Исследование влияния дисперсного армирования модифицированным базальтовым микроволокном на прочностные свойства цементного раствора

Исследование влияния дисперсного армирования модифицированным базальтовым микроволокном на прочностные свойства цементного

раствора

Т.К. Белова, В.А. Гурьева, В.И. Турчанинов Оренбургский государственный университет

Аннотация: Рассматривается влияние дисперсного армирования модифицированным базальтовым микроволокном (МБМ) на прочностные свойства цементных растворов. Изучено влияние МБМ на прочностные свойства и подвижность растворных смесей различных составов с равным водоцементным отношением и растворных смесей нормальной консистенции. В результате ввода в состав масс модифицированной микрофибры получен искусственный камень с улучшенными прочностными характеристиками (предел прочности при изгибе и сжатии), что свидетельствует о целесообразности введения таких микроволокон в растворные смеси. Однако при этом значительно снижается подвижность смесей, что требует введения пластификатора. Результаты испытаний указывают на целесообразность применения модифицированной базальтовой микрофибры в строительном производстве как компонента при разработке высокопрочных тонкодисперсных отделочных и гидроизоляционных составов. Ключевые слова: дисперсное армирование, модифицированная микрофибра, самоармирование цементного камня, прочностные свойства, нанодобавка.

В настоящее время дисперсное армирование бетонов и растворов волокнами продолжает получать все более широкое распространение [1, 2]. Номенклатура искусственных волокон-фибр весьма обширна, однако наиболее распространены по сравнению с другими четыре вида армирующих волокнистых материалов: стальные, стеклянные, базальтовые волокна и волокна на основе полипропилена. «Упрочнение бетонов и растворов данными волокнами основывается на предположении, что материал бетонной матрицы передает волокнам приложенную нагрузку посредством касательных сил, действующих на поверхности раздела» [3], следовательно, на эффективность дисперсного армирования оказывает влияние отношение модулей упругости материалов фибр по отношению к материалу матрицы.

В последнее время в связи с развитием нанотехнологий оформилось новое направление в дисперсном армировании бетонов и растворов -

динамическое дисперсное самоармирование цементного камня [4]. В отличие от традиционного метода дисперсного армирования волокнами данный метод основан на предположении, что введение в растворную смесь наномодифицированных дисперсно-упрочняющих заполнителей приводит к росту в составе цементного камня протяженных кристаллических структур длиной в сотни микрометров, что приводит к соответствующему упрочнению цементного камня на основе таких нанодобавок.

В качестве таких дисперсно-упрочняющих заполнителей могут служить базальтовая микрофибра, углеродные микроволокна, модифицированные фуллероидами, нанотрубками, астраленами и др. кластерами углерода. Данные кластеры являются разновидностями аллотропических модификаций углерода [5], которые при введении в растворную смесь играют роль зародышей структурообразования, наноармирующего элемента, центров зонирования новообразований в матрице [6].

Также в работах [7, 8] отмечается, что углеродные наноматериалы способны изменять микроструктуру минеральной цементной матрицы за счет увеличения содержания гидросиликатов кальция повышенной плотности и снижения пористости.

Таким образом, с одной стороны микрофибра сохраняет свои достоинства как удобный для дисперсного армирования материал, а с другой стороны, каждое отдельное волокно в процессе созревания бетона «разрастается» в направлении расположения этого конкретного волокна, усиливая эффекты дисперсного армирования [9].

Технология динамического дисперсного армирования бетонов и растворов является одним из возможных «нано» инструментов для создания высококачественных бетонов и растворов.

Целью работы явилось исследование прочностных свойств цементных растворов, армированных модифицированной микрофиброй. В качестве такой микрофибры применяли модифицированную базальтовую микрофибру (далее МБМ) производства ООО «НТЦ прикладных нанотехнологий», ее основные параметры представлены в таблице 1.

Для изготовления цементных образцов в качестве вяжущего применялся портландцемент ЦЕМ I 42,5Н производства ООО «Южноуральская Горно-перерабатывающая Компания», соответствующий требованиям ГОСТ 31108-2003 «Цементы общестроительные. Технические условия». В качестве мелкого заполнителя использован природный песок Архиповского месторождения, расположенного в Оренбургской области, отвечающий требованиям ГОСТ 8736 «Песок для строительных работ. Технические условия». Для регулирования свойств растворной смеси использовался суперпластификатор Sika ViscoCrete 20 Gold по ТУ 2493-00913613997-2011. Для затворения смеси применялась питьевая вода, отвечающая требованиям ГОСТ 23732-79 «Вода для бетонов и растворов. Технические условия».

Таблица 1

Основные параметры МБМ

№ п/п Параметр Значение

1 Средний диаметр волокна, мкм 8-10

2 Средняя длина волокна, мкм 100-500

3 Насыпная плотность, не более, т/м 0,45

4 Влажность, не более, % 2

5 Органическая часть по массе, не более, % 2

6 Цвет желто-коричневый

астралены,

7 Наномодификатор водорастворимые аддукты углеродных нанокластеров

Прочностные свойства цементного раствора (предел прочности при изгибе и сжатии) определялись в соответствии с ГОСТ 310.4 - 81 «Цементы. Методы определения прочности при изгибе и сжатии». Подвижность растворной смеси оценивалась по диаметру расплыва стандартного конуса диаметром 100 мм.

С целью изучения влияния МБМ на прочностные свойства цементного раствора проведены лабораторные испытания четырех составов раствора с равным водоцементным отношением: контрольный (без МБМ и добавок); с МБМ; с добавкой суперпластификатора; с добавкой суперпластификатора и МБМ. Составы растворных смесей представлены в таблице 2.

Предел прочности при изгибе вычислялся как среднее арифметическое значение двух наибольших результатов испытания трех образцов в возрасте 7 суток. Предел прочности при сжатии в соответствии с ГОСТ 310.4-81 вычислялся как среднее арифметическое значение четырех наибольших результатов испытания 6 образцов. Предел прочности в возрасте 28 суток получен путем пересчета предела прочности в возрасте 7 суток по логарифмической зависимости.

Результаты испытаний образцов приведены в таблице 3.

Таблица 2

Составы растворных смесей

№ состава В/Ц цемент, части песок, части МБМ, % от массы вяжущего Суперпластификатор, % от массы вяжущего

1 0,5 1 3 0 0

2 0,5 1 3 1 0

3 0,5 1 3 0 1

4 0,5 1 3 1 1

Анализ результатов исследований, представленных в таблице 3, показывает, что растворные образцы, армированные модифицированной

базальтовой микрофиброй (состав № 2), имеют повышенные прочностные свойства: прочность при изгибе повысилась на 8 %, а прочность при сжатии повысилась на 11 % по сравнению с контрольным составом без МБМ и добавок. Аналогично, сравнивая образцы с добавлением суперпластификтора (составы 3 и 4), можно сделать вывод о том, что прочность при сжатии армированных образцов повысилась на 7,4 %, однако прочность при изгибе понизилась на 3 %. Пониженная прочность 3 и 4 составов в сравнении с составами 1 и 2 объясняется избыточным количеством воды за счет повышения подвижности растворных смесей при вводе суперпластификатора.

Таблица 3

Результаты испытаний

№ состава Предел прочности в возрасте 7 суток, кгс/см2 Предел прочности при сжатии в возрасте 28 суток, кгс/см2 Диаметр расплыва конуса, мм

при изгибе при сжатии

1 70 257,2 437,24 109

2 75,5 285 484,50 103

3 69 228,4 388,28 155

4 67 245,2 416,84 144

В исследованиях также была определена подвижность растворных смесей. Результаты испытаний показали, что при введении МБМ в массы значительно снижается их подвижность (таблица 3). Регулирование данного показателя может осуществляться вводом суперпластификатора.

Дальнейшие исследования проводились на цементно-песчаных растворах нормальной консистенции с добавками МБМ и суперпластификатора.

Составы смесей и результаты физико-механических испытаний образцов приведены в таблицах 4 и 5.

Таблица 4

Составы растворных смесей

№ В/Ц цемент, песок, МБМ, % от массы вяжущего Суперпласти фикатор, %

состава части части от массы вяжущего

5 0,43 1 3 0 1

6 0,45 1 3 1 1

Таблица 5

Результаты испытаний

Предел прочности в возрасте 7 Предел прочности Расплыв

№ суток, кгс/см2 при сжатии в конуса,

состава возрасте 28 суток, мм

при изгибе при сжатии кгс/см2

5 75,15 400,8 681,36 106

6 77,5 356,8 606,56 111

Как видно из результатов испытаний, представленных в таблице 5, снижение водопотребности цементно-песчаных растворов до значений, соответствующих нормальной консистенции, приводит к резкому повышению прочности растворов. Некоторое снижение прочности при сжатии образцов с добавкой МБМ в сравнении с бездобавочным вариантом объясняется большим В/Ц и подвижностью растворной смеси состава 6 по сравнению с составом 5 и, следовательно, большей пористостью цементного камня состава 6. Но прочность при изгибе повышается, что свидетельствует о проявлении армирующего воздействия микрофибры.

Следует отметить, что бетон и строительный раствор, представляющий собой песчаный бетон, характеризуются конгломератной структурой со значительным количеством пор и пустот, снижающих прочностные характеристики материала. Таким образом, их прочность в значительной степени зависит от характера макроструктуры бетона. Астралены, вводимые

совместно с МБМ, влияют на тонкую структуру цементного камня, т.е. на микроструктуру. Поэтому наибольший эффект от их использования следует ожидать при вводе их в состав тонкодисперсных композиций, таких как финишные отделочные составы и т.п. Причем, как отмечают ученые [10], наибольший эффект от использования МБМ достигается за счет снижения расхода суперпластификаторов при вводе астраленов.

Таким образом, результаты предварительных исследований:

1. Подтверждают целесообразность введения модифицированной базальтовой микрофибры в цементные растворы с целью их дисперсного армирования;

2. Свидетельствуют о повышении прочностных характеристик цементно-песчаного камня;

3. Свидетельствуют об уменьшении подвижности растворной смеси и возникновении трудности перемешивания.

4. Указывают на целесообразность при внедрении МБМ в строительное производство основной акцент сместить на разработку высокопрочных тонкодисперсных отделочных и гидроизоляционных составов.

Литература

1. Страданченко С.Г., Плешко М.С., Армейсков В.Н. Разработка эффективных составов фибробетона для подземного строительства // Инженерный вестник Дона, 2013, №4 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/1995/.

2. Моргун В.Н., Пушенко О.В. О структуре фибропенобетонов // Инженерный вестник Дона, 2012, №3 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/955/.

3. Рабинович Ф.Н. Дисперсно армированные бетоны. М: Стройиздат, 1989. 176 с.

4. Фаликман В.Р. Наноматериалы и нанотехнологии в современных бетонах // Промышленное и гражданское строительство. 2013. №1. С. 31-34.

5. Булярский С.В. Углеродные нанотрубки: технология, управление свойствами, применение. Ульяновск: ООО «Стрежень», 2011. 478 с.

6. Алаторцева У.В. Конструкционные сталефибробетоны, модифицированные комплексными углеродными микро- и наноразмерными добавками :дис. ... канд. техн. наук: 05.23.05. Волгоград, 2011. 151 с.

7. Shan S.P., Konsta-Gdoutos M.S., Metaxa Z.S., Mondal P. Nanoscale modification of cementious materials. Proceeding of the Third International symposium on nanotechnology in construction. Springer, 2009, pp. 125-130.

8. Konsta-Gdoutos M.S., Metaxa Z.S., Shan S.P. Nanoimaging of highly dispersed carbon nanotube reinforced cement based materials / Seventh International RJLEM Symposium on Fibre Reinforced Concrete: Design and Applications, Chennai, India, 2008, pp. 125-131.

9. Пономарев А.Н. Высококачественные бетоны. Анализ возможностей и практика использования методов нанотехнологии // Инженерно-строительный журнал. 2009. №6. С. 25-33.

10. Ваучский М.Н. Нанобетон: мифы и реальность // Стройпрофиль. 2007, №8 URL: stroyprofile.com/archive/2889.

References

1. Stradanchenko S.G., Pleshko M.S., Armeyskov V.N. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №4 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/1995/.

2. Morgun V.N., Pushenko O.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, №3 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/955/.

3. Rabinovich F.N. Dispersno armirovannye betony [Dispersion reinforced concrete]. M: Stroyizdat, 1989. 176 p.

4. Falikman V.R. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2013. №1. pp. 31-34.

5. Bulyarskiy S.V. Uglerodnye nanotrubki: tekhnologiya, upravlenie svoystvami, primenenie [Carbon nanotubes: technology, management properties, application]. Ul'yanovsk: OOO «Strezhen'», 2011. 478 p.

6. Alatortseva U.V. Konstruktsionnye stalefibrobetony, modifitsirovannye kompleksnymi uglerodnymi mikro- i nanorazmernymi dobavkami [Structural dispersion reinforced concrete modified complex carbon micro and nanoscale additives]. : dis. ... kand. tekhn. nauk: 05.23.05. Volgograd, 2011. 151 p.

7. Shan S.P., Konsta-Gdoutos M.S., Metaxa Z.S., Mondal P. Nanoscale modification of cementious materials. Proceeding of the Third International symposium on nanotechnology in construction. Springer, 2009, pp. 125-130.

8. Konsta-Gdoutos M.S., Metaxa Z.S., Shan S.P. Nanoimaging of highly dispersed carbon nanotube reinforced cement based materials. Seventh International RJLEM Symposium on Fibre Reinforced Concrete: Design and Applications, Chennai, India, 2008, pp. 125-131.

9. Ponomarev A.N. Inzhenerno-stroitel'nyy zhurnal. 2009. №6. pp. 25-33.

10. Vauchskiy M.N. Stroyprofil'. 2007, №8 URL: stroyprofile .com/archive/2889.