CC BY
29
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
УДК 691.328
И. В. Боровских - ассистент
В.Г. Хозин - доктор технических наук, профессор
Те л.: (843) 510-47-32
Казанский государственный архитектурно-строительный университет (КазГАСУ)
ИЗМЕНЕНИЕ ДЛИНЫ БАЗАЛЬТОВЫХ ВОЛОКОН ПРИ ПОЛУЧЕНИИ КОМПОЗИЦИОННОГО ВЯЖУЩЕГО ДЛЯ ВЫСОКОПРОЧНЫХ БАЗАЛЬТОФИБРОБЕТОНОВ
АННОТАЦИЯ
Выявлены закономерности и количественные зависимости снижения длины базальтового моноволокна при его совместном смешении-помоле с портландцементом и суперпластификаторами, при изготовлении композиционного вяжущего. Установлено положительное влияние различных пластификаторов на сохраняемость длины волокна при этом процессе и повышение прочности твердеющего вяжущего.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: базальтовое волокно, распределение волокна по длине, фибровое армирование.
I.V. Borovskikh - assistant
V.G. Khozin - doctor of technical sciences, professor
Tel.: (843) 510-47-32
Kazan State University of Architecture and Engineering (KSUAE)
CHANGE OF LENGTHS OF BASALT FIBERS AT ITS DISTRIBUTION IN COMPOSITE KNITTING HIGH-STRENGTH FINE-GRAINED BASALT FIBER CONCRETE
ABSTRACT
Laws and quantitative dependences of decrease in length of a basalt bonfibre are revealed at its joint mixture-grinding with Portland cement and super softeners, at manufacturing of the composite knitting. Positive influence of various softeners on a fiber keeping is established at this process.
KEYWORDS: fiber distribution on length, basaltic fiber, fiber re-enforcement.
Растущая потребность в высокопрочных бетонах обусловлена двумя факторами: во-первых,
увеличением нагрузок на несущие и особенно пролетные конструкции высотных зданий, в которых тяжелый бетон классов В30-В50 уже не удовлетворяет конструктивным требованиям. К примеру, при возведении каркасов башен комплекса «Федерация», Москва-Сити, высотой 280 и 340 м применялся бетон классов В80-90 общим объемом 86 тыс. м3. Второй фактор - рост цен на все сырьевые материалы железобетона - выдвигает новый принцип бетонного строительства: «Экономить не цемент в бетоне, а бетон в конструкции». А это возможно только за счет уменьшения поперечных сечений несущих элементов, благодаря существенному росту прочности в них.
Однако применение высокопрочных бетонов влечет за собой ряд трудностей и рисков. Так, например, мелкозернистый бетон имеет недостаточную прочность на растяжение при изгибе, ее рост «отстает» от роста прочности на сжатие. К тому же высокопрочные бетоны требуют повышенного
расхода цемента, что влечет за собой рост усадочных деформаций и внутренних напряжений, накопление микродефектов, увеличивающих опасность хрупкого разрушения конструкций.
В связи с этим привлекает внимание базальтовое волокно, практически еще не применяемое в бетонах. По прочности оно превосходит сталь и обладает за счет малого диаметра волокон (10 мкм) гораздо большей удельной поверхностью сцепления с цементным камнем, чем стальное, имея с ним химическое сродство. При этом относительное удлинение при разрыве базальтовой фибры в два раза ниже, чем стальной, что позволяет ей более эффективно препятствовать образованию микротрещин в бетоне при нагружении.
Известной технологической проблемой всех фибробетонов является трудность равномерного распределения волокон в объеме цементного теста и бетона [1]. Стальная фибра образует так называемые «ежи», другие волокна агрегаты или комки, состоящие из хаотически переплетенных волокон и частиц цемента.
№
Изменение длины волокон в зависимости от среды помола
Таблица 1
Наименование Кол -во БВ в 0,1 гр. гот. смеси, шт. Кол -во БВ в % от общего количества
1 = 7-9 мм 1 = 5-7 мм 1 = 3-5 мм 1 = 1-3 мм 1 = 1-0,5 мм
П (кварц. песок) 322 4 12 17 24 43
П+С-3 (1 %) 587 12 19 26 22 21
Ц (цемент) 623 19 27 31 16 7
Ц+С-3 (1 %) 712 21 28 26 17 8
Таблица 2
Содержание волокна в зависимости от среды помола
Число волокон (шт.) и массового содержания (гр-4) в 0,1 гр. Потери
Наименова- гот.смеси (в масс. %)
ние 1 = 7-9 мм 1 = 5-7 мм 1 = 3-5 мм 1 = 1-3 мм 1 = 1-0,5 мм Итого волокна при помоле
П 13 39 54 77 139 322 60
2,15 4,85 1,7 1,21 1,08 12,0
П+С-3 70 112 153 129 123 587 42
(1 %) 4,40 5,28 4,80 2,03 0,97 17,5
Ц 118 168 193 100 44 623 22
7,42 7,92 6,05 1,57 0,35 23,31
Ц+С-3 150 199 185 121 57 712 9
(1 %) 9,43 9,38 5,90 1,90 0,45 27,06
Примечание: Исходное число волокон длиной 9 мм в 0,1 гр. смеси составляет 450 шт. (30*10-4 гр). К потерям относится волокно, измельченное до длины менее 0,5 мм
Нами были опробованы различные способы введения базальтовой фибры в цементное тесто. Лучшим оказался способ предварительного изготовления сухой смеси цемента с волокном путем кратковременного (50-60 с) смешения с домолом в мельнице: пружинной или шаровой [2].
Использовалось базальтовое моноволокно диаметром 10 мкм из рубленного на отрезки базальтового ровинга (комплексной нити из непрерывного базальтового волокна) производства ООО «Каменный век» (г. Дубна). Средняя длина составляла 9 мм.
Равномерность распределения базальтового волокна зависит не только от способа смешения с другими компонентами сухой смеси, но и от их абразивности (табл. 1).
После смешения-измельчения в течение 40-70 с в пружинной мельнице из полученной смеси производилась аналитическая выборка 10 навесок по
0,1 г, в соответствии с [3]. Для каждой навески производился прямой подсчет количества волокон.
Как видно из табл. 1, наибольшая сохраняемость волокна обеспечивается при совместном помоле с
цементом в присутствии суперпластификатора С-3: при этом остается большая доля волокон с интервалом длины 3-9 мм, а потери волокна (9 %) - наименьшие (табл. 2).
При смешении-помоле базальтового волокна совместно с кварцевым песком потери волокна по отношению к массе изначально введенного составляют 60 %. Это объясняется большей твердостью зерен песка (7-по шкале Маоса) и относительно большим размером зерен в сравнении с базальтовым волокном (6-по шкале Маоса). Добавление суперпластификатора несколько улучшает сохраняемость, однако потери превышают 40 %, что значительно снижает эффект упрочнения при растяжении бетона.
Обобщенные результаты оценки изменения длины базальтового волокна при смешении-помоле с разными компонентами представлены на гистограммах рис. 1.
Здесь следует отметить, что согласно [4], дисперсное армирование бетона эффективно при отношении длины волокна к его диаметру 1М > 50. Волокна длиной менее 0,5 мм имеют отношение длины к диаметру менее указанного 1М < 50, поэтому эти
60
50
40
ч о
Р0
О *
К о к ^
Я £>
&
Он '-О ^ ° л л § о 20
30
о
о4
10
о
—
—
г г В 1 Ь-и 1
1234 1234 1234 1234 1234 1234
9-7 мм 7-5 мм 5-3 мм 3-Іми 1-0,5 мм <0,5 мм
Распределение по длине базальтовых волокон после смешения
Рис. 1. Распределение по длинам базальтового волокна после 50 с смешения-помола в пружинной мельнице с разными сухими компонентами: 1 - кварцевый песок; 2 - П+С-3 (1 %); 3 - цемент; 4 - Ц+С-3 (1 %)
Рис. 2. Распределение длины базальтовых волокон при смешении-помоле в присутствии различных суперпластификаторов
волокна отнесены нами к потерям для дисперсного армирования.
Большая сохраняемость по длине базальтового волокна (потери при смешении не более 9 % по массе от изначально вводимого количества) обеспечивается при добавлении в цемент при смешении 1 % по массе суперпластификатора. 75 % изначально вводимого базальтового волокна при смешении остается в интервале от 9 до 3 мм, что на 23 % больше, чем при распределении с чистым цементом.
Суперпластификатор при смешении-помоле играет роль смазки, покрывающей часть поверхности как частиц цемента, так и базальтового волокна. Происходящие при смешении-помоле явления подобны тем, что наблюдаются в технологии получения вяжущих низкой водопотребности. Вводимый при помоле суперпластификатор позволит снизить водопотребность дисперсноармированной цементной смеси и значительно повысить прочность конечного композиционного вяжущего.
Рис. 3. Прочность при сжатии ЦК (28 сут.), армированного базальтовым волокном, в присутствии различных суперпластификаторов
Рис. 4. Прочность на растяжение при раскалывании ЦК (28 сут.), армированного базальтовым волокном, в присутствии различных суперпластификаторов
Оценка влияния добавления различных суперпластификаторов на изменение длины волокон и их количество при распределении с цементом представлены на рис. 2.
При совместном помоле базальтового волокна с цементом и суперпластификаторами (как показано на рис. 2) наилучший результат показал состав с добавлением 1 % МеШих 2651Е Время распределения по отношению к бездобавочной среде сократилось на 30 %. Сохраняемость волокна составила 96 %. Содержание волокна при распределении с МеШих 2651Б в интервале длин от 9 до 3 мм составляет 75 %, что благоприятно сказывается на прочности как при сжатии цементного камня (рис. 3), так и на растяжении при раскалывании (рис. 4) гораздо в большей степени, чем при добавлении других суперпластификаторов.
Исследование зависимостей прочностных показателей от содержания в вяжущем базальтового волокна и различных суперпластификаторов выявило их наилучшие соотношения, при которых каждой дозировке волокна соответствует определенное количество суперпластификатора.
Лучшие прочностные показатели проявил состав с 2 % суперпластификатора МеШих и 5 % БВ. Упрочнение волокном «пластифицированного» цементного камня на сжатие составило 65 %. Упрочнение при раскалывании составляет 220 %. При этом упрочнение при «чистом» растяжении (раскалывании ЦК) почти в 4 раза превышает упрочнение при сжатии.
При добавлении 1,5 % МеШих и четырех 4 % базальтового волокна результаты упрочнения ниже
максимальных на 3 % на сжатие и 5 % на растяжение при раскалывании, соответственно.
Видно, что и другие пластификаторы оказывают благоприятное воздействие на увеличение прочности цементного камня, содержащего базальтовое волокно. При увеличении содержания базальтового волокна увеличивается и доля пластификаторов, позволяющая получить максимальную прочность, что выражается в экстремальных зависимостях графиков.
Таким образом, установлен оптимальный способ введения базальтового волокна в модифицированное цементное вяжущее путем кратковременного (50-60 с) смешения всех компонентов (цемента, суперпластификатора и волокна) в мельнице, что обеспечивает не только равномерное распределение волокна в композиционном вяжущем, но и его механоактивацию. Предлагаемый способ позволяет увеличить прочность цементного вяжущего по сравнению с исходным при сжатии на 65 %, а при растяжении - в 2,2 раза путем комплексной его модификации суперпластификатором МеШих 2651Б и тонким базальтовым волокном.
Литература
1. Волков И.В. Проблемы применения фибробетона в отечественном строительстве // Строительные материалы, 2004, № 6. - С. 12-13.
2. Боровских И.В., Хозин В.Г. Особенности введения базальтового волокна в цементную матрицу // Материалы международного конгресса «Наука и инновации в строительстве 8ГБ-2008», том 1. -Воронеж, 2008. - С. 60-64.
3. ГОСТ 8.207-76 «Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений».
4. Василик П.Г., Голубев И.В. Применение волокон в сухих строительных смесях // Строительные материалы, 2002, № 2. - С. 26-27.
