Исследование влияния дисперсного армирования модифицированным базальтовым микроволокном на прочностные свойства цементного раствора
Рассматривается влияние дисперсного армирования модифицированным базальтовым микроволокном (МБМ) на прочностные свойства цементных растворов. Изучено влияние МБМ на прочностные свойства и подвижность растворных смесей различных составов с равным водоцементным отношением и растворных смесей нормальной консистенции. В результате ввода в состав масс модифицированной микрофибры получен искусственный камень с улучшенными прочностными характеристиками (предел прочности при изгибе и сжатии), что свидетельствует о целесообразности введения таких микроволокон в растворные смеси. Однако при этом значительно снижается подвижность смесей, что требует введения пластификатора. Результаты испытаний указывают на целесообразность применения модифицированной базальтовой микрофибры в строительном производстве как компонента при разработке высокопрочных тонкодисперсных отделочных и гидроизоляционных составов.
Ключевые слова: дисперсное армирование, модифицированная микрофибра, самоармирование цементного камня, прочностные свойства, нанодобавка.
В настоящее время дисперсное армирование бетонов и растворов волокнами продолжает получать все более широкое распространение [1, 2]. Номенклатура искусственных волокон-фибр весьма обширна, однако наиболее распространены по сравнению с другими четыре вида армирующих волокнистых материалов: стальные, стеклянные, базальтовые волокна и волокна на основе полипропилена. "Упрочнение бетонов и растворов данными волокнами основывается на предположении, что материал бетонной матрицы передает волокнам приложенную нагрузку посредством касательных сил, действующих на поверхности раздела" [3], следовательно, на эффективность дисперсного армирования оказывает влияние отношение модулей упругости материалов фибр по отношению к материалу матрицы.
В последнее время в связи с развитием нанотехнологий оформилось новое направление в дисперсном армировании бетонов и растворов - динамическое дисперсное самоармирование цементного камня [4]. В отличие от традиционного метода дисперсного армирования волокнами данный метод основан на предположении, что введение в растворную смесь наномодифицированных дисперсно-упрочняющих заполнителей приводит к росту в составе цементного камня протяженных кристаллических структур длиной в сотни микрометров, что приводит к соответствующему упрочнению цементного камня на основе таких нанодобавок.
В качестве таких дисперсно-упрочняющих заполнителей могут служить базальтовая микрофибра, углеродные микроволокна, модифицированные фуллероидами, нанотрубками, астраленами и др. кластерами углерода. Данные кластеры являются разновидностями аллотропических модификаций углерода [5], которые при введении в растворную смесь играют роль зародышей структурообразования, наноармирующего элемента, центров зонирования новообразований в матрице [6].
Также в работах [7, 8] отмечается, что углеродные наноматериалы способны изменять микроструктуру минеральной цементной матрицы за счет увеличения содержания гидросиликатов кальция повышенной плотности и снижения пористости.
Таким образом, с одной стороны микрофибра сохраняет свои достоинства как удобный для дисперсного армирования материал, а с другой стороны, каждое отдельное волокно в процессе созревания бетона "разрастается" в направлении расположения этого конкретного волокна, усиливая эффекты дисперсного армирования [9].
Технология динамического дисперсного армирования бетонов и растворов является одним из возможных "нано" инструментов для создания высококачественных бетонов и растворов.
Целью работы явилось исследование прочностных свойств цементных растворов, армированных модифицированной микрофиброй. В качестве такой микрофибры применяли модифицированную базальтовую микрофибру (далее МБМ) производства ООО "НТЦ прикладных нанотехнологий", ее основные параметры представлены в таблице 1.
Для изготовления цементных образцов в качестве вяжущего применялся портландцемент ЦЕМ I 42,5Н производства ООО "Южно-уральская Горно-перерабатывающая Компания", соответствующий требованиям ГОСТ 31108-2003 "Цементы общестроительные. Технические условия". В качестве мелкого заполнителя использован природный песок Архиповского месторождения, расположенного в Оренбургской области, отвечающий требованиям ГОСТ 8736 "Песок для строительных работ. Технические условия". Для регулирования свойств растворной смеси использовался суперпластификатор Sika ViscoCrete 20 Gold по ТУ 2493-009-13613997-2011. Для затворения смеси применялась питьевая вода, отвечающая требованиям ГОСТ 23732-79 "Вода для бетонов и растворов. Технические условия".
Цементный раствор микрофибра тонкодисперсный
Таблица 1. Основные параметры МБМ
№ п/п |
Параметр |
Значение |
1 |
Средний диаметр волокна, мкм |
8-10 |
2 |
Средняя длина волокна, мкм |
100-500 |
3 |
Насыпная плотность, не более, т/м3 |
0,45 |
4 |
Влажность, не более, % |
2 |
5 |
Органическая часть по массе, не более, % |
2 |
6 |
Цвет |
Желто-коричневый |
7 |
Наномодификатор |
Астралены, водорастворимые аддукты углеродных нанокластеров |
Прочностные свойства цементного раствора (предел прочности при изгибе и сжатии) определялись в соответствии с ГОСТ 310.4 - 81 "Цементы. Методы определения прочности при изгибе и сжатии". Подвижность растворной смеси оценивалась по диаметру расплыва стандартного конуса диаметром 100 мм.
С целью изучения влияния МБМ на прочностные свойства цементного раствора проведены лабораторные испытания четырех составов раствора с равным водоцементным отношением: контрольный (без МБМ и добавок); с МБМ; с добавкой суперпластификатора; с добавкой суперпластификатора и МБМ. Составы растворных смесей представлены в таблице 2.
Предел прочности при изгибе вычислялся как среднее арифметическое значение двух наибольших результатов испытания трех образцов в возрасте 7 суток. Предел прочности при сжатии в соответствии с ГОСТ 310.4-81 вычислялся как среднее арифметическое значение четырех наибольших результатов испытания 6 образцов. Предел прочности в возрасте 28 суток получен путем пересчета предела прочности в возрасте 7 суток по логарифмической зависимости.
Результаты испытаний образцов приведены в таблице 3.
Таблица 2. Составы растворных смесей
№ состава |
В/Ц |
Цемент, части |
Песок, части |
МБМ, % от массы вяжущего |
Суперпластификатор, % от массы вяжущего |
1 |
0,5 |
1 |
3 |
0 |
0 |
2 |
0,5 |
1 |
3 |
1 |
0 |
3 |
0,5 |
1 |
3 |
0 |
1 |
4 |
0,5 |
1 |
3 |
1 |
1 |
Анализ результатов исследований, представленных в таблице 3, показывает, что растворные образцы, армированные модифицированной базальтовой микрофиброй (состав № 2), имеют повышенные прочностные свойства: прочность при изгибе повысилась на 8 %, а прочность при сжатии повысилась на 11 % по сравнению с контрольным составом без МБМ и добавок. Аналогично, сравнивая образцы с добавлением суперпластификтора (составы 3 и 4), можно сделать вывод о том, что прочность при сжатии армированных образцов повысилась на 7,4 %, однако прочность при изгибе понизилась на 3 %. Пониженная прочность 3 и 4 составов в сравнении с составами 1 и 2 объясняется избыточным количеством воды за счет повышения подвижности растворных смесей при вводе суперпластификатора.
Таблица 3. Результаты испытаний
№ состава |
Предел прочности в возрасте 7 суток, кгс/см2 |
Предел прочности при сжатии в возрасте 28 суток, кгс/см2 |
Диаметр расплыва конуса, мм | |
При изгибе |
При сжатии | |||
1 |
70 |
257,2 |
437,24 |
109 |
2 |
75,5 |
285 |
484,50 |
103 |
3 |
69 |
228,4 |
388,28 |
155 |
4 |
67 |
245,2 |
416,84 |
144 |
В исследованиях также была определена подвижность растворных смесей. Результаты испытаний показали, что при введении МБМ в массы значительно снижается их подвижность (таблица 3). Регулирование данного показателя может осуществляться вводом суперпластификатора.
Дальнейшие исследования проводились на цементно-песчаных растворах нормальной консистенции с добавками МБМ и суперпластификатора.
Составы смесей и результаты физико-механических испытаний образцов приведены в таблицах 4 и 5.
Таблица 4. Составы растворных смесей
№ состава |
В/Ц |
Цемент, части |
Песок, части |
МБМ, % от массы вяжущего |
Суперпластификатор, % от массы вяжущего |
5 |
0,43 |
1 |
3 |
0 |
1 |
6 |
0,45 |
1 |
3 |
1 |
1 |
Таблица 5. Результаты испытаний
№ состава |
Предел прочности в возрасте 7 суток, кгс/см2 |
Предел прочности при сжатии в возрасте 28 суток, кгс/см2 |
Расплыв конуса, мм | |
При изгибе |
При сжатии | |||
5 |
75,15 |
400,8 |
681,36 |
106 |
6 |
77,5 |
356,8 |
606,56 |
111 |
Как видно из результатов испытаний, представленных в таблице 5, снижение водопотребности цементно-песчаных растворов до значений, соответствующих нормальной консистенции, приводит к резкому повышению прочности растворов. Некоторое снижение прочности при сжатии образцов с добавкой МБМ в сравнении с бездобавочным вариантом объясняется большим В/Ц и подвижностью растворной смеси состава 6 по сравнению с составом 5 и, следовательно, большей пористостью цементного камня состава 6. Но прочность при изгибе повышается, что свидетельствует о проявлении армирующего воздействия микрофибры.
Следует отметить, что бетон и строительный раствор, представляющий собой песчаный бетон, характеризуются конгломератной структурой со значительным количеством пор и пустот, снижающих прочностные характеристики материала. Таким образом, их прочность в значительной степени зависит от характера макроструктуры бетона. Астралены, вводимые совместно с МБМ, влияют на тонкую структуру цементного камня, т. е. на микроструктуру. Поэтому наибольший эффект от их использования следует ожидать при вводе их в состав тонкодисперсных композиций, таких как финишные отделочные составы и т. п. Причем, как отмечают ученые [10], наибольший эффект от использования МБМ достигается за счет снижения расхода суперпластификаторов при вводе астраленов.
Таким образом, результаты предварительных исследований:
- 1. Подтверждают целесообразность введения модифицированной базальтовой микрофибры в цементные растворы с целью их дисперсного армирования; 2. Свидетельствуют о повышении прочностных характеристик цементно-песчаного камня; 3. Свидетельствуют об уменьшении подвижности растворной смеси и возникновении трудности перемешивания. 4. Указывают на целесообразность при внедрении МБМ в строительное производство основной акцент сместить на разработку высокопрочных тонкодисперсных отделочных и гидроизоляционных составов.
Литература
- 1. Страданченко С. Г., Плешко М. С., Армейсков В. Н. Разработка эффективных составов фибробетона для подземного строительства // Инженерный вестник Дона, 2013, №4/ 2. Моргун В. Н., Пушенко О. В. О структуре фибропенобетонов // Инженерный вестник Дона, 2012, №3/ 3. Рабинович Ф. Н. Дисперсно армированные бетоны. М: Стройиздат, 1989. 176 с. 4. Фаликман В. Р. Наноматериалы и нанотехнологии в современных бетонах // Промышленное и гражданское строительство. 2013. №1. С. 31-34. 5. Булярский С. В. Углеродные нанотрубки: технология, управление свойствами, применение. Ульяновск: ООО "Стрежень", 2011. 478 с. 6. Алаторцева У. В. Конструкционные сталефибробетоны, модифицированные комплексными углеродными микро - и наноразмерными добавками :дис. ... канд. техн. наук: 05.23.05. Волгоград, 2011. 151 с. 7. Shan S. P., Konsta-Gdoutos M. S., Metaxa Z. S., Mondal P. Nanoscale modification of cementious materials. Proceeding of the Third International symposium on nanotechnology in construction. Springer, 2009, pp. 125-130. 8. Konsta-Gdoutos M. S., Metaxa Z. S., Shan S. P. Nanoimaging of highly dispersed carbon nanotube reinforced cement based materials / Seventh International RJLEM Symposium on Fibre Reinforced Concrete: Design and Applications, Chennai, India, 2008, pp. 125-131. 9. Пономарев А. Н. Высококачественные бетоны. Анализ возможностей и практика использования методов нанотехнологии // Инженерно-строительный журнал. 2009. №6. С. 25-33. 10. Ваучский М. Н. Нанобетон: мифы и реальность // Стройпрофиль. 2007, №8 URL: stroyprofile. com/archive/2889.
Похожие статьи
-
Исследование влияния состава и температуры на свойства бетонной смеси. Из анализа литературных данных следует отметить, что большинство авторов считают,...
-
Влияние сухого жаркого климата на технологию бетона Районы с сухим жарким климатом характеризуются большими перепадами температуры, относительной...
-
Отличается от быстротвердеющего значительно более высокой ранней прочностью. Так, например, через 6 часов после затворения водой фиксируется прочность в...
-
Арматурный элемент для дисперсного армирования бетона - Укрепление строений
Патент на изобретение №:2490406 Автор: Трофимов Валерий Иванович (RU), Соколов Эдуард Владимирович (RU), Лопаков Роман Игоревич (RU), Данилова Ольга...
-
Жаркая сухая погода вносит серьезные осложнения в технологию бетонных работ, вызывая увеличение водоподребности бетонной смеси при повышении ее...
-
Характеристика применяемых материалов При выполнении исследования для сопоставления результатов при определении свойств бетонных смесей и бетонов в...
-
Важнейшей проблемой строительства является дальнейшее совершенствование технологии бетона и железобетона, главным образом, позиции экономии цемента,...
-
Рассмотрена возможность повышения адгезионных свойств гипсовых вяжущих систем при применении калийсиликатного цемента в сочетании с органическими...
-
Факторы, влияющие на свойства бетонной смеси и бетона - Изготовление железобетонных колонн
Существует множество факторов, влияющих на прочность и другие свойства бетона (к примеру, состав цемента и его марочная прочность, очень часто...
-
Основные сведения о принятых методах испытания бетонной смеси и бетона. Для производства работ и обеспечения высокого качества бетона необходимо, чтобы...
-
Применение гипса как обязательной составляющей портландцемента и цементов на его основе объясняется наличием в них минерала трехкальциевого алюмината...
-
Для экспериментального определения зависимостей свойств бетонной смеси от различных факторов использовали современные методы математического планирования...
-
В Российских нормах, заложенных в актуализированной версии СНиП - СП63.13330.2012 предельная относительная деформация у бетона при сжатии постоянна еBo =...
-
Дорожные и гидротехнические бетоны - Виды бетона
Характерными представителями бетонов с комплексом нормируемых свойств являются дорожные и гидротехнические бетоны. Эти виды бетонов объединяют обычно...
-
Свойства автоклавного газобетона - Технологические особенности производства автоклавных газобетонов
Газобетон -- это долговечный и экологичный материал, который в настоящее время является одним из самых недорогих и удобных для строительства. Он обладает...
-
Свойства бетона - Основные сведения о бетоне
Самым важным свойством бетона является его прочность, т. е. способность сопротивляться внешним силам не разрушаясь. Как и природный камень, бетон лучше...
-
Состав, строение и свойства композиционных материалов - Композиционные материалы
Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними. Армирующие...
-
Виды бетонов их свойства, Свойства бетонов и основные термины - Развитие технологии тяжелого бетона
Свойства бетонов и основные термины Бетон - это искусственный камневидный строительный материал, получаемый в результате затвердевания предварительно...
-
Каковы важнейшие физико-механические свойства древесины - Анализ строительных материалов и изделий
Истинная плотность древесиныопределяется совокупностью веществ, слагающих оболочку клеток. Так как клетки имеют схожее строение для всех пород,...
-
Бетонный деструктивный жаркий 1. Теоретически обоснована связь формуемости бетонной смеси на основе ВНВ и ТМЦ с его составом и структурой, а также...
-
Исследование свойств и технологий многокомпонентных цементов проводились в 30-х, а затем в 50-х годах. Были разработаны составы вяжущих, позволяющие...
-
Первой работой, в которой описаны лессовые отложения в районе р. Дона, является исследование Н. Д.Борисяка, опубликованное в 1867 г., Генетическую...
-
Дорожные и гидротехнические бетоны - Виды бетонов
Характерными представителями бетонов с комплексом нормируемых свойств являются дорожные и гидротехнические бетоны. Эти виды бетонов объединяют обычно...
-
История возникновения бетона. Виды бетонных смесей Трудно точно сказать, где и когда появился бетон, так как начало его зарождения уходит далеко вглубь...
-
Основные свойства продукции - Ячеистые бетоны, строительные изделия и конструкции на их основе
Прочность и плотность являются главными показателями качества ячеистого бетона. Плотность, колеблющаяся от 300 до 1200 кг/м^3, косвенно характеризует...
-
В настоящее время в России, как и во многих развитых зарубежных странах, все большую актуальность приобретает строительство из монолитного бетона и...
-
С целью выявления особенностей напряженно-деформированного состояния стены со стороны возможного взрыва при действии взрывной нагрузки численные...
-
Под функциональным проектированием подразумевается совокупность методов, обеспечивающих разработку состава асфальтобетонной смеси с требуемыми...
-
Свойства сталей - Стали для стальных конструкций зданий и сооружений
Механические свойства: Прочность -- способность материала выдерживать внешнюю нагрузку без разрушения. Количественно это свойство характеризуется...
-
Описание свойств материалов в составе бетона - Изготовление железобетонных колонн
Цемент Портландцемент (англ. Portland cement ) -- гидравлическое вяжущее вещество, в составе которого преобладают силикаты кальция (70-80 %). Это вид...
-
Изготовление портландцемента -- сложный энергоемкий процесс, требующий больших затрат топлива. На обжиг 1 т клинкера затрачивается около 226 кг условного...
-
Химический состав веществ оказывает существенное влияние на их теплопроводность. Вещества, простые по химическому составу и строению, имеют большую...
-
Марки стали для строительных конструкций Выбор стали производиться по нормам созданных на основе конструктивного проектирования по вариантам и...
-
1. Абдуллаев Д. А., Копилов В. Д. "Температурные изменения в бетоне, твердеющем в условиях сухого жаркого климата". / Архитектура и строительство...
-
Рис. 4. Диаграмма деформирования высокопрочной арматуры При 0 < еSc < еSc1 УSc-= еSc-ЕSc (13) УSc1-= 0,9Rs/ЕSc (14) При еSc1 < еSc < еSc2...
-
Физические свойства лессовых просадочных грунтов Изучению физических свойств лессовых просадочных грунтов посвящено много научных исследований (2, 4, 9,...
-
Главное отличие данного метода от предыдущего в том, что здесь максимальная степень деформации бетона еBo не является постоянной и зависит от предела...
-
Ячеистые теплоизоляционные бетоны. Общие характеристики - Ячеистые бетоны
Ячеистые бетоны классифицируются в первую очередь по способу получения пористой структуры на газобетоны и пенобетоны. Получение пористой структуры...
-
Расчет составов легких бетонов направлен на предварительное определение расходов входящих в них компонентов, обеспечивающих при заданных условиях...
-
Основными параметрами механических свойств грунтов , определяющими Несущую способность оснований и их деформации , являются Прочностные и деформационные...
Исследование влияния дисперсного армирования модифицированным базальтовым микроволокном на прочностные свойства цементного раствора