CC BY
233
УДК 691.328.5
Р.Х. Мухаметрахимов, В.С. Изотов
РАЗРАБОТКА ЦЕМЕНТНО-ВОЛОКНИСТЫХ ПЛИТ НА ОСНОВЕ ЦЕЛЛЮЛОЗНЫХ ВОЛОКОН
Представлены результаты разработки цементно-волокнистых (фиброцементных) плит на основе целлюлозных волокон. Показана возможность повышения их эффективности на основе модификации вяжущего активными минеральными и химическими добавками.
Фиброцементные плиты, целлюлозные волокна R.H. Muhametrahimov, V.S. Izotov
DEVELOPMENT CEMENT-FIBER BOARD BASED ON CELLULOSE FIBERS
This article presents the results of cement-fiber (fiber cement) board based on cellulose fibers. The opportunity to increase their efficiency through the modification of binder active mineral and chemical additives.
Keywords: fiber cement boards, cellulose fibers
В настоящее время большое внимание уделяется выразительному оформлению фасадов и внутренних интерьеров зданий. Для этого применяется широкий спектр современных отделочных материалов. Среди широкого ассортимента особое внимание заслуживают декоративные отделочные материалы для наружной и внутренней отделки, обладающие высокой механической прочностью и долговечностью, отличающиеся экологичностью и низкой себестоимостью. Одним из таких материалов является фиброцемент.
Фиброцементные плиты (ФЦП) заслуженно востребованы архитекторами, проектировщиками и строителями. Ими отделаны корпуса жилых, офисных зданий, учебных заведений, банков, станций метро и вокзалов, тоннели, мосты, эстакады [1]. Также применяются и для внутренней отделки: изготовление перегородок, подвесных потолков, подоконных плит и т.д. Они представляет собой искусственный композиционный каменный строительный материал, получаемый в результате затвердевания смеси, состоящей из цемента, волокон (»5 - 20% от массы цемента) и воды. Наиболее распространенным видом волокон для их производства являются асбестовые. Однако асбестовые волокна относятся к канцерогенным материалам, поэтому во многих странах мира, особенно в тех, в которых отсутствуют природные запасы асбеста, ведутся исследования, направленные на частичную или полную замену асбеста другими видами волокон органического или неорганического происхождения.
Проблема замены асбеста (полностью или частично) в производстве асбестоцементных изделий другими видами волокон давно привлекала внимание специалистов. Исследования в этой области ведутся во многих странах, в том числе и у нас. На основе проведенной ВНИИ-проектасбестцементом работы по созданию цементноволокнистых изделий с частичной (до 50%) заменой асбеста целлюлозными волокнами на Воскресенском комбинате «Красный строитель» изготовлены
асбестоцеллюлозноцементные листы, предназначенные для внутренней отделки зданий [2].
Волокна, используемые в качестве арматуры, должны обладать следующими свойствами: высокой температурой плавления, малым удельным весом, высокой
прочностью во всем интервале рабочих температур, минимальной растворимостью в матрице, высокой химической стойкостью, отсутствием фазовых превращений в зоне рабочих температур, отсутствием токсичности при изготовлении и службе [3]. Технические характеристики некоторых видов волокон представлены в табл. 1.
Наиболее предпочтительным видом волокон, позволяющим достичь высокий технический и экономический результат с возможностью внедрения на типовой линии по производству асбестоцементных изделий на наш взгляд являются целлюлозные. Целлюлозное волокно обладает следующими положительными свойствами: легкой распушаемостью, достаточной механической прочностью и гибкостью, не является канцерогенным. Высокая адсорбционная способность позволяет ему осаждать и прочно удерживать на своей поверхности зерна цемента. Армирующая способность определяет высокую механическую прочность на изгиб и растяжение затвердевшего материала. К прочим плюсам материала относится высокая щелочестойкость.
Настоящая работа посвящена повышению эффективности цементно-волокнистых плит автоклавного твердения на основе волокон целлюлозы, введением активных минеральных и химических добавок, а также изучению влияния модифицирующих добавок на кинетику тепловыделения и контракцию цементного теста. Классификация добавок их характеристики, виды, рекомендуемые дозировки, методы определения эффективности и подбора составов наиболее широко рассмотрены в [4].
Таблица 1
Технические характеристики волокон для изготовления ФЦП
Вид волокна Плотность, г/см3 Прочность на растяжение, МПа Модуль упругости, МПа Удлинение при разрыве, %
Полипропиленовое 0,9 400-770 3500-8000 10-25
Полиэтиленовое 0,95 700 1400-4200 10
Нейлоновое 1,1 770-840 4200 16-20
Акриловое 1,1 210-420 2100 25-45
Полиэфирное 1,4 730-780 8400 11-13
Асбестовое 2,6 910-3100 68000 0,6
Целлюлозное 1,2 300-500 10000 0,5-4
Стеклянное 2,6 1050-3850 70000-80000 1,5-3,5
Стальные фибры 7,8 800-3150 200000 3-4
Углеродное 2,0 2000 245000 1
Карбоновое 1,63 7800 380000 2,1
Полиамидное 0,9 720 1900 24
Вискозное 1,2 660 5600 14
Базальтовое 2,6 1600-3600 80000-110000 1,4-3,6
Волластонит 2,9 200-400 10000 0,2-0,5
Кевларовое 1,45 3600 150000 2,1-4
Полиакрилонитрил 1,2 900 20000 10
Таблица 2
Химический состав портландцемента
Цемент Процентное содержание Содержание основных Содержание
главных окислов минералов добавок, %
SiO2 AІ2Oз Fe2Oз CaO CзS C2S CзA C4AF Опока О СО
Вольский завод 22,5 5 4,75 4,7 65,04 57 21 4,6 14 8 2,2
Ульяновский завод 22,1 5 9 64 54 20 11 12 9,2 2,8
Таблица 3
Содержание фракций кварцевого песка
Удельная поверхность, м2/кг Содержание фракций Значение характеристики, %
<5мкм 9,5
5-10мкм 4,8
Л о о 10-20мкм 9,1
1 92 20-100мкм 64,4
100-200мкм 11,1
200-300мкм 1,1
Для установления общих закономерностей влияния активных минеральных и химических добавок на свойства цементных композиций в работе использовали: портландцемент ПЦ400Д20 Вольского завода и портландцемент ПЦ400Д20 Ульяновского завода, химический и минералогический состав которых приведен в табл. 2; песок кварцевый молотый Камского месторождения удельная поверхность и содержание фракций песка приведено в табл. 3; каолин (ГОСТ 19608-84); трепел Джабужского месторождения Калужской области (аморфный БЮ2 = 52,22%), полиакриаламид (ПАА) анионный ВеБЙос 4045, целлюлозные волокна (СТО 00279189-2-2007); водопроводная питьевая вода, удовлетворяющая требованиям ГОСТ 23732.
Технология производства фиброцементных плит аналогична технологии по производству асбестоцементных изделий и состоит из следующих технологических операций: распушка волокнистого материала, смешение ее с минеральными
заполнителями, цементом и водой, формование изделий, прессование, твердение и механическая обработка.
Приготовление фиброцементной смеси осуществлялось в следующей последовательности. Дезинтеграция волокон целлюлозы согласно методике ГОСТ 14363.4-89. После завершения роспуска производилось отфильтрование волокна через сито и смешение его с цементом и песком до образования фиброцементной массы (ФЦМ) с концентрацией в воде 20-25%. ФЦМ укладывалась в формы и прессовалась по режиму: 10 мин - подъем давления до 600 Н/см2, со скоростью - 10 кгс/с, 10 мин - выдержка под давлением.
Полученные изделия подвергались ТВО в пропарочной камере (по режиму: 2 ч -подъем температуры до 65°С, изотермическая выдержка в течении 4 ч, 2 ч - охлаждение) и автоклавной обработке (по режиму 3 ч - подъем до температуры 175 - 180°С, 6ч -изотермическая выдержка под давлением 0,9-1 МПа, 3 ч - охлаждение).
Для оценки влияния добавок на процесс гидратации проведены экспериментальные исследования кинетики тепловыделения при гидратации цемента и контракции цементного теста с добавками. Исследования тепловыделения при гидратации цемента проводились термосным методом с использованием измерительного комплекса «Термохрон Ревизор ТСЯ-#». Добавки вводилась с концентрацией в воде затворения равной 0.05, 0.10, 0.15 %. (рис. 1, а, б). Выявлено, что введение ПАА в цементное тесто, в зависимости от концентрации оказывает различное влияние на ход и кинетику гидратации
портландцемента. Достижение температурного максимума на кривых гидратации портландцемента (рис. 1) с содержанием ПАА до 0,1% свидетельствует об
интенсификации гидратации в начальный период твердения. Увеличение количества ПАА в составе более 0,1% приводит к замедлению процесса гидратации цемента и снижению температурного максимума. Также и удельное тепловыделение портландцемента во все сроки гидратации растет с увеличением содержания ПАА до 0,1% и снижается при дальнейшем увеличении его дозировки.
Контракцию цементного теста с добавками определяли на контракциометрическом тестере активности цемента «Цемент-прогноз». Результаты испытаний приведены на рис.
2.
Как видно из рис. 2 процесс контракции цемента с содержанием добавок 0,05 -
0,10% не значительно отличается от контрольного. При содержании добавки 0,15% процесс
контракции цемента замедляется, вследствие чего удлиняется индукционный период гидратации цемента.
Как следует из рис. 1, 2 вводимые добавки способствуют увеличению процесса гидратации и рекомендуемым является содержание в количестве 0,05 - 0,10%.
По вышеописанной технологии изготовлены образцы ФЦП при Ц/П = 1/2, содержании волокон целлюлозы - 7,5 %. Испытания образцов проводились согласно методике ГОСТ 8747-88. По результатам экспериментальных данных получена математическая зависимость предела прочности при изгибе ФЦП от содержания каолина в составе матрицы, которая выражается полиномом третей степени следующего вида:
Яизг= - 9Е-05х3 - 0,001х2 + 0,273х + 10,36, (1)
Рис. 1. Тепловыделение при гидратации на: а - Вольском портландцементе; б - Ульяновском портландцементе с добавками ПАА ВеэАос 4045: 1 - без добавки; 2 - 0,05%; 3 - 0,10%; 4 - 0,15%
согласно которой максимальные показатели достигаются при содержании каолина 22-31 % от массы ПЦ. Введение в состав 9, 18, 27 % каолина повышает предел прочности при изгибе ФЦП на 27, 36 и 42 % соответственно. Увеличение содержания добавки каолина более 31 % приводит к снижению прочности. Также получена математическая
зависимость предела прочности при изгибе ФЦП от содержания добавки трепела, которая выражается полиномом третей степени следующего вида:
Яизг= 0,3 75х3 - 4,524х2 + 16,12х + 6,944, (2)
согласно которой максимальные показатели достигаются при содержании трепела 2,5-5 % от массы ПЦ. Введение в состав 2,5-5 % трепела повышает предел прочности при изгибе ФЦП на 28-30 %. Дальнейшее увеличение содержания приводит к снижению прочности.
_ О 0:30 1:00 1:30 2:00 2:30 3:00 3:30 4:00 4:30 5:00 5:30 6:00 6:30 7:00 7:30 8:00
Время, ч:м
Время, ч:м
Рис. 2. Контракция цементного теста на: а - Вольском портландцементе; б - Ульяновском портландцементе с добавками ПАА ВеэАос 4045: 1 - без добавки; 2 - 0,05%; 3 - 0.10% ; 4 - 0,15%
В ходе экспериментальных исследований отмечено, что введение в состав более 0,10% ПАА затрудняет фильтрационную способность фиброцементной массы при прессовании из за высокой водоудерживающей способности композиции.
Полученные фиброцементный материал оптимального состава имеет показатели: предел прочности при изгибе 25 МПа, средняя плотность 1,6 г/см3, обладают следующими достоинствами: атмосферо- и морозостойкие (Б100-Р150), не воспламеняются и не распространяют огня, ударопрочные (2 кДж/м2), долговечные, экологичные. Могут успешно использоваться в качестве отделочного материала, в том числе в качестве облицовочных панелей при устройстве навесного вентилируемого фасада.
Таким образом, можно сделать следующие выводы: 1) введение в цементноволокнистую смесь добавки ПАА в оптимальном количестве позволяет улучшить фильтрационные способности фиброцементной суспензии и обеспечивает повышение предела прочности при изгибе на 12-20 %; 2) введение активной минеральной добавки -каолина, в количестве 18-27 % увеличивают предел прочности при изгибе ФЦП на 27 -45 %; 3) введение активной минеральной добавки - трепела, в количестве 2,5-5 % способствует увеличению предела прочности при изгибе на 28-30 %; 4) совместное введение добавок ПАА и каолина, ПАА и трепела позволяет получить материал для ФЦП с пределом прочности при изгибе до 25 МПа и средней плотностью 1,6 г/см3.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лунин Е.М. Фиброцементные крупноразмерные декоративно-отделочные плиты «МИНЕЛИТ» для облицовки фасадов зданий / Е.М. Лунин, И.М. Баранов // Строительные материалы. 2004. №7. С. 16-17.
2. Цементно-волокнистые изделия с частичной заменой асбеста целлюлозным волокном / Л.С. Григорьева, М.Б. Рабей, О.В. Сулейман др. // Строительные материалы. 1992. № 10. С. 25-26.
3. Францевич И.Н. Композиционные материалы волокнистого строения / И.Н. Францевич, Д.М. Карпинос. Киев : Наукова думка, 1970. 403 с.
4. Изотов В.С. Химические добавки для модификации бетона / В.С. Изотов, Ю.А. Соколова. М.: Палеотип, 2006. 243 с.
Мухаметрахимов Рустем Ханифович -
аспирант, ассистент кафедры «Технология, организация и механизация строительства» Казанского государственного архитектурно-строительного университета
Изотов Владимир Сергеевич -доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технология, организация и механизация строительства» Казанского государственного архитектурно-строительного университета
Статья поступила в редакцию 01.11.10, принята к опубликованию 15.11.10
