Nanomodified Concrete for Harsh Environments: Enhancing Durability Using Nano-Admixtures and Cementitious Nanotechnology

Abstract

Це дослідження присвячено розробці нано-бетонних рецептур для вирішення проблеми прискореної деградації в агресивних середовищах (морська вода, кислі розчини, побутові стічні води). Звичайний бетон зазнає значної втрати міцності на стиск (25 % у морській воді, 56 днів) та збільшення водопоглинання на 35 % через мікротріщиноутворення та розчинення портландиту, викликані сульфатами/хлоридами. Наше рішення поєднує суперпластифікатори на основі полікарбоксилатних ефірів (1 % bwoc) для зменшення капілярної пористості, повітрововтягувачі на основі вінсолової смоли (0,02 % bwoc), що створюють переривчасті мікробульбашкові бар’єри, та глюконову кислоту-сповільнювачі (0,5 % bwoc), що забезпечують однорідне зародження C-S-H. Ретельні випробування за протоколами ASTM/EN показали, що наномодифіковані зразки обмежують деградацію міцності до 15 % у морській воді, а водопоглинання збільшується до 15 %, перевершуючи звичайний бетон на 40 % за ключовими показниками довговічності. Розширена характеристика (SEM-EDS/XRD/ртутна порометрія) підтвердила уточнені структури пор (діаметр домінантних пор  50 нм проти  200 нм у контрольних зразках) та пригнічила утворення етрингіту. Дослідження встановило, що домішки є багатофункціональними наномодифікаторами, що перешкоджають шляхам іонної дифузії через ефекти електронного бар’єру та оптимізовану кінетику гідратації, забезпечуючи трансформаційний підхід до морської та хімічно-захищеної інфраструктури.

This research pioneers nano-engineered concrete formulations to address accelerated degradation in harsh environments (seawater, acidic solutions, household wastewater). Conventional concrete suffers severe compressive strength loss (25 % in seawater, 56 days) and 35 % increased water absorption due to sulfate/chloride-induced microcracking and portlandite dissolution. Our solution integrates polycarboxylate ether superplasticizers (1 % bwoc) for reduced capillary porosity, vinsol resin air-entrainers (0.02 % bwoc) creating discontinuous micro-bubble barriers, and gluconic acid retarders (0.5 % bwoc) enabling homogeneous C-S-H nucleation. Rigorous testing under ASTM/EN protocols revealed nano-modified specimens limit strength degradation to 15 % in seawater and absorption increase to 15 % outperforming ordinary concrete by 40 % in key durability metrics. Advanced characterization (SEM-EDS/XRD/mercury porosimetry) confirmed refined pore structures ( 50 nm dominant pore diameter vs.  200 nm in controls) and inhibited ettringite formation. The study establishes admixtures as multi-functional nano-modifiers that obstruct ionic diffusion pathways through electron barrier effects and optimized hydration kinetics, providing a transformative approach for marine and chemical-exposure infrastructure.