Доклад на международной научно-практической конференции «Базальтовые технологии в России – 2011. Состояние, достижения, перспективы развития производства и науки», 20 мая 2010 г., Пермский государственный университет.
, ассистент кафедры «Строительные материалы и специальные технологии» Пермского государственного технического университета.
, директор Лаборатории базальтовых стекол, г. Пермь.
ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БАЗАЛЬТОВЫХ ВОЛОКОН В ЦЕМЕНТНЫХ БЕТОНАХ
Современное строительство неразрывно связано с задачами, имеющими отношение к повышению эффективности строительного производства, снижению стоимости и трудоемкости технологических процессов, экономному использованию материальных и энергетических ресурсов, применению новых прогрессивных материалов.
Дисперсно-армированные бетоны в настоящее время являются одним из перспективных конструкционных материалов. Такие бетоны представляют собой одну из разновидностей обширного класса композиционных материалов, широко применяемых в различных отраслях промышленности. Дисперсное армирование осуществляется волокнами-фибрами, равномерно распределенными в объеме бетонной матрицы.
С одной стороны, дисперсное армирование позволяет существенно повысить прочность на растяжение, трещиностойкость и ударную вязкость бетонных материалов, а с другой – растет заинтересованность строительных организаций в получении эффективных армированных бетонных конструкций, к которым современное строительство предъявляет все более высокие требования.
Номенклатура искусственных волокон, используемых для армирования материалов, весьма обширна: от чрезвычайно дефицитных, например, из карбида или нитрида кремния, бора, углерода, сапфира, вольфрама, до сравнительно доступных для применения в массовом строительстве – стальных, стеклянных, базальтовых, полимерных. В качестве армирующих элементов для бетонов могут использоваться и природные волокна: древесные (целлюлозные), бамбуковые, тростниковые, джутовые и др.
Однако не все волокна отвечают требованиям, которые предъявляются к арматуре бетонов. Известно, что изделия, армированные полипропиленовыми волокнами, характеризуются значительными деформациями даже при небольших нагрузках растяжения. Кроме того, такие изделия с течением времени теряют свои прочностные свойства, имеют высокую истираемость поверхности и горючесть при воздействии на волокно открытого пламени. Углеродные волокна, характеризующиеся отличными прочностными показателями, имеют высокую стоимость, поэтому использование их в качестве арматуры требует специального обоснования. Изучение возможности замены стекло- и базальтоволокном других волокон в бетоне показало, что получаемый прочный и относительно легкий композит с высокой вязкостью разрушения представляется весьма перспективным. [1]
Перспективы использования кремнеземсодержащих волокон в качестве армирующих компонентов бетонных матриц существенно зависят от устойчивости волокон к воздействию щелочной среды гидратирующихся цементов.
Цель данного исследования заключается в определении стойкости базальтовых и стеклянных волокон к воздействию щелочной среды, имитирующей среду твердеющего цемента. Исследование предусматривало проведение комплексных испытаний в двух направлениях:
1. Выявление дефектов поверхности волокна при воздействии на него агрессивной щелочной среды;
2. Определение изменения диаметров волокон после их кипячения в течение заданного срока в растворе, имитирующем среду гидратирующихся цементов.
Проведены исследования базальтовых волокон двух месторождений (Московская область, Пермский край) и для сравнения – стандартных стеклянных волокон алюмоборсиликатного состава, подвергнутых воздействию среды, имитирующей щелочную фазу портландцементов.
Испытания выполняли методом экспресс-анализа при кипячении волокон в насыщенном растворе гидроксида кальция. Раствор в исходном состоянии содержал 1,19 г/л гидроксида кальция. Для выявления динамики изменения диаметров волокон в течение времени кипячение проводилось на протяжении 1, 3 и 5-ти часов. После кипячения часть проб тщательно промывали дистиллированной водой и сушили между листами фильтровальной бумаги, а другую часть – сразу высушивали, без промывания дистиллированной водой. Далее пробы были исследованы на электронном микроскопе. Снимки базальтового волокна Пермского месторождения, полученные на электронном микроскопе, представлены на рисунках 1, 2, 3. В целом, процесс разрушения базальтовых волокон месторождений Пермского края и Московской области, также как и стеклянного волокна, имеет схожий характер.
Рисунок 1 – Фотография волокна до кипячения
Рисунок 2 – Фотография волокна после кипячения без промывания дистиллированной водой
Рисунок 3 – Фотография волокна после кипячения, промытого дистиллированной водой
При анализе снимков волокна установлено, что при воздействии на волокно агрессивной щелочной среды, имитирующей среду твердеющего портландцемента, на поверхности волокна появляются новообразования (рисунок 2), очевидно, в результате взаимодействия оксида кремния волокна и гидроксида кальция раствора. После промывания в дистиллированной воде на снимках отчетливо видны дефекты (результат выщелачивания) на поверхности волокна (рисунок 3).
Динамика изменения диаметров волокон в течение кипячения в растворе СаО, имитирующем среду твердеющего цемента, представлена на рисунке 4.
Рисунок 4 – Зависимость диаметров волокон от времени кипячения в насыщенном растворе СаО
Из представленного графика видно, что диаметр всех видов волокон уменьшается с течением времени, что свидетельствует о разрушении волокна щелочной средой. Наибольшее утонение наблюдается у волокон из алюмоборсиликатного стекла (уменьшение диаметра более чем на 51%).
Таким образом, в результате проведенного исследования можно сделать вывод, что при твердении цементного камня образуется агрессивная среда, в контактной зоне «волокно — цементная матрица» появляются новообразования в результате взаимодействия гидроксида кальция портландцемента с оксидом кремния волокна, наблюдается растворение поверхностного слоя и значительное утонение волокон. Решением данной проблемы может служить разработка аппрета для базальтового волокна, обеспечивающего его сохранность в среде твердеющего цемента, а также повышающего сцепление между волокном и цементным камнем.
Список используемой литературы:
1. Рабинович на основе дисперсно-армированных бетонов. Вопросы теории и проектирования, технология, конструкции: монография / . М.: Издательство АСВ, 2004. 560 с.
