Ученые ДГТУ повысили раннюю прочность бетона на 28,6% с помощью наноалмазов

Краткий анонс: Исследователи ДГТУ установили, что добавление наноалмазов в количестве 0,4% от массы цемента ускоряет набор прочности бетона. Через двое суток прочность на сжатие увеличилась на 28,6%, а через 28 суток — на 15,1%.

Исследователи Донского государственного технического университета испытали бетон, модифицированный химически чистыми наноалмазами. Оптимальной оказалась дозировка 0,4% от массы цемента: через двое суток прочность материала на сжатие увеличилась на 28,6%, а на изгиб — на 26,1% по сравнению с контрольным составом без добавки.

Через 28 суток эффект сохранился, хотя стал менее выраженным: прочность на сжатие была выше на 15,1%, на изгиб — на 15,7%. Результаты опубликованы в научном журнале Construction and Building Materials.

Как проводилось исследование

Ученые изготовили лабораторные образцы бетона с разным содержанием наноалмазов — от 0,1% до 1% от массы цемента. Затем они оценивали свойства свежей смеси, плотность затвердевшего материала и прочность образцов на сжатие и изгиб через 2, 7, 14 и 28 суток.

Для изучения структуры использовали рентгенофазовый анализ и сканирующую электронную микроскопию. Исследованные частицы представляли собой химически чистые наноалмазы кавитационного синтеза размером не более 3 нанометров. Добавку вводили не в виде сухого порошка, а как коллоидный раствор вместе с водой затворения. Такой способ помогает распределить наночастицы в смеси более равномерно.

Наилучшие показатели получены при дозировке 0,4%:

Срок твердения	Прочность на сжатие	Прочность на изгиб
2 суток	+28,6%	+26,1%
28 суток	+15,1%	+15,7%

Все исследованные дозировки от 0,1% до 1% положительно повлияли на прочность, однако состав с 0,4% наноалмазов оказался наиболее эффективным.

Почему бетон стал прочнее

Авторы связывают ускоренный набор прочности с эффектом «самоармирования цементной матрицы». В структуре модифицированного бетона обнаружено более значительное накопление зон гидросиликатов кальция — основных продуктов гидратации, связывающих компоненты цементного камня.

При этом наноалмазы не изменили фазовый состав бетона. Их действие проявилось прежде всего в формировании более плотной и однородной микроструктуры. Это важное уточнение: добавка не создает новый вид цемента, а влияет на процессы структурообразования и твердения существующей смеси.

Результаты дополняют исследования других наномодификаторов и технологий, описанных в материале о наноцементах и бетонах нового поколения.

Где технология может быть полезна

Наиболее заметный эффект зафиксирован в первые двое суток. Поэтому потенциальный интерес технология представляет для производства сборного железобетона и других работ, где важны быстрое достижение распалубочной прочности и сокращение производственного цикла.

Для рынка товарного бетона результаты также важны как пример применения углеродных нанодобавок для управления скоростью твердения. Однако перенос лабораторного состава на бетонный завод потребует отдельной отработки технологии смешивания, контроля дозировки и равномерного распределения частиц.

Скорость твердения зависит не только от добавок, но и от температуры, влажности, водоцементного отношения и характеристик портландцемента. Подробнее об этом — в руководстве о том, как бетон набирает прочность.

Можно ли уже говорить о массовом применении

Пока речь идет о результатах лабораторного исследования, а не о готовой технологии серийного производства. Для практического внедрения необходимо дополнительно проверить:

• морозостойкость, водонепроницаемость и стойкость к агрессивным средам;

• усадку, трещиностойкость и долговременную прочность;

• совместимость добавки с различными цементами и химическими модификаторами;

• стабильность характеристик при производстве больших объемов смеси;

• стоимость наноалмазов, оборудования и контроля качества.

Предварительная оценка индустриальных партнеров ДГТУ допускает экономию до 15% на кубометре смеси за счет возможного сокращения расхода цемента и высококачественного заполнителя. Однако научная работа подтверждает увеличение прочности, а не указанный экономический эффект. Рентабельность предстоит доказать в ходе промышленных испытаний с учетом цен на добавку и сырье, включая щебень для производства бетона.

Что показало исследование

Добавление наноалмазов в количестве 0,4% от массы цемента ускорило набор ранней прочности бетона и обеспечило прирост характеристик через 28 суток. Наиболее сильный результат получен через двое суток: +28,6% к прочности на сжатие и +26,1% к прочности на изгиб.

Исследование показывает перспективность наноалмазов как модификатора цементных композитов, но не означает, что материал уже готов к массовому использованию. Следующим этапом должны стать испытания долговечности и проверка технологии в производственных условиях.

Научный источник: A. N. Beskopylny et al. Performance and mechanism of the structure formation and physical-mechanical properties of concrete by modification with nanodiamonds. Construction and Building Materials, Vol. 452, 2024, Article 138994. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2024.138994.