Московский экономический журнал 1/2020

image_pdfimage_print

DOI 10.24411/2413-046Х-2020-10048

ПОВЫШЕНИЕ ПРОЧНОСТИ И ЭКОЛОГИЧНОСТИ БЕТОНОВ ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ В ИХ СОСТАВЕ МИНЕРАЛЬНЫХ ВОЛОКОН

INCREASING THE STRENGTH AND ENVIRONMENTAL FRIENDLINESS OF CONCRETE DUE TO THE USE OF MINERAL FIBERS IN THEIR COMPOSITION

Портнов Федор Александрович, к.т.н., доцент кафедры «Комплексная безопасность в строительстве, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет

Portnov Fyodor Alexandrovich

Аннотация. В статье рассмотрены подходы различных авторов, а также  позиция автора на проблему повышения прочности бетона за счет применения в их составе  минеральных волокон. Актуальность темы определена тем, что  в современных условиях прочность зданий и сооружений является залогом безопасности, поэтому повышение прочности бетонов, идущих на сооружение таких зданий – это проблема, которая стоит в центре внимания ряда авторов. 

В процессе развития строительного материаловедения происходит разработка и внедрение модифицированных дисперсно-армированных бетонов, имеющих улучшенные характеристики. Опыт применения фибробетонов в зарубежной и отечественной практике показывает, что в качестве рациональных областей использования подобных бетонов  следует считать широкую номенклатуру монолитных и сборных бетонных конструкций.

Одним из эффективных вариантов дисперсного армирования бетонов является применение базальтовых и стеклянных волокон. Они способны значительно упрочить дисперсно-армированный бетон относительно исходного бетона-матрицы  и значительно повысить трещиностойкость. Перед стеклянным волокном базальтовое имеет ряд преимуществ, так как получают его из природных минералов, расплавляя их и преобразуя в волокно, не используя химические добавки.

Высокие показатели качества и доступная сырьевая база для изготовления базальтового волокна выступают залогом высоких  перспектив применения данного материала.

Summary. The article considers the approaches of various authors, as well as the author’s position on the problem of increasing the strength of concrete due to the use of mineral fibers in their composition. The relevance of the topic is determined by the fact that in modern conditions, the strength of buildings and structures is a guarantee of safety, so increasing the strength of concrete used for the construction of such buildings is a problem that is the focus of attention of a number of authors. 

In the process of development of construction materials science, the development and implementation of modified dispersed-reinforced concrete with improved characteristics takes place. The experience of using fiber concrete in foreign and domestic practice shows that a wide range of monolithic and precast concrete structures should be considered as rational areas of use of such concretes.

One of the most effective options for dispersed concrete reinforcement is the use of basalt and glass fibers. They are able to significantly strengthen the dispersed-reinforced concrete relative to the original concrete matrix and significantly increase the crack resistance. Basalt fiber has a number of advantages over glass fiber, since it is obtained from natural minerals by melting them and converting them into fiber without using chemical additives.

High quality indicators and available raw materials for the manufacture of basalt fiber are the key to high prospects for the use of this material.

Ключевые слова: минеральные волокна, прочность бетона, состав бетона.

Keywords: mineral fibers, concrete strength, concrete composition.

Введение

Использование в процессе строительства высокопрочных бетонов  предполагает, что такие бетоны являются высоко чувствительными к  трещинообразованию. Средством, позволяющим избежать трещин, является  дисперсное  армирование   бетона. С этой целью возможно использование    различных   видов   металлических и  неметаллических волокон, имеющих  минеральное или органическое происхождение[1].

Отличие базальтовых волокон от других минеральных волокон производится не только за счет их высоких физико-механических свойств, но  и за счет повышенной химической стойкости, температуро-, свето- и  атмосферостойкости. Также в расчет берется простота  технологии  производства, невысокая  стоимость  и  экологическая  безопасность. Если применят данные волокна  как  армирующие    компоненты    для    изготовления      дисперсно-армированных композиционных  материалов, то исчезнут проблемы, связанные,  например,  с  коррозией стальных фибр в таких же условиях применения.

Но авторы установили, что минеральным  волокнам,  независимо  от  химического  состава, свойственно вступать в  химическое  взаимодействие  с  растворами, посредством которых имитируется среда твердеющего бетона и портландцемента [3].  За счет состава и свойств среды твердения неорганических вяжущих веществ (жидкая  фаза) происходит повышение прочности цементного камня и композиций на его  основе.

Материалы и методы

Исследований в области повышения прочности бетона достаточно много,  но большинство вопросов достаточно спорные. Процесс растворимости щелочных фаз портландцементного клинкера в  воде  исследовали  многие  ученые. По полученным результатам можно заключить, что щелочные фазы  проходят быструю гидратацию. Процесс растворения многих фаз, содержащих  Na2O, очевидно,  происходит быстрее, соответственно, в большинстве цементов вся  Na2Oпереходит в раствор раньше, чем K2O.

Исследование включало анализ специальной литературы по вопросам, касающимся исследования условий, определяющих прочность бетонов.

Результаты

В процессе развития строительного материаловедения происходит разработка и внедрение модифицированных дисперсно-армированных бетонов, имеющих улучшенные характеристики. Опыт применения фибробетонов в зарубежной и отечественной практике показывает, что в качестве рациональных областей использования подобных бетонов  следует считать широкую номенклатуру монолитных и сборных бетонных конструкций [2].

В качестве перспективного в процессе производства фибробетона  считается применение минеральных волокон, к которым относится тонкое штапельное волокно и базальтовый ровинг, способ их получения — центробежно-фильерный, а характеризует их стабильность свойств, однородность по диаметру и низкое содержание «корольков». Ряд авторов проводили исследования, получая минеральные волокна посредством электротермического метода плавления исходного сырья.

Используя минеральные волокна, родственные с минералами портландцемента (ПЦ), необходимо учесть, что они могут вступить во взаимодействие, способное разрушить минеральные волокна и снизить армирующий эффект.

Данную проблему модно решить разными способами:

  • использовать бесцементные и малоцементные вяжущие в фибробетоне;
  • модифицировать поверхности минеральных волокон;
  • модифицировать структуру минеральных волокон;
  • ввести добавки, снижающие щелочность среды фибробетона [4].

Также, чтобы повысить деформационные и усадочные характеристики бетона применяется дисперсное армирование бетона. Минеральными  волокнами здесь выступают базальтовый ровинг и тонкое штапельное волокно, которым свойственны стабильные и однородные характеристики.

В качестве одного из путей решения задач в рамках совершенствования эксплуатационных характеристик мелкозернистого бетона выступает его армирование различными видами металлических и неметаллических фибр, имеющих  минеральное или органическое происхождение.

Перспективность использования в бетонах неметаллических волокон в качестве дисперсного армирования подтверждено исследованиями, выполненными различными зарубежными и отечественными учеными

Также для повышения прочности бетона используют армирование бетона посредством волокон. На сегодняшний день дисперсное армирование бетонов  осуществляют высоко- и низкомодульными волокнами: металлическими (стальными), минеральными (стеклянными, базальтовыми, корундовыми), полимерными – (акрило-нетрильными, полиамидными, полипропиленовыми и др.), стеклянными и высоко- и низкомодульными волокнами различной длины и поперечного сечения [3].

Также эффективен в использовании армирующий материал  хризотил. Если данный компонент вводится в бетонные изделия, то возрастает трещиностойкость бетона и повышаются его деформативные характеристики, это дает возможность устранить возможные дефекты, возникающие в результате усадки.

Обсуждение

Современные здания и сооружения возводятся с применением бетонов, которым свойственны высокие эксплуатационные свойства. Сюда относят прочность на сжатие и растяжение, трещиностойкость, ударную вязкость, износостойкость, коррозионную стойкость, морозостойкость и пр.

Переход на новые виды бетонов произошел за счет достижения в области пластифицирования бетонных и растворных смесей, также появились новые,  наиболее активные минеральные добавки. Разработанные и выпускаемые в промышленном масштабе модификаторы бетона типа МБ способствовали получению мелкозернистых бетонов классов по прочности до В9, имеющих низкую проницаемость и коррозионную стойкость. При этом, таким бетонам свойственна недостаточная прочность на растяжении при изгибе, а также высокие температурные и усадочные деформации по причине повышенного расхода цемента [2].

В последний период постоянно растет объем и динамика производства бетона. Причина этому – увеличение монолитного строительства,  позволяющего строить здания, имеющие любую этажность и форму, в кратчайшие сроки. Е:сли  производится строительство многоэтажных зданий, то растут требования к бетону, причем не только к таким показателям, как прочность, морозостойкость, водонепроницаемость и т.д., но и к его трещиностойкости. Если используются высокие марки бетона, данный показатель снижается.

Применение базальтового волокна для армирования различных видов цементных систем определяется:

  • степенью агрессивности щелочной среды;
  • толщиной применяемого волокна;
  • объемами изготовляемой смеси.

 Необходимо также рассмотреть проблему защиты базальтового волокна от выщелачивания. Так, в данном направлении:

  • разрабатываются эффективные защитные покрытия (аппреты) для базальтового волокна;
  • проводится обработка базальтоцементных конструкций различными составами и способами;
  • создаются новые виды малощелочных вяжущих, неагрессивных по отношению к базальтовому волокну, или модифицирование известных вяжущих с помощью различных добавок для снижения агрессивного воздействия на волокна [3].

Вводя армирующие добавки, имеющие высокую армирующую способность, которыми и являются базальтовые волокна, можно решить  основную проблему производства ряда строительных работ (гидроизоляционных, отделочных) — устранение низкого сцепления строительных растворов с основанием и их растрескивание при высыхании и твердении. За счет армирования сухих строительных смесей  посредством базальтовыми волокнами есть возможность значительного снижения возможности пластического образования усадочных трещин, также будут минимизированы эффекты от термического растрескивания [2].

Через трещины на поверхности бетона внутрь его проникают вода и химикаты. Многие формы химического и физического разрушений могут начать свое наступление через поверхностные трещины, что отразится на износоустойчивости и сроке службы бетона. Также, эстетически данные трещины не привлекательны. Выбирая  тип армирующих волокон, нужно учесть показатели размера волокон,  степень их совместимости с минеральной матрицей, процент армирования, а также условия эксплуатации. В основном волокна используются, чтобы осуществить дисперсное и линейное армирование композитов.

 Наиболее приемлемое сырье для получения нового класса волокон – это базальты.  Их химический и минералогический состав позволяет их отнести к экструзивным магматическим горным породам, запасы которых в мире практически неограничены и составляют от 25 до 38% площади, занимаемой на Земле всеми магматическими породами.

Если рассматривать преимущества базальтовых волокон  перед стеклянными, то можно отметить, что их получают из однокомпонентного дешевого сырья (базальта) при одностадийном технологическом процессе, это предопределяет их более низкую себестоимость (на 1520%) в сравнении  со стекловолокном,  так как данные волокна, по сути,  выступают как результат химических технологий.

Во-вторых, сами установки, на которых производятся базальтовые волокна,–  экологически чистые, компактные и в процессе работы не выделяют никаких промышленных отходов, в атмосферу направляются лишь продукты полного сгорания природного газа после похождения ими предварительного охлаждения в рекуператорах и очистку в фильтрах [1].

Базальтовым волокнам свойственны повышенные физико-механические и химические свойства: стойкость к вибрациям, долговечность, стабильность свойств при длительной эксплуатации в различных условиях, экологичность, работоспособность в широком диапазоне температур от 260 до +700°С, повышенная химическая стойкость к агрессивным средам.

За счет небольшой добавки базальтового волокна значительно  возрастает сопротивление цементного камня изгибающим нагрузкам. Также происходит повышение долговечности материала, снижение усадочной деформации, значительный рост трещиностойкости, ударной вязкости. Все это  позволяет использовать дисперсно-армированные материалы в новых областях применения, а также служит значительному уменьшению общего веса строительных конструкций, так как уменьшается сечение при неизменных прочностных показателях.

Вывод

Таким образом, одним из эффективных вариантов дисперсного армирования бетонов является применение базальтовых и стеклянных волокон. Они способны значительно упрочить дисперсно-армированный бетон относительно исходного бетона-матрицы  и значительно повысить трещиностойкость. Перед стеклянным волокном базальтовое имеет ряд преимуществ, так как получают его из природных минералов, расплавляя их и преобразуя в волокно, не используя химические добавки.

Высокие показатели качества и доступная сырьевая база для изготовления базальтового волокна выступают залогом высоких  перспектив применения данного материала.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Деревянко В.Н. Стойкость базальтового волокна в различных средах  [Текст]/ В. Деревянко // Вестник ПДБА. – 2010. – № 3. —  С. 19-22
  2. Розина В.Е., Буянтуев С.Л. Мелкозернистый базальтобетон с нанокремнеземом  [Текст] /  В.Е. Розина, С.Л. Буянтуев // Строительные материалы. — 2015. — № 6. — С. 45-48.
  3. Бабаев В.Б., Строкова В.В., Нелюбова В.В.Бабальтовое волокно как компонент для микроармирования цементных композитов [Текст] / В.Б. Бабаев, В.В. Строкова, В.В. Нелюбова //Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. -2012.- № 4. — С. 58-61.
  4. Лебедев М.П., Матвеева И.Г.  Влияние диоксида кремния на свойства композиционных материалов на основе базальта [Текст] / М.П. Лебедев, И.Г. Матвеева //
    В книге: V Международная конференция-школа по химической технологии сборник тезисов докладов сателлитной конференции ХХ Менделеевского съезда по общей и прикладной химии. 2016. С. 476.

LIST OF REFERENCES

  1. Derevyanko V. N. Stability of basalt fiber in various media [Text] / V. Derevyanko / / Vestnik PBA. — 2010. — No. 3. — Pp. 19-22
  2. Rozina V. E., Buyantuev S. L. fine-Grained asphalt concrete with nanosilicon [Text] / V. E. Rozina, S. L. Buyantuev / / Building materials. — 2015. — No. 6. — Pp. 45-48.
  3. Babaev V. B., Strokova V. V., Nelyubova V. V. Babalt fiber as a component for micro-reinforcement of cement composites [Text] / V. B. Babaev, V. V. Strokova, V. V. Nelyubova / / Bulletin of the Belgorod state technological University. V. G. Shukhov. -2012.- No. 4. — Pp. 58-61.
  4. Lebedev M. P., Matveeva I. G. Influence of silicon dioxide on the properties of composite materials based on basalt [Text] / M. p. Lebedev, I. G. Matveeva //
  5. In the book: V international conference-school of chemical technology collection of abstracts of the satellite conference of the XX Mendeleev Congress on General and applied chemistry. 2016. Pp. 476.