CC BY
74
УДК 691.147
ВАСИЛОВСКАЯНИНА ГРИГОРЬЕВНА, канд. техн. наук, доцент, vashg@mail. ru
ЕНДЖИЕВСКАЯ ИРИНА ГЕННАДЬЕВНА, канд. техн. наук, доцент sibwod@mail. ru
КАЛУГИН ИЛЬЯ ГЕОРГИЕВИЧ, ст. преподаватель, kig83@mail. ru
Сибирский федеральный университет,
660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 82
ЦЕМЕНТНЫЕ КОМПОЗИЦИИ, ДИСПЕРСНО-АРМИРОВАННЫЕ БАЗАЛЬТОВОЙ ФИБРОЙ
В статье приводятся результаты исследования структурообразования цементных систем при введении в них в качестве дисперсной арматуры базальтовых волокон.
Ключевые слова: базальтовая фибра, дисперсное армирование, фиброцементные композиции.
VASILOVSKAYA, NINA GRIGORJEVNA, Cand. of tech. sc., assoc. prof., vashg@mail. ru
ENDZHIEVSKAYA, IRINA GENNADJEVNA, Cand. of tech. sc., assoc. prof., sibwod@mail. ru
KALUGIN, ILJY GEORGIYEVICH, the senior teacher, kig83@mail. ru
The Siberian Federal University, Civil Engineering Institute,
82 Svobodniy Avenue, Krasnoyarsk, 660041, Russia
CEMENT COMPOSITIONS DISPERSE-REINFORCED BY THE BASALT FIBER
The article presents the researches of structure formation of cement systems at introduction in them the basalt fibers as dispersed reinforcement.
Keywords: basalt fiber, disperse reinforcing, fiber cement compositions.
Одним из перспективных конструкционных строительных материалов являются дисперсно-армированные бетоны. Такие бетоны представляют собой одну из разновидностей обширного класса композиционных материалов, которые в настоящее время все более широко применяются в различных отраслях промышленности. Дисперсное армирование осуществляется волокнами-фибрами, равномерно распределенными в объеме бетонной матрицы. Для этого используются различные виды металлических и неметаллических волокон минерального и органического происхождения [4].
В данной работе исследовалось влияние различных видов волокон, (минеральные и органические) на прочностные показатели фиброцементных композиций. Результаты испытаний прочности при изгибе и сжатии в возрасте 7, 28 и 60 суток представлены в табл. 1 и 2.
© Н.Г. Василовская, И.Г. Енджиевская, И.Г. Калугин, 2011
Таблица 1
Прочность при изгибе цементных композиций
Цемент Цемент с базальтовым волокном (0,2 %)
7 суток 28 суток 60 суток 7 суток 28 суток 60 суток
6,5 11,7 11,9 10,2 30,7 37,6
Таблица 2
Прочность при сжатии цементных композиций
Цемент Цемент с базальтовым волокном (0,2 %)
7 суток 28 суток 60 суток 7 суток 28 суток 60 суток
42,1 60,0 62,1 56,9 88,6 97,5
Анализ полученных результатов испытаний показал, что прочность цементных образцов, дисперсно-армированных базальтовой фиброй, имеют прирост прочности в сравнении с контрольными образцами как в возрасте 7, так и 60 суток.
Механические свойства композиций, армированных волокнами, зависят от количества волокон и их размеров. Для определения влияния содержания и длины волокон на прочностные свойства базальтоцемента использовались базальтовые волокна различной длины (6, 12, 18 мм). С увеличением длины волокна более 12 мм происходит образование так называемых ежей, что негативно сказывается на прочностных свойствах бетонов, поэтому в исследованиях ограничились длиной волокна до 12 мм.
Исследования количественного состава базальтовых волокон также проводилось на цементных композициях. Волокна в раствор вводились в количестве от 0,1 до 0,25 % от массы цемента. Оценку влияния количества волокна на цементные композиции осуществляли испытанием образцов балочек на прочность при изгибе и сжатии. Результаты испытаний представлены в табл. 3.
Таблица 3
Прочность цементных композиций
№ опыта Количество волокна, % от массы цемента Длина волокна, мм Прочность цементных композиций в возрасте 28 суток, МПа
при изгибе при сжатии
1(кошрольный) - - 11,7 60,0
2 0,10 6 15,4 62,5
3 0,10 12 17,5 64,9
4 0,10 18 18,3 63,3
5 0,15 6 23,1 75,3
6 0,15 12 24,6 77,8
7 0,15 18 25,3 77,2
Окончание табл. 3
№ опыта Количество волокна, % от массы цемента Длина волокна, мм Прочность цементных композиций в возрасте 28 суток, МПа
при изгибе при сжатии
8 0,20 6 28,5 85,4
9 0,20 12 30,7 88,6
10 0,20 18 31,4 81,7
11 0,25 6 32,5 80,3
12 0,25 12 34,1 76,8
13 0,25 18 33,3 73,9
Анализируя полученные результаты исследований цементных композиций, армированных базальтовыми волокнами длиной от 6 до 18 мм, в количестве 0,10-0,25 % от массы цемента, можно сделать вывод, что наилучшие показатели к 28 суткам твердения имел базальтоцемент с добавкой волокна 0,2 %. Прочность на изгиб и сжатие такой композиции возросла по сравнению с неармированным цементным камнем на 100-160 % при изгибе и на 35-50 % при сжатии. Дальнейшее повышение содержания волокна в композиционном материале также приводит к образованию «ежей», приводящих к созданию неравномерной структуры композиции, в результате чего уменьшается прочность как при изгибе, так и при сжатии.
При одинаковой степени гидратации и пористости прочность цементного камня зависит от характера кристаллизации гидратов. Гидросиликатный гель в цементном камне упрочняется, если в его массе содержатся длинноволокнистые кристаллы, проявляющие армирующую способность.
Увеличение прочности бетона в ранние сроки твердения при введении дисперсной арматуры обусловлено структурированием смеси фибровыми включениями, повышением внутреннего трения и ограниченным перемещением составляющих матрицы в присутствии волокон. Таким образом, данный процесс носит чисто механический характер. Однако и в дальнейшем нарастание прочности фибробетонов происходит опережающими темпами, что очевидно, является результатом более глубоких гидратационных процессов при твердении цементного камня в присутствии волокон [1].
Преимущества рационального применения базальтобетонных композиций состоят в следующем:
- ни одна из модификаций искусственных волокон не обладает такой исходной сырьевой базой, как волокна из базальта;
- производство и применение базальтовых волокон, в отличие, например, от природных волокон на основе асбеста, являются экологически безопасными;
- базальтовые волокна обладают высокой прочностью, сопоставимой с высокой прочностью стеклянных волокон, а модуль упругости базальтовых волокон выше на 15-20 %, чем у волокон из стекла.
- базальтовые волокна, в отличие от стеклянных, получают по одностадийной технологии, при этом отпадает необходимость в выполнении достаточно трудоемких технологических операций по изготовлению многокомпонентной шихты, превращению ее в расплав и формированию стеклянных шариков, что, в свою очередь, позволяет снизить не только трудоемкость и энергоемкость технологического процесса, но и себестоимость волокна.
При этом минеральные волокна (базальтовые) являются высокомодульными по отношению к матрице, чем объясняется их значительное воздействие на ее прочность [2].
Прирост прочности цементных композиций с базальтовой фиброй не может объясняться лишь параметрами армирующего волокна.
Для оценки влияния базальтового волокна на структуру цементной матрицы были проведены следующие исследования. Выполнен анализ химического состава волокна (табл. 4) и рентгенофазовый анализ (рис. 1) и сделаны следующие предположения:
- базальтовая фибра, состоящая из аморфной фазы, что подтверждено рентгенограммой исходной фибры, должна активно хемосорбционно взаимодействовать с цементной системой с образованием низкоосновных гидросиликатов кальция типа С8И(Б), упрочняющих структуру цементного камня.
Таблица 4
Химический состав базальтового волокна
Содержание оксидов, %
8І02 АІ2О3 СаО РЄ20з МяО №20 К2О ТІО2 Суммарное содержание остальных оксидов
48,15 16,72 12,66 9,61 4,36 3,84 1,81 1,60 1,25
Рис. 1. Дифрактограмма базальтовой фибры
Согласно данным [3], активная, аморфная кремнекислота, введенная в состав цемента, способствует развитию игольчатых кристаллов на поверхности цементных зерен, а также крупных, но чрезвычайно тонких, гексагональных пластин в межзерновом пространстве. Пластинчатые кристаллы такой формы и размеров наблюдаются только в системе аморфного кремнезема; по составу они являются гидросиликатами кальция низкой основности (порядка 0,2-0,4), образовавшимися в зонах раствора, пересыщенных ионами 8і4+. Количество таких кристаллов и гелеобразной массы возрастает с увеличением содержания оксида кремния, а количество кристаллов гидроокиси кальция и карбоната кальция уменьшается.
Это подтверждается данными РФА продуктов гидратации цементного камня, дисперсно-армированного базальтовой фиброй и контрольного образца цементного камня в возрасте 28 суток (рис. 2 и 3).
I I I I I I I
Ю 20 30 40 50 60 70 20
Рис. 2. Дифрактограмма цементного камня
Сравнительный анализ дифрактограмм продуктов гидратации показал ряд дифракционных отражений, соответствующих следующим эффектам: снижению содержания Са (ОН)2 по сравнению с соответствующим пиком на ди-фрактограмме контрольного образца цементного камня (й = 0,489 нм) и повышение й = 0,218 нм, который можно отнести к присутствию гидросиликатов кальция общей формулы С8И(Б). В отражениях й = 0,262 нм и й = 0,148 нм наблюдается увеличение не только высоты, но и площади пика на дифракто-грамме продуктов гидратации системы «цементный камень + базальтовая фибра», которое, вероятно, связано с наложением отражений Са(ОН)2 и гидросили-
катов кальция, что происходит при одновременном уменьшении аморфной фазы. Дополнительно появились значительные дифракционные отражения й = 0,228 нм и й = 0,176 нм, соответствующие кварцу.
СО
о
Рис. 3. Дифрактограмма цементного камня, армированного базальтовой фиброй
Таким образом, можно сделать вывод, что хемосорбционное взаимодействие цементной системы с аморфной фазой базальтовой фибры образует на поверхности последней низкоосновные гидросиликаты кальция CSH (В), тем самым увеличивая прочностные показатели цементного камня.
Библиографический список
1. Пухаренко, Ю.В. Принципы формирования структуры и прогнозирование прочности фибробетонов / Ю.В. Пухаренко // Строительные материалы. - 2004. - № 10. - С. 47-51.
2. Рабинович, Ф.Н. Базальтовые волокна для армирования строительных конструкций/ Ф.Н. Рабинович // Конверсия в машиностроении. - 1999. - № 5. - С. 9-12.
3. Тимашев, В.В. Синтез и гидратация вяжущих материалов / В.В. Тимашев. - Н., 1986. -434 с.
