Прогнозирование прочности цементных композитов с оксидом графена методом конечных элементов

Исследована возможность связи между молекулярной и структурной механикой цементных композитов на основе портландцемента марки ПЦ500 Д0 Н цементного завода ОАО ПО «Якутцемент» (С₃А = 6,98%, НГЦТ = 26,25%) и суспензии оксида графена, приготовленной по технологическому регламенту лаборатории «Графеновые технологии» СВФУ им. М.К. Аммосова. Для создания теории методики прогнозирования разработана схема усреднения свойств межатомных связей для получения деформационных характеристик цементного камня с листами оксида графена, с дальнейшей гомогенизацией и расчетом макромодели цементного композита методом конечных элементов. Для определения сходимости использовалось программное обеспечение Ansys 2020 R1 и эмпирические результаты ранее проведенных экспериментов кафедры «Промышленное и гражданское строительство» СВФУ. Установлено, что гомогенизированная модель имеет предел прочности 48,8 МПа, а фактические образцы имеют прочность при сжатии от 58 до 62 МПа. Таким образом, данная теория прогнозирования требует существенной доработки и верификации на эмпирических данных. Для выполнения таких исследований требуется создание междисциплинарной универсальной научной группы из числа аспирантов кафедр химии, математики, строительных материалов.

А.П. СКРЯБИН, магистр (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.),
Г.Д. ФЕДОРОВА, канд. техн. наук (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.)

Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова (677000, г. Якутск, ул. Белинского, 58)

1. Dreyer D.R., Park S., Bielawski C.W., Ruoff R.S. The chemistry of graphene oxide // Chemical Society Review. 2010. Vol. 39. рp. 228–240. DOI: 10.1039/b917103g
2. Ovid’ko I.A. Mechanical properties of graphene // Reviews on Advanced Materials Science. 2013. Vol. 34. No. 1, pp. 1–11. http://www.ipme.ru/e-journals/RAMS/no_13413/01_13413_ovidko.pdf
3. Kim Y., Lee, J., Yeom M.S., Shin J.W. and etc. Strengthening effect of single-atomic-layer graphene in metal-graphene nanolayered composites // Nature Communications. 2013. No. 4. http://dx.doi.org/10.1038/ncomms3114
4. Bartolucci S.F., Paras J., Rafiee M.A. and etc. Graphene-aluminum composites // Materials Science and Engineering: A. 2011. Vol. 528, pp. 7933–7937. http://dx.doi.org/10.1016/j.msea.2011.07.043
5. Wang J., Li Z., Fan G., Pang H., Chen Z. and Zhang D. Reinforcement with graphene nanosheets in aluminum matrix composites // Scripta Materialia. 2012. Vol. 66, pp. 594–597. http://dx.doi.org/10.1016/j.scriptamat.2012.01.012
6. Koltsova T.S., Nasibulina L.I., Anoshkin I.V. and etc. New hybrid copper composite materials based on carbon nanostructures // Journal of Materials Science and Engineering B. 2012. No. 2, pp. 240–246.
7. Федорова Г.Д., Баишев К.Ф., Скрябин А.П. Оксид графена как перспективный наноматериал для цементных композитов // Научное обозрение. 2017. № 12. С. 36–40.
8. Федорова Г.Д., Александров Г.Н., Скрябин А.П., Баишев К.Ф. Влияние оксида графена на прочность при сжатии цементного камня // Строительные материалы. 2018. № 1–2. С. 11–17. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2018-756-1-2-11-17
9. Федорова Г.Д., Скрябин А.П., Александров Г.Н. Изучение влияния оксида графена на прочность цементного раствора на основе местного речного песка // Строительные материалы. 2019. № 1–2. С. 16–22. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-767-1-2-16-22
10. Федорова Г.Д., Александров Г.Н., Скрябин А.П. Активация структурообразующих свойств оксида графена в цементных композитах // Строительные материалы. 2020. № 1–2. С. 17–23. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2020-778-1-2-17-23
11. Peng Hui, Ge Yaping, Cai C.S. etc. Mechanical properties and microstructure of grapheme oxide cement-based composites // Construction and Building Materials. 2019. Vol. 194, pp. 102–109. https://doi. org/10.1016/j.conbuildmat.2018.10.234
12. Wu-Jian Long, Jing-Jie Wei, Feng Xing etc. Enhanced dynamic mechanical properties of cement paste modified with graphene oxide nanosheets and its reinforcing mechanism // Cement and Concrete Composites. 2018. Vol. 93, pp. 127–139. https://doi. org/10.1016/j.cemconcomp.2018.07.001.
13. Zhao Li, Guo Xinli, Liu Yuanyuan, Zhao Yuhong etc. Hydration kinetics, pore structure, 3D network calcium silicate hydrate, and mechanical behavior of graphene oxide reinforced cement composites // Construction and Building Materials. 2018. Vol. 190, pp. 150–163. https://doi.org/10.1016/j. conbuildmat.2018.09.105
14. Наседкин А.В. Конечно-элементная гомогенизация наноструктурированных пьезоэлектрических композитов с интерфейсными межфазными границами // Материалы Х Всероссийской конференции по механике деформируемого твердого тела. 2017. Т. 2. С. 98–101.
15. Соколов А.П., Першин А.Ю., Козлов А.В., Кириллов Н.Д. Гомогенизация многоуровневых многокомпонентных гетерогенных структур для определения физико-механических характеристик композиционных материалов // Физическая мезомеханика. 2018. Т. 21. № 5. С. 90–107.
16. Семенов Б.Н. Моделирование механических характеристик нанокомпозитов «(нано)металл-графен» методом конечных элементов // Физика и механика материалов. 2017. Т. 30. № 1. С. 86–92.
17. Федорова Г.Д., Александров Г.Н., Смагулова С.А. К вопросу применения оксида графена в цементных системах // Строительные материалы. 2016. № 1–2. С. 21–26.
18. Shenghua Lv, Yujuan Ma, Chaochao Qiu, Ting Sun, Jingjing Liu, Qingfang Zhou. Effect of graphene oxide nanosheets of microstructure and mechanical properties of cement composites // Construction and Building Materials. 2013. Vol. 49, pp. 121–127. https://doi.org/10.1016/j. conbuildmat.2013.08.022
19. Min Wang, Rumin Wang, Hao Yao, Shameel Farhan, Shuirong Zhenga, Congcong Du. Study on the three di-mensional mechanism of graphene oxide nanosheets modified cement // Construction and Building Materials. 2016. Vol. 126, pp. 730–739. https://doi.org/I0.1016/j.con-buildmat.2016.09.092.
20. Min Wang, Hao Yao, Rumin Wang, Shuirong Zheng. Chemically functionalized graphene oxide as the additive for cement–matrix composite with enhanced fluidity and toughness // Construction and Building Materials. 2017. Vol. 150, pp. 150–156. https://doi.org/10.1016/j.conbuild-mat.2017.05.217
21. Pavol Lengvarský, Jozef Bocko. Prediction of young’s modulus of graphene sheets by the finite element method // American Journal of Mechanical Engineering. 2015. Vol. 3. No. 6, pp 225–229. http://pubs.sciepub.com/ajme/3/6/14
22. Няпшев И.А., Щербин Б.О., Анкудинов А.В., Кумзеров Ю.А., Неведомский В.Н., Красилин А.А., Альмяшева О.В., Гусаров В.В. Механические свойства наносвитков на основе Mg₃Si₂O₅(OH)₄ // Наносистемы: физика, химия, математика. 2011. Т. 2. № 2. С.  48–57.
23. Несветаев Г.В., Халезин С.В. Модель для оценки влияния рецептурных факторов на коэффициент ползучести бетона // Интернет-журнал «Науковедение». 2017. Т. 9. № 1. http://naukovedenie.ru/PDF/04TVN117.pdf
24. Коробов И.Ю., Попов С.Н. Оценка степени влияния времени твердения и воздействия глинокислотного реагента на упругопрочностные свойства цементного камня // Актуальные проблемы нефти и газа. 2019. № 4 (27). С. 1–10.