СТРУКТУРНАЯ МОДИФИКАЦИЯ НОВООБРАЗОВАНИЙ В ЦЕМЕНТНОЙ МАТРИЦЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДИСПЕРСИИ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК И НАНОКРЕМНЕЗЕМА

Комплексные нанодисперсные системы с многослойными углеродными нанотрубками и нанокремнеземом имеют значительное влияние на процессы гидратации, твердения, набора прочности строительных композитов, предопределяя их долговечность. Исследования с использованием сканирующего электронного микроскопа и Х-лучевого микроанализа с обнаружением в инфракрасном спектре показали, что главный эффект модификации в случае добавления комплексных нанодисперсных систем обеспечивается направленным влиянием процессов гидратации с последующей кристаллизацией новообразований. Установлено, что при добавлении дисперсии углеродных нанотрубок и нанокремнезема формируется структурная матрица в виде чрезвычайно плотной оболочки из кристаллогидратных новообразований на поверхности твердой фазы, что обеспечивает прочную вяжущую матрицу в цементном бетоне. Эффект добавления углеродных нанотрубок анализировался и количественно оценивался исследованием в каждом случае одного образца с нанотрубками и одного без них с помощью наноиндентора и сканирующего электронного микроскопа. Чтобы количественно оценить эффект добавки углеродных нанотрубок на характеристики материала на микромеханическом уровне, необходимо решить сложную задачу. В то же время возможно исследовать поверхность бетонного образца с разрешением в 1 микрон. При этом необходима подготовка образцов для наноиндентирования с исключением всех эффектов дефектности углеродных нанотрубок, показанных сканирующим электронным микроскопом. Вместе с тем, более адекватным методом оценивания в данном случае должен быть пикоиндентор, который комбинирует испытательный метод наноиндентирования с оптическим потенциалом сканирующего микроскопа. Такое оборудование находится в стадии полевых испытаний в Венском техническом университете. Исследование основано на том, что главный эффект модифицирования минеральной вяжущей матрицы с использованием включенных комплексных нанодисперсных систем и нанокремнезема обеспечивается непосредственным влиянием процессов гидратации и последующей кристаллизацией новообразований. Сканирующий электронный микроскоп и Х-лучевой микроанализ с обнаружением в инфракрасном спектре показали, что введение дисперсии многослойных углеродных нанотрубок совместно с нанокремнеземом обеспечивает построение вдоль цементной матрицы очень плотной оболочки вновь образованных гидратов на поверхности твердой фазы. Структурированные поверхностные слои формируют отдельные ячейки в модифицированной цементной матрице, что обеспечивает формирование предельно наполненной системы и предопределяет структуры модифицированной цементной матрицы благодаря формированию пространственной упаковки. Следовательно, основным фактором, повышающим характеристики цементного бетона, модифицированного углеродными нанотрубками и нанокремнеземом, является структурная модификация гидросиликатов кальция относительно композиции и морфологии новообразований.

1. Radushkevich L. V., Lukyanovich V. M. (1952) On the Structure of Carbon Produced at Thermal Decomposition of Carbon Monoxide on an Iron Contact. Zhurnal fizicheskoi khimii [Journal of Physical Chemistry], 26 (1), 88–95 (in Russian).

2. Iijima S. (1991) Helical Microtubulesof Graphitic Carbon. Nature, 354 (6348), 56-58. Doi: 10.1038/354056a0

3. Babushkina S. N., Kodolov V. I., Kuznetsov F. P., Nikolaeva O. A., Yakovlev G. I. Method of Producing Carbon and Metal Containing Nanostructures. Patent of the Russian no. 2169699 (in Russian).

4. Kodolov V. I., Shabanova I. N., Makarova L. G., Khokhryakov N. V., Kuznetsov A. P., Nikolaeva O. A., Kerene J., Yakovlev G. I. (2001) Structure of the Products Simulated Carbonization of Aromatic Hydrocarbons. Journal of Structural Chemistry, 42 (2), 215–219. Doi: 10.1023/a:1010562914410

5. Yakovlev G., Keriene J., Gailius A., Girniene I. (2006) Cement Based Foam Concrete Reinforced by Carbon Nanotubes. Materials Science, 12 (2), 147–151.

6. Yakovlev G., Pervushin G., Maeva I., Keriene Ja., Pudov I., Shaybadullina A., Buryanov A., Korzhenko A., Senkov S. (2013) Modification of Construction Materials with Multi-walled Carbon Nanotubes. Proceedia Engineering, 57, 407–413. Doi:10.1016/j.proeng.2013.04.053

7. Yakovlev G. I., Pervushin G. N., Polyanskikh I. S., Senkov S. A., Pudov I. A., Mohamed A. E. (2014) Concrete of Increased Durability for Producing Transmission Line Poles. Stroitelnye Materialy [Construction Materials], (5), 92–94 (in Russian).

8. Ponomaryov A. N. Nanoconcrete – Conception and Issues (2007). Stroitelnye Materialy [Construction Materials], (7), 2–4 (in Russian).

9. Sobolkina A., Mechtcherine V., Khavrus V., Maier D., Mende M., Ritschel M., Leonhardt A. (2012) Dispersion of Carbon Nanotubes and its Influence on the Mechanical Properties of the Cement Matrix. J. Cement & Concrete Composites, 34, 1104–1113. Doi:10.1016/j.cemconcomp.2012.07.008

10. Korolyov E. V. (2014) Nanotechnology in Construction Material Science. Analysis of the State and Achievements. Ways of Developments. Stroitelnye Materialy [Construction Materials], (11), 47–79 (in Russian).

11. Shama Parveen, Sohe Rana, Rau Fangueiro (2013). A Review on Nanomaterial Dispersion, Microstructure, and Mechanical Properties of Carbon Nanotube and Nanofiber Reinforced Cementitious Composites. Journal of Nanomaterials, 2013, 1-19. Doi:10.1155/2013/710175

12. Saptarshi Sasmal, B. Bhuvaneshwari, Nagesh R. Iyer (2013). Can Carbon Nanotubes Make Wonders in Civil Structural Engineering? Progress in Nanotechnology and Nanomaterials, 2 (4), 117–129. Doi:10.5963/pnn0204003

13. Šmilauer V., Hlavácek P., Padevet P. (2012) Micromechanical Analysis of Cement Paste with Carbon Nanotubes. Acta Polytechnica, 52 (6), 22–28.

14. Mehmet Gesoglu, Erhan Güneyisi, Diler Sabah Asaad, Guler Fakhraddin Muhyaddin (2016). Properties of Low Binder Ultra-High Performance Cementitious Composites: Comparison of Nanosilica and Microsilica. Construction and Building Materials, 102, 706–713. Doi: 10.1016/j.conbuildmat.2015.11.020

15. Anand Hunashyal1, Nagaraj Banapurmath, Akshay Jain, Sayed Quadri, Ashok Shettar (2014). Experimental Investigation on the Effect of Multi-Walled Carbon Nanotubes and Nano-SiO2 Addition on Mechanical Properties of Hardened Cement Paste. Advances in Materials, 3 (5), 45–51. Doi: 10.11648/j.am.20140305.13

16. Péter Ludvig, José M. Calixto, Luiz O. Ladeira, Ivan C. P. Gaspar (2011). Using Converter Dust to Produce Low Cost Cementitious Composites by in situ Carbon Nanotube and Nanofiber Synthesis. Materials, 4, 575–584. Doi: 10.3390/ma4030575

17. Sakthieswarana N., Sureshb M. (2015). A Study on Strength Properties for Cement Mortar added with Carbon Nanotubes and Zeolite. International Journal Of Engineering And Computer Science, 4 (6), 12402–12406.

18. Jyoti Bharj, Sarabjit Singh, Subhash Chander, Rаbinder Singh (2014) Role of Dispersion of Multi-walled Carbon Nanotubes on Compressive Strength of Cement. International Journal of Mathematical, Computational, Physical, Electrical and Computer Engineering, 8 (2), 340–343.

19. Saraykina K. A., Golubev V. A., Yakovlev G. I., Fedorova G. D., Alexandrov G. N., Plekhanova T. A., Dulesova I. G. (2015) Modification of Basalt Concrete with Nanodispersed Systems. StroitelnyeMaterialy [Construction Materials], (10), 64–69 (in Russian).

20. Karpova E. A., Ali Elsaed Mohamed, Skripkiunas G., Keriene Ja., Kicaite A., Yakovlev G. I., Macijauskas M., Pudov I. A., Aliev E. V., Sen’kov S. A. (2015) Modification of Cement Concrete by use of Complex Additives Based on the Polycarboxylate Ether, Carbon Nanotubes and Microsilica. Stroitelnye Materialy [Construction Materials], (2), 40–48 (in Russian).

21. Lahayne O., Eberhardsteiner J., Yakovlev G., Leonovich S., Pervushin G. (2013) Nano-Tests on Concrete samples with and wiеhout nanotubes. Mekhanika razrusheniya betonov, zhelezobetonov i drugikh stroitel'nykh materialov Sbornik statei po materialam 7-i mezhdunarodnoi nauchnoi konferentsii. Tom. 2 [7th International Scientific Conference “Fracture Mechanics of Concrete, Reinforced Concrete and Other Building Materials”. Vol. 2], Voronezh, Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering, 2013.

22. Eberhardsteiner J., Lahayne O. (2014) Nano-Tests on Concrete Samples with and without Nanotubes. Stroitelnye Materialy [Construction Materials], (1–2), 21–24.

23. With an Account on www.hysitron.com, the Manual of the Nanoindenter Can be Downloaded by Using this link. Available at: https://support.hysitron.com/downloads/User%20Manuals/TI%20900%20TriboIndenter%20User%20Manual.pdf.

24. Homepage of the USTEM (University Service Facilities for transmissions electron microscopes), Vienna University of Technology, Austria. Available at: http://www.ustem. tuwien.ac.at/instrumentation/fei_quanta_200_fegsem/EN/.