Оцінка механічних властивостей модифікованого цементного каменю методом наноіндентування

The mechanical properties of materials began to appear higher requirements. The development of various technologies has become widespread in the modern world, which has contributed to the creation of new building materials. The nanoindentation method has become an alternative approach to the study of the mechanical properties of materials at the nanoscale. In this case, it is not the dimensions of the sample that are reduced, but the size of the deformed region. During nanoindentation, most solid and superhard non-metallic materials are deformed elastically-plastic, which allows characterizing such mechanical properties as hardness and elastic modulus.Based on an analysis of literature, it was found that C-S-H exists in at least three different structural forms: low, high, and ultrahigh densities, which have different average values of hardness and hardness and various volume concentrations. The average values of hardness and hardness turned out to be properties inherent in the С–S–H structure, which do not change in various materials based on cement.In this work, the nanoindentation method was used, preliminary results of the studied cement samples were obtained. The studies were carried out by an automated Hysitron TI 950 TriboIndenter nanoindent. During mechanical measurements, a diamond probe tip was used.It was found that the elastic modulus M increases in samples that contain a complex additive containing nanosized particles. The effect is also observed when a sol of nanosilica or carbon nanomaterial is introduced into a plasticizing additive. The results are presented by histograms of the distribution of nanoindentation points modulo elasticity E and stiffness H.До механічних властивостей матеріалів стали з'являтися більш високі вимоги. Розвиток різних технологій набули широкого поширення в сучасному світі, що сприяло створенню нових будівельних матеріалів. Метод наноіндентування став альтернативним підходом до дослідження механічних властивостей матеріалів на нанорівні. В цьому випадку зменшуються не розміри зразка, а розмір деформованої області. При наноіндентування більшість твердих і надтвердих неметалічних матеріалів деформується пружно-пластично, що дозволяє характеризувати такі механічні властивості, як твердість і модуль пружності.На основі аналізу літературних джерел виявлено, що C-H-S існує, принаймні, в трьох різних за структурою формах: низькою, високою і надвисокою щільності, які мають різні середні величини жорсткості та твердості й різні об'ємні концентрації. Середні величини жорсткості та твердості виявилися властивостями, притаманними структурі C-H-S, які не змінюються в різних матеріалах, заснованих на цементі.У даній роботі використаний метод наноіндентування, отримані попередні результати досліджуваних цементних зразків. Дослідження здійснювалися автоматизованим наноіндентом Hysitron TI 950 TriboIndenter. Під час проведення механічних вимірювань використовувався алмазний наконечник зонда.Встановлено, що модуль пружності M збільшується у зразків, які містять комплексну добавку, що містить нанорозмірні частинки. Ефект також спостерігається і при введенні в пластифікуючі добавку, як золь нанокремнезема, так і вуглецевий наноматериал. Результати представлені гістограмами розподілу точок наноіндентування по модулю пружності E і жорсткості H

Материалы на основе цемента, модифицированные наноразмерными добавками

The most common and reliable material without which modern construction is indispensable is concrete. The development of construction production is pushing for new solutions to improve the quality of concrete mix and concrete. The most demanded and significant indicators of a concrete mixture are the compressive strength and mobility of the concrete mixture. Every year, the volume of research on nanomaterials as modifying components of concrete is significantly increasing, and the results indicate the prospects for their use. Nanoparticles with a large specific surface are distinguished by chemical activity, can accelerate hydration and increase strength characteristics due to nucleation and subsequent formation of C–S–H and compaction of the material microstructure. Sol of nanosilica, which can be used instead of microsilica from industrial enterprises, and carbon nanomaterial have a wide reproduction base. This paper presents studies of these types of nanomaterials and the results of their application in cement concrete. Studies have shown that the effect is also observed with the introduction of an additive containing only one type of nanoparticles. The dependence of the obtained characteristics of cement concretes on the content of these nanomaterials has been established. It has been found that the best results were obtained with an additive in which the above-mentioned nanomaterials were used together. Compressive strength of  heavy concrete samples, improved by the complex nanodispersed system, was 78.7 MPa, which exceeds the strength of the sample containing the CNT additive in a pair with a super-plasticizer by 37 %.  The paper proposes the mechanism for  action of the presented complex additive.Самым распространенным и надежным материалом, без которого не обходится современное строительство, является бетон. Развитие строительного производства подталкивает к новым решениям в улучшении качества бетонной смеси и бетона. Наиболее востребованные и значимые показатели бетонной смеси – прочность при сжатии и подвижность бетонной смеси. С каждым годом исследований наноматериалов в качестве модифицирующих компонентов бетона становится больше, а результаты указывают на перспективность их применения. Наночастицы, обладающие большой удельной поверхностью, отличаются химической активностью, могут ускорять гидратацию и повышать прочностные показатели за счет зародышеобразования и последующего формирования C–S–H, уплотнения микроструктуры материала. Широкую базу воспроизводства имеют золь нанокремнезема, который может быть использован взамен микрокремнезема с индустриальных предприятий, и углеродный наноматериал. В статье представлены исследования данных видов наноматериалов и результаты их применения в цементных бетонах. Исследования показали, что эффект наблюдается также при введении добавки, содержащей только один вид наночастиц. Установлена зависимость получаемых характеристик цементных бетонов от количества данных наноматериалов. Выявлено, что наилучшие результаты были получены с добавкой, в которой совместно использовались вышеперечисленные наноматериалы. Прочность на сжатие образцов тяжелого бетона, улучшенная комплексной нанодисперсной системой, составила 78,7 МПа, что превышает прочность образца, содержащего добавку углеродных нанотрубок в паре с суперпластификатором, на 37 %. Изучен механизм действия представленной комплексной добавки

Синергетическое влияние наночастиц SiO2 и углеродных нанотрубок на свойства бетона

carbon nanotubes (MWCNTs) in the range of 0.00004–0.000006 wt. % of the mass of cement on the structure and mechanical properties of concrete was demonstrated. A correlation was found between an increase in the mechanical strength of concrete by 56 % with changes in the structure of the cement stone, at which the proportion of crystals of calcium hydroaluminate, calcium hydrosulfoaluminate and type 14A tobermorite increases significantly. The results obtained lay the foundations for the development of a technology for the industrial production of complex additives in concrete with a combination of nanoparticles (MWCNT + SiO2), which make it possible to improve the mechanical and physical characteristics of concrete and increase its durability.Продемонстрирован взаимоусиливающий эффект влияния сверхмалых доз наночастиц SiO2 и многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ) в пределах 0,00004–0,000006 мас. % от массы цемента на структуру цементного камня и механические свойства бетона. Обнаружена корреляция увеличения механической прочности бетона на 56 % с изменениями в структуре цементного камня, при которых существенно возрастает доля кристаллов гидроалюмината кальция, гидросульфоалюмината кальция и тоберморита типа 14А. Полученные результаты закладывают основы для разработки технологии промышленного производства комплексных добавок в бетоны с комбинацией наночастиц (МУНТ + SiO2), позволяющих улучшить механические и физические характеристики бетона и увеличить его долговечность

Прочность и трещиностойкость цементных композитов при многоуровневом армировании

The working hypothesis is confirmed that the required fracture toughness of structural concrete can be provided by multi-level reinforcement: at the level of the crystalline joint of cement stone – carbon nanotubes, and at the level of fine-grained concrete – various macro-sized fiber fibers (steel, polymer). Reinforcement of a crystalline splice with carbon nanotubes leads to an increase in tensile strength by 20 %, an increase in Young’s modulus. With dispersed reinforcement of concrete modified with nanoparticles at the level of fine-grained concrete, the tensile strength increases by 109 %, the critical stress intensity coefficient (crack resistance index) increases by 280 % at normal separation, and by 48 % at transverse shear.Подтверждена рабочая гипотеза о том, что требуемая вязкость разрушения конструкционного бетона может обеспечиваться многоуровневым армированием: на уровне кристаллического сростка цементного камня – углеродные нанотрубки, а на уровне мелкозернистого бетона – различные фибровые волокна макроразмера (стальная, полимерная). Армирование углеродными нанотрубками кристаллического сростка приводит к повышению прочности на растяжение на 20 %, повышению модуля Юнга. При дисперсном армировании модифицированного наночастицами бетона на уровне мелкозернистого бетона прочность на растяжение увеличивается на 109 %, критический коэффициент интенсивности напряжений (показатель трещиностойкости) при нормальном отрыве увеличивается на 280 %, при поперечном сдвиге – на 48 %

Материалы на основе цемента, модифицированные наноразмерными добавками

The most common and reliable material without which modern construction is indispensable is concrete. The deve- lopment of construction production is pushing for new solutions to improve the quality of concrete mix and concrete. The most demanded and significant indicators of a concrete mixture are the compressive strength and mobility of the concrete mixture. Every year, the volume of research on nanomaterials as modifying components of concrete is significantly increa- sing, and the results indicate the prospects for their use. Nanoparticles with a large specific surface are distinguished by chemical activity, can accelerate hydration and increase strength characteristics due to nucleation and subsequent formation of C–S–H and compaction of the material microstructure. Sol of nanosilica, which can be used instead of microsilica from industrial enterprises, and carbon nanomaterial have a wide reproduction base. This paper presents studies of these types of nanomaterials and the results of their application in cement concrete. Studies have shown that the effect is also observed with the introduction of an additive containing only one type of nanoparticles. The dependence of the obtained characteristics of cement concretes on the content of these nanomaterials has been established. It has been found that the best results were obtained with an additive in which the above-mentioned nanomaterials were used together. Compressive strength of heavy concrete samples, improved by the complex nanodispersed system, was 78.7 MPa, which exceeds the strength of the sample containing the CNT additive in a pair with a super-plasticizer by 37 %. The paper proposes the mechanism for action of the presented complex additive