Электропроводящий нагреваемый цементобетон на основе графита

Срок службы сооружения в гражданском и дорожном строительстве во многом зависит от качества и свойств применяемых строительных и дорожно-строительных материалов. Улучшение свойств уже известных и применяемых материалов, в частности, цементобетона, является одной из приоритетных задач ученых. Цель работы: получение цементобетона, обладающего электропроводящими свойствами, обеспечивающими его нагрев при прохождении электрического тока за счет применения углеродосодержащих добавок, и оценка влияния добавок на прочностные свойства. Объект исследования – состав цементобетона с содержанием графита. Проведение лабораторных исследований выполнено в 4 этапа. На первом этапе с учетом специфики применяемых компонентов были разработаны составы цементобетона класса В15. На основе разработанных составов проведен второй этап исследований, заключающийся в изготовлении серии образцов цементобетонной смеси для тяжелого бетона класса В15 с различным содержанием графита, а именно: 0, 33, 50, 66 и 100 %. На третьем этапе проведены испытания образцов на прочность при сжатии в водонасыщенном состоянии. Заключительный, четвертый, этап предусматривал оценку электропроводящих и температурных характеристик цементобетонных образцов с содержанием графита. Анализ полученных результатов исследования показал, что с увеличением содержания графита в цементобетонной смеси повышаются его электропроводящие свойства, при прохождении электрического тока цементобетон нагревается. Вместе с тем, содержание графита в цементобетоне снижает его прочностные свойства. Практическая значимость работы заключается в разработке составов электропроводящего цементобетона, соответствующего заданному классу по прочности.

1. Санников С. П., Куюков С. А., Жигайлов А. А. Оценка комплексного влияния нагрузки при уплотнении и материала «Типром У» на свойства цементогрунта. В сб.: Актуальные проблемы архитектуры, строительства, энергоэффективности и экологии – 2016. Т. I. Тюмень: Тюменский индустриальный университет; 2016. С. 144– 149.

2. Sannikov S., Кuyukov S., Zamyatin A., Zhigailov A. The appliance of prefabricated soil-cement slabs processed with a hydrophobizing material for the road construction. In: MATEC Web of Conferences: XXVII R-S-P Seminar 2018, Theoretical Foundation of Civil Engineering. 2018;196:04026. https://doi.org/10.1051/matecconf/201819604026

3. Aimenov Zh. T., Aimenov A. Z., Erofeev V. T., Sabitov L. S., Sanyagina Ya. A. The effect of modifying additives on the performance properties of slag-alkali binders and concretes. International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. 2024;20(1):162–170. https://doi.org/10.22337/2587-9618-2024-20-1-162-170

4. Рябчевский И. С. Производство ячеистых бетонов с использованием летучей золы. В сб.: VI Международный студенческий строительный форум – 2021. Белгород, 26 ноября 2021 года. Т. 2. Белгород: Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова; 2021. С. 175–178.

5. Altynbekova A. D., Lukpanov R. E., Dyussembinov D. S., Tokanov D. T., Orazova D. K. Influence research of modified additives on concrete properties. Труды университета. 2023;(4):188–194. https://doi.org/10.52209/1609-1825_2023_4_188.

6. Utepov Ye. B., Akhmetov D. A., Akhmatshaeva I. T., Root Ye. N. Study of the influence of fine fillers from technogenic waste and chemical additives on the properties of self-compacting concrete. Комплексное использование минерального сырья. 2019;(4):64–73. https://doi.org/10.31643/2019/6445.39

7. Fediuk R. S., Stoyushko N. Yu., Gladkova N. A., Garmashov I. S., Batarshin V. O. Research on electrically conductive concrete. В сб.: Третий междисциплинарный молодежный научный форум с международным участием «Новые материалы», Москва, 21–24 ноября 2017 г. Москва: Буки Веди, 2017. С. 654–657. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=34983326.

8. Агунов А. В., Терехин И. А., Баранов И. А. Анализ применения электропроводящих бетонов электроэнергетике. Транспортные системы и технологии. 2021;7(2):5–15. https://doi.org/10.17816/transsyst2021725-15

9. Иванова Т. А., Колесникова Л. Г., Петрова Т. М. Электропроводящий бетон для тротуаров и пешеходных дорожек. Вестник гражданских инженеров. 2021;(6):96–104. https://doi.org/10.23968/1999-5571-2021-18-6-96-104

10. Шишкин Н. О., Угланова А. Е., Зорина О. А. Применение электропроводящего бетона в освещении дорожного покрытия. В сб.: Молодые – Наукам о Земле: Тезисы докладов Х Международной конференции молодых ученых. Москва, 31 марта – 01 апреля 2022 г. В 7-ми томах. Том 7. Москва: Российский государственный геологоразведочный университет им. С. Орджоникидзе. 2022;7:280–283.

11. Подъяпольская Е. Ю., Дмитриев С. М., Долженков В. А. Разработка состава электропроводящего цементобетона и анализ методов его применения в дорожной отрасли. Автомобиль. Дорога. Инфраструктура. 2020;(2):7. Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=43921411.

12. Урханова Л. А., Урханова А. А., Лхасаранов С. А., Смирнягина Н. Н. Исследование электропроводящих свойств бетона. В сб.: Строительное материаловедение: Настоящее и будущее: Сборник материалов I Всероссийской научной конференции, посвященной 90-летию выдающегося ученого-материаловеда, академика РААСН Ю. М. Баженова, Москва, 01–02 октября 2020 г. Москва: Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет; 2020. С. 279–281.

13. Василюк Ю. И. Разработка состава и возможности применения электропроводящего бетона. В сб.: Серия «Строительство»: Сборник статей магистрантов и аспирантов. В 2-х томах. Т. 2. Выпуск 3. Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет; 2020. С. 247–256. 14. Денисюк И. Ю., Успенская М. В., Фокина М. И., Логушкова К. Ю. Электропроводящая композиция бетона. Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2018;18(1):158–162. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2018-18-1-158-162

14. Ибрагимова Д. Ф. Исследование свойств бетона с добавкой технического углерода. Молодой ученый. 2023;(19):96–99. Режим доступа: https://moluch.ru/archive/466/102408/.

15. Фанина Е. А., Лопанов А. Н. Электропроводность и агрегация частиц антрацита и графита в бетонах. Химия твердого топлива. 2009;(1):46–50. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=11685406.

16. Гойсис М. Графен: новые возможности для бетона. Цемент и его применение. 2020;(1):108–115. Режим доступа: https://jcement.ru/magazine/vypusk-1-2020/grafen-novye-vozmozhnosti-dlya-betona/.

17. Xie P., Gu P., Beaudoin J. J. Electrical percolation phenomena in cement composites containing conductive fibres. Journal of Materials Science. 1996;31(15):4093–4097. https://doi.org/10.1007/bf00352673

18. Bai Y. H., Tu R., Chen W., Chen B. Research on electrically conductive concrete with double-layered stainless steel fibers for pavement deicing. ACI Materials Journal. 2017;114(6):935–943. https://doi.org/10.14359/51700993

19. Yoo D.-Y., You I., Lee S.-J. Electrical properties of cement-based composites with carbon nanotubes, graphene, and graphite nanofibers. Sensors. 2017;17(5):1064–1076. https://doi.org/10.3390/s17051064

20. Rahman Md. L., Malakooti A., Ceylan H., Kim S., Taylor P. C. Identifying the best mixing procedure practice for readymix concrete plant production of carbon fibre reinforced electrically conductive concrete. International Journal of Pavement Engineering. 2023;24(1). https://doi.org/10.1080/10298436.2023.2225119

21. Notani M. A., Arabzadeh A., Ceylan H., Gopalakrishnan K., Kim S. Effect of carbon-fiber properties on volumetrics and ohmic heating of electrically conductive asphalt concrete. Journal of Materials in Civil Engineering. 2019;31(9):04019200. https://doi.org/10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0002868

22. Yehia Sh., Tuan C. Y. Thin conductive concrete overlay for bridge deck deicing and anti-icing. Transportation Research Record. 2000;1698(1):45–53. https://doi.org/10.3141/1698-07

23. Rybin P. K., Terekhin I. A., Baranov I. A. Methodology for the experimental evaluation of the conductive properties of concrete structures for sustainable transport development. Transportation Research Procedia. 2023;68:688–693. https://doi.org/10.1016/j.trpro.2023.02.095