CC BY
83
УДК 624.074.1+ 691.32/.34
ВПЛИВ БАЗАЛЬТОВОЇ ФІБРИ НА ВЛАСТИВОСТІ ЦЕМЕНТНИХ БЕТОНІВ
С.О. Бугаєвський, доцент, к. т. н., А.О. Цинка, інженер, ХНАДУ
Анотація. Досліджені властивості цементних бетонів з добавкою пластифікатора та базальтової фібри.
Ключові слова: базальтова фібра, суперпластифікатор, цементний бетон, міцність, водонепроникність, морозостійкість.
Вступ
Одним з найпоширеніших дефектів прольотної будови мостових споруд на автомобільних дорогах України є пошкодження захисного шару бетону. Для відновлення захисного шару бетону необхідно застосовувати матеріали, які б забезпечували довготривалий термін експлуатації споруди після ремонту.
Аналіз публікацій
Для покращення властивостей цементних бетонів до їх складу вводять в якості волокнистих наповнювачів різні волокна: сталеві, поліетиленові, поліпропіленові, нейлонові, базальтові, скляні, вуглецеві та інші (табл. 1) [1-9].
Найбільш розповсюдженим видом фібри яка застосовується в будівництві є сталева. Але вона має ряд недоліків пов’язаних з технологією приготування бетонних сумішей. Адже, щоб одержати якісну бетонну суміш, необхідно рівномірно розподілити волокна по всьому об’ємі бетону. Так при введенні стальної фібри її волокна можуть збиватися в грудки, утворюючи при цьому "сталеві їжаки", які потім у процесі перемішування майже неможливо роздробити та забезпечити однорідність суміші.
Іншим видом волокон для фібрового армування бетонів є скляні волокна. Для дисперсного армування бетону використовують спеціальне лугостійке скловолокно, тому що звичайне алюмобо-росилікатне (безлужне) скловолокно швидко кородує у лужному середовищі бетону, що твердіє, і вимагає спеціального захисту [4, 7-9].
Дисперсне армування підвищує не тільки міцніс-ні властивості цементобетону, але і поліпшує експлуатаційні характеристики прольотної будови, наприклад, стійкість до температурно-воло-
гісних впливів, зносу і т. ін., що дозволяє одержати істотний ефект при експлуатації мостів.
Для виробництва склофібробетонних виробів і конструкцій використовується устаткування НІІЗБ, фірми “Н.С.Т.”, ЦНІЮМТП (Росія), “Пау-ер-Спрайз” (Великобританія), що гарантує одержання склофібробетонних сумішей з необхідними властивостями і склофібробетона з заданими проектними характеристиками.
Виходячи з призначення склофібробетонів, їм надаються відповідні властивості за рахунок комбінації коротковолокнистих і довговолокнистих елементів скловолокнистої арматури і технології виготовлення.
Кінцеві властивості склофібробетону залежать від цілого ряду параметрів, таких, як метод виготовлення, склад суміші, тип використовуваного волокна, довжина й орієнтація волокон у суміші, застосовувані добавки і т.д.
Склофібробетон поєднав у собі властиву цементним бетонам високу межу міцності на стиск зі значно зростаючими, завдяки скловолокнистому армуванню, ударною міцністю (у 10-15 разів), міцністю на згин і розтяг (у 4-5 разів). Склофіб-робетонна суміш має винятково високі технологічні властивості при нанесенні на ремонтовану поверхню, при цьому не піддається корозії і має дуже високу пружність, тріщиностійкість, водонепроникність.
Склофібробетон наноситься шаром 5-20 мм, що дозволяє ремонтувати незначні по глибині пошкодження поверхні прольотної будови. Склофі-бробетон не містить металевої арматури і крупних заповнювачів, на нанесеній поверхні бетонної суміші немає пор і раковин, що обумовлює довговічність прольотної будови після ремонту.
Склофібробетон є ідеальним матеріалом для мостів. Він забезпечує більш високий рівень захисту сталевої арматури і більш високий опір проникненню хлоридів, ніж цементобетон тієї ж товщини.
Висока довговічність і стійкість до хімічної агресії дозволили широко використовувати склофіб-робетон в інженерних спорудах на МКАД і 3-му транспортному кільці м. Москви, як облицювання в автомобільних тунелях і шляхопроводах, в якості карнизних блоків на прольотних будовах, а також у складі систем водовідводу на швидкісних автомагістралях. За допомогою склофібробетон-них конструкцій побудовані автомобільні тунелі на Коровинському шосе, шляхопровід над Саве-лівською залізною дорогою, Ленінградська, Ярославська, Горьківська естакади спрямованого з’їзду на МКАД і т.д. Для армування фібробетону було використане лугостійке скловолокно марок СЦ-6, що випускаються НПО “Стекло” (Росія) у дослідно-промисловому масштабі (90-200 т в рік) [4].
У зарубіжний практиці для виготовлення склофі-бробетону широко використовується лугостійке скловолокно марки “Цем-Філ”, що розроблене і випускається у Великобританії. Дослідження фірми в напрямку удосконалення скловолокна привели до створення поліпшених лугостійких волокон, що збільшують довговічність, міцність і в’язкість руйнування склофібробетону [4]. Але значним недоліком скляної фібри є значна її вартість.
Базальтові волокна, отримані з базальту, представляють перспективний армуючий матеріал, на основі якого може бути створений фібробетон для ремонту захисного шару прольотних будов. Виробництво базальтових волокон збільшується, тому що сировиною служать гірські породи, а формування здійснюється подібно скляним волокнам фільєрним способом у різноманітному асортименті: штапельне волокно, нитки, ровинги та інше. Хімічний склад у залежності від родовища змінюється незначно [5, 6].
Україна і держави СНД мають у своєму розпорядженні необмежені ресурси гірських порід, таких як базальт, габро, діабаз, порфірит та інші, що представляють цінність не тільки як облицювальні матеріали, але і як однокомпонентна сировина для виробництва базальтових волокон з унікальними властивостями [5].
Базальтові волокна нетоксичні, володіють високими фізико-механічними характеристиками, підвищеною в порівнянні з мінеральними і скляними волокнами стійкістю до кислот і лугів, низьким коефіцієнтом теплопровідності, більш високою температурою застосування [4]. Ці властивості базальтових волокон і обумовлюють створення нових високоефективних будівельних матеріалів
для відновлення захисного шару прольотних будов.
Мета і постановка задачі
Метою роботи є розробка складу цементних бетонів з високими показниками міцності на стиск і згин, зчеплення нового бетону захисного шару з бетоном і арматурою прольотної будови, а також підвищеною водонепроникністю і стійкістю цього бетону до агресивних впливів. Такі властивості можуть забезпечити бетонні суміші з добавкою суперпластифікатора та дисперсноармуючих волокон (фібри).
Цементні бетони з добавкою фібри (фібробетон) мають, на відміну від полімербетонів, більш низькі значення усадочних деформацій при твердінні, менший коефіцієнт температурного розширення, більш високу тріщиностійкість. Це дозволить запобігти виникненню усадочних тріщин і відшаровуванню бетону відремонтованої ділянки від бетону прольотної будови, що експлуатувалася, а також забезпечить довговічність відновлених ділянок.
Задача дослідження полягає в одержанні економічних складів бетону для відновлення захисного шару прольотних будов залізобетонних мостів з використанням в якості його компонентів матеріалів вітчизняного виробництва.
Дослідження цементних бетонів
Вітчизняні і зарубіжні будівельні фірми та організації в якості суперпластифікаторів застосовують цілий ряд матеріалів різних виробників. Дослідження цементних бетонів з добавкою суперп-ластифікатора СП-7М проводилися в лабораторії заводу ЗБК Південної залізниці (м. Харків), НДІ “УКРДЩЕМЕНТ”, “Харківметробуд”, а також в дослідній лабораторії будівельних матеріалів та виробів проектного і науково-дослідного інституту “Харківський ПромбудНДІпроект”. Ці результати співвідносні з даними, отриманими в наших дослідженнях.
Добавка пластифікує бетонну суміш та прискорює набір ранньої міцності бетонів на 50 і 85 % після однієї та двох діб твердіння, відповідно. У віці 7 діб бетони перевищують марочну міцність на 25-30 %. Крім того, в лабораторії будівельних матеріалів та виробів “Харківського ПромбудН-ДІпроекту” визначалась міцність на стиск і при вигині, морозо- та корозійна стійкість бетонів класу В35 і В40 при укладці бетонної суміші шляхом ущільнення при вібруванні та методом набризку.
Бетони з добавкою СП-7М за технологічними параметрами, технічними і експлуатаційними властивостями співвідносяться з аналогами ремо-
нтних складів бетонів фірми “8іка”, але є більш доступним і менш дорожчим. Дослідження показали, що в деяких випадках можливо застосовувати замість суперпластифікаторів пластифікатори ІІ групи після лабораторних досліджень. Бетони з добавкою “Ультрапласт” мають міцнісні показники близькі до бетону з добавкою СП-7М.
Лабораторією науково-дослідного інституту будівельного виробництва були проведені дослідження впливу дисперсноармуючих добавок (фібр) для просторового мікроармування будівельних і технологічних розчинів. Результати досліджень наведені в табл. 2.
Нами досліджувався вплив базальтової та поліпропіленової фібри в комплексі з суперпластифі-котором СП-7М та пластифікатором II групи “Ультрапласт”. Добавки вводилися в раніш визначеній оптимальній кількості: 4 % СП-7М та
0,5 % “Ультрапласту” від маси цементу. Виробником базальтового волокна є “Бєлічеський завод теплозвукоізоляції” (смт. Коцюбинський Київської області); поліпропіленові волокна FIBERMESH виробництва SYNTHETIC INDUSTRIES (США), представництвом в Україні є ТОВ Фірма “Альпі-Львів”.
Таблиця 1 Фізико-механічні властивості армуючих волокон
Волокно Щільність, г/см3 Модуль пружності, МПа Міцність на розтяг, МПа Подовження при розриві, % Температура плавлення, °С
Вуглецеве 1,9 230000 2600 1,0...1,4 3500
Скляне (Е-скло) 2,6 76000 3450 2,0...3,5 730
Стальне 7,8 200000 200...500 ,5 т. 0, 1500
КуІоп-66 1,16 5500 980 18.3 254
Поліетиленове 0,95 300 0,7 8...12 149
Поліпропіленове 0,9 5000...7500 500...750 6...9 170
Поліамідне 1,14 4000...8000 800...1000 4,0...15,0 235
Арамідне 1,45 70000... 135000 3500...4000 2,0...4,0 450
Базальтове 2,65 90000... 120000 4100 3,1 1500
Таблиця 2 Результати досліджень бетону
Тест (одиниці) Метод Результати
Бетон з добавкою волокон Звичайний бетон (без волокон)
суміш №1 суміш №2 суміш №3
Міцність при вигині балочок 4 х 4 х 16 см, МПа: - після пропарювання; ГОСТ 5802 ГОСТ 310.4 4,1 3,8 4,2 3,7
- після витримки в звичайних умовах 7 діб 3,5 3,1 3,8 3,2
14 діб 4,4 4,2 4,9 4,5
28 діб 6,1 5,7 6,7 5,6
Міцність на стиск (половинок балочок), МПа: - після пропарювання; ГОСТ 5802 ГОСТ 310.4 74 73 75 72
- після витримки в звичайних умовах 7 діб 66 64 67 63
14 діб 73 72 75 70,4
28 діб 90 89 91 88
Стійкість на вплив ударів (до появи першої тріщини) ГОСТ 10180 -90 Ширина тріщини 0,03 мм Ширина тріщини 0,05 мм Ширина тріщини 0,01 мм Ширина тріщини 0,7 мм
Розподілення волокон - Добре розподілені Добре розподілені Добре розподілені Не проводилось
Морозостійкість ДСТУ Б.В.2.7 -50-96 Подовження не більше 0,04 % Подовження не більше 0,04 % Подовження не більше 0,04 % Подовження не більше 0,31 %
Склад Добавка В/Ц % води до контрольної бетонної суміші Осадка конуса, см Марка за зручно-укладальністю
Пісок Безлюдівського кар’єру Щебінь Новопавлівсько-го гранітного кар’єру Цемент ПЦ І -500-Н завод АТ “Балцем” Щ:П:Ц = 3,2:2,5:1 - 0,66 100 2,0...2,5 П1
4,0 % СП-7М фібра базальтова 0,56 85 1,0...2,0 П1
0,5 % “Ультрапласт” фібра базальтова 0,64 97 1,5...2,0 П1
4,0 % СП-7М фібра поліпропіленова 0,56 85 0,5...1,0 П1
0,5 % “Ультрапласт” фібра поліпропіленова 0,64 97 1,5...2,0 П1
Таблиця 4 Вплив добавки та фібри на міцність цементного бетону
Склад Добавка Розрахунковий опір, МПа Вік бетону, діб
1 3 7 14 28
Пісок Безлюдівського кар’єру Щебінь Новопавлівсько-го гранітного кар’єру Цемент ПЦ І -500-Н завод АТ “Балцем” Щ:П:Ц = 3,2:2,5:1 - ^виг 1,0 3,2 4,0 4,9 5,1
^ст 5,0 14,8 21,9 34,1 39,3
4,0 % СП-7М фібра базальтова ^виг 1,3 4,3 5,0 5,1 5,6
^ст 6,6 18,0 25,7 37,3 39,5
0,5 % “Ультрапласт” фібра базальтова ^виг 1,4 3,6 4,5 5,1 5,3
^ст 5,6 15,2 23,0 32,7 38,1
4,0 % СП-7М фібра поліпропіленова ^виг 1,6 4,7 5,2 5,4 5,8
^ст 8,2 19,1 27,2 39,5 40,7
0,5 % “Ультрапласт” фібра поліпропіленова ^виг 1,4 3,8 4,7 5,5 5,7
^ст 5,1 17,4 25,2 37,3 42,7
Таблиця 5 Властивості структури фібробетонів
Склад Добавка В/Ц Пористість Водопоглинання, №м, % Марка за водонепроникністю
X а за масою за об’ємом
Пісок Безлюдівського кар’єру Щебінь Редутського щебзаводу Цемент ПЦ ІІ/А-Ш-400-Н завод АТ “Балцем” Щ:П:Ц= 3,2:2,5:1 - 0,66 6,52 0,52 6,49 14,3 Ш 2...4
4,0 % СП-7М фібра базальтова 0,56 2,63 0,53 5,75 12,6 Ш 8.10
0,5 % “Ультрапласт” фібра базальтова 0,64 4,77 0,67 6,69 14,4 Ш 6.8
4,0 % СП-7М фібра поліпропіленова 0,56 2,75 0,57 5,92 13,0 Ш 8.10
0,5 % “Ультрапласт” фібра поліпропіленова 0,64 5,20 0,50 6,71 14,6 Ш 6.8
Умовні об'єми градієнтів Умовні об'єми градієнтів
7,00
6,00
5,00
6х-
н н Й н и 4,00
П и о Є 3,00
о д о т
2,00
1,00
0,00
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
3,13
ф бетон без добавок; ■ бетон з 4 % СП-7М+базальтова фібра; й бетон з 0,5 % Ультрапласту+базальтова фібра X бетон з 4 % СП-7М+поліпропіленова фібра; Ж бетон з 0,5 % Ультрапласта+поліпропіленова фібра
1 2 3 4 5 6
Рис. 1. Кінетика водопоглинання фібробетонів
5,0
■ бетон з добавкою 4,0 % СП-7М та базальтовою фіброю
0,67
",0,38 0,28 0,22 0,22 0,20 0,25 0,40
123456789 Градієнти пористості
4,0 -
.а 3,0
її
Ос
ю
о
■а
и
о
2
2,0
1,0 -
0,0
4,76
8
Години
□ бетон з добавкою "Ультрапласту" та базальтовою фіброю
0,5 %
0,71
0,30 0,23 0,14 0,12 0,12 0,13 0,18
123456789 Градієнти пористості
0
7
3.5 і
3.0 -
2.5
2.0
1.5 -1,0 -0,5
0,0
3,29
□ бетон з добавкою 4,0 % СП-7М та поліпропіленовою фіброю
0,78
0,39
0,27 0,23 0,20018 0,23
0,35
в
5,0
1 2 3 4 5 6 7
Г радієнти пористості
I 4’0 '
и
'І
& 3,0 і
о 2,0
’ІЗ
со
1,0
0,0
4,49
□ бетон з добавкою 0,5 % "Ультрапласту" та поліпропіленовою фіброю
0,69
=3°,310,230,180,140,180,180’31
123456789 Градієнти пористості
Рис. 2. Діаграми-характеристики пористості фібробетонів
Волокна мали довжину 19 мм і вводилися із розрахунку і кг фібри на і м3 бетону. Проаналізувавши технологічні властивості бетонних сумішей можна зробити висновок, що введення фібри призвело до зниження пластифікуючого ефекту добавок (табл. 3).
Міцнісні характеристики фібробетонів з добавкою СП-7М більші, ніж бездобавочних цементних бетонів (табл. 4). Фібробетон з базальтовим волокном підвищує міцність на стиск на 12-32 %, а також при вигині на 10-40 % у різні терміни твердіння. Фібробетон з поліпропіленовим волокном підвищує міцність на стиск на 9-64 %, а також при вигині на 12-60 % у різні терміни твердіння.
Поровий простір цементних бетонів з добавкою фібри характеризується зниженням показника середнього розміру відкритих капілярних пор X в 1,25...2,48 рази та незначним збільшенням показника однорідності розмірів відкритих капілярних пор а, у порівнянні з бездобавочним бетоном (табл. 5).
У кривих водопоглинання, які показують кінетику зміни швидкості поглинання води у часі, початкова ділянка найбільш крута, що вказує на поглинання води з більшою швидкістю, переважно порами крупних перерізів. Наступні ділянки, більш пологі, показують, що пори крупних перерізів вже заповнені і продовжується поглинання більш дрібними порами (рис. і, 2).
Висновки
Введення фібри до складу цементобетонної суміші призводить до зниження пластифікуючого ефекту добавок СП-7М та “Ультрапласт”.
Сумісне введення суперпластифікатору та фібри до складу цементобетонної суміші призводить до зниження середнього розміру відкритих капілярних пор в 1,25...2,48 рази та невеликим збільшенням показника однорідності розмірів відкритих капілярних пор, у порівнянні з бездобавочним бетоном.
Введення до складу цементобетону добавок пластифікатора та фібри підвищує міцність на стиск і при вигині в усі терміни твердіння на 10.50%, але це забезпечується в основному за рахунок введення добавок пластифікаторів. Незначний вплив добавки фібри свідчить про недостатню кількість введення її до складу бетонної суміші. Рекомендації виробників фібри потребують знач-
ного уточнення щодо збільшення її кількості при введенні (у декілька разів).
При застосовувані бетонних сумішей з добавкою фібри для ремонту прольотних будов мостових споруд методом монолітного бетонування необхідно підвищувати марку за зручноукладальністю до П2-П3, що забезпечить підвищення укладаль-ності цементного бетону.
Література
1. Моргун Л.В. К вопросу о технико-экономичес-
кой эффективности освоения технологии и применения фибробетонов в строительстве / Строительные материалы и изделия. - 2003. -№4. - С. 22-23.
2. Талантова К.В., Толстенёв С.В. Композит -
сталефибробетон в дорожном строительстве / Автомобильные дороги. - 1999. - №9. -С. 24-25.
3. Журавський О.Д., Цибульник І.О. Дослідження
плит, підсилених сталефібробетоном / Будівельні конструкції. - 2001. - №54. - С. 268270.
4. Фибробетон. Особенности и перспективы при-
менения в строительных конструкциях / СтройПРОФИль. - 2003. - №2.
5. Кадыкова Ю.А., Леонтьев А.Н., Васильева
О.Г., Артеменко С.Е. Полимерные композиционные материалы на основе волокон различной химической природы / Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - 2002. - №6- С. 10-11.
6. Лесков С.П. Мини-заводы для производства
базальтового волокна / Строительные материалы. - 2001. - №4. - С. 25-26.
7. Пащенко А. А., Сербин В.П., Глуховский В.В.
Армирование бетона стеклянными стержнями / Строительные материалы и конструкции. - 1986. - №4. - С. 32-33.
8. Анацкий Ф.И., Рудой В.М., Браунсдорфер И.А.,
Мясников В.Н. Применение стеклофибробетонных изделий при надстройке, реконструкции и утеплении зданий / Строительные материалы. - 1996. - №9. - С. 22-25.
9. Филимонова Н.В. Стеклофибробетон - матери-
ал, который нужен всем! / Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - 1999. - №3-4.
Рецензент: В.К. Жданюк, професор, д. т. н., X^^. Стаття надійшла до редакції 4 лютого 2005 р.
