Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Применение дисперсных добавок для модификации цементных вяжущих и бетонов на их основе 12
1.1. Современные тенденции модификации цементных вяжущих 14
1.2. Способы повышения физико-механических характеристик материалов на основе портландцемента 17
1.3. Применение тонкодисперсных добавок для модификации цементных композитов 19
1.4. Свойства нанодисперсных модификаторов 27
1.5. Заключение. Постановка целей и задач 33
ГЛАВА 2. Материалы и методы исследований 36
2.1. Характеристики исходных компонентов 36
2.1.1. Характеристики и свойства исследуемых углеродных нанотрубок 37
2.1.2. Характеристики и минералогический состав компонентов цементного бетона 39
2.1.2.1. Химический и минералогический составы используемых цементов 40
2.1.2.2. Свойства мелкого заполнителя 43
2.1.2.3. Свойства крупного заполнителя 43
2.2. Изготовление исследуемых составов 47
2.2.1. Изготовление контрольных и экспериментальных образцов мелкозернистого бетона 47
2.2.2. Изготовление контрольных и экспериментальных образцов тяжелого бетона 48
2.3. Физико-механические методы исследования цементных
бетонов 50
2.3.1. Определение прочности на сжатие 50
2.3.2. Определение характеристик трещиностойкости 52
2.3.3. Определение марки по водонепроницаемости 52
2.3.4. Определение марки по морозостойкости 54
2.4. Комплекс методов физико-химических исследований структуры цементных бетонов 56
2.4.1. Исследование структуры образцов цементного бетона на растровом электронном микроскопе (РЭМ) 57
2.4.2. Рентгенофазовый анализ образцов цементного бетон... 58
2.4.3. Дифференциально-термический анализ образцов цементного бетона 59
2.4.4. ИК-спектроскопия 60
2.5. Определение размеров частиц водных дисперсии углеродных нанотрубок 61
ГЛАВА 3. Технологические основы получения водных дисперсий углеродных нанотрубок 62
3.1. Получение водной дисперсии углеродных нанотрубок при помощи гидродинамической кавитации 63
3.1.1. Дисперсия углеродных нанотрубок Graphistrength С-100 69
3.1.2. Дисперсия углеродных нанотрубок Graphistrength Masterbatch CW2-45 72
3.2. Получение водной дисперсии углеродных нанотрубок
методом ультразвукового диспергирования 75
3.2.1. Дисперсия углеродных нанотрубок Graphistrength С-100 76
3.2.2. Дисперсия углеродных нанотрубок Graphistrength Masterbatch CW2-45 79
3.3. Получение водной дисперсии углеродных нанотрубок при помощи высокоскоростного гомогенизатора погружного типа 82
3.4. Получение водной дисперсии углеродных нанотрубок при помощи высокоскоростной бисерной мельницы 85
3.4.1. Дисперсия углеродных нанотрубок Graphistrength С-100 86
3.4.2. Дисперсия углеродных нанотрубок Graphistrength Masterbatch CW2-45 88
3.5. Сравнительный анализ экспериментальных данных 90
3.6. Подбор оптимальных режимов обработки дисперсий углеродных нанотрубок 96
3.7. Выводы по главе 3 102
ГЛАВА 4. Физико-химические и физико-механические исследования структуры и свойств цементной матрицы, модифицированной дисперсией многослойных углеродных нанотрубок 105
4.1. Анализ микроструктуры образцов бетона 106
4.2. Представление о характере влияния углеродных нанотрубок на изменения структуры портландцементного камня 115
4.3. Определение характеристик трещиностойкости тяжелого бетона на основе портландцемента модифицированного дисперсиями углеродных нанотрубок 119
4.4. Определение водонепроницаемости тяжелого бетона на основе портландцемента модифицированного дисперсиями углеродных нанотрубок 123
4.5. Определение водонепроницаемости тяжелого бетона на основе портландцемента модифицированного дисперсиями углеродных нанотрубок 125
4.5.1. Морозостойкость бетона после ТВО 128
4.5.2. Морозостойкость бетона нормальных условий твердения 130
4.5.3. Анализ результатов испытаний на морозостойкость 132
4.5. Выводы по главе 4 135
ГЛАВА 5. Опытно-промышленное внедрение модифицированного состава цементного бетона 137
5.1. Разработка технологической схемы введения водной дисперсии углеродных нанотрубок в состав бетонной смеси 137
5.2. Опытно-промышленное внедрение технологии модификации бетона углеродными нанотрубками 140
5.3. Расчет экономической эффективности применения дисперсии углеродных нанотрубок на примере железобетонных стоек СВ-95-З-а 145
5.4. Выводы по главе 5 148
Основные результаты и выводы 149
Список литературы
- Способы повышения физико-механических характеристик материалов на основе портландцемента
- Изготовление исследуемых составов
- Получение водной дисперсии углеродных нанотрубок при помощи высокоскоростной бисерной мельницы
- Определение водонепроницаемости тяжелого бетона на основе портландцемента модифицированного дисперсиями углеродных нанотрубок
Введение к работе
Актуальность работы
Свойства бетонов определяются во многом свойствами цементного вяжущего, возможности структурной модификации которого чрезвычайно велики и одним из ее потенциально эффективных способов представляется модификация протяженными углеродными наноматериалами, а именно, углеродными нанотрубками, которые представляют собой полые цилиндры диаметром от 1 до десятков нанометров и длиной от одного до сотен мкм, – по сути свернутую в цилиндр графитовую плоскость (однослойную и многослойную).
Из литературы известно, что модификация углеродными наноматериалами цементных бетонов (нанотрубками, астраленами, фуллероидами и др.) приводит к повышению их механических показателей на 20-30%. В то же время имеются исследования, в которых показано, что минеральные матрицы, при введении в их состав углеродных наночастиц, имеют потенциал повышения прочности до 100%. Несмотря на повышенный интерес российских и зарубежных исследователей к технологии наномодификации, многие технические эксперты выражают скептицизм в отношении выдвинутых гипотез, описывающих механизм формирования структуры цементного камня в присутствии углеродных частиц нанометрового размера.
Одной из основных причин противоречивых данных о влиянии углеродных нанотрубок (УНТ) на структуру и свойства цементной матрицы является неполное их диспергирование в среде-носителе. В силу высокой поверхностной энергии, УНТ при синтезе образуют глобулы, размеры которых колеблются в пределах 400 - 900 мкм. При этом нанотрубки трудно распределяются в водной среде и требуют специальных технологий по их диспергированию. Главная задача при этом состоит не только в дезинтеграции исходных глобул, но и в предотвращении процесса коагуляции УНТ в водно-дисперсной системе при хранении.
В связи с этим разработка технологии диспергирования углеродных нанотрубок в воде и водном растворе поверхностно-активных веществ, в частности суперпластификатора, для последующей модификации ими цементной матрицы с целью повышения физико-технических характеристик бетонов – является актуальной задачей.
Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР на 2009-2010 гг. аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» в рамках проекта № 1542 и по хоздоговорной теме УИР-3-11/Я: «Разработка состава бетона, модифицированного дисперсией углеродных нанотрубок, для изготовления железобетонных опор ВЛ 0,4…10 кВ» за 2011-2012 год.
Цель работы – разработка структурно-технологических основ диспергирования углеродных нанотрубок в водном растворе ПАВ для модификации портландцемента.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
-
Выполнить анализ известных способов получения водной дисперсии углеродных нанотрубок в зависимости от их генезиса;
-
Разработать технологию диспергирования углеродных нанотрубок для получения модифицирующей добавки, изменяющей структуру и свойства цементного камня;
-
Определить основные физико-механические и эксплуатационные свойства портландцемента, модифицированного водной дисперсией УНТ и бетонов на его основе;
-
Провести опытно-промышленные испытания добавки на основе многослойных углеродных нанотрубок при выпуске железобетонных опор ЛЭП СВ-95-3а и оценить экономический эффект.
Научная новизна
Разработаны научные основы диспергирования углеродных нанотрубок в водном растворе ПАВ, базирующиеся на эффекте гидродинамической кавитации.
Установлено, что введение дисперсий УНТ в состав цементной матрицы ускоряет процесс гидратации портландцемента, сопровождающийся формированием гидросиликатов кальция плотной структуры на поверхности углеродных нанотрубок, что приводит к повышению физико-технических свойств цементной матрицы бетонов.
Достоверность результатов работы и научных выводов обеспечена:
применением стандартных методов испытаний и современных методов физико-химических исследований;
использованием аттестованного лабораторного оборудования и корреляцией полученных результатов с экспериментальными данными других исследователей.
Практическая значимость
разработана технология диспергирования углеродных нанотрубок в растворе ПАВ при помощи вихревого теплогенератора «ВТГ 2,2 кВт», основанная на эффекте гидродинамической кавитации;
предложен способ диспергирования углеродных нанотрубок GraphistrengthTM Masterbatch CW2-45 в высокоскоростных роторных смесителях, позволяющих получать водную дисперсию с концентрацией твердой фазы от 1 до 7%, для массового применения добавки в технологиях производства изделий из цементных бетонов.
Реализация работы
технология диспергирования углеродных нанотрубок используется ООО «Новый дом» для выпуска добавки под торговой маркой «Fulvec-100», используемой для модификации цементных бетонов;
результаты проведенных исследований апробированы при производстве опытной партии железобетонных опор линий электропередач ВЛ 0,4…10 кВ марки СВ-95-3а на ООО «Завод ЖБИ» (г. Ижевск);
теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных лабораторных исследований используются в учебном процессе подготовки бакалавров, магистров и специалистов, обучающихся по направлению «Строительство».
На защиту выносится:
-
Способы получения водных дисперсий углеродных нанотрубок.
-
Результаты физико-химических исследований эффекта модифицирования цементной матрицы углеродными нанотрубками.
-
Физико-технические свойства наномодифицированных цементных бетонов.
-
Результаты опытно-промышленных испытаний модифицирующей добавки из углеродных нанотрубок в производстве опор линий электропередач ВЛ 04…10 кВ марки СВ-95-3а.
Апробация работы
Основные положения работы доложены на следующих конференциях: на III и IV международных конференциях «Нанотехнологии для экологичного и долговечного строительства», Ижевск-Каир (2011-2012); на XV Академических чтениях РААСН – Международной научно-технической конференции: «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии», Казань (2010); на V международной научно-практической конференции «Повышение эффективности производства и применения гипсовых материалов и изделий», Казань (2010); на третьей Международной конференции: «От наноструктур, наноматериалов и нанотехнологий к наноиндустрии», Ижевск (2011); на III Международном симпозиуме «Проблемы современного бетона и железобетона», Минск (2011); на 13 международной конференции по химии цемента («13th Internatonal Congress on the Chemistry of Cement -ICCC») Мадрид, Испания (2011).
Публикации
Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 10 научных публикациях, в том числе в четырех статьях в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка используемой литературы. Работа изложена на 163 страницах машинописного текста, включающего 38 таблиц, 57 рисунков, библиографический список включает 114 наименований российских и зарубежных авторов.
Автор выражает глубокую благодарность за помощь при проведении исследований научному консультанту д.т.н., профессору Бурьянову А.Ф., а также всему коллективу кафедры «Геотехника и строительные материалы» Ижевского ГТУ им. М.Т.Калашникова за оказанное содействие при выполнении работы.
Способы повышения физико-механических характеристик материалов на основе портландцемента
Решение задач промышленного и гражданского строительства требует создания и широкого применения новых материалов и технологий. Перспективным направлением для решения данной задач в современном строительном материаловедении являются внедрение в технологию бетона новых эффективных модификаторов структуры и свойств, таких как тонкодисперсные добавки, волокнистые наполнители, оценка и корректирование их воздействия на структуру технологии бетона которые позволяют существенно повысить физико-механические свойства и получить новые перспективные виды материалов.
Структура и свойства бетона определяются качеством применяемого материала, и в первую очередь качеством цементного камня. Внедрение в технологию бетона новых сырьевых компонентов позволяет существенно снизить водоцементное отношение и тем самым увеличить плотность цементного камня и его прочность, изменить характер гидратации цементного камня, способствуя получению более прочных стойких гидросиликатов и наиболее тонкой, плотной и стойкой структуры цементного камня, что так же ведет к повышению его прочности [14]. Например за счет снижения водоцементного отношения и использования тонкодисперсных добавок определенного типа происходит инициация образования тонкозернистого геля из новообразований цемента в сочетании с молекулами супер- и гиперпластификатора, образующейся при гидратации цемента, который быстрее и полнее заполняет меньшую первоначальную пористость твердой фазы. В результате ускоряется рост прочности бетона, что позволяет производить сборные железобетонные изделия без тепловой обработки, обеспечив заметную экономию энергоресурсов, а также ускорить возведение монолитных конструкций и облегчить их возведение в зимний период.
Уменьшение размеров кристаллитов цементного камня и его пор ведет к повышению прочности материала. Гидратация цемента в стесненном и тонкораздробленном пространстве твердой фазы при низких В/Ц и использовании тонкодисперсных порошковых наполнителей позволяет получить очень прочную структуру, стойкую к различным внешним воздействиям [15]. Применение в технологии изготовления бетона материалов наномасштаба, то есть имеющих размер частиц менее 100 нм, открывает новые перспективы получения высококачественных и высокопрочных бетонов. В технологии бетона давно используют и продолжают изучать влияние различных тонко дисперсных порошкообразных материалов, таких как золы [16 - 19], микрокремнезем [20 - 23], нанокремнезем [24 - 26] и т.д. на свойства цементного камня и цементных вяжущих композиций в целом. Комплексное их использование при формировании структуры бетона позволяет получить прочную и плотную структуру материала. Важное значение при формировании структуры бетона, имеет применение материалов нового поколения, воздействие которых опирается на параметр среднего размера частиц микро- и нанонаполнителя, а также применение материалов, способных создать плотную и прочную контактную зону на поверхности твердой фазы минеральной матрицы .
При гидратации цемента, особенно в присутствии модификаторов, образуются коллоидные частицы с наноразмерами и гелеподобные тонкие слои на поверхности цементных зерен. Сохранение подобных структур в затвердевшем бетоне способствует повышению его качества [27].
Не малую роль в возможности и целесообразности применения таких наполнителей в технологии бетона являются синергетические процессы наноструктурированных материалов на молекулярном уровне, способные создавать неаддитивные физико-механические и химические свойства материала. Образование таких структурированных объектов не может быть случайным. Это позволяет определить нанотехнологические процессы с ясным физическим смыслом в отличие от произвольно-эмпирического их определения размерным уровнем частиц, так называемая самоорганизация [28]. Примером самоорганизации являются, например фуллерены и углеродные нанотрубки, обладающие уникальными свойствами. В отличие от алмаза или графита, они растворимы в органических растворителях и после обработки в водной среде становятся гидратированными. Гидратированный фуллерен C60HyFn прочно удерживает на своей поверхности слой ориентированных молекул воды толщиной 20 - 80 нм. Этим, а также структурирующим действием гидратной оболочки HyFn объясняется повышенная подвижность и прочность цементных растворов и бетонов. Однако стоимость фуллеренов очень высока, это обусловлено в первую очередь низким выходом (10 - 20%) фуллеренов при сжигании исходного графита и сложным процессом выделения и очистки фуллеренов из углеродистой сажи [29 - 31]. Так, стоимость гидратированного фуллерена Сбо колеблется от 24 - 49 $ США за 1 грамм, а стоимость фуллеренов С7о достигает 260 - 310 $ США за 1 грамм продукта [32].
В общем, возможности использования в строительной отрасли научно-технических разработок продуктов нанотехнологий постепенно расширяются. Достигаемые при этом эффекты, как правило, носят многофункциональный характер. Высокопрочные конструкционные композиционные материалы в присутствии нановолокнистых и порошковых частиц, приобретают необходимую пластичность, имеют пониженную усадку и ползучесть. Общая задача индустрии нанотехнологий состоит в том, чтобы обеспечить строительную и другие отрасли рынка наноматериалами и наночастицами в нужном объеме с требуемыми технико-экономическими параметрами [28]. Так же необходимым является создание стандартизированных методик контроля качества наноматериалов применяемых в строительстве и других отраслях. Таким образом, большое количество наноматериалов и огромный потенциал их применения открывают массу возможностей для изучения их в технических отраслях науки.
Изготовление исследуемых составов
В исследованиях направленных на подбор оптимальной концентрации углеродных нанотрубок для мелкозернистого бетона, изготавливались образцы-балочки размерами 40x40x160 мм для определения прочностных характеристик на изгиб и сжатие. Для этого применялись трехгнездовые разъемные формы размером 40x40x160. Для изготовления бетонной смеси контрольного и основного состава использовался промытый речной песок с Волковского карьера с модулем крупности Мк=1,82 и портландцемент НЕМ I 42,5Н ОАО «Горнозаводскцемент» в соотношении 1 части цемента к 3-м частям заполнителя при В/Ц=0,45. Расчетное количество воды затворения измерялось в мерных емкостях с ценой деления 5 и 1 мл. Сухие компоненты смеси взвешивались на электронных весах «ВСП-6/1-3» (рис. 2.3. а) с III классом точности с погрешностью измерения 1 г, и перемешивались. Дисперсия углеродных нанотрубок взвешивалась на электронных весах «AND HL-400» с погрешностью измерения 0,1 грамм (рис. 2.3. в). Для контрольных составов, расчетное количество воды затворения вводилось в смесь в полном объеме. Для экспериментальных (основных) образцов, вода затворения делилась на 2 части равные 90 % и 10 % от общего количества. В большую часть воды затворения добавлялось расчетное количество дисперсии углеродных нанотрубок, после чего полученный раствор вводили в перемешанные сухие компоненты мелкозернистого бетона. Оставшуюся часть (10%) воды затворения вводили в смесь незадолго до окончания перемешивания. Бетонная смесь укладывалась в формы и уплотнялась при помощи встряхивающего стола. На следующие сутки после укладки бетона в формы, образцы распалубливались, маркировались и помещались в камеру влажного хранения до истечения 28 суток.
Для определения эксплуатационных характеристик модифицированных бетонов изготавливались стандартные образцы-кубы контрольной и основной серий из бетона класса В-30 (М400) в соответствии с ГОСТ 26633-91 «Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия». Для изготовления образцов-кубов принимались формы типа 2ФК-100 в соответствии с требованиями ГОСТ 22685-89 «Формы для изготовления контрольных образцов бетона». Все составы бетонных смесей соответствовали нормам по удобоукладываемости по показателю подвижности (осадка конуса) и равнялись в среднем 5-10 см, что соответствует марке по удобоукладываемости П2 по ГОСТ 7473-94 «Смеси бетонные. Технические условия». Применяемые в бетонных смесях вяжущее, крупный и мелкий заполнители взвешивались на электронных весах «ВСП-6/1-3». Дисперсия углеродных нанотрубок взвешивалась на электронных весах «AND HL-400». При приготовлении образцов сухие компоненты смеси перемешивались. В воду затворения, равной 80 % общего расчетного количества воды на замес, вводился суперпластификатор «Полипласт СП-1» в пересчете на массу сухого вещества и расчетное количество дисперсии углеродных нанотрубок. Все компоненты тщательно перемешивались, до приобретения однородного черного цвета и отсутствия осадка на дне тары от нерастворенных частиц пластификатора (в случае применения суперпластификатора в виде порошка). Затем сухая смесь затворялась полученным раствором, и по степени перемешивания, вводился остаток расчетного количества воды затворения в чистом виде.
Полученная смесь укладывалась в формы и помещалась на вибростол «СМЖ-730» (рис. 2.3. б) и уплотнялась в течении 30 секунд до окончания процесса подъема воздушных пузырей и образования на поверхности тонкого слоя цементного молочка. После, готовая смесь в формах маркировалась и помещалась в пропарочную камеру или укрывалась влажной тряпкой, в зависимости от требований к условиям твердения, до распалубки. Образцы бетона, рассчитанные на испытания в возрасте 28 суток, после распалубки помещались в камеру нормальных условий твердения.
Получение водной дисперсии углеродных нанотрубок при помощи высокоскоростной бисерной мельницы
Предполагается, что основной причиной недостаточного влияния углеродных нанотрубок на структуру и свойства цементной матрицы является их неполная дезинтеграция на отдельные частицы в дисперсионной среде. Обладая высокой поверхностной энергией, углеродные нанотрубки при производстве объединяются в пучки, образуя глобулы, размеры которых в среднем составляют 400 - 900 мкм. Для их распределения требуются специальные технологии диспергирования. Главная задача при работе с углеродными нанотрубками - дезинтеграция их скоплений, возникающих при синтезе, и обеспечение их устойчивости в водной среде при хранении. При недостаточной дезинтеграции глобул углеродных нанотрубок в дисперсии, при введении ее в цементную матрицу, возможен эффект негативного влияния на физико-механические свойства бетона, т.к. в данном случае нанотрубки выступают как нежелательные углеродные примеси в цементном камне, что приводит, в частности, к снижению прочности.
Среди способов диспергирования различных твердых веществ в жидкой среде известными и наиболее применяемыми являются методы ультразвукового диспергирования (в т.ч. за счет акустической кавитации) и механического «измельчения». К неклассическим методам можно отнести диспергирование за счет гидродинамической кавитации. Наиболее важным параметром при диспергировании твердых веществ в жидких средах является конечная вязкость системы. Так, эффективность кавитационных процессов напрямую зависит от вязкости жидкости и обратно пропорциональна квадрату величины вязкости. При механическом измельчении эффективность диспергирования, наоборот, зависит от «наполненности» системы, так как процесс измельчения включает в себя взаимодействие твердых частиц между собой. Исходя из вышеперечисленных утверждений, применяемые в диссертационном исследовании методы диспергирования можно разделить на 2 группы:
1. Методы получения низкоконцентрированных водных дисперсий углеродных нанотрубок с эффективным содержанием твердой фазы до 0,1% в пересчете на массу дисперсии при помощи гидродинамической кавитации и ультразвуковой обработки компонентов.
2. Методы получения водных дисперсий углеродных нанотрубок с эффективным содержанием твердой фазы до 7% в пересчете на массу дисперсии при помощи механического измельчения дисперсной системы в высокоскоростных диссольверах погружного типа (бисерные мельницы и роторно-статорные гомогенизаторы).
Ниже рассмотрена эффективность методов диспергирования углеродных нанотрубок в водной дисперсионной среде.
В диссертационном исследовании, первым возможным методом получения дисперсий углеродных нанотрубок был рассмотрен метод гидродинамической кавитации. Данный метод характеризуется возможностью получения низкоконцентрированных водных дисперсий УНТ с концентрацией твердой нерастворимой фазы до 0,1%. В качестве генератора кавитационных процессов в данном случае применялся вихревой теплогенератор «ВТГ-2,2 кВт» (рис. 3.1 б) компании ООО «ВТГ-Сервис» (г. Ижевск). Принцип работы кавитатора основан на использовании возобнавляемой энергии воды при схлопывании кавитационных пузырьков, трении и синтезе молекул воды. Составная схема вихревого теплогенератора ВТГ 2,2 кВт приведена на рис. 3.2. (а) (б)
Устройство содержит неподвижный цилиндрический корпус 1, жестко связанную с ним крышку 2, цилиндрическую полость 3, внутри которой с зазором установлен с возможностью вращения, закрепленный на валу подшипникового узла 4, ротор 5 с глухими цилиндрическими отверстиями 6, расположенными по периферии в его торцах рядами по окружности. Глухие цилиндрические отверстия ротора противолежат идентичным глухим цилиндрическим отверстиям 6, которые выполнены на крышке и корпусе, причем все глухие отверстии расположены от оси вращения вала 4 на определенном расстоянии Rmin, а расстояние между соседними отверстиями в ряду выполнено одинаковым и равным расстоянию между соседними отверстиями каждого ряда. Отверстие входного канала 7 выполнено по центру крышки соосно с валом 4 подшипникового узла. Отверстие выходного канала 8 расположено на торцевой стенке корпуса параллельно оси вращения вала 4, который зафиксирован в подшипниковом узле 9 и через соединительную муфту 10 соединен с электродвигателем 11. В корпусе 1 выполнена камера торцевого уплотнения 12 с торцевым уплотнением 13.
Определение водонепроницаемости тяжелого бетона на основе портландцемента модифицированного дисперсиями углеродных нанотрубок
Система изготовления бетонной смеси требуемой марки на заводе железобетонных изделий является автоматической, посредством системы дозаторов исходных материалов по заданной программе. Требуемое количество цемента, щебня и песка отмерялось в дозаторах в массовом отношении и подавалось в смеситель. После непродолжительного перемешивания (примерно в течении 1 минуты) в сухую смесь подавалась требуемое количество воды затворения, с поправкой на количество воды, затраченную на разбавление концентрированной дисперсии углеродных нанотрубок. Вода затворения и разбавленная дисперсия УНТ подавалась в смеситель одновременно (рис. 5.2 б) для лучшего распределения углеродных нанотрубок в объеме бетонной смеси. Перемешивание в смесителе происходило в течении 3 минут.
После приготовления выполнялся забор бетонной смеси для определения ее подвижности (рис. 5.2. в). Далее бетонная смесь подавалась в формовочный цех в подготовленную опалубку, формовалась и уплотнялась (рис. 5.3). Одновременно был выполнен забор бетонной смеси для изготовления образцов-кубов для контроля прочности изделия после ТВО.
После технологической выдержки для обеспечения необходимой прочности перед пропаркой, форма с бетоном перемещалась в камеру тепловой обработки. После распалубки, стойки прошли процедуру подготовки к испытаниям (зачистка поверхности изделий и покрытие известковым раствором).
Процесс подготовки форм и формования железобетонных стоек марки СВ-95-З-а бетонной смесью с углеродными нанотрубками
Целью производственных испытаний стоек СВ-95-З-а нагружением являлось определение показателей фактической прочности, жесткости, трещиностойкости, соответствие геометрических размеров и массы.
Нагружение стоек в количестве 2 штук производилось поэтапно, согласно требованиям ГОСТ 8829-94 «Изделия строительные железобетонные и бетонные заводского изготовления. Методы испытаний нагружением. Правила оценки прочности, жесткости и трещиностойкости» и схемы опирання и загружения по ТУ 5863-007000113557-94 (Рис. 5.4). Для этого на территории завода был изготовлен стенд для испытания стоек СВ-95-3-а(рис. 5.5).
Контрольные нагрузки по прочности, жесткости и трещиностойкости, а также величина контрольного прогиба и ширина раскрытия трещин приняты по п. 3.2. и таблице № 6 и № 7 ТУ 5863-007000113557-94. Стойки испытывались на 3-е сутки после формования и тепловлажностной обработки.
По итогам испытаний был составлен акт о проведенных испытаний в соответствии с требованиями ТУ 5863-007-99113557-94 «О результатах контрольных испытаний железобетонных вибрированных стоек для опор ВЛ 0,4... 10 кВ марки СВ-95-З-а из тяжелого бетона модифицированного дисперсией углеродных нанотрубок» (ПРИЛОЖЕНИЕ 9), составленный на основе протоколов испытаний измерения геометрических размеров (ПРИЛОЖЕНИЕ 10) и испытаний нагружением для определения прочности, жесткости и трещиностойкости (ПРИЛОЖЕНИЕ 11, 12).
Таким образом, в результате испытаний стоек в производственных условиях установлено: Прочность: при контрольной нагрузке по прочности 560 кгс признаков разрушения не обнаружено. Ширина раскрытия трещин составила в среднем на длине 1 м от опорной части не более 0,15 мм.
Жесткость: при контрольной нагрузке по жесткости 400 кгс фактический прогиб составил/= 167 мм (максимально допустимый/= 400мм). Трещиностойкость: при контрольной нагрузке по трещиностойкости 330 кгс ширина раскрытия трещин не более 0,05 мм (максимально-допустимая 0,15 мм).
Вывод: стойки железобетонные вибрированные для опор ВЛ 0,4... 10 кВ - СВ 95-3-а изготовленные из тяжелого бетона модифицированного дисперсией углеродных нанотрубок и испытанные ООО «Завод ЖБИ» по прочности, жесткости и трещиностойкости соответствуют требованиям ТУ 53163-007-00113557-94.
Расчет экономической эффективности проводился относительно средней рыночной стоимости 1 единицы продукции (стойка железобетонная вибрированная для опор ВЛ 0,4 - 10 кВ марки СВ-95-З-а). При определении конечной стоимости 1 стойки с дисперсией углеродных нанотрубок учитывалась средняя добавочная стоимость от использования дисперсии, приготовленной на основе продукта серии Graphistrength Masterbatch CW2-45. Стоимость железобетонной стойки СВ 95-За по ТУ 5865-007-001/3557-94 серии 3.407.1-143 составляет 8873,00 руб. Стоимость дисперсии углеродных
нанотрубок составляет 268 руб. на 1 стойку, что дает окончательную стоимость стойки с модифицированным бетоном: 8873,00 + 268,00=9141,00 рублей. Таким образом, стоимость 1 единицы продукции возрастет на 3,02%. Нормативный срок эксплуатации железобетонных вибрированных стоек составляет 40 лет. Однако по статистическим данным, выданным заказчиком проекта «Разработка состава бетона, модифицированного дисперсией углеродных нанотрубок, для изготовления железобетонных опор В Л 0,4-10 кВ», срок эксплуатации стоек в действительности составляет в среднем 12 лет. При введении в бетон дисперсии углеродных нанотрубок, срок эксплуатации стойки гарантированно возрастает на 8 лет, что увеличивает эксплуатационный показатель на 66,67 %.