CC BY
22УДК 666.972:666.972.16
Л.А. УРХАНОВА1, д-р техн. наук ([email protected]),
С.А. ЛХАСАРАНОВ1, канд. техн. наук ([email protected]);
В.Е. РОЗИНА2, инженер ([email protected]); С.Л. БУЯНТУЕВ1, д-р техн. наук
1 Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления (670013, Республика Бурятия, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40B)
2 Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет (664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83)
Мелкозернистый базальтофибробетон с нанокремнеземом
Рассмотрены вопросы дисперсного армирования цемента и бетона тонким базальтовым волокном, полученным центробежно-дутьевым способом. Проведена оценка коррозионной стойкости базальтового волокна в составе цементной матрицы. Для повышения коррозионной стойкости базальтового волокна в составе фиброцементных композитов был использован нанодисперсный кремнезем, полученный на ускорителе электронов. Определены показатели тепловыделения цементных паст с различным содержанием нанокремнезема. Получен фибробетон с применением базальтового волокна и нанодисперсного кремнезема, с улучшенными физико-механическими и эксплуатационными характеристиками.
Ключевые слова: дисперсное армирование, фибробетон, портландцемент, базальтовое волокно, нанокремнезем, тепловыделение при гидратации.
L.A. URKHANOVA1, Doctor of Sciences (Engineering) ([email protected]),
S.A. LKHASARANOV1, Candidate of Sciences (Engineering) ([email protected]);
V.E. ROZINA2, Engineer ([email protected]); S.L. BUYANTUEV1, Doctor of Sciences (Engineering)
1 East Siberia State University of Technology and Management (40V, Klyuchevskaya Street, Ulan-Ude, 670013, Republic of Buryatia, Russian Federation)
2 National Research Irkutsk State Technical University (83, Lermnontova Street, Irkutsk, 664074, Russian Federation)
Fine Basalt-Fibrous-Concrete with Nano-Silica
Issues of the disperse reinforcement of cement and concrete with thin basalt fiber produced by the centrifugal-blown method are considered. The assessment of corrosion resistance of basalt fiber in the composition of the cement matrix is made. To improve the corrosion resistance of basalt fiber in the composition of fibrous-cement composites, the nano-silica obtained with the help of the electron accelerator is used. Indexes of heat emission of cement pastes with various content of nano-silica have been defined. Fibrous concrete with improved physical-mechanical and operational characteristics has been obtained with the use of basalt fiber and nano-disperse silica.
Keywords: disperse reinforcement, fibrous concrete, Portland-cement, basal fiber, nano-silica, heat emission during hydration.
Современное развитие строительного материаловедения связано с разработкой и внедрением модифицированных дисперсно-армированных бетонов с улучшенными характеристиками. Опыт применения фибро-бетонов в зарубежной и отечественной практике показывает, что рациональными областями использования таких бетонов является широкая номенклатура монолитных и сборных бетонных конструкций [1, 2]. Обладая значительными преимуществами, фибробето-ны пока не нашли широкого применения в строительстве. Вместе с тем задача их внедрения при обеспечении оптимальных показателей материалоемкости и себестоимости является актуальной. Ее успешная реализация позволит в полном объеме раскрыть потенциал дисперсно-армированных бетонов.
В качестве армирующего компонента фибробетонов используются различные металлические и неметаллические волокна [1—6]. Среди неметаллических волокон стоит отметить базальтовое волокно (БВ), обладающее рядом преимущественных характеристик для дисперсного армирования (высокая прочность, малое относительное удлинение при разрыве). Эффективное улучшение физико-механических, деформационных и эксплуатационных свойств базальтофибробетона возможно при использовании волокна, обладающего стабильными свойствами: однородным диаметром волокон, химическим составом, коррозионной стойкостью, отсутствием «корольков». Наиболее эффективным для дисперсного армирования бетона является использование базальтового ровинга и тонкого штапельного волокна [3, 4].
Байкальский регион богат различными минеральными сырьевыми ресурсами, в том числе месторождениями базальтов: Селендумское, Судунтуйское и др. Малотоннажное производство минерального волокна с использованием местных сырьевых ресурсов может
обеспечивать собственные нужды региона в теплоизоляционных материалах и изделиях. В Иркутской области и Забайкальском крае на основе нового плавильного агрегата — электромагнитного технологического реактора запущены мини-заводы по производству волокнистых теплоизоляционных материалов с применением базальтов местных месторождений [7, 8]. Применение электромагнитного технологического реактора для плавления базальта позволяет сократить затраты на оборудование и облегчает его эксплуатацию. Формование минерального волокна осуществляется центробежно-дутьевым способом, являющимся наиболее распространенным для производства минеральных волокон благодаря высокой производительности и относительной экономичности по сравнению с другими. Полученные минеральные волокна имеют следующие характеристики: средний диаметр волокон — 10 мкм, прочность при разрыве — 1350 МПа, температуростойкость — 600оС.
Применение для дисперсного армирования фибро-бетона базальтового волокна, полученного центро-бежно-дутьевым способом и обладающего менее однородными и стабильными качественными характеристиками по сравнению с базальтовым ровингом и тонким штапельным волокном, представляет интерес.
При использовании базальтовых волокон, имеющих химическое сродство с минералами портландцемента (ПЦ), необходимо учесть возможное взаимодействие, которое приведет к разрушению базальтового волокна и снижению армирующего эффекта. Для решения этой задачи используют различные приемы: термическая обработка волокна с целью повышения коррозионной стойкости, нанесение на волокна защитного слоя, введение кремнеземсодержащих добавок, связывающих образующуюся при гидратации известь [2—6]. Использование кремнеземсодержащих добавок, обла-
Ы ®
научно-технический и производственный журнал
июнь 2015
45
45 40
0 35
«в 30 ^ 25 |20 ■I 15 ^ 10 5 0
0
5
10
20
25
30
15 Время, ч
Рис. 1. Влияние нанокремнезема Таркосил®-05 на тепловыделение цемента: 1 - контрольный (без добавок); 2 - ПЦ+Таркосил®-05 (1%); 3 - ПЦ+Таркосил®-05 (3%)
дающих более высокой активностью к цементным минералам по сравнению с базальтовым волокном, позволяет снизить негативное действие среды твердеющего цемента и предотвратить тем самым коррозию волокна. В исследованиях [2] с целью разработки особовысоко-прочного тонкозернистого базальтофибробетона исследовано химическое взаимодействие базальтовых волокон с продуктами гидратации ПЦ. Введение в цементное вяжущее тонкодисперсных минеральных добавок
— микрокремнезема МК-85 и Силинома-ДБС позволяет снизить агрессивное влияние извести на базальтовое волокно и предотвратить его ослабление в матрице цементного камня.
Экспериментально установлено [3], что введение модификатора МБ 10-01 позволяет получать более однородную смесь, способствует снижению водосодержа-ния смеси и уменьшению энергоемкости приготовления смесей.
Целью работы явилось получение базальтофибробе-тона с применением наноразмерного кремнезема (НК)
— Таркосил®-05, обладающего гораздо более развитой удельной поверхностью по сравнению с микрокремнеземом и почти полностью аморфного. Ранее проведенные работы показали эффективность применения добавки Таркосил®-05 для получения высокопрочного бетона [9, 10]. Содержание добавки варьировалось в интервале 0,1—1% с увеличением прочности при сжатии бетона в 1,4—1,5 раза.
Наноразмерный кремнезем активно влияет на гидратацию ПЦ: его присутствие изменяет концентрацию ионов Са2+ 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. Исследование тепловыделения цементных паст показало увеличение максимальной температуры при введении нанокремнезема. Определение тепловыделения при гидратации цементных паст, содержащих нанопорошок Таркосил®-05, проводили термосным методом (рис. 1).
Как известно, в начальный период гидратации при соприкосновении частиц цемента с водой на контактной поверхности начинают идти реакции растворения безводных минералов клинкера. В результате происходит насыщение воды затворения и контактной зоны ионами Са2+, ОН- и другими. Быстрое насыщение водного раствора ионами Са2+ происходит за счет гидролиза алита С38, сопровождающегося выделением Са(ОН)2 [11]. При введении нанокремнезема Таркосил®-05 в количестве 1 и 3% происходит повышение максимальной температуры на 10—12 град. по сравнению с контрольным бездобавочным составом. При этом темп нарастания температуры более интенсивен по сравнению с контрольным составом, что свидетельствует об ускорении процессов гидратации ПЦ с НК. Это можно объяснить механизмом действия нанокремнезема на цементную систему, который оказывает благоприятное воздействие на структурообразование цементного камня.
Исследования по оценке химической стойкости базальтового волокна с целью качественного улучшения характеристик фиброцементных композиций показали, что с применением НК Таркосил®-05 можно снизить негативное действие среды твердеющего цемента и повысить коррозионную стойкость базальтового волокна [12]. Изучение спектров на поверхности скола базальто-фиброцементных композиций с помощью системы ШСА-х (ЦКП «Прогресс» ВСГУТУ) показывает, что в образце без НК элементарный состав поверхностного слоя волокна отличается количественным изменением содержания 81 и Са. На поверхности волокна содержание Са увеличивается на 26%, а содержание 81 уменьшается на 21%; К, № — до 0% (табл. 1, рис. 2).
Поверхность БВ при введении в состав композиций НК претерпела наименьшие изменения. Это говорит о том, что более активный НК связывает известь и создает дополнительные центры кристаллизации гидратных новообразований и активно влияет на гидратацию ПЦ. Введение НК позволило дополнительно получить низкоосновные гидросиликаты кальция типа С8Н (I), образование которых привело к улучшению физико-механических характеристик дисперсно-армированного материала.
100 мкт Электронное изображение 1 бОнил Электронное изображение 1
Рис. 2. Микроструктура базальтофиброцементных композиций: а - ПЦ+БВ (4%); б - ПЦ+БВ (4%)+Таркосил®-05 (0,5%)
научно-технический и производственный журнал £J\±Jг\i>\'::
46 июнь 2015 Ы ®
Таблица 1
Спектр C O Na Mg Al Si S K Ca Ti Fe
ПЦ+БВ (4%)
Спектр 1 4,52 47,99 - - 0,96 5,57 0,83 - 38,34 - 1,79
Спектр 2 - 32,87 1,2 2,45 9,9 27,21 - 3,18 12,43 1,38 9,77
Спектр 3 4,66 46,03 - 0,4 1,51 7,65 1,23 - 37,37 - 1,15
ПЦ+БВ (4%)+Таркосил®-05 (0,5%)
Спектр 1 1,73 50,64 0,44 0,69 2,61 8,82 1,08 0,82 30,2 0,24 2,74
Спектр 2 1,28 44,54 0,38 0,7 2,86 10,23 0,83 1,06 35,29 0,35 2,48
Спектр 3 - 33,47 1,07 1,99 8,75 24 0,17 3,84 12,64 1,61 12,4
Спектр 4 0,21 43,1 0,4 0,5 2,61 11,21 0,99 1,24 37,63 - 2,1
Таблица 2
Расход материалов на 1 м3 бетона, кг В/Ц Показатели технологичности бетонной смеси
портландцемент песок базальтовое волокно Таркосил®-05 Марка по удобоукладываемости (ОК, см) Расслаиваемость по водоотделению, %
550 1375 - - 0,4 П2 (7) 0,6
550 1375 22 - 0,4 П2 (8) 0,45
550 1375 22 2,75 0,4 П2 (9) 0,3
Таблица 3
Свойства Единицы измерения Показатели
Цементный бетон (контрольный) 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 3,5 2,5
Морозостойкость циклы 150 200 250
Усадка мм/м 2,7 1,6 1,1
При оптимизации составов мелкозернистого базальто-фибробетона (БФБ) варьировались следующие показатели: содержание базальтового волокна; НК Таркосил®-05; способ введения базальтового волокна и Таркосил®-05 в состав бетонной смеси. При варьировании этих параметров были определены технологические свойства бетонных смесей и физико-механические характеристики бетонов (табл. 2, 3). Так, высокая удельная поверхность частиц НК Таркосил®-05 по сравнению с частицами цемента способствует более высокой седиментационной устойчивости и улучшению показателя расслаиваемости бетонных смесей.
Состав базальтофибробетона с применением НК показал наилучшие свойства: увеличение прочности при
сжатии на 35%; прочности при изгибе — 65% относительно контрольного бездобавочного состава. Бетоны с применением НК характеризуются высокими эксплуатационными показателями.
Использование базальтового волокна, полученного центробежно-дутьевым способом и характеризующегося неоднородностью по основным характеристикам, с нанодисперсным кремнеземом позволяет получать высокопрочный мелкозернистый базальтофибробетон с улучшенными свойствами. В Байкальском регионе применение базальтофибробетона позволит повысить качество и снизить ресурсопотребление при строительстве дорожных и мостовых конструкций.
Список литературы
1. Пухаренко Ю.В. Реставрация и строительство: потенциал фиброармированных материалов и изделий // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 4. URL: www.science-education.ru/104-6582 (Дата обращения 25.02.2015).
2. Banthia N., Bindiganavile V., Jones J., Novak J. Fiber-reinforced concrete in precast concrete applications: Research leads to innovative products // PCI Journal.
2012. Vol. 3. Pp. 33-46.
3. Rybin V.A., Utkin A.V., Baklanova N.I. Alkali resistance, microstructural and mechanical performance of zirconia-coated basalt fibers // Cement and Concrete Research.
2013. Vol. 53, pp. 1-8.
4. Боровских И.В., Хозин В.Г. Изменение длин базальтовых волокон при его распределении в композици-
References
1. Pukharenko Y.V. Restoration and construction: the potential fiber reinforced materials and products. Sovremennyeproblemy v nauke i obrazovanii. 2012. No. 4. URL: www.science-education.ru/104-6582 (Date of access 25.02.2015). (In Russian).
2. Banthia N., Bindiganavile V., Jones J., Novak J. Fiber-reinforced concrete in precast concrete applications: Research leads to innovative products. PCI Journal. 2012. Vol. 3, pp. 33-46.
3. Rybin V.A., Utkin A.V., Baklanova N.I. Alkali resistance, microstructural and mechanical performance of zirconia-coated basalt fibers. Cement and Concrete Research. 2013. Vol. 53, pp. 1-8.
4. Borovskikh I.V., Khozin V.G. Changing the length of basalt fiber with its distribution in the composite binder of
научно-технический и производственный журнал
июнь 2015
47
онном вяжущем высокопрочных базальтофибробе-тонов // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2009. № 2 (12). С. 233-237.
5. Бучкин А.В., Степанова В.Ф. Мелкозернистый бетон высокой коррозионной стойкости, армированный тонким базальтовым волокном // Промышленное и гражданское строительство. 2013. № 1. С. 47-49.
6. Бабаев, В.Б., Строкова В.В., Нелюбова В.В., Савгир Н.Л. К вопросу о щелочестойкости базальтовой фибры в цементной системе // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2013. № 2. С. 63-66.
7. Буянтуев С.Л., Кондратенко А.С. Исследование физико-химических свойств минеральных волокон, полученных с помощью электромагнитного технологического реактора // Вестник ВСГУТУ. 2013. № 5 (44). С. 123-129.
8. Буянтуев С.Л., Могнонов Д.М., Бадмаев Б.Б., Пашинский С.Г., Малых А.В. Мини-завод по производству теплоизоляционных материалов из базальта на основе электромагнитного плавильного агрегата с низкими удельными энергозатратами // Вестник ВСГУТУ. 2012. № 1 (36). С. 139-144.
9. Урханова Л.А. Лхасаранов С.А. Наномодифици-рованные строительные материалы с использованием сырьевых материалов Забайкалья // Вестник ВСГУТУ. 2011. № 1. C. 61-66.
10. Урханова Л.А., Бардаханов С.П., Лхасаранов С.А. Бетон повышенной прочности на композиционном вяжущем // Строительные материалы. 2012. № 1. С. 32-33.
11. Бутт Ю.М., Сычев М.М., Тимашев В.В. Химическая технология вяжущих материалов. М.: Высшая школа. 1980. 472 с.
12. Урханова Л.А., Лхасаранов С.А., Розина В.Е. и др. Повышение коррозионной стойкости базальтофи-броцементных композиций с нанокремнеземом // Нанотехнологии в строительстве. 2014. Т. 6. № 4. С. 13-27. URL: http://nanobuild.ru/ru_RU/ (Дата обращения: 25.02.2015)
high strength fiber concretes. Izvestiya Kazanskogo gosudarstvennogo archinecturno-stoitel'nogo universiteta. 2009. No. 2 (12), pp. 233-237. (In Russian).
5. Buchkin A.V., Stepanova V.F. Fine-grained concrete with high corrosion resistance, fiber reinforced by thin basalt fiber. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2013. No. 1, pp. 47-49. (In Russian).
6. Babaev V.B., Strokova V.V., Nelyubova V.V., Savgir N.L. The question of alkali resistance of basalt fiber in cement system. Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo technologicheskogo universiteta imeni V.G. Shukhova. 2013. No. 2, pp. 63-66. (In Russian).
7. Buyantuev S.L., Kondratenko A.S. The study of physical and chemical properties of mineral fibers obtained by an electromagnetic technological reactor. Vestnik Vostochno-Sibirskogo gosudarstvennogo universiteta technologii i upravleniya. 2013. No. 5 (44), pp. 123-129. (In Russian).
8. Buyantuev S.L., Mognonov D.M., Badmaev B.B., Pashinski S.G., Malykh A.V. Mini-plant manufacture ofheat-insulating materials from basalt based on the electromagnetic melting unit with low rate energy consumption. Vestnik Vostochno-Sibirskogo gosudarstvennogo universiteta technologii i upravleniya. 2012. No. 1 (36), pp. 139-144. (In Russian).
9. Urkhanova L.A., Lkhasaranov S.A. Nanomodified construction materials using raw materials of Transbaikalia. Vestnik Vostochno-Sibirskogo gosudarstvennogo universiteta technologii i upravleniya. 2011. No. 1 (36), pp. 139-144. (In Russian).
10. Urkhanova L.A., Bardakhanov S.P., Lkhasaranov S.A. Concrete of improved strength on the basis of a composite binder. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2012. No. 1, pp. 33-34. (In Russian).
11. Butt Y.M., Sychev M.M., Timashev V.V. Khimicheskaya tekhnologiya vyazhushchikh materialov [Chemical technology ofbinders]. Moscow: Vysshaya shkola. 1980. 472 p.
12. Urkhanova L., Lkhasaranov S., Rozina V. Increased corrosion resistance of basalt reinforced cement compositions with nanosilica. Nanotehnologii v stroitel'stve: scientific Internetjournal. 2014. Vol. 6. No. 4, pp. 13-27. http://nanobuild.ru/ ru_RU/ (date of access 25.02.2015). (In Russian).
научно-технический и производственный журнал Q'TFOWT^ JJbrlbJ"
июнь 2015
