Исследование влияния на прочность бетона добавок из фуллеренов C60 и C70

1. Цель исследования

Исследование влияния на прочность бетона добавок из фуллеренов C60 и C70.

2. Объект исследования

Объектом исследования были образцы бетона в виде балок с размерами 40х40х160 мм. При изготовлении образцов бетона использовались цемент ПЦ-400, просеянный и просушенный кварцевый песок фр. 0,63-дно, водопроводная вода и добавка "Фуллеренол-s".

Добавка "Фуллеренол-s" – это смесь фуллеренов C60 и C70. Эта добавка является более дешевой по сравнению с добавкой "Фуллеренол-d", содержащей только фуллерен C60. Далее добавка "Фуллеренол-s" упоминается, как фуллеренол.

Для исследования были выбраны 10 образцов бетона. Для изготовления этих образцов использовались растворы с разным соотношением цемента, песка, воды и фуллеренола. Для отличия образцов с разным соотношением цемента, песка, воды и фуллеренола им были присвоены обозначения 0, 1, 2, 3, 00, 01, 02, 03, 04 и 06. Было изготовлено по одному экземпляру образцов с обозначениями 0, 1, 2 и 3 и по два экземпляра образцов с обозначениями 00, 01, 02, 03, 04, 06.

При изготовлении образцов с обозначениями 0, 1, 2 и 3 использовался раствор, содержавший 166 г цемента, 333 г песка и 100 мл воды. Информация о доле фуллеренола в этих образцах представлена в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Доля фуллеренола в образцах с обозначениями 0, 1, 2 и 3

Обозначение образца Доля фуллеренола
0 0 % (0 г на 100 мл воды)
1 1 % (1 г на 100 мл воды)
2 2 % (2 г на 100 мл воды)
3 3 % (3 г на 100 мл воды)

По результатам изготовления образцов бетона с обозначениями 0, 1, 2 и 3 оказалось, что в процессе отвердевания этих образцов их усадка немного превысила запланированные показатели, поэтому размеры балок с обозначениями 0, 1, 2 и 3 получились менее, чем 40х40х160 мм. В связи с этим, при изготовлении образцов бетона с обозначениями 00, 01, 02, 03, 04 и 06 был использован раствор с бо́льшим содержанием цемента и песка: 175 г цемента, 350 г песка и 100 мл воды. Информация о доле фуллеренола в этих образцах представлена в таблице 2.2.

Таблица 2.2. Доля фуллеренола в образцах с обозначениями 00, 01, 02, 03, 04 и 06

Обозначение образца Доля фуллеренола
00 0 % (0 г на 100 мл воды)
01 0,01 % (0,01 г на 100 мл воды)
02 0,02 % (0,02 г на 100 мл воды)
03 0,03 % (0,03 г на 100 мл воды)
04 0,04 % (0,04 г на 100 мл воды)
06 0,06 % (0,06 г на 100 мл воды)

Стенки форм, в которые заливались бетонные растворы для изготовления образцов, предварительно были смазаны машинным маслом для исключения залипания в них образцов.

Образцы с обозначениями 0, 1, 2, 3 после формирования выдерживались перед испытаниями в течение 11 суток, из них 9 суток вне форм. Образцы с обозначениями 00, 01, 02, 03, 04, 06 после формирования выдерживались перед испытаниями в течение 8 суток, из них 6 суток вне форм. Выдержка образцов производилась в помещении при температуре 15 °С.

3. Испытания на изгиб до разрушения

Все образцы бетона были испытаны на поперечный изгиб до разрушения.

Условия проведения испытаний: температура 21 °С, влажность 65 %.

Информация о результатах испытаний представлена в таблице 3.1.

Таблица 3.1. Результаты испытаний образцов бетона на изгиб до разрушения

Обозначение образца Напряжение изгиба при разрушении, МПа Среднее напряжение изгиба при разрушении, МПа
0 143 143,0
1 183 183,0
2 201 201,0
3 220 220,0
00 135; 138 136,5
01 168; 135 151,5
02 151; 116 133,5
03 113; 131 122,0
04 135; 129 132,0
06 132; 106 119,0

Из таблицы 3.1 видно, что максимальные значения изгибающего напряжения при разрушении зафиксированы для образцов с обозначениями 1, 2 и 3, в которых фуллеренола было растворено в воде соответственно 1 %, 2 % и 3 % от массы воды. Особенно выделяется образец с обозначением 3, для которого напряжение изгиба при разрушении превысило аналогичное напряжение для образца с обозначением 0 более, чем в полтора раза.

4. Испытания на сжатие до разрушения

После проведения испытаний на изгиб до разрушения по одной половинке балки каждого образца было оставлено для последующих испытаний на удельную ударную вязкость. Из остальных половинок балок были изготовлены кубики с размерами 40х40х40 мм, которые были испытаны на сжатие до разрушения. Кубики с обозначениями 0, 1, 2 и 3 были изготовлены из половинок балок первой партии, кубики с обозначениями 00, 01, 02, 03, 04 и 06 были изготовлены из половинок балок второй партии.

Условия проведения испытаний: температура 21 °С, влажность 65 %.

Информация о результатах испытаний представлена в таблице 4.1.

Таблица 4.1. Результаты испытаний образцов бетона на сжатие до разрушения

Обозначение образца Напряжение сжатия при разрушении, МПа Среднее напряжение сжатия при разрушении, МПа
0 25,6 25,6
1 26,8 26,8
2 27,1 27,1
3 При напряжении 30,5 МПа образец не разрушился. Усилия 5-тонного пресса оказалось недостаточным, чтобы раздавить кубик 40х40х40 мм. >30,5
00 28,0; 23,2; 25,3 25,5
01 24,4; 21,9; 23,4 23,23
02 30,5; 25,6; 25,6 27,23
03 28,0; 29,3; 29,0 28,77
04 24,3; 24,7; 25,9 24,97
06 27,7; 25,6; 30,5 27,93

Из таблицы 4.1 видно, что максимальные значения напряжения сжатия при разрушении зафиксированы для образцов с обозначениями 3, 03 и 06. Вполне ожидаемо, что для образца с обозначением 3 зафиксирована максимальное значение напряжения при сжатии, так как при испытаниях на изгиб для этого же образца было зафиксировано максимальное значение напряжения.

5. Испытания на удельную ударную вязкость

Для проведения испытаний на удельную ударную вязкость были использованы половинки каждой балки, оставшиеся после испытаний на изгиб до разрушения. Испытания выполнялись путем свободного падения с определенной высоты груза закругленной стороной на одно и тоже место половинки балки до ее разрушения. Результаты испытаний подсчитывались по формуле

а = mghN/ 1000V, где

а – удельная ударная вязкость образца, кДж/м3,
m – масса груза = 0,503 кг,
g – ускорение свободного падения = 9,81 м/с2,
h – высота, с которой падал груз = 0,45 м,
N – число падений груза на образец до его разрушения,
V – объем образца, м3.

Информация о результатах испытаний представлена в таблице 5.1.

Таблица 5.1. Результаты испытаний образцов бетона на удельную ударную вязкость

Обозначение образца Объем образца, V, м3 Число падений груза на образец до его разрушения, N Удельная ударная вязкость, a, кДж/м3
0 0,0001292 5 85,93
1 0,0001248 13 231,30
2 0,0001239 9 161,30
3 0,0001292 15 257,80
00 0,0001080 13 267,28
01 0,0001258 12 211,81
02 0,0001169 12 227,94
03 0,0001125 11 217,11
04 0,0001322 3 50,39
06 0,0001231 4 72,15

Из таблицы 5.1 видно, что повышение удельной ударной вязкости зафиксировано только для образцов бетона с обозначениями 1, 2 и 3.

6. Выводы

Добавление в бетон фуллеренола привело к повышению его прочности на изгиб и на сжатие. С удельной ударной вязкостью все не так однозначно. Если доля фуллеренола составляла несколько процентов от массы воды, то наблюдалось повышение удельной ударной вязкости бетона. Если же доля фуллеренола составляла сотые доли процента от массы воды, то повышения удельной ударной вязкости бетона не наблюдалось.