (рис. 5), можно идентифицировать как гидросульфоалюминаты кальция типа эттрингита. Введение в состав поризованного ангидрита углеродных нанотрубок приводит к изменению микроструктуры стенок пор. При этом, стенки пор в поризованном ангидрите формируются из пластинчатых кристаллов двуводного гипса (рис. 6а), введение углеродных нанотрубок приводит к формированию кристаллов гипса с вогнутыми гранями (рис. 6б).

а) б)

Рис. 4. Микроструктура стенок пор поризованного фторангидрита: (а) – общий вид кристаллов эттрингита, (б) – фрагмент кристаллов эттрингита

[1] Съемка производилась Dr. rer. nat. Bernd Möser Bauhaus-Universität Weimar (Германия)

Рис. 5. Микроанализ кристаллов эттрингита

а) б)

Рис. 6. Микроструктура кристаллов гипса в поризованном ангидрите: (а) гипс пластинчатой структуры (без углеродных нанотрубок), (б) - кристаллы гипса с вогнутыми гранями (при добавлении углеродных нанотрубок)

Таким образом, использование углеродных нанотрубок при приготовлении поризованной фторангидритовой композиции существенно изменяет структуру материала. При этом достигается повышение однородности пор по размерам, отсутствие усадочных явлений при твердении композиции, что позволяет повысить физико-механические свойства изделий на ее основе, улучшить теплофизические характеристики газобетона за счет снижения его теплопроводности.

Материал может быть использован для производства теплоизоляционных изделий, а также для устройства монолитной теплоизоляции строительных конструкций.

СПИСОК литературЫ

1. Kahmer H. Fibrous concrete successfully used in structural precast component production / Concrete Plant + Precast Technology 67 (8), 2001, p. 26-31.

2. Tagnit-Hamou A., Vanhove Y., N. Petrov N. Microstructural analysis of the bond mechanism between polyolefin fibers and cement pastes / Cement and Concrete Research 35 (2), 2005, p. 364 – 370.

3. Dresselhaus M. S., Dresselhaus G., Eklund P. C. Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes. - Academic Press. – 1997, 1216 p.

4. , , Яковлев структуры продуктов стимулированной карбонизации ароматических углеводородов // Журнал структурной химии. 2001, Том 42, № 2. - С. 260 - 264.

5. Ebbesen T. W., Wetting. Filling and Decorating Carbon Nanotubes. J. Phys. Chem. Solids. Vol. 57, No. 6-8, (1996), pp. 951-955.

6. Zhang X., Cao A., Li Y., Xu C., Liang Ji, Wu D., Wei B. Self-organized arrays of carbon nanotube ropes. Chem. Phys. Lett. 351 (2002), 183-188.

7. Kurt R., Bonard J. M., Karimi A. Structure and field emission properties of decorated C/N nanotubes tuned by diameter variations. Thin Solid Films, Vol. 398-399, (2001), pp. 193-198.

8. Яковлев организация межфазных слоев при создании кристаллогидратных композиционных материалов Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Пермь, 2004. - 35 с.

9. Seeger T., Redlich Ph., Grobert N., Terrones, M., Walton D. R.M., Kroto H. W., Ruble M. SiO-coating of carbon nanotubes at room temperature. Chem. Phys. Lett. 339 (2001), 41 - 46.

10. , , Яковлев получения углеродметаллсодержащих наноструктур. Патент РФ на изобретение № 000. Опубл.: БИ, 2001, № 18.

11. Möser B. Der Einsatz eines ESEM-FEG für hochauflösende und mikroanalytische Untersuchungen originalbelassener Baustoffproben / 15. Internationale Bau-stofftagung “Ibausil”. Tagungsbericht-Band 1. - Weimar, 2000. – S. 1-0089 - 1-0114.

УДК 351.793.11

, д-р техн. наук, профессор, , инженер

Тамбовский государственный технический университет

ВЛИЯНИЕ УФ-ОБЛУЧЕНИЯ НА ПРОЧНОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ БИТУМНЫХ КРОВЕЛЬ

В условиях эксплуатации битумные кровли подвергаются УФ-облучению, что приводит к фотодеструкции, снижающей их прочность и долговечность. Для оценки влияния УФ-облучения на сопротивление разрушению битумных кровель образцы бикроста, стекломаста, стеклобита в виде двусторонних лопаток подвергали облучению в специальной камере лампами ПРК в течение различного времени (от 12 до 108 часов). Испытания проводили при одноосном растяжении при постоянной скорости нагружения (кратковременные) и заданных постоянных напряжениях и температурах (длительные). При одинаковых условиях ( времени облучения, напряжении, температуре) испытывали по 6…12 образцов [1]. В результате кратковременных испытаний фиксировали величины разрушающих напряжений.

Зависимости прочности исследованных битумных кровель от времени УФ-облучения представлены на рисунке 1. Из рисунка видно, что для всех кровельных материалов после 12-ти часов облучения прочность падает на 20…25 %. С увеличением времени облучения от 12 до 52 часов прочность стекломаста и стеклобита практически не меняется, а бикроста увеличивается на 12…15 %. После 52…60 часов облучения прочность стекломаста и стеклобита падает еще на 8…10 %, а бикроста – на 12 %. К 100 часам облучения прочность стекломаста и стеклобита достигает исходной величины. Таким образом, УФ-облучение экстремально влияет на прочность кровельных материалов, что, по-видимому, связано с физико-химическими процессами, протекающими при фотодеструкции битумной кровли.