Structural modification of new formations in cement matrix using carbon nanotubes dispersion and nanosilica

Abstract

Complex nanodispersed systems with multi-walled carbon nanotubes and nanodispersed silica have a significant impact on the processes of hydration, hardening and strength gain of construction composites predetermining their durability. While using a scanning electron microscope with an attachment for X-ray microanalysis and a device for infrared spectral analysis investigations have shown that the main effect of the cement matrix modification in the case of adding complex nanodispersed systems is provided by direct influence of hydration processes with subsequent crystallization of new formations. It has been noted that while adding carbon nanotube dispersion and nanosized silica a binding matrix is structured in the form of an extremely dense shell from crystalline hydrate new formations on the surface of solid phases that provides strong binding matrix in cement concrete. The addition effect of carbon nanotubes has been analyzed and quantitatively assessed through an investigation for every case of one sample with nanotubes and one sample without them with the help of a nanoindenter and scanning electron microscope. It is necessary to solve rather complicated challenging task in order to assess quantitatively the addition effect of CNT on material characteristics at a micromechanical level. At the same time it is possible to investigate surface of a concrete sample with one-micron resolution. In this case it is necessary to prepare samples for nanoindentation with exclusion of all CNT defectable effects that have been shown by a SEM. So in this case more adequate method for assessment must be a picoindenter , which combines a test method for nanoindentation with an optical SEM potential. Such equipment is in the stage of in-situ testing process at the Vienna University of Technology. The investigation is based on the fact that the main modification effect of mineral binding matrix while using incorporated complex nanodis- persed systems and nanosilica is ensured by a direct influence of hydration processes and subsequent crystallization of new formations. Scanning electron microscopy and X-ray microanalysis with detection in IR spectra have revealed that adding of multi-walled carbon nanotubes dispersion together with nanodispersed silica provides structuring of rather dense shell of hydrated new formations along cement matrix on the surface of solid phase. The structured interfacial layers form separate cells in the modified cement matrix that ensures a formation of extremely filled system and predetermines structural strengthening of the modified cement matrix due to formation of spatial packaging. Consequently, the main factor increasing characteristics of cement concrete which is modified with carbon nanotubes and nanosilica is a structural modification of calcium hydrosilicates with relation to composition and morphology of new formations.

Комплексные нанодисперсные системы с многослойными углеродными нанотрубками и нанокремнезе - мом имеют значительное влияние на процессы гидратации, твердения, набора прочности строительных композитов, пре допределяя их долговечность. Исследования с использованием сканирующего электронного микроскопа и Х-лучевого микроанализа с обнаружением в инфракрасном спектре показали, что главный эффект модификации в случае доба вления комплексных нанодисперсных систем обеспечивается направленным влиянием процессов гидратации с последующей кристаллизацией новообразований. Установлено, что при добавлении дисперсии углеродных нанотрубок и нанокремнезема формируется структурная матрица в виде чрезвычайно плотной оболочки из кристаллогид ратных новообразований на поверхности твердой фазы, что обеспечивает прочную вяжущую матрицу в цементном бетоне. Эффект добавления углеродных нанотрубок анализировался и количественно оценивался исследованием в каждом случае одного образца с нанотрубками и одного без них с помощью наноиндентора и сканирующего электронного микроскопа. Чтобы количественно оценить эффект добавки углеродных нанотрубок на характеристики материала на микромеханическом уровне, необходимо решить сложную задачу. В то же время возможно исследовать поверхность бетонного образца с разрешением в 1 микрон. При этом необходима подготовка образцов для наноиндентирования с исключением всех эффектов дефектности углеродных нанотрубок, показанных сканирующим электронным микроскопом. Вместе с тем более адекватным методом оценивания в данном случае должен быть пикоиндентор, который комбинирует испытательный метод наноиндентирования с оптическим потенциалом сканирующего микроскопа. Такое оборудование находится в стадии полевых испытаний в Венском техническом университете. Исследование основано на том, что главный эффект модифицирования минеральной вяжущей матрицы с использованием включенных комплексных нанодисперсных систем и нанокремнезема обеспеч ивается непосредственным влиянием процессов гидратации и последующей кристаллизацией новообразований. Сканирующий электронный микроскоп и Х-лучевой микроанализ с обнаружением в инфракрасном спектре показали, что введение дисперсии многослойных углеродных нанотрубок совместно с нанокремнеземом обеспечивает построение вдоль цементной матрицы очень плотной оболочки вновь образованных гидратов на поверхности твердой фазы. Структурированные поверхностные слои формируют отдельные ячейки в модифицированной цементной матрице, что обеспечивает формирование предельно наполненной системы и предопределяет структуры модифицированной цементной матрицы благодаря формированию пространственной упаковки. Следовательно, основным фактором, повышающим характеристики цементного бетона, модифицированного углеродными нанотрубками и нанокремнеземом, является структурная модификация гидрос иликатов кальция относительно композиции и морфологии новообразований.