МЕЛКОЗЕРНИСТЫЙ ЦЕМЕНТОБЕТОН НА ОСНОВЕ МОДИФИЦИРОВАННОГО БАЗАЛЬТОВОГО ВОЛОКНА
FINE-GRAINED CEMENT CONCRETE BASED ON MODIFIED BASALT FIBRE

Изобретение относится к конструкционным материалам и может использоваться в различных отраслях промышленности, например в дорожном и гражданском строительстве.
Из уровня техники известен способ модифицирования поверхности неорганического волокна, модифицированное волокно и композиционный материал [патент РФ №2475463 RU]. Однако в данном способе не указаны свойства, отображающие влияние агрессивных сред на поверхность волокна, что характеризует данный способ как слабо-эффективный для решения поставленных задач по достижению высоких прочностных характеристик цементобетона. При применении данной технологии к указанному волокну (базальтовое волокно) на поверхности волокна образуется оболочка из твердого углеродного вещества, которая может приводить к образованию хрупкой поверхности, тем самым изменяя категорию материала из упругого в твердое. Таким образом, указанный способ не позволяет достичь высокой адгезии продуктов гидратации клинкерных минералов на поверхности волокна. Также к недостаткам относится то, что при применении отдельных элементов модификации, указанных в данном способе, отсутствует методика контроля изменения структуры и поверхности модифицированного волокна.
Известен способ использования базальтовой фибры на основе расплава базальтовых пород, предназначенной для трехмерного упрочения и повышения в несколько раз стойкости фибробетона (по сравнению с железобетоном) к растрескиванию, изгибающим и разрывным нагрузкам, создает необходимый запас прочности и способствует сохранению целостности конструкции при сквозных трещинах, а также позволяет значительно уменьшить общий вес строительных конструкций [патент РФ №2418752 RU]. Тем не менее, в данном способе недостаточное внимание уделено проблемам щелочестойкости базальтового волокна. Учитывая специфику работы волокна в агрессивной щелочной среде цементобетона, необходимо уделять должное внимание проблемам коррозионной стойкости базальтового волокна в процессе эксплуатации. Таким образом, предложенный способ не отвечает всем требованиям, необходимым для использования указанного волокна в качестве микроармирующего компонента в фибробетоне.
Известно армирование бетонов базальтовой фиброй [Василовская Н.Г. Цементные композиции, дисперсно-армированные базальтовой фиброй / Н.Г. Василовская, И.Г. Енджиевская, И.Г. Калугин // Вестник ТГАСУ №3, 2011]; [Сарайкина К.А. Дисперсное армирование бетонов / К.А. Сарайкина, В.А. Шаманов // Вестник ПГТУ. Урбанистика. 2011. №2] и др. Однако, при указанном соотношении компонентов, не удается достигнуть эффективного трехмерного упрочнения структуры цементобетона.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ приготовления модифицированной фибробетонной смеси и модифицированная фибробетонная смесь [патент РФ №2433038 RU], включающий перемешивание в смесителе портландцемента, фибры стальной, заполнителя, пластифицирующей и модифицирующей добавок и воды затворения, в качестве стальной фибры используют «Миксарм»-фибру, выполненную из стальной проволоки с коническими анкерами на концах, в качестве пластифицирующей добавки - пластификатор «Д-11», в качестве модифицирующей добавки - многослойные углеродные нанотрубки диаметром 8-40 нм и длиной 2-50 мкм, предварительно проводят диспергацию портландцемента, указанных пластификатора и модифицирующей добавки и их перемешивание с фиброй в линейно-индукционном вращателе в течение 5-7 минут, а полученный продукт перемешивают в смесителе при последовательном введении заполнителя и воды затворения. Однако в указанном способе используется нерациональная последовательность ввода сырьевых компонентов, а также в процессе перемешивания фибры происходит ее соприкосновение с твердыми частицами цементобетонной смеси, что приводит к механическим повреждениям и истиранию фибры. Не описывается рациональный способ ввода микроармирующего компонента, что является важной составляющей для получения композита заданной прочности. В результате снижается эффективность применения указанного способа. Также недостатком является слабая степень армирования, так как при указанном соотношении армирующего компонента возможно образование комков и неравномерностей в структуре композита. Учитывая соотношение длины к диаметру, волокна являются достаточно длинными, что также будет негативно сказываться на равномерности распределения. Известно, что в цементной среде присутствует агрессивная щелочная среда, способная вызвать коррозию. В указанном прототипе не изучен вопрос коррозионной стойкости микроармирующего компонента.
Целью заявляемого изобретения является улучшение механических характеристик бетонов: повышение их трещиностойкости, прочности при растяжении при изгибе, повышение стойкости микроармирующего компонента к воздействию агрессивной щелочной среды цементного камня.
Поставленная цель достигается за счет того, что мелкозернистый цементобетон, состоящий из цемента, песка, воды, пластифицирующей добавки и базальтового волокна согласно предлагаемому изобретению содержит модифицированное базальтовое волокно, вводимое в смесь методом гидрораспушения, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
цемент
34
песок
64
вода
1,4
пластифицирующая добавка
0,3
базальтовое волокно
0,3
Для повышения эффективности использования базальтового волокна в цементобетоне была принята возможность увеличения щелочестойкости волокна путем его термической обработки.
Процесс термообработки волокна происходил следующим образом: фибру подвергали нагреву при температуре 500°C, время изотермической выдержки составляло 30 мин. Охлаждение происходило при комнатной температуре в воздушной среде.
Для подтверждения эффективности применения базальтового волокна в цементобетоне образцы проходили испытание на щелочестойкость путем выдержки волокна в растворе цементного молочка (pH 12,9).
В указанный раствор вводили распушенное волокно. Концентрацию базальтового волокна в растворе выбирали с учетом предельного содержания фибры в цементных композитах (3-12% массы вяжущего), установленного на основании анализа литературных данных и опытным путем. Таким образом, оптимальная концентрация волокна, позволяющая достигнуть максимальных прочностных характеристик составила 7%.
По истечении срока выдержки для удаления остатков цементной составляющей волокно промывали слабым раствором соляной кислоты (0,1%) через фильтровальную бумагу. Для удаления посторонних примесей впоследствии образец промывали 1 л дистиллированной воды. Далее оставшееся на фильтровальной бумаге базальтовое волокно просушивали при комнатной температуре. Растворимость волокна определяли по разности масс первоначальной навески и сухого остатка в результате выдержки в щелочной среде. Потерю массы выражали в процентах. Возможные потери волокна при промывке (т.н. технологические потери) приняты сопоставимыми для каждого эксперимента. Результаты испытаний представлены в таблице 1.
Таблица 1
Зависимость щелочестойкости волокна от температурной обработки
№
Время испытания, сут
Масса после выдержки, г
Потеря массы, %
pH раствора после выдержки
Цвет
Исходное волокно
1
3
2,77
7,7
11,9
норм
2
7
2,46
18,8
11,5
слабо-осветл.
3
14
2,15
28,4
10,3
осветл.
4
28
2,1
34
10,1
осветл
Волокно термообработанное при 300°C
5
3
2,91
3,3
11,9
норм
6
7
2,84
5,4
11,5
норм
7
14
2,74
8,57
10,3
норм
8
28
2,66
11,39
10,1
сл.-осветл.
Волокно термообработанное при 400°C
9
3
2,89
2,9
11,9
норм
10
7
2,82
6,1
11,5
норм
11
14
2,77
7,8
10,3
норм
12
28
2,73
9,04
10,1
сл.-осветл.
Волокно термообработанное при 500°C
13
3
2,95
1
11,9
норм
14
7
2,88
2,1
11,5
норм
15
14
2,87
4,11
10,3
норм
16
28
2,84
5,5
10,1
сл.-осветл.
Увеличение температуры с 300 до 500°C способствует повышению щелочестойкости волокна. Потеря массы при выдержке в щелочном растворе после 28 сут в данном случае составляет около 5%, тогда как исходное волокно за это время теряет более 30% начальной массы волокна.
Для достижения рационального способа ввода использовали метод гидрораспушения. При этом способе волокно перемешивается в воде затворения, что способствует более равномерному его распределению. Далее суспензия добавляется в смесь цемента и песка.
Заданная подвижность достигалась с использованием пластификатора СП-1 производства Полипласт. Установлено существенное влияние способа введения волокна и вида пластификатора на физико-механические свойства мелкозернистого бетона (таблица 2).
Предварительное распушение волокна в воде затворения в присутствии нафталинформальдегидного пластификатора (СП-1) приводит к повышению прочности при сжатии на 24% и при изгибе на 30% по сравнению с составами, полученными одновременным смешением всех компонентов (традиционный способ). Это обусловлено адсорбцией пластификатора на поверхности базальтового волокна и ее гидрофилизацией, что приводит к формированию сольватной оболочки на поверхности волокна и его равномерному распределению сначала в воде, а впоследствии, в растворной смеси.
Характеристика используемых компонентов.
1. Цемент производства ЗАО «Осколцемент» ЦЕМ I 42,5 П.
2. Песок Ново-Товолжанского месторождения, Белгородской области.
3. Пластифицирующие добавки, СП-1 (производства Полипласт).
4. Волокно базальтовое: ООО «Машзавод БАСК».
3
Плотность - 2,7 г/см;
прочность на растяжение - 1600-3600 МПа;
модуль упругости - 80-110 МПа;
удлинение при разрыве - 1,4-3,6%;
диаметр - 3-12 мкм.
Для получения цементобетона с заданными прочностными характеристиками предложен комплексный подход к способу введения базальтового волокна с пластифицирующей добавкой. Так, в работе использован способ введения предварительно распределенного волокна в воде затворения (распушение) в присутствии добавки с дальнейшим введением суспензии в формовочную смесь.
Предварительное распушение волокна в воде затворения в присутствии нафталинформальдегидного пластификатора (СП-1) приводит к повышению прочности при сжатии на 24% и при изгибе на 30% по сравнению с составами, полученными одновременным смешением всех компонентов. Это обусловлено адсорбцией пластификатора на поверхности базальтового волокна и ее гидрофилизацией, что приводит к формированию сольватной оболочки на поверхности волокна и его равномерному распределению сначала в воде, а, в последствии, в растворной смеси.
Подбор рационального состава мелкозернистого цементобетона проводили согласно ГОСТ 26633-91. В качестве расчетных параметров учитывалась подвижность бетонной смеси, прочность при сжатии и изгибе, а также проектная марка по морозостойкости.
Состав мелкозернистого цементобетона определяли расчетно-экспериментальным путем по ГОСТ 27006-86 и ГОСТ 7473-94. На первом этапе рассчитывали предварительный состав бетона, обеспечивающий получение заданной подвижности цементно-песчаной смеси и заданную прочность бетона.
Подбор пластификатора осуществляли, исходя из заданной подвижности бетонной смеси, которая подбиралась по стандартной методике, согласно ГОСТ 24211-2008.
Таблица 2
Состав и свойства мелкозернистого цементобетона
№ состава п/п
Расход материалов, мас.%
Количество добавки, мас.%
В/Ц, мас.%
Количество микроармирующего компонента, мас.%
Предел прочности при сжатии, МПа
Предел прочности при изгибе , МПа
Класс бетона по прочности на сжатие
Класс бетона по прочности на изгиб
Класс морозостойкости бетона
Цемент
песок
1
32,22
66,27
0,24
1,27
0,25
47,3
5,09
В35
B<sub>tb </sub>4,0
F300
2
35,3
63,08
0,27
1,35
0,23
56,31
6,2
В40
B<sub>tb </sub>4,4
F300
3
32,2
66,32
-
1,57
-
42,11
3,77
В30
B<sub>tb </sub>3,2
F300
4
36,17
62,13
-
1,7
-
45,81
4,3
В35
B<sub>tb </sub>3,6
F300