Армирование и микроармирование пенобетонов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Палалане Ж.А, Бурдюгов А.В, аспиранты, Шахова Л.Д., д-р техн. наук, профессор, Белгородский Государственный Технологический Университет им. В.Г.Шухова

АРМИРОВАНИЕ И МИКРОАРМИРОВАНИЕ ПЕНОБЕТОНОВ

pnsuna@mail.ru

Приведены результаты по влиянию армирующих и микроармирующих волокон на физико-механические свойства пенобетона.

Ключевые слова: армированные пенобетоны, микроармированные пенобетоны, армирующие волокна, полиамидные волокна, полиамидная фибра, полипропиленовые волокна, двуводный гипс, полуводный гипс

Производство пенобетонов низких плотностей сдерживается высокой деформацией усадки и низкой трещиностойкостью изделий.

С целью увеличение прочностных показателей пенобетона при плотности 200-300 кг/м3 и его устойчивости к трещинообразованию в пенобетонную смесь вводили армирующие волокна. Известно, что матрица армирующих и микроармирующих добавок за счет механического и физико-химического зацепления армирующей добавки в поризованном цементном камне стягивает, образующиеся вследствие усадки трещины, и препятствует их дальнейшему росту.

Опыт использования двуводного гипса в сухих

Химический и минерал

штукатурных смесях натолкнул на мысль использования его в пенобетоне. Была выдвинута гипотеза, что возможно провести дополнительное микроармирование пенобетонной смеси игольчатыми кристаллами эттрингита, образующимися в процессе взаимодействия двуводного гипса с трехкальциевым алюминатом из цемента.

В качестве вяжущего для получения пенобетона использовался бездобавочный цемент марки 500 (ПЦ-500 Д0) предприятия ЗАО «Белгородский цемент». Химический и минералогический составы цемента представлен в табл.1, строительно-технические свойства цемента в табл.2.

Таблица 1

ческий составы цемента

Содержание оксидов, масс. % КН Модули Расчетный минералоче-ский состав, %

о т О < т О сч <и Рч СаО МяО т О т О Р4 ей о 9 С тттттт п Р СЛ гя О СЛ сч О 55! С <С т о

22,49 4,77 4,40 67,22 0,43 0,04 0,64 0,2 - 0,91 2,5 1,1 62,9 14,0 13,4 6,7

Таблица 2

Строительно-технические свойства цемента_

Удельная поверхность, м2/кг Нормальная густота, % Сроки схватывания, ч-мин

начало конец

320 23,5 2 - 10 3 - 40

Для получения пенобетона использовался белковый пенообразователь «Пионер БИО», производства «ГОШ-лаборатория» г. Курска.

Материалами для армирования являлись волокна: полиамидные и полипропиленовые.

1. Полиамидное

Полиамидные волокна - синтетические волокна, формуемые из полиамидов. Использовались полиамидные волокна длиной 11 и 5,5 мм, а также полиамидные волокна различной длины как отход производства искусственных меховых изделиях.

Полиамиды - это твердые рогоподобные продукты, обладающие высокой механической прочностью,

хорошей адгезией ко многим материалам, высокой эластичностью, устойчивы к износу и способны к волокнообразованию. Они имеют следующую структурную формулу:[-ЫН-С6Н12-КН-СО-С6Н12-СО-]п.

2. Полипропиленовое

Полипропиленовые волокна - это олефиновые волокна, изготовленные из полимеров или сополимеров пропилен. Они имеют следующую структурную фор-мулу:[-СН=СН-СН2-]п.

Полипропиленовое волокно по эластичности, устойчивости к двойным изгибам, как правило, превосходит полиамидные волокна, но уступает им по стой-

кости к истиранию. Обладает хорошими теплоизоляционными свойствами, имеет высокую стойкость к действию кислот, щелочей, органических растворите-

лей использовались волокна длиной 12 мм.

Основные физико-механические свойства волокон представлены в таблице 3.

Таблица 3

Название волокна Диаметр, мкм Плотность, кг/м3 Предел прочность на растяжение, ГПа Модуль упругости, ГПа Удлинение при разрыве, %

Фибриллированный полипропилен 200-2000 5000-7700 0,5-0,75 - 8

Полиамид 5-50 1100-1170 0,5-0,9 4,0 15-60

Для микроармирования пенобетона использовался: двуводный гипс СаБ04.2Н20 и полуводный гипс Са804.0,5Н20.

Приготовление пенобетонной смеси велось по классической технологии, при которой в готовую пену вводят цементное тесто с фиброй. Образцы твердели в воздушно-влажных условиях в течение 28 суток. Полученные результаты рассмотрены ниже.

Так как для поризованых материалов зависимость прочности и плотности носит не линейный характер, то для комплексной оценки физико-260 250 240 230

г»: £ и

а л

Ь

о я

н о

220 210

200

-►

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Количество волокна, мас.% Рис.1 - Зависимость плотности от

Анализ зависимости плотности от количества и вида вводимой фибры (рис. 1) показал:

- при введении добавки полиамидной фибры длиной 11 мм плотность увеличивается: при вводе 0,1% на 3,4%; при вводе 0,5% на 9,8%; при вводе 1% на 6,8%;

- при введении добавки полиамидной фибры длиной 5,5 мм плотность при вводе 0,1% снижается на 4,7%, при вводе 0,5 и 1% волокна увеличивается на 8,5% и на 5,5% соответственно;

- при введении добавки полиамидного волокна как отхода производства плотность при вводе 0,1 и 1

механических характеристик пенобетона используется Коэффициент конструктивного качества (далее -ККК) который определяется по формуле:

ккк =

р2

где ИСЖ - прочность на сжатие пенобетона Па,

р - плотность пенобетона кг/м .

Зависимость плотности от количества и вида вводимой фибры представлена на рис. 1.

Ф Полиамидноеволокно 11 мм

Полиамидное волокно 5,5 мм

—^—Полиамидное волокно Отходы производства )( По липр огп ш ено в о е в о л окно 12 мм

количества и вида вводимой фибры

% добавки практически не меняется, а при вводе 0,5% добавки резко падает на 12,8%.

- при введении полипропиленового волокна плотность пенобетона практически не меняется. Незначительный рост плотности образцов на 2-3 кг/м3 можно отнести к ошибке эксперимента. Плотность образцов колеблется в пределах от 235 до 240 кг/м3. Пенобетон с такой плотностью можно отнести к теплоизоляционным пенобетонам.

Зависимость прочности от количества и вида вводимой фибры представлена на рис. 2.

Рис.2 - Зависимость прочности от количества и вида вводимой фибры

Анализ зависимости прочности от количества и вида вводимой фибры (рис. 2) показал:

- при введении добавки полиамидной фибры длиной 11 мм в количестве 0,1% и 1% прочность уменьшается на 4,8% и 6,1% соответственно, а при вводе 0,5 % добавки увеличивается на 75,2%.

- при введении добавки полиамидной фибры длиной 5,5 мм в количестве 0 1% прочность уменьшается на 24,8%, а при введении 0,5 и 1% волокна прочность увеличивается на 44,8% и на 16,1% соответственно.

- при введении добавки полиамидного волокна как отхода производства прочность при вводе 0,5% волокна уменьшилась на 15,6%, а при вводе 0,1 и 1% волокна увеличилась на 12,6% и 5,7% соответственно.

- при добавлении 0,1% полипропиленового

волокна прочность образцов пенобетона вырастает на 22% и составляет 0,281 МПа. дальнейшее увеличение количества добавки до 0,5% ведет к незначительному снижению прочности ( примерно на 1% по отношению к образцу с содержанием волокна 0,1%), а при увеличении количества фибры до 1% кривая прочности падает более круто и снижение прочности по отношению к образцу с содержанием волокна 0,5% становится равным 3%. Рост прочности для образцов с содержанием полипропиленового волокна 0,5 и 1% по отношению к бездобавочному образцу составляет 17 и 15% соответственно.

Зависимость ККК от количества и вида вводимой фибры представлена на рис. 3.

Рис. 3 - Зависимость ККК от количества и вида вводимой фибры

Анализ зависимости ККК от количества и вида вводимой фибры (рис. 3) показал:

- при введении добавки полиамидной фибры длиной 11 мм в количестве 0,1% и 1% ККК уменьшается на 10,9% и 9,4% соответственно, а при вводе 0,5 % добавки увеличивается на 45,8%.

- при введении добавки полиамидной фибры длиной 5,5 мм в количестве 0,1% ККК уменьшается на 17,4%, а при введении 0,5 и 1% волокна ККК увеличивается на 23% и на 3,7% соответственно.

- при введении добавки полиамидного волокна как отхода производства ККК увеличивается при введении 0,1% на 12,2%; при 0,5% на 10,7%; при 1% на 7,2%.

- при введении 0,1% фибры ККК повышается на 25% по отношению к контрольному бездобавочному образцу. Дальнейшее увеличение количества добавки до 0,5% приводит к снижению ККК по отношению к образцу с содержанием фибры 0,1% на 4,5%, а при содержании фибры 1% ККК падает на 4,8% по отношению к образцу с содержанием фибры 0,5%. Увеличения ККК для образцов с содержанием полипропи-

ленового волокна 0,5 и 1% по отношению к контрольному составляет 21 и 16% соответственно.

Микроармированные пенобетоны

Микроармирование - образование тех или иных нитевидных кристаллов в результате твердения цементной матрицы.

Целью ввода полуводного и двуводного гипсов в пенобетонную структуру ставилось увеличение прочности пенобетона за счёт образования дополнительного количества гидрокристаллов в цементном камне.

Гипс вводился в пенобетонную массу в количестве 5; 10 и 15% по массе. Результаты по определению физико-химических свойств готового пенобетона с добавкой гипса приведены в таб. 3.

Зависимость плотности от количества и вида вводимой фибры представлена на рис. 4.

Анализ зависимости плотности от количества вводимой добавки гипса (рис.4) показал, что:

- при введении полуводного гипса в состав пенобетонной смеси плотность пенобетона повышается. Максимальное повышение плотно-

сти наблюдается при введении 5% добавки и составляет 17,44% (41 кг/м3), затем плотность несколько снижается и при введении 10 и 15 % добавки разница между контрольным образцом и образцом с добавкой составляет 15,32% (36 кг/м3) и 14,04% (33 кг/м3) соответственно.

- при введении 5% двуводного гипса плотность снижается с 235 до 208 кг/м3' что составляет 13% в относительном выражении. Увеличение добавки гипса до 10% увеличивает плотность до

216 кг/м3 (на 4% по отношению к образцу с 5% гипса). Максимальное количество гипса (15%) увеличивает плотность образца до 233 кг/м3 (на 8% по отношению к образцу с 10% гипса). По отношению к бездобавочному образцу введение 10% гипса снижает плотность пенобетона на 9%, добавка 15% гипса практически не изменяет плотность (2 кг/м3 можно отнести к ошибке эксперимента).

Таблица3

Количество добавки, мас. % Плотность пенобетона, кг/м3 Ср. прочность пенобетона, МПа ККК

полуводный гипс двуводный гипс полуводный гипс двуводный гипс полуводный гипс двуводный гипс

0 235 235 0,23 0,23 4,165 4,165

5 276 208 0,281 0,133 3,693 3,059

10 271 216 0,233 0,123 3,171 2,632

15 268 233 0,159 0,124 2,208 2,281

280 £ 270

Ь 260 «

А 250 Z 240

н 230

о 220

й 210

200

L - '----,

Л-'

yi У= 0,44x:-S 4SX+237 ,4

R-=0,J *S93

¡¿г

v=0,4- 1х:-6,56х +233.т

1:=0,934 1—

-►

Ф Полу водный гипс

Дву водный гипс

----Полиномиальная (Полу водный

гипс)

-Полиномиальная (Двуводный

гипс)

0 3 6 9 12 15

Количество гипси, мас.%

Рис. 4 - Зависимость плотности от количества вводимой добавки гипса

Уравнение зависимости плотности от количества минальную зависимость второй степени (рис.5).

вводимой добавки имеет полино-

Е

й А

Б

о s

о

В

0,3 0,28 0,26 0,24 0,22 0,2 0,18 0,16 0,14 0,12 0,1

У=-0,0013х^+ 0,0137x+0,233(

т (1,9679

,00 lx2 0.02 +0.2262 ^

|-1

-,-w

■ Полу водный гипс Двуводный гипс

Полиномиальная (Полу водный гипс) -Полиномиальная (Двуводный гипс)

0 5 10 15

Количество гипси, мас.%

Рис. 5 - Зависимость прочности от количества вводимой добавки гипса

Анализ зависимости прочности от количества вводимой добавки гипса (рис.5) показал, что:

- при введении 5% полуводного гипса прочность пенобетона повышается на 22,3% (0,51

кгс/см2). При введении 10 % добавки прочность пенобетона сравнима с прочностью контрольного образца, так как разница составляет 1,3% (0,03 кгс/см2). При введении 15% добавки прочность пенобетона снижается по сравнению с контроль-

ным образцом на 31,04% (0,71 кгс/см2). Уравнение зависимости плотности от количества вводимой добавки полуводного гипса имеет полиноминальную зависимость второй степени.

- при добавлении 5% двуводного гипса прочность образцов пенобетона падает на 42% и составляет 0,133 МПа. дальнейшее увеличение количества добавки до 10% ведет к незначительному снижению прочности (примерно на 7% по отношению к образцу с содержанием гипса 5%), а при увеличении количества гипса до 15% угол наклона

4.5 ?

4 --

Щ 3,5 -

* 3 -

0

Таким образом, введение полуводного гипса в состав пенобетонной смеси (рис.6) не оказывается положительного воздействия на основные характеристики пенобетона:

- кривая зависимости ККК от количества гипса носит практически линейный характер, незначительное отклонение от линейности можно объяснить ошибкой эксперимента. При введении 5% гипса ККК снижается на 26,5% по отношению к контрольному бездобавочному образцу. Дальнейшее увеличение количества добавки до 10% приводит к снижению ККК по отношению к образцу с содержанием гипса 5% на 14%, а при содержании гипса 15% ККК падает на 13% по отношению к образцу с содержанием гипса 10%. Снижение ККК для образцов с содержанием двуводного гипса 10 и 15% по отношению к контрольному образцу составляет 37 и 45% соответственно.

Таким образом, экспериментальные исследования подтверждают возможность улучшения физико-механических характеристик пенобетонов применением полипропиленовых и полиамидных волокон.

Результаты наших исследований подтвердили выводы [1] по отношению полипропиленовых волокон, которые за счет структурного строения имеют слабую связь с кристаллами гидратных но-

кривой прочности к оси абсцисс практически равен нулю и различие в прочности по отношению к образцу с содержанием гипса 10% становится равным 0,8%. Снижение прочности для образцов с содержанием гипса 10 и 15% по отношению к бездобавочному образцу составляет 46 и 47% соответственно.

Из уравнения, описывающего данную зависимость видно: чем больше количество вводимой добавки, тем ниже прочность.

>1Н гипс) водный гипс)

вообразований, что способствует повышению прочности сцепления их с цементным камнем.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Сари, М. Армированные волокнами вяжущие композиционные материалы вклад полиамидных волокон / М. Сари // 3-я Международная научно-техническая конференция "Современные технологии сухих смесей в строительстве". - СПб, 2001.

Рис. 6 - Зависимость ККК от количества вводимой добавки гипса