Свойства цементных матриц с повышенной электропроводностью

Модификация силикатных композитов является актуальной задачей в строительном материаловедении, в частности придание материалам электропроводящих свойств через введение в матрицу токопроводящих функциональных добавок. Были получены образцы электропроводящих бетонов и исследованы их механические свойства, электропроводность, а также изучена микроструктура с проведением рентгеновского микроанализа. В качестве добавок выступают электропроводящие никель/углеродные (Ni/C) наноструктуры и диспергированные хризотиловые нановолокона в сочетании с раствором азотнокислого кальция (НК). Описываются методы изготовления и функционализации добавок перед введением их в цементную матрицу. В результате введения Ni/C нанодобавки отмечается повышение прочностных свойств модифицированного композита и уменьшение электрического сопротивления. Достигнутые эффекты объясняются структурными изменениями в цементной матрице композита. Рентгеновский микроанализ указывает на формирование новых структур в модифицированной цементной матрице. Однако электропроводность композита с Ni/C дисперсиями не проявляет стабильности и уменьшается со временем. При исследовании второго типа добавок в цементную матрицу совместно с хризотиловыми нановолокнами вводится раствор НК с предварительным приготовлением ультрадисперсной суспензии, которые позволяют стабилизировать значения удельного электрического сопротивления в процессе твердения цементного камня. Предполагается, что совместное введение Ni/C нанокомпозитов с раствором химических солей также позволит стабилизировать значения удельного электрического сопротивления.

Г.И. ЯКОВЛЕВ¹, д-р техн. наук (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.);
Вит ЧЕРНИ², д-р-инж. (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.);
И.А. ПУДОВ¹, канд. техн. наук (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript. ),
И.С. ПОЛЯНСКИХ¹, канд. техн. наук (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.),
3.C. САИДОВА¹, инженер (аспирант) (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.),
Е.В. БЕГУНОВА¹, инженер (аспирант) (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.),
C.H. СЕМЁНОВА¹, инженер (аспирант) (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.)

¹ Ижевский государственный технический университет им. М.Т. Калашникова (426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7)
² Технический университет Брно, факультет гражданского строительства (Veveří 95, CZ-6S1200 Брно, Чехия)

1. Li Z., Ding S., Yu X., B. Han, J. Ou. Multifunctional cementitious composites modified with nano titanium dioxide: a review. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2018. Vol. 111, pp. 115–137. DOI: 10.1016/j.compositesa.2018.05.019.
2. You I., Yoo D.-Y., Kim S., Kim M.-J., Zi G. Electrical and self-sensing properties of ultra-high-performance fiber-reinforced concrete with carbon nanotubes. Sensors. 2017. Vol. 17, pp. 2481. DOI: 10.3390/s17112481
3. Baránek Š., Černý V., Yakovlev G., Drochytka R. Silicate conductive composites with graphite-based fillers. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2021. 1209. DOI: 10.1088/1757-899X/1209/1/012035
4. Ramezani M., Dehghani A., Sherif M.-M. Carbon nanotube reinforced cementitious composites: A comprehensive review. Construction and Building Materials. 2022. Vol. 315. 125100. DOI:10.1016/j.conbuildmat.2021.125100
5. Wang J., Yin J., Kong X. Influences of PCE superplasticizers with varied architectures on the formation and morphology of calcium hydroxide crystals. Cement and Concrete Research. 2022. Vol. 152. 106670. DOI: 10.1016/j.cemconres.2021.106670
6. Yakovlev G.I., Drochytka R., Skripkiunas G., Urkhanova L., Polyanskikh I., Pudov I., Karpova E., Saidova Z., Ali E.M.M. Elrefai. Effect of ultrafine additives on the morphology of cement hydration products. Crystals. 2021. Vol. 11. No. 8. 1002. DOI: 10.3390/cryst11081002
7. Yakovlev G., Polyanskikh I., Belykh V., Stepanov V., Smirnova O. Evaluation of changes in structure of modified cement composite using fractal analysis. Appl. Sci. 2021. Vol. 11. No. 9. 4139. DOI: 10.3390/app11094139
8. Караваева Н.М., Першин Ю.В., Кодолов В.И. Свойства и высокая реакционная способность металл/углеродных нанокомпозитов // Вестник Казанского технологического университета. 2017. № 19. С. 54–56.
8. Karavaeva N.M., Pershin Y.V., Kodolov V.I. Properties and high reactivity of metal/carbon nanocomposites. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta. 2017. No. 19, pp. 54–56. (In Russian).
9. Ахметшина Л.Ф., Кодолов В.И., Терешкин И.П., Коротин А.И. Влияние углеродных металлсодержащих наноструктур на прочностные свойства бетонных композитов // Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал. 2010. № 6.
С. 35–46. http://www.nanobuild.ru/magazine/nb/Nanobuild_6_2010.pdf
9. Akhmetshina L.F., Kodolov V.I., Tereshkin I.P., Korotin A.I. Influence of carbon metal-containing nanostructures on the strength properties of concrete composites. Nanotekhnologii v stroitel’stve: scientific online journal. 2010. No. 6, pp. 35–46. (In Russian).
10. Патент РФ 2221744. Способ получения металлсодержащих углеродных наноструктур из органического соединения с добавками неорганических солей / Кодолов В.И., Дидик А.А., Волков А.Ю., Волкова Е.Г. Заявл. 08.04.2002. Опубл. 20.01.2004.
10. Patent RF 2221744 Sposob polucheniya metallsoderzhashchih uglerodnyh nanostruktur iz organicheskogo soedineniya s dobavkami neorganicheskih solej [Method to produce metal-containing carbon nanostructures from organic compound with additives of inorganic salts]. Kodolov V.I., Didik A.A., Volkov A.Yu., Volkova E.G. Declared 08.04.2002. Published 20.01.2004. (In Russian).
11. Кодолов В.И., Тринеева В.В. Перспективы развития направления самоорганизации наносистем в полимерных матрицах // Химическая физика и мезоскопия. 2011. № 3. С. 363–375.
11. Kodolov V.I., Trineeva V.V. Prospects for the development of the direction of self-organization of nanosystems in polymer matrices. Himicheskaja fizika i mezoskopija. 2011. No. 3, pp. 363–375. (In Russian).
12. Кодолов В.И., Кодолова-Чухонцева В.В., Першин Ю.В. Возможные причины снижения активности металл/углеродных нанокомпозитов и углеродных нанотрубок при подготовке к модификации ими полимерных материалов // Химическая физика и мезоскопия. 2020. № 1. С. 16–24.
12. Kodolov V.I., Kodolova-Chukhontseva V.V., Pershin Yu.V. Possible reasons for the decrease in the activity of metal/carbon nanocomposites and carbon nanotubes in preparation for their modification of polymer materials. Himicheskaja fizika i mezoskopija. 2020. No. 1, pp. 16–24. (In Russian).
13. Ахметшина Л.Ф. Разработка метода функционализации металл/углеродных нанокомпозитов и способов получения суспензий на их основе для модификации композиционных материалов. Дис. ... канд. техн. наук. Пермь, 2011. 180 с.
13. Akhmetshina L.F. Development of a method for functionalization of metal/carbon nanocomposites and methods for obtaining suspensions based on them for modifying composite materials. Diss… Candidate of Sciences (Engineering). Perm. 2011. 180 p. (In Russian).
14. Пенкаля Т.В. Очерки кристаллохимии / Пер. с пол. В.В. Макарского; Под ред. проф. В.А. Франк-Каменецкого. Л.: Химия. Ленингр. отд-ние, 1974. 496 с.
14. Penkalya T.V. Ocherki kristallohimii [Essays on crystal chemistry. Trans. from Polish Makarenko V.V. Ed. by prof. V.A. Frank-Kamenetsky. Leningrad: Khimiya publishing house. 1974. 496 p.
15. Yakovlev G.I., Černý V., Polyanskikh I.A., Gordina A.F., Pudov I.А., Gumenyuk A.В., Smirnova O.М. The effect of complex modification on the impedance of cement matrices. Materials. 2021. No. 3, pp. 557–567. https://www.mdpi.com/1996-1944/14/3/557
16. Yakovlev G.I., Begunova E.V., Drochytka R., Melichar J., Pudov I.A., Saidovа Z.S. The influence of activated dispersed additives on electrical conductivity of anhydrite compositions. Solid State Phenomena. 2021. Vol. 321, pp. 51–57. DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.321.51
17. Černý V.,Yakovlev G.I., Drochytka R., Baránek Š., Mészárosová L., Melichar J. and Hermann R. Impact of carbon particle character on the cement-based composite electrical resistivity. Materials. 2021. Vol. 14. No. 24. 7505. DOI:10.3390/ma14247505
18. Zhiyong Liu, Yuncheng Wang, Dong Xu, Chuyue Zang, Yunsheng Zhang, Jinyang Jiang. Multiple ions transport and interaction in calcium silicate hydrate gel nanopores: Effects of saturation and tortuosity. Construction and Building Materials. 2021. Vol. 283. 122638. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2021.122638
19. Патент РФ RU 2681624C1. Лабораторная установка для диспергирования текучих эмульсий и суспензий / Пудов И.А., Яковлев Г.И., Грахов В.П., Шайбадуллина И.В., Первушин Г.Н., Полян-ских И.С., Гордина А.Ф., Хазеев Д.Р., Карпова Е.А. Заявл. 02.08.2018. Опубл. 11.03.2019. Бюл. № 8.
19. Patent RF RU 2681624C1. Laboratornaya ustanovka dlya dispergirovaniya teuchih emul’siy i suspeziy [Laboratory installation for dispersion of fluid emulsions and suspensions]. Pudov I.A., Yakovlev G.I., Grakhov V.P., Shaibadullina I.V., Pervushin G.N., Polyanskikh I.S., Gordina A.F., Khazeev D.R., Karpova E.A. Declared 02.08.2018. Published 11.03.2019. Bulletin No. 8. (In Russian).
20. Saidovа Z.S.,Yakovlev G.I., Smirnova O.M., Gordina A.F., Kuzmina N. Modification of cement matrix with complex additive based on chrysotyl nanofibers and carbon black. Applied Sciences (Switzerland). 2021. Vol. 11. No. 15. DOI: 10.3390/app11156943