Учёные Университета МИСИС представили новый метод, улучшающий свойства цемента для огнеупорных материалов и специального строительства. Чтобы упрочнить микроструктуру и повысить физико-механические характеристики, исследователи добавили в состав нанолисты оксида графена. В перспективе разработанный композиционный материал может быть использован в огнеупорном производстве, металлургической и химической промышленности, а также строительстве в особых условиях.
Алюминатно-кальциевый цемент (АКЦ) — популярная альтернатива традиционному портландцементу из-за высокой термостойкости и устойчивости к агрессивным химическим средам. Однако у АКЦ во время гидратации из-за фазовых превращений могут проявиться такие недостатки, как увеличение пористости и снижение прочности. Для решения этой задачи учёные предложили в качестве добавки использовать нанолисты оксида графена — двухмерные наноматериалы, получаемые из гидрофильных, насыщенных кислородом графеновых листов.
«В результате комплексного исследования мы установили механизм действия оксида графена. Он содержит на своей поверхности функциональные группы — карбоксильные, карбонильные, гидроксильные и эпоксидные — улучшающие его дисперсию в цементной матрице и повышающие способность вступать в химические реакции. Поэтому при его добавлении в состав цемента, процесс гидратации ускоряется, микроструктура улучшается, а пористость итогового материала снижается», — объясняет автор исследования, к.т.н. Дмитрий Суворов, старший научный сотрудник кафедры функциональных наносистем и высокотемпературных материалов НИТУ МИСИС.
Наилучшие характеристики были достигнуты при содержании добавок в соотношении 0,05% от общей массы цемента. При такой концентрации прочность на сжатие увеличилась на 31%, а пористость снизилась на 15%. С подробными результатами исследования можно ознакомиться в научном журнале Ceramics International (Q1).
«Поверхность нанолистов оксида графена имеет отрицательный заряд и активно притягивает ионы кальция, высвобождающиеся при гидратации. Они становятся центром кристаллизации и на этих участках формируются гидратные фазы. Пластинчатые структуры со слоем гидратированных фаз на поверхности закрывают пустоты, снижают пористость и повышают прочность. В результате цемент твердеет быстрее, его структура уплотняется, а долговечность существенно возрастает», — сказала к.т.н. Вероника Суворова, ведущий эксперт НИЦ «Конструкционные керамические наноматериалы» НИТУ МИСИС.
Кроме того, ученые отмечают, что наночастицы позволяют предотвращать распространение трещин и увеличивают эффективность передачи нагрузки благодаря образованию химической связи на границе добавки и цемента.
