Строительство и архитектура/4. Современные строительные материалы

Бикмаева А.К., сдудент¹, Иноземцев А.С., к.т.н., м.н.с.²

¹ИСА НИУ МГСУ, ²НОЦ «Наноматериалы и нанотехнологии», НИУ МГСУ, Россия

Модель высокопрочных легких бетонов с повышенными эксплуатационными свойствам. Часть 1 – Наномодифицирование*

* Работа выполнена при поддержке Гранта Президента РФ молодым российским ученым – кандидатам наук МК-5950.2015.8

Моделирование и инструментальные средства численного анализа, использующие математические закономерности, полученные в результате исследования строительных материалов с известными (или заданными) характеристиками, позволяют осуществлять проектирование и разработку в нанотехнологии материаловедения [1-4].

В работе выполнены исследования по установлению экспериментально-статистических моделей наномодифицированных высокопрочных легких бетонов (технология приготовления согласно [5-6]), которые позволят осуществлять проектирование состава такого бетона с повышенными эксплуатационными свойствами.

Для установления закономерностей изменения свойств при варьировании рецептурных факторов для приготовления энергоэффективного наномодифицированного высокопрочного легкого бетона полифункционального назначения был сформирован двухфакторный композиционный план, описываемый уравнением квадратичной регрессии

с начальными условиями представленными в таблица 1.

Таблица 1 – Условия для построения экспериментально-теоретической модели

Варьируемые факторы	X1 – количество прекурсора для наномодификатора^*	X2 – концентрация пластификатора
Единица измерения	–	% от массы цемента
Основные уровни	1,25	1,00
Интервалы варьирования	0,25	0,20

Примечание. ^* – Наномодификатор «BisNanoActivus» [7] на основе золя гидроксида железа (III) и кремниевой кислоты, где в качестве прекурсора используется жидкое стекло.

Для каждой из девяти точек выбранного плана и контрольного состава, в качестве которого выбран высокопрочный легкий бетон без наномодификатора, оценивались подвижность, предел прочности при изгибе и сжатии, коэффициент трещиностойкости.

Испытания реологических бентонной смеси и физико-механических свойств высокопрочного легкого бетона позволили получить экспериментально-статистические модели (уравнение 1-4, рисунок 1), описывающие зависимость контролируемых параметров от количества прекурсора для приготовления наноразмерного модификатора и концентрации пластифицирующей добавки.

;	(1)
;	(2)
;	(3)
;	(4)

Как видно из уравнения (1) и рисунка 1а введение наномодификатора оказывает негативное влияние на подвижность исследуемых систем, что объясняется наличием кременезема в его составе. В тоже введение пластификатора позволяет компенсировать снижение подвижности и обеспечить требуемую удобоукладываемость бетонной смеси. Увеличение расхода наномодификатора нецелесообразно более чем α=1,25, так как не обеспечивается требуемая подвижность в исследуемом диапазоне расхода пластификатора, что приводит к снижению прочностных показателей.

а	б
в	г
Рисунок 1 – Зависимость диаметра расплыва бетонной смеси (а), предела прочности при изгибе (б), предела прочности при сжатии (в) и коэффициента трещиностойокости (г) наномодифицированного высокопрочного легкого бетона от α – содержания прекурсора при приготовлении наномодификатора и Cд – концентрации пластифицирующей добавки

Изменение предела прочности при изгибе и сжатии носит схожий характер (уравнении 2,3 и рисунок 1б,в). Наибольшая прочность достигается при обеспечении подвижности более 150 мм. При этом рецептурный фактор приготовления наномодификатора оказывает наиболее выраженное влияние на предел прочности при сжатии, чем при изгибе. Это отражается на зависимости коэффициента трещиностойкости, учитывающего оба прочностных параметра, от варьируемых факторов. Установлено, что наибольшее значение по критерию k_тр достигается при использование наномодификатора с расходом прекурсора α=1,00…1,25 и концентрацией пластификатора не менее 1,0 % от массы цемента.

Таким образом, получены модели, описывающие изменение подвижности бетонной смеси (по диаметру расплыва) и прочности (при изгибе и сжатии) высокопрочного легкого бетона, которые позволяют сделать вывод о том, что приготовление бетона средней плотностью 1400 кг/м³ с пределом прочности при сжатии R_сж≥50 МПа и пределом прочности при изгибе R_изг≥2,7 МПа достигается использованием наноразмерного модификатора на основе золя гидроксида железа и золя кремниевой кислоты с содержанием прекурсора α=1,00…1,25 и пластифицирующей добавки на поликарбоксилатной основе в диапазоне концентраций 1,00…1,30 %.

Полученные зависимости позволяют осуществлять анализ и проектирование составов высокопрочного легкого бетона, приготовленного с применением наноразмерной добавки, использованной в качестве поверхностного модификатора дисперсной фазы.

Литература:

1. Смирнов В.А., Королев Е.В., Евстигнеев А.В. Моделирование и инструментальные средства численного анализа в нанотехнологии материаловедения: обзор // Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал. – 2014. – Т. 6. – № 5. – С. 34-58.

2. Смирнов В.А., Королев Е.В., Иноземцев С.С. Стохастическое моделирование наноразмерных систем // Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал. – 2012. – № 1. – С. 6-14.

3. Королев Е.В., Смирнов В.А., Иноземцев А.С. Динамическое моделирование наноразмерных систем // Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал. – 2012. – № 3. – С. 26-34.

4. Gladkikh V.A., Korolev E.V., Smirnov V.A. Modeling of the sulfur-bituminous concrete mix compaction // Advanced Materials Research. – 2014. – Т. 1040. – P. 525-528.

5. Патент РФ 2515450. Высокопрочный легкий бетон/ Королев Е.В., Иноземцев А.С. Заявл. 11.10.2012. Опубл. 10.05.2014.

6. Иноземцев А.С. Структура и свойства наномодифицированных высокопрочных легких бетонов / Дисс. канд. техн. наук, М.:МГСУ, 2013, с. 186.

7. Иноземцев А.С., Королев Е.В. Структурообразование и свойства конструкционных высокопрочных легких бетонов с применением наномодификатора BisNanoActivus // Строительные материалы. 2014. № 1-2. С. 33-37.