Цементные композиции повышенной коррозионной стойкости, армированные базальтовыми волокнами

В статье рассматриваются вопросы перспективности использования вкачестве дисперсной арматуры базальтового волокна для цементно-песчаной матрицы.Приведены некоторые результаты экспериментальных исследований.

За рубежом и в России уделяетсябольшое внимание развитию технологии фибробетона, в основном стеклофибробетона,изучению и улучшению его физико-технических и деформативных характеристик [3–5].

Однако недостаточная изученностьстойкости волокон в цементной матрице бетона ограничивает области и объемприменения фибробетона в строительстве, несмотря на то, что использованиенеметаллических волокон исключает ряд проблем, связанных с коррозией стальныхфибр. Из неметаллических волокон наиболее доступными по экономическим показателямявляются стеклянные и базальтовые волокна. Одним из способов повышениястойкости стеклянной фибры является применение щелочестойкого волокна с высокимсодержанием оксида циркония. Однако высокая стоимость и сложность технологииполучения сдерживает его применение.

Альтернативой шелочестойкомуволокну в строительной индустрии является использование базальтовых горныхпород в производстве различных материалов и изделий, в том числе базальтовыхволокон для дисперсного армирования бетона. Базальтовое волокно отличается нетолько своими высокими физико-механическими свойствами, но и повышеннойхимической стойкостью, температуро-, свето- и атмосферостойкостью и, чтонемаловажно, простотой технологии производства, невысокой стоимостью иэкологической безопасностью.

Испытаниями [1, 2] установлено,что все минеральные волокна, независимо от химического состава, вступают вхимическое взаимодействие с растворами, имитирующими среду твердеющего бетонана портландцементе. По показателям — количеству поглощенного CaO, количеству растворившегося SiO,.количеству связанных щелочей и изменению прочности — минеральные волокна можновыстроить в ряд от наименее к наиболее стойкому: бесщелочное, щелочное,кварцевое, базальтовое, циркониевое.

Исследования базальтовоговолокна (БВ) выполнялись зарубежными и отечественными организациями,лабораториями, такими как Лаборатория базальтовых волокон Институтаматериаловедения АН Украины, НИИЖБ, ЦНИИпромзданий, ЛатНИИстроительства,АрмНИИСВ, Basaltex MasureelGroup, Department of Textiles (Ghent University Belgium) и др. Однако имеющиесяданные исследований о коррозионной стойкости базальтового волокна в цементныхматрицах носят частный и противоречивый характер, что, в свою очередь, создаетзатруднение для широкого использования в строительстве цементно-базальтовыхкомпозитов.

На основе накопленного опыта исследованийв области фибробетона проводится работа по созданию цементных композиций,армированных базальтовым волокном, обладающих высокими физико-механическимихарактеристиками и повышенной коррозионной стойкостью, в том числе приэксплуатации в агрессивных средах. Основными направлениями являются отработкатехнологии введения базальтового волокна в цементную матрицу; снижениепористости; стабилизация физико-механических свойств; отработка составов смесидля получения базальтофибробетонов, повышенной прочности, малой проницаемости сулучшенными деформативными характеристиками.

Равномерное распределение волоконпо объему матрицы — одно из проблемных мест в технологии приготовления базальтофибробетона.Высокие эксплуатационные характеристики, а также долговечность фиброкомпозитовнапрямую зависят от решения данного вопроса.

При сотрудничестве с ОАО«Мосспецпромпроект» разработан турбулентный смеситель пропеллерного типа дляприготовления базальтофибробетонных смесей, армированных отрезками базальтовойнити диаметром 9–13 мкм длиной от 10 до 50 мм. В настоящее время в лаборатории коррозиии долговечности бетонных и железобетонных конструкций НИИЖБ отработанатехнология введения в смесь тонкого базальтового волокна, с равномернымраспределением элементарных волокон по объему бетонной матрицы. Параллельнопроведен подбор и оптимизация составов базальтофибробетонов с различнымисроками твердения.

В процессеопытно-экспериментальной работы были решены следующие задачи:

— исследование влияния режимовперемешивания смесей и последовательность введения компонентов смеси, водызатворения, отрезков ровинга, модификаторов и ускорителей набора прочности;

— исследование влиянияпроцентного содержания и длин волокон на физико-механические характеристики;

— отработка оптимальных режимов перемешиваниясмесей.

Подобраны и оптимизированысоставы цементно-песчаных растворов с различными модификаторами, гдепостоянными факторами являлись содержание цемента и песка при постоянном В/Ц,диаметр базальтового волокна, а варьируемыми факторами являлись длина ипроцентное содержание базальтового волокна, последовательность загрузкисоставляющих смеси и режимы приготовления. Результаты испытаний составовбазальтофибробетона на физико-механические характеристики представлены в табл.1 и на рис. 1.

№ состава	Модификатор	БВ	В/Ц	Rсж, МПа	Rизг, МПа	Rсж, МПа	Rизг, МПа	Rсж, МПа	Rизг, МПа
				1 сут.		7 сут.		28 сут.
1	–	–	0,40	16,9	4,3	31,5	7,2	37,0	7,5
2	–	+	0,40	13,0	5,1	24,6	8,6	35,0	8,8
3	Ускоритель твердения (РСТН)	+	0,40	19,4	6,6	28,3	9,6	30,8	10,6
4	Эмбэлит 8-100	+	0,40	16,6	6,0	24,0	7,6	37,3	12,0
5	МБ10-01	+	0,40	28,4	7,1	36,8	9,4	37,5	12,3
6	МБ10-01	+	0,28	33,0	7,7	48,5	8,6	51,5	10,9
7	МБ10-01	+	0,37	23,5	9,1	37,2	10,1	43,3	14,6

Таблица 1. Физико-механические показателисоставов базальтофибробетона. Морозостойкость базальтофибробетонасоответствует марке F300,марка по водонепроницаемостиW>16

Рис. 1. Диаграммафизико-механических показателей составов базальтофибробетона

По результатам определенияфизико-механических характеристик и по равномерности распределения базальтовоговолокна были выбраны две схемы приготовления базальтофибробетона: табл.2.

№ этапа	Компоненты	Содержание	Время перемешивания
Схема 1
1	Цемент (М500) + Добавка	1 часть (Д в % от Ц)	1 мин
2	Вода	В:Ц=0,37	1 мин
3	Песок	2 части (Ц:П=1:2)	1 мин
4	БВ, длина 10, 15, 25 мм, диаметр 10–13 мкм	2 % от Ц+П	?20 с
Итого			3 мин 20 с
Схема 2
1	Цемент (М500) + Добавка	1 часть (Д в % от Ц)	1 мин
2	Вода	В:Ц=0,37	1 мин
3	БВ, длина 10, 15, 25 мм, диаметр 10–13 мкм	2 % от Ц+П	?10 с
4	Песок Мк=1,5	2 части (Ц:П=1:2)	20 с
Итого			2 мин 30 с

Таблица 2. Приготовление смеси в турбулентном смесителе

При выдержке образцов вагрессивных средах и ускоренном старении с различными температурными режимамиобразцов базальтофибробетона на контактной зоне «волокно — цементная матрица» появляютсяновообразования в результате взаимодействия гидроксида кальция портландцементас оксидом кремния базальтового волокна. По результатам коррозионныхисследований, полученных после воздействия агрессивных сред, можно сказать, чтоприменение модификатора МБ-01 также благоприятно влияет на сохраняемостьволокна в цементной матрице (рис. 2).

Рис. 2. Микрофотографии базальтового волокна в теле бетона послевыдержки в агрессивном растворе при температуре 550 °C в течение 30 сут.,увеличение ?1000: а) без модификатора, б) с модификатором МБ-01

Результаты подтверждаютвозможность получения высоких прочностей композита в ранние сроки твердения,что очень важно при использовании в ремонтных составах. Также немаловажнымфактором является повышенная трещиностойкость образцов при их разрушении.

Проведенный подбор оптимальныхсоставов базальтофибробетона показал, что наиболее эффективно применениемодификатора полифункционального действия МБ-01, содержащего суперпластификатори микрокремнезем, который позволяет снизить водоцементное отношение, повыситьфизико-механические показатели. Проводятся исследования по оценке развитиякоррозионных процессов базальтового волокна в цементной матрице и оценкедолговечности материала.

В основу оценки долговечностиположена методика А. А. Пащенко, в которой усовершенствован численный расчетскорости взаимодействия компонентов базальтовых волокон с компонентами матрицыво времени. Это позволяет достоверно прогнозировать долговечность композита срокомдо 100 лет.

Для наблюдения за изменениембазальтового волокна в цементной матрице, определения наличия продуктовновообразований при взаимодействии волокна с ней во времени применялисьпетрографический, рентгенографический, электроскопический методы идифференциально-термический анализ.

Приведенные данные, а такжерезультаты коррозионных исследований позволят определить рациональные областиприменения цементно-базальтовых композитов повышенной коррозионной стойкости,нормируемой долговечности с обоснованием экономической целесообразности.

Литература:

1. Пащенко А. А. Армированиенеорганических вяжущих веществ минеральными волокнами. Наука строительному производству.— М.: Стройиздат, 1988.

2. Разработка технологии,конструкторской документации, изготовление и испытания опытно-промышленныхпартий композитных (стеклопластиковых и других видов) соединителей слоев бетонаи трехслойных стеновых панелей : научно-технический отчет. — М.: НИИЖБ, 1999.

3. Стеклофибробетон встроительстве : материалы семинара. — М.: Центральный Российский Дом знаний,1992.

4. Shuaib Н., Ahmad George, С., Hoff Morris Schupack State-of-the-Art Reporton Fiber Reinforced Concrete. Reported by ACI Committee 544, MCP2004.

5. Velde K., Kiekens P., Van Langenhove L.Basalt fibers as reinforcement for composites // Van de Department of Textiles,Ghent University, Technologiepark 907, B-9052 Zwijnaardc, Belgium.