CC BY
0УДК 666.981; 666.198
doi: 10.52470/2619046Х_2022_4_49
ПОЛИМЕРНЫЕ БАЗАЛЬТОВОЛОКНИСТЫЕ КОМПОЗИТЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
М.В. Бузаева, О.В. Агеева, И.А. Антипова
Аннотация. Рассмотрены особенности применения базальтового волокна в виде полимерных композитов для армирования бетонов. Базальтовое волокно характеризуется рядом преимуществ в сравнении с полимерными, стеклянными или углеродными волокнами. Благодаря природному происхождению даже после термообработки это минеральное волокно представляет собой экологически безопасный наполнитель для полимеров. Создание полимерных композитов из базальтоволокнистых материалов позволяет получать радиопрозрачные, сейсмостойкие бетонные изделия, взрыво- и огнебезопасные в том числе сложные сооружения и объекты. Модифицирование поверхности базальтового волокна может проводиться химическими и физическими методами. Результатом модифицирования является образование химических связей между фазами в композите и повышение степени адгезии с полимерной матрицей. Рассмотрены этапы производства композитной арматуры для бетонов из базальтового ровинга.
Ключевые слова: базальтовое волокно, полимерные композиты, армирование бетона, высокая прочность, долговечность.
POLYMER BASALT FIBER COMPOSITES IN CONSTRUCTION
M.V. Buzaeva, O.V. Ageeva, I.A. Antipova
Abstract. The features of the use of basalt fiber in the form of polymer composites for reinforcing concrete are considered. Basalt fiber is characterized by a number of advantages in comparison with polymer, glass or carbon fibers. Due to its natural origin, even after heat treatment, this mineral fiber is an environmentally friendly filler for polymers. The production of polymer composites from basalt-fiber materials makes it possible to obtain radio-transparent, seismic-resistant concrete products that are explosion- and fire-proof, including complex structures and objects. Modification of the surface of basalt fiber can be carried out by chemical and physical methods. The result of the modification is the formation of chemical bonds between the phases in the composite and an increase in the degree of adhesion with the polymer matrix. The stages of production of composite reinforcement for concrete from basalt roving are considered.
Keywords: basalt fiber, polymer composites, concrete reinforcement, high strength, durability.
Строительная отрасль является одним из крупнейших в мире потребителей полимерных композитов. Неармированные полимерные композиционные материалы давно применяются в строительной отрасли в качестве отделочных материалов и облицовки. Полимеры, армированные волокном, - относительно новый класс коррозионностойких, высокопрочных и легких материалов, которые получают все большее распространение в строительной отрасли [6]. Цель работы - сравнительный анализ физико-механических свойств полимерных композитов на основе базальтового волокна и композитов, армированных другими материалами, и особенностей производства данного типа наполнителей.
Основные области применения армированных волокном полимерных композитов в строительстве: создание цельнокомпозитных конструкций, включая здания и мосты, ремонт и восстановление бетонных, стальных, каменных и деревянных сооружений, упрочнение обычных и предварительно напряженных строительных конструкций и элементов [5; 9].
Бетонные сооружения и изделия, несмотря на высокие показатели прочности, обладают рядом недостатков: склонностью к усадке, растрескиванию, коррозии. Эти недостатки устраняют путем армирования. Для армирования традиционно использовались металлические сетки, проволока, прутки разного диаметра и прочее. Металлическая арматура характеризуется склонностью к отслаиванию из-за плохой адгезии к бетону, подвержена коррозии.
Главная отличительная черта композитной арматуры от металлических аналогов - ее устойчивость к агрессивному воздействию химических сред, в частности, к воздействию щелочей или кислот, хлористых солей, углекислого и сернистого газов. Теплопроводность композитной арматуры в 100 раз меньше, чем у металла; она предотвращает образование в конструкциях «мостиков холода». Полимерные композиты в 2 раза прочнее стали, а благодаря их низкому удельному весу (в 4 раза легче стали) снижаются затраты на транспортировку, погрузку-разгрузку, складирование, ускорение монтажных работ. Такая специфика данной арматуры не просто позволяет расширить области ее применения в строительстве, но и существенно увеличить межремонтный период строящихся объектов [1].
Внедрение в производство композитной арматуры повлекло за собой разработку норм проектирования, спецификаций материалов, руководств по проектированию, национальных и международных стандартов для композитов, используемых при армирования бетонов. Были введены в действие межгосударственный стандарт ГОСТ 31938-2012 «Арматура композитная полимерная для армирования бетонных конструкций. Общие технические условия», - нормативный документ, регламентирующий общие технические условия для композитной полимерной арматуры периодического профиля, предназначенной для армирования обычных и предварительно напряженных строительных конструкций и элементов, эксплуатирующихся в средах с различной степенью агрессивного воздействия, отвечающих требованиям огнестойкости по ГОСТ 30247 и пожарной безопасности по ГОСТ 30403-2012.
Армирующие композитные материалы на 75-80 % состоят из волокон, которые определяют прочностные характеристики композитных материалов и изделий. В полимерную матрицу при создании композитов в качестве армирующих материалов вводят углеродное, стеклянное, арамидное и базальтовое волокно. Базальтопластик выделяется из этого ряда материалов особыми свойствами. Это единственные волокна, которые производятся непосредственно из природного сырья. Благодаря термостойкости и практически инертному химическому составу [10] базальтовое волокно является экологически безопасным материалом (рисунок 1).
51.6%—59.3%
Рисунок 1. Химический состав базальтовых волокон [8]
В качестве армирующего компонента бетона базальт может использоваться в виде фибры - коротких кусочков базальтовых волокон или ровинга (жгутов из волокон). Фибры получают из расплавленных пород магматического происхождения, которые пропускают через фильеры (специальные формы с отверстиями), для получения волокон определенной толщины (от 0,5 до 20 микрон). Из полученных волокон формуют базальтовое волокно (ро-винг) - непрерывную прядь базальтовых комплексных нитей.
Более простым с технической точки зрения является армирование бетона добавлением фибры, которую называют также микроарматурой или объемным (дисперсным) армированием. Базальтовый ровинг используется в качестве армирующего наполнителя при производстве композитных материалов (базальтопластиков) и изделий на их основе с полимерными и неорганическими матрицами (связующими).
Независимо от способа армирования базальт придает таким полимерным композитам уникальные свойства (таблица 1). По сравнению с другими видами армирующих композитных материалов базальтопластики обладают лучшими эксплуатационными свойствами, а невысокие значения модуля упругости по сравнению с другими волоконными композитами достаточны для обеспечения необходимых механических свойств при армировании бетона. Кроме того, высокая термостойкость этого минерального наполнителя обеспечивает использование в диапазоне температур от -200°С до 700°С. Такой композит превосходит изделия из стали по многим параметрам: прочнее и легче по весу стальной проволоки сопоставимого размера, не корродирует, не вызывает растрескивания бетона, не проводит электрический ток и не создает электрическое поле. А также композиты с таким минеральным наполнителем обладают лучшей адгезией по отношению к бетону [2].
Таблица 1
Характеристики волокнистых полимерных композитных материалов [3]
№ Наименование Стеклопластик Углепластик Базальто-пластик Арамидо-пластик
1 Плотность, кг/м3 1800-2000 1450-1600 1900-2400 1250-136
2 Модуль упругости (модуль Юнга), ГПа 50-70 350 50 127-160
3 Предел прочности, МПа при растяжении 1700 2000-3000 1650 500-2500
при сжатии 410-1180 940-1290 5000 250-400
Выгодно отличается базальтовое волокно от стеклянных, углеродных и полимерных наполнителей композитов более высокими значениями термоизоляции, звукоизоляции, низкой гигроскопичностью (ниже, чем у стеклянных волокон в 6 раз); негорючестью; отсутствием дымления (например, при пожарах) [4].
В процессе производства базальтового волокна, использующегося в композитах, для увеличения адгезии проводят модифицирование поверхности. Поверхностное модифицирование базальтовых волокон бывает двух видов: физическое и химическое. Физическое модифицирование приводит к увеличению шероховатости поверхности, площади удельной поверхности, изменению микроструктурных характеристик волокна, формирующих механические центры сцепления его с полимерной матрицей. Химическое модифицирование базальтоволокна представляет собой процесс введения химических функциональных групп в его поверхностный слой, способствующее образованию химических связей между двумя фазами композита для повышения прочности.
В настоящее время технология модифицирования поверхности базальтового волокна в основном включает кислотно-щелочное травление, покрытие, плазменную обработку, обработку связующим агентом, обработку наноматериалами и проклейку.
В методе кислотно-щелочного травления поверхность базальтового волокна протравливается кислотой или основанием для создания шероховатости, бороздок или выступов, в результате полимерная смола прилипает к поверхности волокна, улучшая степень сцепления между волокном и полимером, что подтверждается данными сканирующей электронной микроскопии [10]. Увеличение удельной поверхности после подобного процесса протравливания наблюдается как при обработке кислотой, так и при воздействии растворов щелочи. При этом механические испытания базальтоплатиков на основе модифицированных волокон показали улучшение таких свойств, как прочность на растяжение и ударная вязкость композитов [11]. Эффект травления щелочью был выше, чем кислотная обработка.
Обработка связующим агентом (аппретом) также применяется для модифицирования поверхности волокна. Используют вещества с двумя различными типами функциональных групп, которые могут вступать в реакцию с волокнами и матрицей, образуя непрямую химическую связь между ними и улучшая прочность соединения. Для обработки поверхности базальтового волокна может быть использован аминопропилтриэтоксисилан. Результаты показали, что эпоксисилановые аппреты могут увеличивать прочность на растяжение и изгиб композитов на 30,25 и 11,65 % соответственно при армировании базальтовым волокном [7].
Сравнение стоимости базальтовой арматуры и производства армированных изделий из бетона по сравнению со сталью показывает, что базальтоплатиковое армирование особенно выгодно применять в средах с повышенной коррозионной агрессивностью. В зависимости от размера проекта и его сложности, даже при незначительном превышении стоимости базаль-топлатиковой арматуры, окончательная цена может быть ниже, за счет снижения стоимости транспортировки, обработки материалов, расходов на профилактические мероприятия или текущий ремонт. Базальтовая арматура - это вид продукции, который окупается со временем. Кроме того, цена на сталь более подвержена колебаниям. Напротив, базальтовая арматура гораздо более стабильна в цене.
1. Пропитка ровинга полимерным I—N. связующим
I—2. Отжим избытка связующего 3. Формирование
О
Рисунок 2. Изготовление композитной полимерной арматуры
1. Входной контроль сырья и
материалов 2. Приготовление связующего
Технологический процесс изготовления полимерной композитной арматуры методом пултрузии заключается в пропитывании базальтового ровинга полимерным связующим, с последующим протягиванием через систему фильер с постепенно уменьшающимся сечением. После формования арматурных стержней проводят полимеризацию смолы при нагревании. Технологический процесс состоит из нескольких этапов (рисунок 2).
В процессе производства проводится контроль за обрывом ровинга, за наличием связующего в ванночке, за появлением базальтового пуха на гребенках, фильерах, направляющих, который требует удаления. При изготовлении арматуры также контролируют внешний вид, диаметр и общую длину стержня.
Таким образом, базальтовое волокно, характеризующееся высокой прочностью, коррозионной стойкостью, стойкостью к высоким температурам и зачительным усталостным сопротивлением, в дальнейшем все активнее будет применятся при производстве полимерных композитов. Наиболее эффективным методом производства арматуры для бетона является пултрузия. Кроме улучшенных эксплуатационных характеристик, природное происхождение сырья и химическая стойкость делают базальтовое волокно многообещающим экологически чистым материалом с большим потенциалом в энергосистемах и строительстве.
Библиографический список
1. Базальтопластиковая арматура ROCKBAR // ГАЛЕН: композиты будущего. URL: https://galen-composite.ru/produkciya/armatura- rockbar/bazaltaplastikovaia-armatura-rockbar/ (дата обращения: 10.09.2022).
2. Базальтовое волокно: характеристики и свойства. URL: https://kamni.ws/?p=304#i-2 (дата обращения: 10.09.2022).
3. Знаменский М.В., Подгорный Л.Н., Шапошникв В.М. О перспективах применения композитной полимерной арматуры в корпусных конструкциях морских плавучих сооружений из армированного бетона // Морской вестник. 2017. № S1 (13).
4. Как сделать бетон прочнее. Базальтовая фибра: армируем без арматуры // CEMMIX. URL: https:// cemmix.ru/clauses/kak-sdelat-beton-prochnee-bazaltovaya-fibra-armiru (дата обращения: 10.09.2022).
5. Оснос С.П., Рожков А.И., Федотов А.А. Почему базальтовые непрерывные волокна станут основой производства армирующих и композиционных материалов в XXI веке // Композитный мир. 2022. № 1 (88).
6. Шишакина О.А., Паламарчук А.А. Полимерные композиционные материалы в строительстве // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2019. № 12-2.
7. Arslan C., Dogan M. The effects of silane coupling agents on the mechanical properties of basalt fiber reinforced poly(butylene terephthalate) composites // Compos. B Eng. 2018. 146.
8. Liu H., Yu Y., Liu Y., Zhang M., Li L., Ma L., Sun Y., Wang W. A Review on Basalt Fiber Composites and Their Applications in Clean Energy Sector and Power Grids // Polymers. 2022. 14. 2376. URL: https:// doi.org/10.3390/ polym14122376 (дата обращения: 10.09.2022).
9. Mosallam A.S., Bayraktar A, Elmikawi M., Pul S., Adanur S. Polymer Composites in Construction // An Overview. SOJ Mater Sci Eng. 2013. 2 (1). 25. DOI: http://dx.doi.org/10.15226/sojmse.2014.00107.
10. Wei B., Cao H.L., Song S.H. Tensile behavior contrast of basalt and glass fibers after chemical treatment // Mater. Des. 2010. 31.
11. Xu J.C., ZhangX.Y.; LiaoM., ZhouX.T., Wu Z.R. Production and properties of modified basalt fiber // Compos. Mater. 2018. 35.
М.В. Бузаева
доктор химических наук, доцент
заведующий кафедрой химии и технологии композиционных материалов Ульяновский государственный технический университет Е-mail: m.buzaeva@mail.ru
О.В. Агеева
кандидат биологических наук, доцент
начальник кафедры пожарной безопасности технологических процессов в составе учебно-научного комплекса пожарной безопасности объектов защиты Академия государственной противопожарной службы МЧС России, г. Москва Е-mail: O.Ageeva@academygps.ru
И.А. Антипова
студент направления подготовки «Материаловедение и технология материалов» Ульяновский государственный технический университет Е-mail: intir03@gmail.com
