CC BY
33УДК 691.328
DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-772-7-16-20
О.В. ДЕМЬЯНЕНКО, преподаватель-исследователь (demyanenko.olga.v@gmail.com),
Н.О. КОПАНИЦА, д-р техн. наук (kopanitsa@mail.ru), Е.А. СОРОКИНА, магистр (rtak.5@mail.ru),
А.Н. НИЧИНСКИЙ, инженер (nan1983@mail.ru)
Томский государственный архитектурно-строительный университет (634003, г. Томск, Соляная пл., 2)
Физико-технические свойства фибробетонов с использованием вторичного минераловатного сырья
Перспективным строительным материалом для несущих конструкций зданий и сооружений являются дисперсно-армированные бетоны (фибробетоны), имеющие улучшенные деформативные характеристики, повышенную динамическую прочность и пониженную трещиностойкость. Известны исследования по изучению эксплуатационных характеристик дисперсно-армированных бетонов, где в качестве фибры применялись металлическая проволока, стекловолокно, полимерные и базальтовые волокна. Возможность применения в качестве фибры вторичного сырья в виде отходов минераловатного утеплителя на основе базальтовых горных пород (БФ) остается малоизученной. Результаты проведенных авторами исследований по оценке влияния фибры из отходов минераловатного утеплителя на физико-механические свойства тяжелых мелкозернистых бетонов показали, что введение в бетонную смесь базальтовой фибры из вторичного минераловатного сырья в количестве 1% от массы цемента позволяет повысить предел прочности при изгибе на 34%, при этом отмечено незначительное увеличение предела прочности при сжатии на 10% по сравнению с контрольными образцами. Результаты исследования микроструктуры цементного камня показали, что в образцах, армированных фиброй из вторичного минераловатного сырья, формируется однородная, плотная контактная зона на границе волокно/матрица за счет равномерного распределения фибры по объему бетона. Обоснована область применения вторичного минераловатного сырья в качестве армирующей добавки при производстве бетонных конструкций, подверженных динамическими нагрузками.
Ключевые слова: дисперсно-армированный бетон, фибробетон, фибра, стекловолокно, вторичное минераловатное сырье, ресурсосбережение.
Для цитирования: Демьяненко О.В., Копаница Н.О., Сорокина Е.А., Ничинский А.Н. Физико-технические свойства фибробетонов с использованием вторичного минераловатного сырья // Строительные материалы. 2019. № 7. С. 16-20. 00!: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-772-7-16-20
O.V. DEMYANENKO, Research Teacher (demyanenko.olga.v@gmail.com), N.O. KOPANITSA, Doctor of Sciences (Engineering) (kopanitsa@mail.ru),
E.A. SOROKINA, Master (rtak.5@mail.ru), A.N. NICHINSKY, Engineer (nan1983@mail.ru)
Tomsk State University of Architecture and Building (2, Solyanaya Square, 634003, Tomsk, Russian Federation)
Physical-Technical Properties of Fiber Concretes Using Recycled Mineral Wool Raw Materials
A promising building material for bearing structures of buildings and structures is disperse-reinforced concretes (fiber concrete), having improved deformation characteristics, increased dynamic strength and lowered crack resistance. There are studies on the operation characteristics of disperse-reinforced concretes, where metal wire, glass fiber, polymer and basalt fibers were used as fiber. The possibility of using secondary raw materials as a fiber in the form of waste of mineral wool heat insulator based on basalt rocks (BF??) remains understudied. The results of the studies conducted by the authors to assess the effect of fiber (BF) from waste of mineral wool insulator on the physical and mechanical properties of heavy fine concrete showed that the introduction of basalt fiber from secondary mineral wool raw materials into the concrete mixture in an amount of 1% of the cement mass makes it possible to increase the bending strength by 34%, at the same time, there was a slight increase in the compressive strength by 10%, compared with the control samples. The results of the study of the microstructure of cement stone showed that in the samples reinforced with fiber from secondary mineral wool, a homogeneous, dense contact zone at the fiber/matrix boundary is formed due to the uniform distribution of the fiber in the volume of concrete. The field of application of secondary mineral wool raw material as a reinforcing additive when producing concrete structures subjected to dynamic loads is substantiated.
Keywords: disperse-reinforced concrete, fiber concrete, fiber, fiber glass, secondary mineral wool raw materials, resource saving.
For citation: Demyanenko O.V., Kopanitsa N.O., Sorokina E.A., Nichinsky A.N. Physical-technical properties of fiber concretes using recycled mineral wool raw materials. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2019. No. 7, pp. 16-20. (In Russian). DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-772-7-16-20
Введение
В настоящее время одним из перспективных конструкционных материалов являются высотехноло-гичные бетоны, в которых для улучшения эксплуатационных свойств применяются различные комплексы добавок, в том числе и наноразмерные [1, 2]. При этом улучшение прочностных и реологических показателей качества материала достигается за счет дисперсного армирования бетонов. Армирование осуществляется волокнами фибры, равномерно рас-
пределенными в объеме бетона. Для армирования используют различные виды фиброволокон: стеклянные, полипропиленовые, базальтовые и многие другие [3—5]. Волокна различаются по своему составу, свойствам и способам производства, поэтому к решению вопроса об их применении следует подходить дифференцированно, с учетом возможности достижения требуемых эксплуатационных характеристик композиционного материала и технико-экономического обоснования.
16
июль 2019
j\jj ®
За последние годы объемы производства фибро-волокна с учетом спроса на него во всем мире непрерывно растут, во многих развитых странах фибро-волокно применяют в бетонных конструкциях в массовом производстве [6]. Например, базальтовая фибра ввиду своих высоких прочностных и коррозион-ностойких показателей применяется как в сборных железобетонных элементах, так и в монолитном строительстве, повышая физико-механические характеристики изделий и конструкций [7]. Но использование различных видов фиброволокна, помимо улучшения эксплуатационных характеристик, приводит к повышению стоимости конструкций зданий и сооружений [8—10].
Решением вопросов экономии, энерго- и ресурсосбережения при производстве фибробетона может стать использование техногенных отходов, в большом количестве получаемых при реконструкции и ремонте промышленных зданий и сооружений или коммуникационных сетей, где одним из основных отходов является минеральная или стеклянная вата.
Вопросы применения в качестве фибры отходов минераловатного утеплителя остаются малоизученными, а получение положительных результатов в таких исследованиях позволит не только снизить объемы применения фиброволокна, получаемого в заводских условиях, но и частично решить проблему утилизации техногенных отходов.
Цели работы и материалы исследований
Целью представленной работы является исследование физико-механических характеристик мелкозернистого фибробетона с использованием вторичного минераловатного сырья на основе базальтовых горных пород (БФ), при его утилизации после завершения эксплуатации или при реконструкции объектов.
Для изготовления фибробетона в качестве вяжущего применялся Топкинский портландцемент ЦЕМ I 42,5Н, отвечающий требованиям ГОСТ 31108—2016.
В качестве заполнителя применялся кудровский песок фракции 0,315—5 мм, отвечающий требованиям ГОСТ 8736-2014 и 26633-2015.
Для затворения бетонной смеси использовалась вода, удовлетворяющая требованиям ГОСТ 23732-2011. В качестве армирующего компонента использовалась базальтовая фибра (БФ) из вторичного минера-ловатного сырья. Основные характеристики и состав фибры представлены в табл. 1 и 2.
Методы испытаний и результаты исследований
Так как вторичное минераловатное сырье использовалось после реконструкции строительных объектов в виде небольших кусков, то перед введением в бетонную смесь эти куски измельчали в роторной ножевой мельнице. Определение диаметра и длины БФ из вторичного минераловатного сырья осуществлялось с помощью электронного микроскопа JCM-6000.
Таблица 1
Основные параметры базальтовой фибры из вторичного минераловатного сырья
Средний диаметр волокна, мм Средняя длина волокон, мм Влажность, не более, % Цвет
0,01-0,012 0,03-0,15 2 Желто-коричневый
Таблица 2 Оксидный состав базальтовой фибры из вторичного минераловатного сырья
Содержание оксидов, %
Na20 MgO AI2O3 Si02 K20 CaO TiO2 Fe203 Всего
3,82 13,11 8,75 41,85 0,67 26,8 0,72 4,28 100
Таблица 3
Режимы способов введения в бетонную смесь фибры
Способ приготовления Компоненты Время перемешивания, с Итого
1 (Ц + П + В) + БФ 60 с + 15 с 1 мин 15 с
2 ((Ц + П)+ БФ) + В 15 с + 15 с + 60 с 1 мин 30 с
Примечание. Ц - цемент; П - песок; В - вода; БФ - базальтовая фибра из вторичного минераловатного сырья.
Влажность БФ определяли по ГОСТ 6943.8-2015 методом определения массовой доли влаги и веществ, удаляемых при прокаливании. Цвет БФ определяли визуальным методом.
Определение свойств бетонной смеси - подвижности, плотности проводились в соответствии со стандартными методиками ГОСТ 7473-2010.
Для определения прочности мелкозернистого бетона при изгибе изготавливались образцы-балоч-ки 40x40x160 мм. Для определения предела прочности при сжатии изготавливали образцы-кубы 70,7x70,7x70,7 мм, после 28 сут твердения в нормальных условиях.
Для получения стабильных физико-механических показателей при армировании бетона базальтовой фиброй необходимо, чтобы она была равномерно распределена в объеме всей смеси [3, 6, 8, 9, 11]. Равномерное распределение базальтового волокна в смесителях принудительного действия возможно при применении специальных способов:
а) постадийное введение волокна в состав бетонной смеси;
б) раздельное перемешивание волокна с цементом в помольных и смесительных агрегатах и т. д. [10].
В работе была проведена оценка двух способов приготовления смеси по критерию однородности распределения фибры, отличающихся последовательностью загрузки материалов в бетоносмеситель:
а) первый способ - введение волокон в предварительно приготовленную смесь;
б) второй способ - введение волокон в сухую смесь компонентов с последующим затворением водой.
Таблица 4
Свойства фибробетонной смеси
Наименование состава Количество фибры, % от массы цемента Свойства бетонной смеси
Состав Осадка конуса, см Средняя плотность, кг/м3 В/Ц
1 Контрольный - 8 2250
2 С использованием БФ из вторичного 0,5 8 2253
3 1 7,6 2256 0,5
4 минераловатного 1,5 6,6 2260
5 сырья 2 5 2259
Таблица 5
Прочностные характеристики образцов с фиброй из вторичного минераловатного сырья
Состав Наименование состава Количество фибры, % Предел прочности, МПа, при изгибе/сжатии
7 сут 14 сут 28 сут
1 Контрольный - 8 / 31,6 8,6 / 34,8 9,3 / 38,8
2 С использованием БФ из вторичного минераловатного сырья 0,5 9,5 / 34,2 10,3 / 36,5 11,8 / 39,5
3 1 11,4 / 35,9 11,7 / 38,3 12,5 / 42,7
4 1,5 8,5 / 33,3 9 / 35,2 10,3 / 39
5 2 7,6 / 30,5 8,1 / 34,5 9 / 37,1
Микроструктура образца контрольного состава (а) и армированного БФ из вторичного минераловатного сырья (б) при увеличении Х2000
В табл. 3 приведены режимы исследуемых способов введения добавок.
Равномерное распределение волокон фибры в процессе приготовления смесей оказывает влияние на однородность физико-механических свойств материала и эффективность дисперсного армирования [4, 5, 12, 13]. При первом способе перемешивания в бетонной смеси волокна равномерно распределяются по всему объему; при втором способе волокна комкуются в пучки. Поэтому для проведения дальнейших исследований бетонная смесь готовилась первым способом, позволяющим получать при прочих равных условиях более однородное распределение волокна, а также сократить время приготовления смеси. Необходимо отметить, что полученные результаты относятся к фибре малой длины (до 0,15 мм).
Свойства фибробетонной смеси оценивались по показателям удобоукладываемости и плотности в зависимости от содержания БФ (табл. 4).
Соотношение цемента и песка в смеси принималось постоянным 1:3 при одинаковом В/Ц=0,5.
Из данных табл. 4 видно, что при введении БФ из вторичного минераловатного сырья более 0,5% удо-боукладываемость бетонной смеси существенно снижается — до 30%. При содержании БФ из вторичного минераловатного сырья более 1% перемешивание бетонной смеси затрудняется, волокна комкуются, что вызывает необходимость увеличивать В/Ц либо время перемешивания.
Значения прочностных характеристик при изгибе и сжатии образцов различных составов определялись в возрасте 7, 14 и 28 сут. Результаты оценки влияния содержания в бетонной смеси БФ из вторичного ми-
нераловатного сырья на прочностные характеристики представлены в табл. 5.
Анализ данных, представленных в табл. 5, показывает, что при введении до 1,5% БФ из вторичного минераловатного сырья происходит повышение прочностных показателей образцов при изгибе уже на 7-е сут твердения - от 18,8% (БФ=0,5%) до 42,5% (БФ=1%) по сравнению с контрольным составом. В составе 4 прочность образцов при изгибе повысилась несущественно, а в составе 5 понизилась на 3%. В 14 сут данная тенденция сохраняется, а к 28-м сут повышение прочности при изгибе стабилизируется: 26,8% (БФ=0,5%); 34,4% (БФ=1%). В составе 3 (БФ=1%) прочность при изгибе повышается во все сроки твердения относительно контрольных образцов — до 45%. Эта же тенденция сохраняется и при оценке показателей прочности при сжатии. С введением в бетонную смесь БФ из вторичного минерало-ватного сырья от 0,5 до 1,5% прочность при сжатии повышается в 7 сут от 3,7% (БФ=0,5%) до 13,6% (БФ=1%); в 14 сут от 4,8% (БФ=0,5%) до 10% (БФ=1%) и в 28 сут 1,8% (БФ=0,5%) до 10% (БФ=1%). В составах 4 и 5 прочность образцов при сжатии повысилась несущественно или (состав 5) даже понизилась.
На основании полученных экспериментальных данных можно сделать вывод, что наиболее высокий прирост прочности при изгибе и сжатии как в ранние, так и в поздние сроки твердения показал состав с 1% содержанием БФ из вторичного минераловат-ного сырья. При содержании более 1,5% БФ из вторичного минераловатного сырья наблюдается снижение прочностных показателей, кроме того, затрудняется перемешивание бетонной смеси,
образуются скопления волокон. Необходимо также отметить, что увеличение дозировки волокон повышает водопотребность бетонной смеси. Таким образом, можно сделать вывод о целесообразности применения БФ из вторичного минераловатного сырья в качестве армирующего компонента в дозировке не более 1%.
При введении в бетонную смесь армирующего компонента из минераловатных отходов меняется структура затвердевшего бетона. Фотографии микроструктуры образцов в 28-суточном возрасте представлены на рисунке. Структуру образцов цементного камня с БФ из вторичного минераловатного сырья оценивали с использованием растрового электронного микроскопа JCM-6000.
Образец контрольного состава (рисунок, а) характеризуется неоднородной структурой, включая поры и трещины. В образце идентифицируются гидрат-ные образования игольчатого типа, характерные для эттрингита, и пластинчатые — для портланди-та [1, 2, 7, 14-18].
У образца цементного камня, армированного БФ (рисунок, б), идентифицируется однородная чешуйчатая структура, объем новообразований по сравнению с контрольным цементным камнем увеличивается, что может быть связано с большим количеством центров кристаллизации. За счет разнонаправлен-ности волокон формируется плотная контактная зона между базальтовым микроволокном и цементной матрицей, что объясняет улучшение ее физико-механических характеристик.
Выводы
Представленные в работе результаты исследований позволяют сделать вывод о возможности применения волокон из вторичного минераловатного сырья на основе базальтовых горных пород в качестве армирующей добавки при производстве бетонных смесей для изделий и конструкций различного назначения. Установлено, что применение предложенных технологических приемов для изготовления фибробетона приводит к повышению предела прочности при сжатии до 18%, при изгибе — до 30%. Даны рекомендации по эффективному способу приготовления бетонной смеси с фиброй из вторичного минераловатного сырья. Экономический эффект применения фибробетона при незначительном увеличении стоимости его по сравнению с обычным обеспечивается за счет уменьшения или полного сокращения применения стержневой и проволочной арматуры, а также за счет повышения деформативных и динамических характеристик конструкций.
Список литературы / References
1. Копаница Н.О., Саркисов Ю.С., Демьяненко О.В. Применение нанодисперсного кремнезема в производстве строительных смесей //
Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2016. № 5 (58). С. 140-150.
1. Kopanitsa N.O., Sarkisov Yu.S., Dem'yanenko O.V. Use of nanodisperse silicon dioxide in production of construction mixes. Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. 2016. No. 5 (58), pp. 140-150. (In Russian).
2. Космачев П.В., Демьяненко О.В., Копаница Н.О., Скрипникова Н.К., Власов В.А. Композиционные материалы на основе цемента с нанодисперсным диоксидом кремния // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2017. № 4 (63). С. 139-146.
2. Kosmachev P.V., Dem'yanenko O.V., Kopanitsa N.O., Skripnikova N.K., Vlasov V.A. Composite materials on the basis of cement with nanodisperse dioxide of silicon. Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. 2017. No. 4 (63), pp. 139-146. (In Russian).
3. Abu-Obaida A., El-Ariss B., El-Maaddawy T. Behavior of short-span concrete members internally reinforced with glass fiber-reinforced polymer bars. Journal of Composites for Construction. Vol. 22. Iss. 5 (October 2018) https://doi.org/10.1061/(ASCE) CC.1943-5614.0000877
4. Demyanenko O.V., Kopanitsa N.O., Sarkisov Y.S., Abzaev Y.A., Ikonnikova K.V., Ikonnikova L.F. Quantitative phase analysis of modified hardened cement paste. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2017. Vol. 8. Iss. 9. DOI: https:// doi.org/10.1088/1755-1315/87/9/092008
5. Ionov V.V., Larionov S.A., Sarkisov Y.S., Kopanica N.O., Gorchkova A.V., Gorlenko N.P., Ikonnikova K.V. Tribological properties of hydraulic fluids modified by peat-based additives. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017. Vol. 177. Iss. 1. DOI: https://doi. org/10.1088/1757-899X/177/1/012108
6. Shin H.O., Lee S.J., Yoo D.Y. Bond behavior of pretensioned strand embedded in ultra-highperformance fiber-reinforced concrete. International Journal of Concrete Structures and Materials. 2018. No. 12 (1), pp. 1-13 DOI:https://doi.org/10.1186/ s40069-018-0249-4
7. Каспер Е.А., Бочкарева О.С. Мелкозернистые бетоны, дисперсно-армированные базальтовой фиброй // Системы. Методы. Технологии. 2015. № 1 (25). С. 135-138.
7. Kasper E.A., Bochkareva O.S. The fine-grained concrete reinforced by a disperse basalt fiber. Sistemy. Metody. Tekhnologii. 2015. No. 1 (25), pp. 135-138. (In Russian).
8. Xie J., Fang Ch., Lu Zh. Effects of the addition of silica fume and rubber particles on the compressive behavior of recycled aggregate concrete with steel fibers. Journal of Cleaner Production. 2018. Vol. 197. Part 1, pp. 656-667 https://doi.org/10.1016Xj. jclepro.2018.06.237
9. Ferrara L., Park Y.D., Shah Surendra P. A method for mix-design of fiber-reinforced self-compacting concrete. Cement and concrete research. 2007. Vol. 37. Iss. 6, pp. 957-971. https://doi.org/10.1016/j. cemconres.2007.03.014
10. Rybin V.A., Utkin A.V., Baklanova N.I. Corrosion of uncoated and oxide-coated basalt fibre in different alkaline media. Corrosion Science. 2016. Vol. 102, pp. 503-509. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2015. 11.004
11. Bicer K., Yalciner H., Balks A. P. Effect of corrosion on flexural strength of reinforced concrete beams with polypropylene fibers. Construction and building materials. 2018. No. 185, pp. 574-588. https://doi. org/10.1016/j.conbuildmat.2018.07.021
12. Рыбин В.А. Физико-химическое исследование базальтового волокна с защитными щелочестой-кими покрытиями. Дис. ... канд. хим. наук. Новосибирск. 20166. 143 с.
12. Rybin V.A. Physicochemical investigation of basaltic fibre with а protective alkaline steady coating. Diss. Candidate of Science (Engineering). Novosibirsk. 2016. 143 p. (In Russian).
13. Demyanenko O., Sorokina E., Kopanitsa N., Sarkisov Y. Mortars for 3D printing. MATEC Web of Conferences. Vol. 143. 2018. DOI: https://doi.org/ 10.1051/matecconf/201714302013
14. Gorlenko N.P., Sarkisov Yu.S., Kopanitsa N.O., Sorokina E.A., Gorynin G.L., Nihinskiy A.N. Finegrained concrete fibre-reinforced by secondary mineral wool raw material. Journal of Physics: Conference Series. Vol. 1118. Conference 1. DOI: https://doi.org/ 10.1088/1742-6596/1118/1/ 012059
15. Kwan A.K.H., Li L.G. Combined effects ofwater film thickness and paste film thickness on rheology of mortar. Materials and Structures. 2012. Vol. 45, pp. 1359-1374. DOI: https://doi.org/10.1617/ s11527-012-9837-y
16. Chen J.J., Kwan A.K.H. Superfine cement for improving packing density, rheology and strength of cement paste. Cement & Concrete Composites. 2012. Vol. 34. No. 1, pp. 1-10. DOI:https://doi. org/10.1016/j.cemconcomp. 2011.09.006
17. Wong V., Chan K.W., Kwan A.K.H. Applying theories of particle packing and rheology to concrete for sustainable development. Organization, technology & management in construction: an international journal. 2013. Vol. 5. No. 2, pp. 844-851. DOI: https://doi. org/10.5592/otmcj.2013.2.3
18. Dang C.N., Murray C.D., Floyd R.W., Hale W.M., & Martí-Vargas J.R. A correlation of strand surface quality to transfer length. ACIStructural Journal. 2014. No. 111 (5), pp. 1245-1252.
