Исследование свойств бетона с добавкой технического углерода



В данной статье рассмотрены свойства электропроводящего бетона, получаемого с помощью вовлечения технического углерода как добавки. Рассматриваемая технология применяется в качестве «теплых дорог» и «теплого бетона». Непосредственно цементобетонный материал используется в дорожном и гражданском строительстве для обеспечения чистоты от снега и наледи на поверхностях, без использования снегоуборочной техники и химической обработки. Автором экспериментально подобраны составы бетона с разными процентными содержаниями технического углерода. Оптимальное содержание выявлялось проведением испытаний на изгиб, сжатие, морозостойкость и токопроводность изготовленных образцов. Данная технология способна снизит стоимость обслуживая автомобильных и пешеходных дорог, повысить безопасность и уменьшить негативное влияние на экологию, оказываемое при применении привычных способов очистки.

Ключевые слова: электропроводящий бетон, токопроводящий бетон, «теплый бетон», «теплые дороги», технический углерод, способы очистки дорожных поверхностей.

Актуальность темы

Одной из основных, до конца не решенных, дорожных проблем, в зимнее время года, является снеговой покров и обледенение. Последствия мощных снегопадов невозможно ликвидировать мгновенно. Объем работ по очистке всех имеющихся дорожных покрытий невозможно выполнить физически и экономически. А во дворах быстрорастущих городов трудно произвести полноценную уборку и обработку территорий из-за припаркованных автомобилей. В результате чего появляются многокилометровые заторы транспортных средств, увеличивается количество ДТП, затрудняется передвижение пешеходов и повышается травмоопасность.

Такого рода трудности присуще не только России. В развитых Скандинавских странах, например, при подготовке граждан к обычному получению права на управления рядового автомобиля, существует целый раздел по обучению вождению в зимних условиях. А после получения водительского удостоверения, требуется пройти испытательный срок, который обязательно должен включать в себя зимний период вождения. Граждан готовят, так как при таком количестве снежных осадков, как в Скандинавии, невозможно мгновенно устранить снежные заносы дороге. С гололедом, зачастую, тоже не борются привычными для нас способами, так как химические реагенты оказывают сильное влияние на экологию. Но стоит отметить, что подобная модель доступна Скандинавским странам по причине малого количества населения, и как следствия автомобилей, при высоком уровне развития дорожной сети.

Для борьбы с последствиями зимних природных явлений есть несколько способов — механизированная чистка специальной снегоуборочной техникой, ручная чистка, обработка полотен химическими и фрикционными противогололедными материалами. Но, к сожалению, как уже говорилось выше, из-за загруженности, и зачастую стесненного пространства, специализированные дорожные службы по уборке снега не могут или не успевают очищать все дворы и «скрытые» улочки. Как правило, в порядок приводят только центральные улицы населенных пунктов.

Самой затратной временной и финансовой частью по уборке территорий в зимний период является вывоз загрязненного снега на специальные полигоны или в плавильные цеха. Зачастую, снеговые отложения во дворах жилых кварталов лежат весь зимний сезон, в них накапливаются не только мелкий мусор, но и всевозможные химические реагенты, используемые для борьбы с наледью. Такой грязный снег, в дальнейшем, представляет опасность для экологии и населения. Часть реагентов уходит в грунт и подземные воды, часть превращается в пылевые отложения при высыхании, которые пагубно действуют не только на дыхательные органы человека, но и на эстетический вид городов.

Способы применения токопроводящего бетона

Учитывая все вышесказанное, становиться очевидно, что следует искать дополнительные решения обозначенных проблем. Так как действующих мер недостаточно для энергоэффективной и своевременной очистки дорожных и гражданских территорий. Способы устранения последствий природных явлений зимнего периода должны быть экономически целесообразны, безопасны для граждан и выполнимы по объему. Одно из таких решений — применение в дорожном и гражданском строительствах так называемого «теплого» бетона. Существует различные способы создания такого рода композиционного материала. Например, заложение в тело бетона греющих сеток или кабеля. В данной статье рассматривается способ, основанный на вовлечении в состав бетонной смеси технического углерода, как добавки.

Перспективным направлением данного бетона является производство специальных поверхностей-обогревателей, которыми могут быть не только дорожные одежды, но также и стены, и тротуарная плитка [1].

Химия углерода открывает весьма широкие перспективы в получении композиции на основе углеродсодержащего сырья, в силу достижений последних лет в этой области. Благодаря уникальным свойствам, чрезвычайно высокой химической стойкости, термопрочности, термостойкости и удельной прочности углеродные композиты нашли применение в качестве материалов для изготовления углеродсодержащих огнеупорных, высокотемпературных композиционных материалов, модифицированных электродов, как наполнителей для шинной и резинотехнической промышленности, каталитических систем на основе углеродсодержащего сырья и др. [2].

В мировой строительной индустрии стремительно возрастают доля и роль высокопрочных бетонов, способствующих развитию архитектурных форм и функционально новых видов сооружений. Бетоны классифицируют как многокомпонентные композиционные материалы на основе минеральных вяжущих, свойства которых могут регулироваться в широких пределах за счет модификации различными добавками, в том числе наноуровня [3, 4].

Лабораторные испытания. Автором статьи были проведены лабораторные испытания, в ходе которых подобран оптимальный вариант состава электропроводящего бетона с добавлением технического углерода Т-900. Были определены физико-механические свойства, установлены электротехнические, термические и технологические параметры получившегося материала.

Во время испытаний требовалось выполнить следующие задачи:

– Подобрать оптимальный состав токопроводящего бетона по его критериям на прочность и электропроводность;

– Определить физико-механические свойства токопроводящего бетона;

– Проверить цементобетон на электропроводность в зависимости от процентного содержания электропроводного компонента.

В ходе лабораторных испытаний были изготовлены контрольный образец и образцы с различным процентным содержанием технического углерода, обеспечивающего нагрев и электропроводность материалу.

В качестве материалов для приготовления смеси были использованы:

– Цемент по ГОСТ 31108–2003 ЦЕМ II/А-Ш 42,5 НДП ГОСТ 33174–2014;

– Песок по ГОСТ 8736–96 и 26633–2012 песок для строительных работ;

– Щебень по ГОСТ 8267–93 и 26633–2012 гранитный;

– Углерод технический по ГОСТ 7885–86 Марка 900;

– Пластифицирующая добавка MG 117;

– Воздухововлекающая добавка MG 125 air.

Было подобрано несколько составов цементобетонной смеси с различными содержанием технического углерода (табл.1).

Таблица 1

Составы электропроводящего цементобетона

Материал	Количество материала, %
	Состав № 1 (0 % углерода)	Состав № 2 (5 % углерода)	Состав № 3 (10 % углерода)	Состав № 4 (15 % углерода)
Цемент	17,57	17,42	17,27	17,10
Песок	36,93	36,61	36,30	35,95
Щебень	38,33	38,00	37,66	37,31
Вода	7,03	6,97	6,91	6,84
Углерод	0	0,87	1,73	2,58
Пластифи-цирующая добавка	0,13	0,12	0,12	0,12
Воздухо-вовлекающая добавка	0,01	0,01	0,01	0,01

Ход работы осуществлялся следующим образом:

– Взвесить все материалы с точностью до тысячных;

– В бетоносмесителе замесить цемент, песок и щебень;

– Добавить технический углерод;

– В сухую смесь вводиться вода с добавками;

– Готовую смесь уплотняем на виброплощадке;

– Ставим в сушильную камеру.

Из готовых смесей формовались кубики 10х10х10 см и балочки 4х4х16 см, которые затем испытывали на прочность и морозостойкость (таблица 2).

Таблица 2

Результаты испытаний на прочность

Состав	Вид испытания
	Прочность на сжатие, МПа		Прочность на изгиб, МПа
	28 суток	56 суток	28 суток	56 суток
Состав № 1	42,30	44,45	41,56	43,87
Состав № 2	45,20	49,70	41,98	44,12
Состав № 3	50,49	58,35	43,61	45,50
Состав № 4	49,40	49,70	42,35	44,87

По результатам испытаний образцов на прочность, можно сделать вывод, что оптимальная концентрация технического углерода близка к 10 %.

По результатам испытаний образцов на морозостойкость можно сделать вывод, что факт вовлечения и его процент не оказывают влияние на данный показатель.

Для определения электропроводности материала, при формовании образцов, были заложены стальные токопроводящие саморезы. Изготовленные образцы испытывались при комнатной температуре +21,6 ⁰ С. При измерении токопроводности с помощью мультиметра были получены следующие результаты (таблица 3).

Таблица 3

Результаты испытаний на электропроводность

Состав	Сопротивление, кОм
Состав № 2	709
Состав № 3	914
Состав № 4	1141

По результатам испытаний было выявлено, что состав с содержанием технического углерода 5 % имеет самый высокий показатель электропроводности.

Специально для проведения исследования была разработана установка, позволяющая определить скорость нагрева образцов, проводя через них ток. Таким образом, с помощью находящихся на приборе медных пластин и датчиков, определяющих температуру, удалось отследить скорость нагрева всех образцов. По результатам измерений, можно прийти к выводу, что увеличение процента вовлечения технического углерода ускоряет нагрев тела бетона. Так, образец с наибольшей концентрацией нагрелся на 3 ⁰ С в течении 5–7 минут.

Исходя из всех проведенных лабораторных испытаний, можно сделать вывод, что самым оптимальный вариант при выборе концентрации цементобетона является состав с содержанием технического углерода, близким к 10 %.

Данная технология, несмотря на высокую стоимость, не лишена будущего. Использование ее в дорожном строительстве повсеместно, конечно, нецелесообразно. Однако, создание «теплых» покрытий на дворовых территориях, может оказаться тем самым сбалансированным решением проблем, вызванных зимними природными явлениями. Исследование показало, что вовлечение технического углерода, как способ получения «теплого» бетона, является возможной опцией. Так как, при приобретении способности относительно быстрого нагрева, бетон сохраняет свои физико-механические свойства, не теряет в прочности и морозостойкости. В дальнейшем, для определения жизнеспособности данной технологии, следует провести экономическое сравнение различных способов получения «теплого» бетона с рассматриваемым, в различных масштабах использования.

Литература:

1. Урханова Л. А., Буянтуев С. Л., Урханова А. А., Лхасаранов С. А., Ардашова Г. Р., ФедюкР.С.,Свинцов А. П., Иванов И. А. Механические и электрические свойства бетона, модифицированного углеродными наночастицами// Инженерно-строительный журнал. 2019. No8(92). С.163–172. DOI: 10.18720/MCE.92.1
2. Кабулов А. Т., Нечипуренко С. В., Ефремов С. А. Получение и исследование новых углеродных материалов из растительных отходов и их применение в очистке газовоздушных смесей // Труды Кольского научного центра РАН, 2015. № 5 (31). С. 527−531.
3. Ковтун Г. П., Веревкин А. А. Наноматериалы: технологии и материаловедение: Обзор. Харьков: ННЦ ХФТИ, 2010. 73 с.
4. Ремпель А. А. Нанотехнологии, свойства и применение наноструктурированных материалов // Успехи химии, 2007. Т. 76. № 5. С. 475–500.