CC BY
142
УДК 666.972.16, 691.32
БАЗАЛЬТОФИБРОБЕТОН С УЛУЧШЕННЫМИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИМИ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ СВОЙСТВАМИ С ПРИМЕНЕНИЕМ НАНОДИСПЕРСНЫХ МОДИФИКАТОРОВ
© Л.А. Урханова1, С.А. Лхасаранов2, В.Е. Розина3, С.Л. Буянтуев4, С.П. Бардаханов5
1,2,4Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления,
670013, Россия, Республика Бурятия, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40в.
3Иркутский государственный технический университет,
664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
4Институт теоретической и прикладной механики СО РАН,
630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Институтская, 4/1.
Исследуется возможность получения фибробетона с применением базальтового волокна, полученного центро-бежно-дутьевым способом, и нанодисперсного кремнезема. Совместное использование базальтового волокна и нанокремнезема позволяет улучшить физико-механические и эксплуатационные характеристики бетонов. Изменение фазового состава и микроструктуры базальтфиброцементных композиций оценивается с помощью рентге-нофазового анализа и растровой электронной микроскопии. Ил. 3. Табл. 3. Библиогр. 6 назв.
Ключевые слова: дисперсное армирование бетона; базальтовое волокно; нанокремнезем; прочность при сжатии; прочность при изгибе; рентгенофазовый анализ.
BASALT FIBER REINFORCED CONCRETE WITH IMPROVED PHYSICO-MECHANICAL AND PERFORMANCE PROPERTIES USING NANODISPERSED MODIFIERS
L.A. Urkhanova, S.A. Lkhasaranov, V. E. Rozina, S.L. Buyantuev, S.P. Bardakhanov
East-Siberian State University of Technologies and Management,
40в Klyuchevskaya St., Ulan-Ude, Buryat Republic, 670013, Russia.
Irkutsk State Technical University
83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS,
4/1, Institutskaya St., Novosibirsk, 630090, Russia.
The article studies the possibility of obtaining fiber reinforced concrete with the use of basalt fiber produced by a centrifugal blown method and nanosilica. Combined application of the basalt fiber and nanosilica improves the physico-mechanical and performance characteristics of concrete. The X-ray diffraction analysis and scanning electron microscopy are employed in order to estimate the change in the phase composition and the microstructure of basalt fiber-reinforced cement compositions. 3 figures. 3 tables. 6 sources.
Key words: disperse fiber reinforcement of concrete; basalt fiber; nanosilica; compressive strength; transverse strength; X-ray diffraction analysis (XRDA).
В настоящее время основной тенденцией развития бетоноведения является переход от традиционных составов бетона к многокомпонентным. Одним из
путей решения задач по совершенствованию эксплуатационных характеристик бетонов является его армирование различными видами металлических и неме-
1Урханова Лариса Алексеевна, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой производства строительных материалов и изделий, тел.: (3012) 211960, e-mail: urkhanova@mail.ru
Urkhanova Larisa, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Production of Building Materials and Units, tel.: (3012) 211960, e-mail: urkhanova@mail.ru
2Лхасаранов Солбон Александрович, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры производства строительных материалов и изделий, тел.: (3012) 211960, e-mail: solbon230187@mail.ru
Lkhasaranov Solbon, Candidate of technical sciences, Senior Lecturer of the Department of Production of Building Materials and Units, tel.: (3012) 211960, e-mail: solbon230187@mail.ru
3Розина Виктория Евгеньевна, старший преподаватель кафедры строительного производства, тел.: (3952) 405138, e-mail: vict.rozina@yandex.ru
Rozina Victoria, Senior Lecturer of the Department of Civil Engineering, tel.: (3952) 405138, e-mail: vict.rozina@yandex.ru
4Буянтуев Сергей Лубсанович, доктор технических наук, профессор кафедры электроснабжения промышленных предприятий и сельского хозяйства, тел.: (3012) 213723, e-mail: buyantuevsl@mail.ru
Buyantuev Sergei, Doctor of Engineering, Professor of the Department of Electric Power Supply of Industrial Enterprises and Agriculture, tel.: (3012) 213723, e-mail: buyantuevsl@mail.ru
5Бардаханов Сергей Прокопьевич, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник, тел.: (383) 3304268, e-mail: bardnsk@gmail.com
Bardakhanov Sergei, Doctor of Physics and Mathematics, Professor, Chief Researcher, tel.: (383) 3304268, e-mail: bardnsk@gmail.com
таллических фибр минерального и органического происхождения. Разработка технологии производства фибробетона, армированного базальтовым волокном (БВ), перспективна и достаточно изучена многими исследователями [1; 4; 6]. БВ может использоваться для получения тонкодисперсного высокопрочного бетона, бетона для дорожного строительства, эффективного пенобетона.
Эффективное улучшение физико-механических, деформационных и эксплуатационных свойств ба-зальтофибробетона (БФБ) возможно при использовании волокна, обладающего стабильными свойствами: средним размером частиц, коррозионной стойкостью, отсутствием «корольков». Наиболее эффективным для дисперсного армирования бетона является использование базальтового ровинга и тонкого штапельного волокна. Учитывая высокие энергозатраты на производство таких волокон, представляет интерес
ность нанокремнезема в сочетании с высокой удельной поверхностью позволяет ему быть эффективным компонентом современных высокопрочных бетонов, так как он способен к активному взаимодействию с Са(ОН)2 в ходе гидратации цемента, улучшая физико-механические и эксплуатационные свойства композитов.
В проводимых исследованиях для получения мелкозернистого БФБ были использованы следующие сырьевые материалы: ПЦ ЦЕМ I 32,5 Н ГОСТ 311082003 ООО «Тимлюйский цементный завод», кварц-полевошпатовый песок с модулем крупности Мкр=2,3, БВ на основе базальта Селендумского месторождения Республики Бурятии, нанодисперсный кремнезем (НК) Таркосил-05® и микроволокнистый кремнезем (МВК). Характеристики базальтового волокна приведены в табл. 1.
®
Нанодисперсный кремнезем Таркосил-05® полуТаблица 1
Характеристики базальтового волокна
Характеристика Значение
Средний диаметр волокон, мкм 10
Прочность на разрыв, МПа 1350
Температуростойкость, оС 600
Химическая стойкость (потеря массы), %, при обработке:
HCl 69,3
KOH 91,5
использование для дисперсного армирования фиб-робетона БВ, полученного центробежно-дутьевым способом при расплавлении сырьевых материалов в электромагнитном технологическом реакторе [2] и обладающего менее однородными и стабильными качественными характеристиками по сравнению с базальтовым ровингом и тонким штапельным волокном.
Несмотря на преимущество использования БВ для производства фибробетона, особенно тонкого волокна, оно подвержено щелочной коррозии при гидратации портландцемента (ПЦ). За последние годы проведены исследования по оценке стойкости базальтового волокна в среде гидратирующегося цемента и получению коррозионностойкого БФБ [1; 6]. При этом с целью повышения коррозионной стойкости БВ, используемого в качестве дисперсно-армирующего компонента, в состав бетона вводятся минеральные и органомине-ральные добавки, такие как микрокремнезем, добавка МБ-10-01, которая состоит из органической части, содержащей суперпластификатор, и минеральной части, содержащей микрокремнезем и золу-унос. Применение кремнеземсодержащих материалов в составе фибробетона основано на том, что они обладают гораздо большей активностью по сравнению с базальтовым волокном к среде гидратирующегося цемента и за счет связывания извести обеспечивают сохранность БВ и, соответственно, повышенные физико-механические и эксплуатационные свойства (БФБ).
Целью работы является получение фибробетона повышенной коррозионной стойкости с использованием БВ, полученного центробежно-дутьевым способом, и нанодисперсного кремнезема. Химическая актив-
чен на ускорителе электронов по методу, защищенному патентом РФ [3] (коллектив авторов Института ядерной физики СО РАН и Института теоретической и прикладной механики СО РАН). Таркосил-05® имеет следующие характеристики: средний размер частиц -53 нм, удельная поверхность - 50,6 м2/г (по данным прибора Сорби-М). Таркосил-05® более чем на 99% состоит из аморфного кремнезема, содержание примесей, в мас. %: А1 - 0,01; Fe - 0,01; ^ - 0,03.
При воздействии ускоренными электронами на твердое тело энергия выделяется непосредственно в объеме вещества на глубине нескольких миллиметров, вызывая ионизацию вещества и разогрев этого слоя. При достаточной мощности на единицу поверхности пучка электронов температура поверхностного слоя вещества достигает температуры кипения, т.е. начинается испарение вещества. Энергия ускоренных электронов расходуется в основном на нагрев и испарение кварцевого песка, излучение с поверхности расплавленной жидкости и нагрев воздуха в реакторе [5]. Несмотря на то что большая часть исходного сырья (кварцевого песка) испаряется с образованием НК, небольшое количество на периферийной части контакта с пучком электронов остается в виде микрочастиц и микроволокон. Образовавшийся МВК имеет средний диаметр волокон 5-6 мкм, длину - 1-5 мм.
Ранее авторами проведены исследования по оценке коррозионной стойкости базальтового волокна в щелочной среде при введении нанокремнезема. Полученные результаты показывают, что применение НК за счет связывания портландита уменьшает агрессивное влияние щелочной среды цемента на БВ, сохра-
няя его и повышая тем самым физико-механические характеристики композиций.
При подборе состава базальтофиброцемента были определены оптимальное содержание БВ, НК и эффективный способ распределения БВ в цементной матрице. Оптимальное содержание БВ в составе цемента составило 4 мас. %, НК и МВК - 0,5 мас.% при введении базальтовой фибры путем совместного перемешивания- помола в энергонапряженном аппарате - виброистирателе в течение 30-45 с (рис. 1, 2).
Анализ прочностных характеристик базальтофиб-роцементных композиций позволяет сделать вывод, что введение БВ в возрасте 28 суток повышает прочность при сжатии на 11%, прочность при изгибе - на 40% по сравнению с контрольным составом. Применение НК и МВК дополнительно улучшает физико-механические показатели: при сжатии - на 29% и 20%, при изгибе - на 64 и 58% соответственно. Заметное увеличение прочности базальтофиброцементных композиций при изгибе связано с армирующим действием БВ, а при введении кремнеземсодержащих добавок прочностные характеристики достигают максимальных показателей вследствие увеличения коррозионной стойкости БВ.
Сравнивая НК и МВК, можно отметить, что нано-размерный кремнезем, обладающий большей удель-
ной поверхностью и активностью, эффективнее повышает физико-механические характеристики. Введение НК повышает прочность при сжатии на 40% в начальные сроки твердения (3 сут.), а МВК - на 18%. В возрасте 28 суток эффект увеличения прочности изменяется: для НК - на 29%, МВК - на 20%. Это объясняется механизмом действия НК, который связан не только с пуццолановой реакцией, но и с созданием дополнительных центров кристаллизации гидратных новообразований. НК активно влияет на гидратацию ПЦ: его присутствие изменяет концентрацию ионов Са + и ОН- в жидкой фазе цементной пасты уже в первые минуты гидратации. Образование продуктов гидратации в ранний период происходит при участии поверхности нанодисперсных частиц, и поверхность цементных зерен оказывается в меньшей степени блокирована новообразованиями, что интенсифицирует процесс гидролиза цементных фаз. В то же время действие микроволокнистого кремнезема становится заметным примерно через 3 сут. с момента начала гидратации: пуццоланические свойства МВК не оказывают значительного влияния на механизмы реакций, протекающих в более ранний период. При этом прочность на изгиб фиброцементных композиций с МВК не уступает по показателям составам с НК.
80
П5
I 70 £ 60 I 50
" 40
30 20 10
о
CL
3 сут 7 сут ■ 28 сут
контрольный
ПЦ+БВ(4%)
ПЦ+БВ(4%)+НК Таркосил®(0,5%)
ПЦ+БВ(4%)+МВК(0,5%)
Рис. 1. Прочность базальтофиброцементных композиций при сжатии
20
ш 15
10
3 сут 7 сут ■ 28 сут
контрольный
ПЦ+БВ(4%) ПЦ+БВ(4%)+Таркосил®(0,5%) ПЦ+БВ(4%)+МВК(0,5%)
Рис. 2. Прочность базальтофиброцементных композиций при изгибе
0
5
0
Введение БВ и НК изменяет фазовый состав и микроструктуру модифицированного цементного камня. Ренгенофазовый анализ проводили на рентгеновском дифрактометре XRD-7000 S Shimadzu (ЦКП «Байкальский центр нанотехнологий», ИрГТУ). Микроструктуру базальтофиброцементных композиций оценивали с помощью растрового электронного микроскопа ^ео1 JSM 6510 LV, ЦКП «Прогресс» ВСГУТУ).
Рентгенограммы продуктов гидратации ПЦ указывают на снижение интенсивности пиков портландита Са(ОН)2 ^/п = 0,489, 0,263, 0,193 нм и др.) при введении БВ (4%) в 1,5 раза по сравнению с контрольным составом. Введение в состав НК (0,5%) приводит к дополнительному снижению интенсивности пиков портландита в 2,3 раза по сравнению с контрольным составом. Это свидетельствует о связывании нано-кремнеземом образующейся при гидратации извести и, соответственно, снижении коррозии базальтового волокна последней. _
Результаты электронно-микроскопического анализа подтверждают изменение микроструктуры цементного камня (рис. 3). На сколах можно видеть, что в составе без НК поверхность волокон значительно изменилась, просматриваются дефекты, образовавшиеся в результате вывода из волокон части компонентов, например соединений натрия, калия, кремния, составляющих состав волокна (рис. 3,а, спектры 1, 2, и рис. 3,6, спектры 2, 3), что согласуется с результатами химического анализа.
Изучение спектров на поверхности скола базальтофиброцементных композиций с помощью системы INCA-x показывает, что в составе без НК элементарный состав поверхностного слоя волокна отличается количественным изменением содержания Si и Са. На поверхности волокна содержание Са увеличивается на 26%, содержание Si уменьшается на 21%, а K и Na - до 0%.
Спектр C O Na Mg Al Si S K Ca Ti Fe Итог
Спектр 1 4.52 47.99 0.96 5.57 0.83 38.34 1.79 100.00
Спектр 2 0 32.87 1.20 2.45 9.90 27.21 3.18 12.43 1.38 9.77 100.00
Спектр 3 4.66 46.03 0.40 1.51 7.65 1.23 37.37 1.15 100.00
а)
Спектр C O Na Mg Al Si S K Ca Ti Fe Итог
Спектр 1 1.73 50.64 0.44 0.69 2.61 8.82 1.08 0.82 30.20 0.24 2.74 100.0
Спектр 2 1.28 44.54 0.38 0.70 2.86 10.23 0.83 1.06 35.29 0.35 2.48 100.0
Спектр 3 33.47 1.07 1.99 8.75 24.00 0.17 3.84 12.64 1.61 12.4 100.0
Спектр 4 0.21 43.10 0.40 0.50 2.61 11.21 0.99 1.24 37.63 2.10 100.0
б)
Рис. 3. Микроструктура базальтофиброцементных композиций: а - ПЦ+БВ (4%);б - ПЦ+БВ (4%)+НК (0,5%)
Таблица 2
Состав и технологические показатели бетонов
Расход материалов на 1 м3 бетона, кг В/Ц Показатели технологичности бетонной смеси П2
Портландцемент Песок Базальтовое волокно Таркосил-05® осадка конуса, см расслаиваемость по водоотделению, %
550 1375 - - 0,4 7 0,6
550 1375 22 - 0,4 9 0,3
550 1375 22 2,75 0,4 9 0,3
Таблица 3
Физико-механические и эксплуатационные свойства базальтофибробетонов_
Свойства Единицы измерения Показатель
Цементный бетон БФБ без нанокремнезема БФБ с нанокремнеземом
Средняя плотность кг/м3 2400 2460 2480
Прочность при сжатии МПа 44 50 62
Прочность при изгибе МПа 9 13 15
Водопоглощение мас. % 4,0 3,5 2,5
Морозостойкость циклы 150 200 250
Усадка мм/м 2,7 1,6 1,1
Наименьшие изменения претерпела поверхность БВ при введении в состав композиций НК. На поверхности волокна в составе с НК таких количественных изменений не происходит. Это говорит о том, что более активный НК реагирует с известью, сохраняя тем самым поверхность базальтового волокна неповрежденной. Установлено изменение микроструктуры цемента при добавлении БВ и НК. Введение НК позволило дополнительно получить низкоосновные гидросиликаты кальция типа CSH (I), образование которых привело к улучшению физико-механических характеристик дисперсно-армированного материала.
Известно, что использование высокопрочного мелкозернистого бетона (МЗБ) для монолитного строительства является актуальной задачей. Авторами проводилась разработка составов и изучение свойств МЗБ на основе цемента с наномодификатором и базальтовым волокном. Для широкомасштабного внедрения МЗБ необходимо решить проблему снижения расхода цемента и улучшения деформативных характеристик композита. Теоретическими предпосылками этого направления является модификация цементной матрицы и применение мелкого заполнителя с высокоплотной упаковкой.
Был проведен расчет состава мелкозернистого БФБ и определение его свойств при нормальном твердении с использованием БВ и нанодисперсного
®
модификатора Таркосил-05 . В качестве постоянных оставалось соотношение цемента и песка и расход добавки НК. При формовании бетона водоцементное отношение оставалось постоянным, введение НК увеличило подвижность бетонной смеси и ее удобоукла-дываемость. По удобоукладываемости наиболее эффективно использование бетонной смеси П2. Физико-механические и эксплуатационные показатели бетона представлены в табл. 2, 3.
Введение БВ способствует увеличению прочностных показателей: на сжатие - на 13%, на изгиб - на
®
40%. В составе БФБ с применением НК Таркосил-05® было отмечено наибольшее улучшение прочности относительно контрольного бездобавочного состава: на сжатие - на 35%, на изгиб - на 65%. Бетоны с применением НК характеризуются высокими эксплуатационными показателями. НК, взаимодействуя с известью, способствует коррозионной стойкости БВ, благоприятно сказывающейся на улучшении характеристик бетона.
Таким образом, использование базальтового волокна, полученного центробежно-дутьевым способом и характеризующегося неоднородностью по основным характеристикам, позволяет получать высокопрочный базальтофибробетон с улучшенными свойствами.
Статья поступила 24.10.2014 г.
1. Боровских И.В., Хозин В.Г. Изменение длин базальтовых волокон при его распределении в композиционном вяжущем высокопрочных базальтофибробетонов // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2009. № 2 (12). С. 233-237.
2. Буянтуев С.Л., Кондратенко А.С. Исследование физико-
ский список
химических свойств минеральных волокон, полученных с помощью электромагнитного технологического реактора // Вестник ВСГУТУ. 2013. № 5 (44). С. 123-129. 3. Патент № 2067077 РФ. Способ получения ультрадисперсной двуокиси кремния, устройство для его осуществления и ультрадисперсная двуокись кремния / В.П. Лукашов, С.П.
Бардаханов, Р.А. Салимов, А.И. Корчагин, С.Н. Фадеев, А.В. Лаврухин. Опубл. 27.09.1996.
4. Пухаренко Ю.В. Реставрация и строительство: потенциал фиброармированных материалов и изделий // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 4.
5. Синтез гидрофобизированных нанопорошков диоксида кремния / С.П. Бардаханов, А.П. Завьялов, В.Ц. Лыгденов [и
др.] // Вестник НГУ. Серия «Физика». 2013. Т. 8. Вып. 1. С. 92-98.
6. Степанова В.Ф., Бучкин А.В. Коррозионное поведение базальтового волокна в цементной матрице бетона // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2011. № 9. С. 22-26.
УДК 696/697(082)
МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ КАНАЛИЗАЦИОННЫХ КАМЕР И КОЛЛЕКТОРОВ
А Л <5
© К.И. Чижик1, К.В. Семенов2, Н.В. Белоокая3
1 2
' Московский государственный строительный университет, 129337, Россия, г. Москва, Ярославское шоссе, 26. 2Управление канализации АО «Мосводоканал», 105005, Россия, г. Москва, Плетешковский пер., 2. 3Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Приведены способы для использования экологически оправданных вариантов защиты конструкций коллекторов с изменением состава газовой среды, что достигается аэрацией стоков и вентиляцией подсводового пространства. Предложено, чтобы конструкция коллектора и режим его эксплуатации исключали сочетание напорных и безнапорных участков, накопление осадка, способствующего выделению сероводорода. Ил. 1. Табл. 1. Библиогр. 6 назв.
Ключевые слова: коллектор; напорный и безнапорный участок; сероводород; защита трубопровода; вентиляция.
MICROBIOLOGICAL CORROSION OF SEWAGE INFLUENT CHAMBERS AND COLLECTORS K.I. Chizhik, K.V. Semenov, N.V. Belookaya
Moscow State University of Civil Engineering, 26 Yaroslavskoe Shosse, Moscow, 129337, Russia Sewerage Department of "Mosvodokanal" JSC, Pleteshkovskiy per., Moscow, 105005, Russia. Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The article introduces the methods for using environmentally feasible options to protect collector structures under the change in the gas media composition that is achieved by drain aeration and ventilation of the undervault space. It is proposed to accumulate the deposit that facilitates hydrogen sulfide release in order to exclude the combination of pressure and free flow sections from the collector structure and its operation mode. 1 figure. 1 table. 6 sources.
Key words: sewage collector; pressure and free flow section; hydrogen sulfide; pipeline protection; ventilation.
Водоочистные сооружения с канализационной сетью являются важным элементом системы жизнеобеспечения городов. Исследования и практика эксплуатации канализационных сетей показывают, что они подвержены быстрому и нередко непредсказуемому разрушению.
Потери конструкциями несущей способности при-
водят к аварийным ситуациям с тяжелыми последствиями, вплоть до человеческих жертв [1]. При этом образовавшиеся в грунте воронки часто перекрывают канализационный сток, сточные воды разливаются по поверхности, загрязняют окружающую среду, затрудняют движение транспорта (авария на Люблинской КНС, сентябрь 1998 г.).
1Чижик Константин Иванович, кандидат технических наук, профессор кафедры водоотведения и водной экологии, тел.: 89037273482, e-mail: irkyt-44@yandex.ru
Chizhik Konstantin, Candidate of technical sciences, Professor of the Department of Water Disposal and Ecology, tel.: 89037273482, e-mail: irkyt-44@yandex.ru
2Семенов Кирилл Валерьевич, инженер 2-й категории Управления канализации АО «Мосводоканал», тел.: 89037273482, e-mail: irkyt-44@yandex.ru
Semenov Kirill, 2nd category Engineer of the Sewerage Department of "Mosvodokanal" JSC, tel.: 89037273482, e-mail: irkyt-44@yandex.ru
3Белоокая Нина Витальевна, кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры городского хозяйства, тел.: 89148723364, e-mail: bnv60@rambler.ru
Belookaya Nina, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Municipal Economy, tel.: 89148723364, e-mail: bnv60@rambler.ru
