Спросить
Войти
УДК 691.332.5:539.2
Г.И. ЯКОВЛЕВ1, д-р техн. наук, Г.Н. ПЕРВУШИН1, д-р техн. наук, Я. КЕРЕНЕ2, д-р техн. наук, И.С. ПОЛЯНСКИХ1, канд. техн. наук, И.А. ПУДОВ1, канд. техн. наук, Д.Р. ХАЗЕЕВ1, инженер, С.А. СЕНЬКОВ3, канд. техн. наук
Комплексная добавка на основе углеродных нанотрубок и микрокремнезема для модификации газосиликата автоклавного твердения
Исследовано влияние комплексной добавки на основе дисперсии многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ) в сочетании с микрокремнеземом МК-85 на структуру и свойства газосиликата автоклавного твердения. Физико-химические исследования добавки показали ее активность по отношению к гидроксиду кальция, что позволило улучшить физико-механические свойства автоклавного газобетона. Проведенные исследования физико-механических показателей (прочность при сжатии и теплопроводность) показали зависимость свойств газобетона от соотношения используемых комплексных добавок и технологии их введения при приготовлении растворной смеси.
G.I. YAKOVLEV1, Doctor of Technical Sciences, G.N. PERVUSHIN1, Doctor of Technical Sciences; Ja. KERIENE2, Doctor of Technical Sciences; I.S. POLIYANSKICH1, Doctor of Technical Sciences, I.A. PUDOV1, Candidate of Technical Sciences, D.R. CHAZEEV1, engineer, S.A. SENKOV3, Candidate of Technical Sciences
Complex additive based on carbon nanotubes and silica fume for modifying autoclaved aerated gas silicate
The influence of complex additives based on dispersion of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) in combination with MK- 85 silica fume on the structure and properties of autoclaved aerated gas silicate has been studied. Physical and chemical studies of the additive have shown its activity towards calcium hydroxide, which has improved the mechanical properties of autoclaved aerated concrete. The conducted studies of physical and mechanical properties (compressive strength and thermal conductivity) have shown the dependence of the properties of aerated concrete on the ratio of the used complex additives and technologies of their adding in the process of producing mortars. Keywords: multi-walled carbon nanotubes, gas silicate, calcium silicate hydrate, silica fume.
Исследования, связанные с применением нанотехно-логий при производстве ячеистых бетонов автоклавного твердения, не столь многочисленны [1—3]. Анализ работ в области применения комплексных добавок на основе наносистем для улучшения характеристик газобетона показывает, что положительное их влияние в большой степени зависит не только от количества и соотношения компонентов этих добавок, но и от способа их приготовления и технологической последовательности введения в газобетонную смесь. Приведенные исследования проThe researches related to the application of nanotechnol-ogy in the production of autoclaved cellular concrete are not so numerous [1—3] The analysis of works in the field of application of complex additives based on nanosystems for improving the characteristics of aerated concrete shows that the positive influence of these additives is highly dependent not only on the amount and ratio of their components, but the method of their preparation and technological sequence of adding them to aerated concrete mixture. The given studies continue our previous work [4, 5] in the field of using nano-technology for producing aerated concrete and are related to the use of MWCNTs combined with MK- 85 silica fume as a composite additive improving the characteristics of auto-claved gas silicate.
Рис. 1. а - общий вид установки для диспергирования МУНТ; b - вихревой теплогенератор «ВТГ 2,2 кВт» компании ООО «ВТГ-Сервис»; c - i тичное изображение применяемого циркуляционного метода диспергирования
Fig. 1. а - general view of the installation for MWCNTs dispergation; b - «VTG 2.2 kW» vortex heat generator produced by «VTG- Service» company; c -view of the applied circular dispergation method
научно-технический и производственный журнал
январь/февраль 2014
Рис. 2. Микроструктура дисперсии многослойных углеродных нанотрубок при различных увеличениях и степени диспергации: а - общий вид дисперсии при 1150-кратном увеличении; b - оптимальная дисперсия по степени диспергации; c - признаки начальной коагуляции дисперсии при увеличении времени обработки
Fig. 2. Microstructure of MWCNT dispersion under various magnification and dispergation degree: a - general view of the dispersion under 1150-time magnification; b - optimum dispersion in term of dispergation degree, c - signs of initial coagulation of dispersion, the treatment time being increased
должают предыдущие работы [4, 5] в области использования нанотехнологий для производства газобетона и связаны с использованием МУНТ в сочетании с микрокремнеземом МК-85 как комплексной добавки, улучшающей характеристики автоклавного газосиликата.
Для диспергации многослойных углеродных нанотрубок была спроектирована и собрана установка[6] для диспергирования углеродных нанотрубок GrapЫstrength ^100 в водном растворе суперпластификатора «Реламикс» циркуляционного принципа действия (рис. 1). В качестве генератора кавитации использовался вихревой теплогенератор «ВТГ 2,2 кВт» (рис. 1, Ь) компании ООО «ВТГ-Сервис» (г. Ижевск). Эффект гидродинамической кавитации возникает в рабочей зоне вихревого теплогенератора при взаимодействии потоков жидкости между собой и вращающейся роторной частью аппарата.
За счет гидродинамической кавитации производилась водная дисперсия УНТ GrapЫstrength ^100 в растворе ПАВ «Реламикс» и гидроксида алюминия Время диспергирования составляло 50 мин.
Как видно из снимков микроструктуры (рис. 2) дисперсии МУНТ, степень диспергации зависит от времени диспергации, при этом увеличение времени диспергации приводит к повторной коагуляции углеродных нанотру-бок (рис. 2, с), что снижает эффективность дисперсии.
В процессе диспергации углеродные нанотрубки разделялись на единичные, при этом поверхность нано-трубок покрывалась слоем ПАВ с созданием гидрокси-лированных отрицательно заряженных слоев.
Результаты физико-механических показателей газосиликата, модифицированного дисперсией МУНТ в сочетании с гидроксидом алюминия Al(OH)3, представлеFor the dispergation of multi-walled carbon nanotubes an installation [6] has been designed and assembled to disperse Graphistrength™ C-100 carbon nanotubes in aqueous solution of «Relamiks» superplasticizer of circular mode (Fig. 1). «VTG 2.2 kW» vortex heat generator (Fig. 1, b) produced by «VTG- Service» company (Izhevsk) was used as a cavitation generator. The effect of hydrodynamic cavitation occurs in the working zone of the vortex heat generator in the interaction of liquid flows between themselves and a rotating part of the machine.
Due to hydrodynamic cavitation Graphistrength™ CNT C-100 aqueous dispersion in «Relamiks» surfactant solution and aluminum hydroxide Al(OH)3 was made. Time of dispergation was 50 min.
As it can be seen from the photographs of the MWCNT dispersion microstructure (Fig. 2) the dispergation degree depends on the dispergation time, in this case increasing the dispergation time leads to re-coagulation of carbon nanotubes (Fig. 2, c), which decreases the dispersion efficiency.
In the process of dispergation carbon nanotubes divided into single and their surface was coated with a surfactant layer, hydroxylated negatively charged layers being formed.
The results of the physical and mechanical indicators of gas silicate modified with MWCNT dispersion in combination with aluminum hydroxide Al(OH)3 are shown in Table 1. The additive containing Al (OH)3 and CNT is prepared with a hydrodynamic cavitator.
Based on the parameters listed in Table 1, modifying gas silicate with MWCNT dispersion in combination with aluminum hydroxide can significantly reduce the thermal conductivity of gas silicate products, but in this case the strength and average density of gas silicate decrease which was also noted
Таблица 1 Table 1
Наименование изделия Product name Плотность в сухом состоянии, кг/м3 Density in dry state, kg/m3 Прочность при сжатии в сухом состоянии, МПа Compressive resistance in dry state, MPa Коэффициент теплопроводности, Вт/(м.оС) Heat conduction coefficient, W/(m.°C)
Изделие с нанотрубками Product with nanotubes На ЗЯБ In Cellular Concrete Plant Изделие с нанотрубками Product with nanotubes На ЗЯБ In Cellular Concrete Plant Изделие с нанотрубками Product with nanotubes На ЗЯБ In Cellular Concrete Plant
Н15.14т-8т № 1 N15.14t-8t № 1 574 580 3,5 3,6 0,1011 0,1288
Н15.14т-8т № 2 N15.14t-8t № 2 582 580 3,1 3,6 0,1089 0,1288
научно-технический и производственный журнал
январь/февраль 2014
ны в табл. 1. Добавка, содержащая А1(ОН)3 и УНТ, приготовлена на гидродинамическом кавитаторе.Исходя из показателей, приведенных в табл. 1, модифицирование газосиликата дисперсией МУНТ совместно с гидрок-сидом алюминия может существенно понизить теплопроводность изделий из газосиликата, но при этом происходит снижение прочности и средней плотности газосиликата, что также отмечалось в работе [4]. В составе комплексной добавки для повышения прочности газосиликата использовался микрокремнезем МК-85.
Микрокремнезем МК-85 является техногенным продуктом металлургического производства при выплавке ферросилиция (ТУ 14-106-709-2004 «Микрокремнезем конденсированный»). Химический состав представлен в табл. 2.
По данным рентгенофазового анализа, диоксид кремния в МК представлен в основном аморфной модификацией, что определяет роль МК в механизме взаимодействия с гидроксидом кальция и продуктами гидратации минералов цемента.
В связи с высокой дисперсностью частиц при хранении микрокремнезем подвергается уплотнению и агрегации частиц. При анализе дисперсности без предварительной дисперга-ции средний размер агрегированных частиц микрокремнезема составляет в среднем 20 мкм (рис. 3, а), поэтому перед применением микрокремнезема в качестве модифицирующей добавки необходима диспергация агрегированных частиц, при этом средний размер частиц составляет 300 нм (рис. 3, Ь). Такая гранулометрия и значительной удельной поверхности зерен аморфного кремнезема обусловливаются высокие пуццолановые свойства и влияние микрокремнезема на свойства газобетона. Кремнезем в таком виде активно вступает в реакцию с гидроксидом кальция, увеличивая объем гидратированных силикатов кальция типа CSH (рис. 4, Ь).
Существенным фактором, влияющим на физико-механические свойства газобетона, является технология введения микрокремнезема. Для совместного использования дисперсий МУНТ с микрокремнеземом МК-85 готовились пасты при двукратном механическом перемешивании. На начальном этапе приготовления паст дисперсия МУНТ перемешивалась в смесителе с низким количеством оборотов для создания промежуточной пасты, которая затем подвергалась интенсивному смешиванию в промышленном высокоскоростном бисерном смесителе.
Однородное распределение частиц микрокремнезема с МУНТ во всем объеме приготовленной смеси газобетона достигалось при предварительном совместном смешивании алюминиевой суспензии и пасты. Учитывая, что суспезия алюминиевой пудры готовится с использованием ПАВ в виде сульфанола, а дисперсия МУНТ «Реламикс», при перемешивании комплексной
I I., 100.0
. -о зооо
Рис. 3. Анализ дисперсности микрокремнезема: а - без ультразвуковой обработки, b - после ультразвуковой диспергации в течение 6 мин
Fig. 3. Analysis of silica fume dispersity: a - without ultrasound treatment, b - after ultrasound dispergation during 6 min
Рис. 4. Микроструктура межпоровых перегородок газосиликата: а - контрольный состав; b - газосиликат, модифицированный комплексной добавкой на основе МУНТ и МК-85 Fig. 4. Microstructure of partitions between times in aerated concrete: a - control structure; b - aerated concrete, modified by the complex additive on the basis of MWCNT and МК-85
Таблица 2 Table 2
SiO2 M2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O C S
in [4]. The complex additive for improving the strength of gas silicate was MK-85 silica fume.
MK-85 silica fume is an industrial product of metallurgical production of ferrosilicon smelting (Specifications 14106-709—2004 «Condensed silica fume»). The chemical composition is shown in Table 2.
According to the X-ray analysis, silicon dioxide in silica fume is mainly in amorphous modification, which defines the role of the silica fume in the mechanism of interaction with calcium hydroxide and products of cement minerals hydration.
Due to the high dispersion of particles, during its storage silica fume undergoes compaction and aggregation of particles. The analysis of dispersity without prior dispergation
rj научно-технический и производственный журнал
jV! ® январь/февраль 2014
Плотность в сухом состоянии, % Density in dry state, %
Прочность при сжатии в сухом состоянии, % Compressive strength in dry state, % Коэффициент теплопроводности, % Heat conguction coefficient, %
Рис. 5. Зависимость физико-механических показателей газосиликата от содержания пасты (в % от массы цемента): 1 - 5% микрокремнезема от массы ПЦ; 2 - 0,0005% пасты; 3 - 0,001% пасты; 4 - 0,001% пасты и 5% микрокремнезема от массы ПЦ; 5 - 0,005% пасты; 6 - 0,005% пасты и 5% микрокремнезема от массы ПЦ, 7 - 0,01% пасты
Fig. 5. Dependence of physical and mechanical indices of gas silicate on paste content (% from cement mass): 1 - 5% silica fume from Portland cement mass; 2 - 0,0005% paste; 3 - 0,001% paste; 4 - 0,001 % paste and 5% silica fume from Portland cement mass; 5 - 0,005% paste; 6 - 0,005% paste and 5% silica fume from Portland cement mass; 7 - 0,01% paste
добавки, включающей пасту на основе МУНТ и микрокремнезема, достигается получение однородной суспензии, которая вводится в газобетонную смесь при ее перемешивании в смесителе.
При введении микрокремнезема совместно с цементом в приготовлении газобетонной смеси поризация ее идет значительно медленнее, а полученные изделия приобретают повышенную среднюю плотность, что значительно повышает теплопроводность готовых изделий. Такой эффект связан с высокой активностью микрокремнезема, который связывает большое количество гидроксида кальция на начальном этапе формирования структуры газобетона; при этом оставшегося свободного гидроксида кальция недостаточно для реакции с алюминиевой пудрой, обеспечивающей образование водорода и вспучивание силикатного газобетона.
Анализ показателей прочности и теплопроводности изделий из газобетона, модифицированного пастой на основе дисперсии МУНТ, и микрокремнезема, показывает возможность улучшения изделий из модифицированного газосиликата.
Результаты физико-механических показателей газосиликата, модифицированного микрокремнеземом и пастой, включающей МУНТ концентрацией 0,14% и МК-95 с содержанием 64,6%, представлены на рис. 5.
Таким образом, снижение теплопроводности газосиликата с одновременным повышением прочности достигается при модификации газосиликатных изделий за счет модификации пастой в количестве 0,0005—0,001%, приготавливаемой на основе дисперсии МУНТ с микрокремнеземом. Комплексная добавка на основе дисперсии многослойных углеродных нанотрубок в сочетании с микрокремнеземом МК-85 влияет на процесс гидратации и формирования структуры автоклавного газобетона.
shows the average size of aggregated particles of silica fume as 20 microns (Fig. 3, a), therefore before using silica fume as a modifying additive disperga-tion of aggregated particles is required, the average particle size being 300 nm (Fig. 3, b). Such grading and large specific surface area of amorphous silicon dioxide grains cause high pozzolanic properties and the effect of silica fume on the properties of aerated concrete. Such silicon dioxide actively reacts with calcium hydroxide increasing the amount of CSH-type hydrated silicates (Fig. 4, b).
A significant factor affecting the physical and mechanical properties of aerated concrete is the technology of adding silica fume. Pastes were produced with double mechanical stirring for combined use of MWCNT dispersions with MK-85 silica fume. At the initial stage of producing pastes MWCNT dispersion was stirred in a mixer with a low turning number to produce an intermediate paste, which was then subjected to intensive mixing in a high speed industrial beaded mixer.
Uniform distribution of silica fume particles with MWCNT throughout the prepared aerated concrete mixture was achieved at the preliminary joint mixing of aluminum suspension and paste. Given that aluminum powder suspension is produced with using surfactants (sulphanol) and «Relamiks» MWCNTs dispersion — while stirring the complex additive comprising a paste based on MWCNTs and silica fume, a homogeneous suspension is obtained, which is then added to aerated concrete mixture while stirring it in a mixer.
When adding silica fume with cement while preparing porous aerated concrete mixture, concrete aerating is much slower, and the products acquire increased average density, which significantly increases the thermal conductivity of the ready products. This effect is associated with high activity of silica fume, which binds a large amount of calcium hydroxide in the initial stage of formation of aerated concrete structure, while the remaining free calcium hydroxide is not enough for the reaction with aluminum powder which provides hydrogen genesis and blow out of silicate aerated concrete.
The analysis of strength and thermal conductivity of products made of aerated concrete modified with paste based on MWCNTs dispersion and silica fume shows the possibility of improving the products made of modified gas silicate
The results of physical and mechanical indices of gas silicate modified with silica fume and MWCNTs paste with concentration of 0,14% and MK-95 with the content of 64,6% are shown in Fig. 5.
Thus, the reduction of thermal conductivity of gas silicate with the simultaneous increase of strength is achieved by modifying silicate products with pasta of 0,0005—0,001%, based on MWCNTs dispersion with silica fume. Complex additive based on multi-walled carbon nanotubes dispersion in combination with MK-85 silica fume affects the process of hydration and formation of structure of autoclaved aerated concrete.
Список литературы
Jadvyga Keriene, Modestas Kligys^ Antanas Laukaitis, Grigory Yakovlev, Algimantas Spokauskas, Marius Aleknevicius. The influence of multi-walled carbon nanotubes additive on properties of non-autoclaved and
References
Jadvyga Keriene, Modestas Kligys^ Antanas Laukaitis, Grigory Yakovlev, Algimantas Spokauskas, Marius Aleknevicius. The influence of multi-walled carbon nanotubes additive on properties of non-autoclaved and
научно-технический и производственный журнал Q&fFÇJM".!^ JJbrlbJ^
январь/февраль 2014
autoclaved aerated concretes // Construction and Building Materials. 2013. V. 49. P. 527-535.
autoclaved aerated concretes. Construction and Building Materials. 2013. V. 49. Pp. 527-535.
Тел.: (3812] 35 65 44, 35 65 45. E-mail: info@inta.ru. Http: www.inta.ru
■ОБ.ОВУДО ВАН И Е «ИНТА-СТРОИ»
ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
СМЕСИТЕЛЬ-ГРАНУЛЯТОР «КАСКАД-16» Назначение
• Промышленная подготовка сырья для пластического формования и полусухого прессования кирпича.
• «Каскад-16» может использоваться в других отраслях, где необходимо тщательное смешение компонентов с высокой степенью гомогенизации.
• Производство цветного кирпича.
Преимущества:
- глубокая переработка сырья;
- высокая степень гомогенизации;
- улучшение характеристик сырья;
- гранулирование;
- камневыделение;
- возможность использования отходов (зола ТЭЦ, граншлак и прочее].
Основные характеристики:
• производительность, т/ч - 50;
• мощность, кВт — 160;
габариты [дл„ шир., выс.), мм-4887, 2650,1505; масса, кг - 8400.
МЫ ЗВЕНЬЯ ОДНОЙ ЦЕПИ
МЫ ЗВЕНЬЯ ОДНОЙ ЦЕПИ&
МЫ ЗВЕНЬЯ ОДНОЙ ЦЕПИ ^ж^
Реклама
rj научно-технический и производственный журнал
jV! ® январь/февраль 2014
