Влияние полипропиленовых волокон на основные свойства гипсоцементно-пуццоланового вяжущего

УДК 691.332

В. С. Изотов, Р. Х. Мухаметрахимов, А. Р. Галаутдинов

ВЛИЯНИЕ ПОЛИПРОПИЛЕНОВЫХ ВОЛОКОН НА ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ГИПСОЦЕМЕНТНО-ПУЦЦОЛАНОВОГО ВЯЖУЩЕГО

Ключевые слова: гипсоцементно-пуццолановое вяжущее, дисперсное армирование, полипропиленовые волокна, повышение

эффективности.

В работе изложены результаты экспериментальных исследований влияния полипропиленовых волокон на основные физико-механические свойства гипсоцементно-пуццоланового вяжущего (ГЦПВ). Показано положительное влияние полипропиленовых волокон на исследуемые свойства ГЦПВ.

Keywords: gypsum cement-pozzolan binder, polypropylene fibers, particulate reinforcement efficiency.

In this article you can see results of experimental research of the influence of polypropylene fibers on basic mechanical properties of gypsum cement-pozzolan binder. The positive effect ofpolypropylene fibers on researched properties of gypsum cement-pozzolan binder.

Введение

В настоящее время изделия на основе гипсоцементно-пуццоланового вяжущего (ГЦПВ) находят широкое применение в строительстве в качестве универсального строительного материала (сухие строительные смеси, гипсокартонные листы, облицовочные плитки для внутренней и внешней отделки). Наряду с множеством положительный технических свойств материалы и изделия на основе ГЦПВ обладают значительной хрупкостью, что особенно сказывается при использовании тонкостенных листовых изделий, а также высоким водопоглощением, что ограничивает их использование во влажных средах. Для устранения этих недостатков в состав ГЦПВ вводятся различные минеральные и химические добавки, а также армирующие материалы.

Как известно дисперсное армирование вяжущих веществ на основе различных композиций позволяет повысить многие важнейшие физико-механические характеристики: прочность при сжатии и изгибе, вязкость разрушения, трещиностой-кость и др. [1]. Матрица в армированных композициях придает изделию необходимую форму, создает монолитный материал. Объединяя в одно целое многочисленные волокна, матрица позволяет композиции воспринимать различного рода внешние нагрузки (растяжение, сжатие, изгиб, сдвиг и т.д.). В то же время матрица сама принимает участие в создании несущей способности композиции, обеспечивая передачу усилий на волокна [2].

Для армирования изделий на основе гипсовых, цементных и смешанных вяжущих в настоящее время находят применение различные виды волокон. Дисперсное армирование значительно повышает ударную вязкость, устойчивость матрицы к скалыванию, развитие поверхностных трещин, возникающих при пластической усадке и другие свойства [3]. Технические характеристики различных видов волокон, которые применяются для дисперсного армирования изделий, приведены в таблице 1.

Полипропиленовые волокна согласно данной классификации можно отнести к низкомодульным, синтетическим, поскольку относительное удлинение при разрыве составляет 10-25%, прочность на растяжение 400-770 МПа, средний диаметр воло-

кон 20-22мкм, длина 6, 12, 18, 24, 32 мм и более. Такие характеристики полипропиленового волокна обеспечивают высокую ударную вязкость и предел прочности при изгибе композиционного материала.

Таблица 1 - Технические характеристики волокон

Вид волокна Плотность, г/см3 Прочность на растяжение, МПа Модуль упругости, МПа

Полипропиленовое 0,9 400-770 35008000

Полиэтиленовое 0,95 700 14004200

Нейлоновое 1,1 770-840 4200

Акриловое 1,1 210-420 2100

Полиэфирное 1,4 730-780 8400

Асбестовое 2,6 910-3100 68000

Целлюлозное 1,2 300-500 10000

Стеклянное 2,6 3850 75000

Стальные фибры 7,8 800-3150 200000

Углеродное 2,0 2000 245000

Карбоновое 1,63 7800 380000

Полиамидное 0,9 720 1900

Вискозное 1,2 660 5600

Базальтовое 2,6 1600-3600 100000

Волластонит 2,9 200-400 10000

Кевларовое 1,45 3600 150000

Полиакрилонит-рил 1,2 900 20000

Высокие технические показатели, химическая стойкость и малая масса полипропиленовых волокон обуславливает значительный интерес к исследованию его в качестве дисперсно-армирующего материала для гипсоцементно-пуццоланового камня. К тому же, отечественная промышленность имеет высокие объемы выпуска данных волокон.

Особый интерес представляет изучение влияния длины и объемного содержания волокон на основные физико-механические свойства модифицированных гипсоцементно-пуццолановых систем, которые могут найти применение при изготовлении широкого спектра строительных изделий.

Цель исследований - исследовать влияние полипропиленовых волокон различной длины и содержания в составе смеси на физико-механические свойства модифицированных ГЦПВ.

Экспериментальная часть

В процессе исследований были использованы следующие материалы:

а) вяжущие:

- строительный гипс Г6Б11 производства ООО «Аракчинский гипс», произведенный по ГОСТ 125-79;

- портландцемент Белгородского цементного завода ПЦ500 Д0, произведенный по ГОСТ 10178-85;

б) модифицирующие добавки:

- активная минеральная добавка (АМД) -метакаолин, произведенная по ТУ 5729-09812615988-2013, с гидравлической активностью не менее 1000 мг/г.

- гиперпластификатор «Одолит-К» производства ООО «Сервис-Групп» произведенный по ТУ 5745-01-96326574-08;

- регулятор сроков схватывания и твердения «Бест-ТБ» производства ООО «Инновационные технологии»;

- гомогенная смесь олигоэтоксисилоксанов «Этилсиликат-40» производства ОАО «Химпром», г. Новочебоксарск по ТУ 2435-427-05763441-2004.

в) волокна:

- полипропиленовые волокна марки ВСМ-11 длиной 6, 12, 18, 24 и 32 мм произведенные по ТУ 5458-001-82255741-2008. Технические характеристики приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Технические характеристики полипропиленовых волокон марки ВСМ-11

Наименование Показатели

Материал Высокомодульный термопластичный модифицированный полимер

Средний диаметр волокон, мкм 20-22

Длина волокон, мм 6, 12, 18, 24, 32

Прочность на разрыв, МПа 550

Удлинение 20%

Модуль упругости, МПа не менее 10000

Количество единичных волокон, млн.шт./кг. 300-600

Площадь поверхности волокна, м2/кг 150

Температура плавления, °С 160

д) вода:

- водопроводная питьевая вода, удовлетворяющая требованиям ГОСТ 23732.

На первом этапе для получения ГЦПВ смешивали его компоненты в сухом виде при соотношении гипс:цемент:АМД - 76:20:4.

На втором этапе исследовали реологические свойства ГЦПВ с комплексной модифицирующей добавкой [4] и без нее.

Содержание комплексной добавки (КД) составляло 1,5% от массы вяжущего. Введение КД в состав смешанного вяжущего позволило снизить водотвердое отношение на 35% и увеличить сроки схватывания на 19 мин. При этом предел прочности при изгибе возрастает на 28%, при сжатии - на 25%.

На третьем этапе для равномерного распределения полипропиленовых волокон в гипсоцемент-но-пуццолановой матрице производили их распуш-ку в расчетном количестве воды затворения в присутствии модифицирующей добавки.

На следующем этапе проводилось перемешивание компонентов гипсоцементно-волокнистой смеси в течение одной минуты с последующим формованием образцов.

Испытания образцов после их твердения в течение 28 суток в воздушно-влажной среде проводились на стандартных образцах балочках размерами 4х4х16см, из формовочной смеси нормальной густоты по методике описанной в ГОСТ 23789-79.

Водостойкость гипсоцементно-

пуццоланового камня (ГЦПК) оценивали по коэффициенту размягчения, который равен отношению предела прочности материала при сжатии в водона-сыщенном состоянии, к пределу прочности сухого материала. Материалы, у которых коэффициент размягчения более 0,8 являются водостойкими [5].

Результаты исследований

Влияние объемного содержания полипропиленовых волокон разной длины на пределы прочности при изгибе и сжатии ГЦПК приведены на рис.1 и 2.

150

90 -I— ——

0 0.5 1 1.5 2

( ' : .1 !: и нолокни, %

Рис. 1 - Влияние объемного содержания полипропиленовых волокон на относительный предел прочности при изгибе ГЦПК при длине: 1 - 6мм; 2 - 12мм; 3 - 18 мм; 4 - 24 мм; 5 - 32мм

Получены следующие уравнения регрессии, хакактеризующие влияние исследуемых волокон на предел прочности при изгибе ГЦПК, достоверность которых составляет 0,81-0,98:

^(1)= -33.872х2 + 74.291х + 97.831; Кизг(2)= -17.646х2 + 38.044х + 100.96; ^(3)= -15.027х2 + 27.894х + 101.85; ^(4)= -9.072х2 + 12.811х + 103.23; Яизг(5)=-25.091х2 + 18.673х + 101.06.

-,-^ r _1_

X

Г\Ч

t ur-

О 0.5 1 1.5 2

Содержание БОЛ окна, %

Рис. 2 - Влияние объемного содержания полипропиленовых волокон на относительный предел прочности при сжатии ГЦПК при длине: 1 - 6мм; 2 - 12мм; 3 - 18 мм; 4 - 24 мм; 5 - 32мм

Получены следующие уравнения регрессии, характеризующие влияние исследуемых волокон на предел прочности при изгибе ГЦПК, достоверность которых составляет 0,82-0,99:

Ясж(1)= -18.045х2 + 38.117х + 100.78; Ясж (2)= -10.174х2 + 20.833х + 101.68; ^ж (3)= = -6.5806х2 + 12.523х + 101.5; ^ж (4)= -2.5211х2 + 1.4998х + 101.75; Ясж (5)= -18.909х2 + 12.327х + 100.44;

Как видно (рис.1,2) введение полипропиленовых волокон в состав гипсоцементно-пуццолановой смеси в зависимости от длины и их объемного содержания оказывает различное влияние на предел прочности при изгибе ГЦПК.

Наибольшую эффективность показали волокна длиной 6мм. Так в зависимости от их дозировки в составе смеси предел прочности при изгибе увеличивается на 10-41,2%, при сжатии на 5-20%.

Ведение волокон длиной 12 мм в меньшей степени повышает предел прочности ГЦПК при изгибе (6,7-20%) и сжатии (3-11%).

Введение волокон длиной 18, 24 и 32 мм с увеличением их содержания в составе смеси приводит к их неравномерному распределению, затруднению при перемешивании и образованию неравномерной структуры ГЦПК. Этим, на наш взгляд, обусловлено снижение прочности образцов при увели-

чении их содержания в составе смеси. Повышение предела прочности на изгиб (до 15%) и сжатие (до 6%) достигается при относительно малых дозировках волокон (0,25-0,5%).

Кроме того, как показали исследования, введение полипропиленовых волокон приводит к повышению коэффициента размягчения на 6-22%.

Заключение

1. Выполненные исследования показали высокую эффективность полипропиленовых волокон марки ВСМ-11-6 для дисперсного армирования ГЦПК. Так, максимальные повышения значений пределов прочности при изгибе (на 41,2%) и сжатии (на 20%) достигаются при их объемном содержании в составе ГЦПВ в количестве 1%, коэффициент размягчения увеличивается на 6-22%.

2. Следует отметить, что введение исследуемых волокон длиной более 6 мм не привело к ожидаемому результату. На наш взгляд это обусловлено формированием неоднородной структуры ГЦПК. Кроме того введение кремнийорганического модификатора могло снизить прочность сцепления волокон с матрицей. Поэтому влияние кремнийоргани-ческого модификатора и технологии введения волокон в гипсоцементно-пуццолановые смеси представляет интерес при дальнейших исследованиях.

Литература

1. Францевич, И.Н. Композиционные материалы волокнистого строения / И.Н. Францевич, Д.М. Карпинос. -Киев : Наукова думка, 1970. - 403 с.

2. Мухаметрахимов, Р.Х. Модификация структуры дисперсно-армированных композиций для повышения сопротивления разрушению / Р.Х. Мухаметрахимов, В.С. Изотов // Материалы VIII Академических чтений РА-АСН - МНТК. - Казань: КГАСУ, 2014 - С. 220-224.

3. Рабинович, Ф.Н. Композиты на основе дисперсно-армированных бетонов. Вопросы теории и проектирования, технология, конструкции / Ф.Н. Рабинович. - М. : Издательство АСВ, 2004 - 560 с.

4. Пат. РФ 2519313, С 04 В 24/04, С 04 В 28/14. Комплексная добавка [Текст] / В. С. Изотов, Р. Х. Мухамет-рахимов, А.Р. Галаутдинов; опубл. 10.06.14, Бюл. № 16. - 5 с.

5. Синяков, В.К. Строительные материалы и работы // В.К. Синяков, А.Ю.Никольский, Н.Н.Фролов - М.: Стройиздат, 1986. - 430 с.

© В. С. Изотов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. «Технология, организация и механизация строительства», КГАСУ, v_s_izotov@mail.ru; Р. Х. Мухаметрахимов - канд. техн. наук, ст. препод. той же кафедры, muhametrahimov@mail.ru; А. Р. Галаутдинов - аспирант, ассистент той же кафедры, galautdinov89@mail.ru.

© V. S. Izotov, D. Sc. in Engineering, Prof., Head of Dept. of Technology, Organization and Mechanization of Construction, Kazan State University of Architecture and Engineering, v_s_izotov@mail.ru; R. Kh. Mukhametrakhimov, Ph.D. in Engineering, senior lecturer of Dept. of Technology, Organization and Mechanization of Construction, Kazan State University of Architecture and Engineering, muhametrahimov@mail.ru; A. R. Galautdinov, graduate student, assistant of Dept. of Technology, Organization and Mechanization of Construction, Kazan State University of Architecture and Engineering, galautdinov89@mail.ru.