Влияние наномодификаторов на физико-механические свойства гипсовых вяжущих

Abstract

RU: Постановка проблемы. В ближайшие 10 лет более 90 % материалов будут заменены на новые материалы – нанокомпозиты [1]. Применение нанокомпонентов даст возможность производить материалы высокой прочности со сниженной себестоимостью и обеспечит спрос на продукцию [2]. Исследования, направленные на установление влияния концентрации наномодификаторов в виде углеродных нанотрубок на физико-механические свойства гипсовых вяжущих, являются актуальными и должны привести к созданию конкурентоспособных прочных наноматериалов. Цель статьи. Исследование влияния концентрации наномодификаторов в виде углеродных нанотрубок (УНТ) на физико-механические свойства гипсовых вяжущих. Вывод. Анализ микроструктуры образцов показал, что в структуре немодифицированных гипсовых образцов преобладают призматические и пластинчатые кристаллы, хаотично распределенные в объеме матрицы. В этом случае образуется рыхлая структура с повышенной пористостью, которая является причиной низкой механической прочности образцов. В гипсовой матрице, модифицированной УНТ, формируется упорядоченная и однородная структура с более крупными игольчатыми кристаллами, что приводит к увеличению площади межфазной поверхности, снижению пористости и, соответственно, к повышению физико-механических характеристик. Экспериментально доказано, что при одинаковом содержании наномодификатора в гипсовой матрице (0,035 %) максимальный прирост прочности при сжатии достигается при использовании УНТ и составляет 28–30 %. Методом DFT выполнено исследование взаимодействия ионов Ca2+ с графеноподобной углеродной поверхностью. Показана возможность ковалентного связывания кальция с гексагональной углеродной ячейкой поверхности в результате перекрывания валентных 3р орбиталей Ca2+ и 2р орбиталей углерода.

UK: Постановка проблеми. У найближчі 10 років понад 90 % матеріалів будуть замінені на нові матеріали ‑ нанокомпозити [1]. Застосування нанокомпонентів дасть можливість виробляти матеріали високої міцності зі зниженою собівартістю і забезпечить попит на продукцію [2]. Дослідження, спрямовані на встановлення впливу концентрації наномодифікаторів у вигляді вуглецевих нанотрубок на фізико-механічні властивості гіпсових в'яжучих, актуальні і мають привести до створення конкурентоспроможних міцних наноматеріалів. Мета статті. Дослідження впливу концентрації наномодифікаторів у вигляді вуглецевих нанотрубок (ВНТ) на фізико-механічні властивості гіпсових в'яжучих. Висновок. Аналіз мікроструктури зразків показав, що в структурі немодифікованих гіпсових зразків переважають призматичні і пластинчасті кристали, хаотично розподілені в обсязі матриці. У цьому випадку утворюється структура з підвищеною пористістю, яка є причиною низької механічної міцності зразків. У гіпсовій матриці, модифікованій ВНТ, формується впорядкована й однорідна структура з більшими голчастими кристалами, що зумовлює збільшення площі міжфазної поверхні, зниження пористості і, відповідно, підвищення фізико-механічних характеристик. Експериментально доведено, що за однакового вмісту наномодифікаторів у гіпсовій матриці (0,035 %) максимальний приріст міцності при стисненні досягається у разі використання ВНТ і становить 28–30 %. Методом DFT виконано дослідження взаємодії іонів Ca2 + з графеноподібною вуглецевою поверхнею. Показана можливість ковалентного зв'язування кальцію з гексагональним вуглецевим осередком поверхні в результаті перекривання валентних 3р орбіталей Ca2 + і 2р орбіталей вуглецю.

EN: Problem statement. In the next 10 years, more than 90 % of materials will be replaced with new materials – nanocomposites [1]. The nanocomponents application will allow manufacture of high-strength materials with reduced production cost and will ensure demand for products [2]. Researches aimed to determination of carbon nanotube type nanomodifier concentration impact on the physical and mechanical properties of gypsum binders are important today and must result in creation of competitive strong nano-materials. Purpose. Research of carbon nanotube (CNT) type nanomodifier concentration impact on the physical and mechanical properties of gypsum binders. Conclusion. Sample microstructure analysis revealed that the non-modified gypsum sample structure is dominated by prismatic and lamellar crystals randomly distributed throughout the matrix volume. In this case, loose structure with increased porosity is formed, which results in sample mechanical strength reduction. In the CNT-modified gypsum matrix, well-ordered and homogeneous structure is formed with larger needle-shaped crystals, which results in the phase-contacting area increase, porosity reduction and thus the physical and mechanical characteristics improvement. It is experimentally proved that at the identical nano-modifier content in the gypsum matrix (0.035 %), maximum compression strength gain is achieved with the use of CNT and makes 28‑ 30 %. At the use of initial carbon nanotubes, increase in strength at the same nano-modifier content makes 13‑15 %. The Ca2+ ions interaction with the graphene-like carbon surface was investigated by the DFT method. Capability is demonstrated of the covalent calcium bonding with the hexagonal carbon surface cell as a result of overlap of Ca2+ valence 3p orbitals and carbon 2р orbitals.