CC BY
85УДК 69
ПРИМЕНЕНИЕ МОДИФИЦИРОВАННОЙ БАЗАЛЬТОВОЙ МИКРОФИБРЫ В БЕТОНЕ
В.К. Баженов, М.А. Червонцева
Аннотация. В статье рассмотрены возможности применения нанодобавок к строительным материалам, в частности, к бетону, а также применение добавок непосредственно к базальтовой микрофибре для армирования бетона фиброволокном.
Ключевые слова: фиброволокно, базальтовая микрофибра, термостабильность, углеродные астра-лены.
THE USE OF MODIFIED BASALT MICROFIBER IN CONCRETE
V.K. Bazhenov, M.A. Chervontseva
Abstract. The article deals with the possibility of using nano-additives to building materials, in particular to concrete, as well as the use of additives directly to the basalt microfiber for reinforcing concrete fiber.
Keywords: fiber, basalt microfiber, thermal stability, carbon astral.
Железобетон является самым широко используемым строительным материалом настоящего времени в силу многих достоинств, однако недостатки у этого материала тоже имеются. Один из наиболее существенных - это хрупкость. От времени и/или непогоды на бетонных поверхностях появляются трещины, и если их своевременно не заделать, то внутрь начинает проникать влага и, следовательно, будет ржаветь арматура, что критически опасно для устойчивости всей конструкции.
С проблемой хрупкости бетона борются различными методами - это и антикоррозионные присадки, и специальные покрытия стальных арматурных стержней, и добавки, усиливающие прочность бетонной смеси. Есть также целый арсенал средств для устранения уже образовавшихся трещин - стяжки, специальные составы, кевларовые полосы и прочее [1].
Таким образом, можно сказать, что в появлении новых более эффективных и менее дорогостоящих решений этой проблемы заинтересованы все.
На данный момент ученые предлагают интегрировать в бетон тончайшие нити сверхпрочной микрофибры, благодаря чему максимальная толщина трещин, которые могут образоваться в конструкции из такого бетона, будет не более 50 микрон (для сравнения - это тоньше человеческого волоса). За счет прочности материала края трещины дальше расходиться не будут, а такие миниатюрные отверстия вполне могут «залечиваться» самостоятельно.
Для этого необходимо, чтобы внутри образовавшейся полости была цементная крошка, которая при взаимодействии с влагой из воздуха «разбухает», заполняя мелкие повреждения. Подобный эффект можно назвать действенным только в случае действительно микроскопических трещин. Если размеры превысят несколько десятков микрон, то никакого чуда уже не произойдет. Кроме того, не все типы цемента имеют одинаково высокий «залечивающий эффект» (согласно некоторым исследованиям, ведущую позицию занимает портландцемент типа IV).
Экспериментировать с нанодобавками к строительным материалам начали еще в конце ХХ в. Было замечено, что при вмешивании в состав углеродных нанотрубок (рисунок 1) в количестве от 0,001 до 0,0001 % от доли расхода связующего вещества, прочностные и другие
МОСКОВСКИМ ИНФОРМАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ УНИВЕРСИТЕТ -МОСКОВСКИЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ
Рисунок 1. Углеродные нанотрубки
характеристики полученного материала повышаются до 40 %, а по некоторым параметрам - и в 2-3 раза.
Происходит это за счет того, что нанодобавки провоцируют рост кристалов в минеральном веществе, и их лучи, разрастаясь и переплетаясь между собой, придают материалу более высокую прочность. Этот процесс называется дисперсным самоармированем [2].
При этом прочность цементного камня увеличилось до 40 %, а бетона всего на 10 %. Это потому, что для него важнее микроармирование (рисунок 2).
Проблема в том, что непосредственное введение водной суспензии с нанотрубками неприемлемо для открытого производства, так как этот способ изготовления требует лабораторных условий, при которых обеспечивается равномерное распределение микропорции нанометалла заданной параметрами среде. В противном случае все это может выпасть в бесполезный осадок.
Пришлось отказаться от водной суспензии и попробовать нанести наноинициаторы самоармирования непосредственно на твердый наполнитель:
Рисунок 2. а) структура обычного цементного камня; б) камень, после добавления нанотрубок
МОСКОВСКИМ ИНФОРМАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ УНИВЕРСИТЕТ -МОСКОВСКИЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫМ ИНСТИТУТ
При использовании песка результат оказался лучше, структура бетона стала отчасти меняться на микроуровне, но материал был все-таки недостаточно прочным для своей себестоимости.
При применении базальтовой микрофибры технические характеристики полученного камня превзошли все ожидания. Также выяснилось, что для такого метода можно использовать более дешевые наночастиц (астралены). В итоге был разработан высококачественный прочный бетон, имеющий умеренную стоимость для применения в строительной промышленности.
Армирование бетона фиброволокном позволяет повысить прочность, устойчивость к агрессивным средам и перепадам температур и улучшить другие характеристики. Оптимальным волокном для этих целей является базальтовое [2] (рисунок 3).
Оно легче стального, не вызывает коррозии, и его цена существенно ниже. Также оно во многом превосходит полипропиленовые и стеклянные микрофибры, имеет высокие показатели:
- прочность на разрыв;
- адгезия;
- упругость;
- термостабильность;
- истираемость;
- химстойкость.
С появлением наномодификации, и без того выигрывающее почти по всем позициям базальтовое волокно получило еще несколько преимуществ:
- улучшена механика его работы в материале;
- расширен диапазон климатических условий его применения;
- модификация заключается в том, что на волокно нанесены наночастицы (углеродные астралены) [3].
Химические процессы, ими инициированные, приводят к усилению взаимодействия микрофибры с окружающими веществами, крепко «сцепляя» весь материал между собой в единое целое.
Рисунок 3. Базальтовое фиброволокно
МОСКОВСКИЙ ИНФОРМАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ -МОСКОВСКИЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ
Таблица 1
Экспериментальные данные
№ серии Кол-во МБМ, % от вяжущего Время смешивания, мин Диаметр пятна расплыва по Суттарду, мм Осадка конуса, см Относительная деформация усадки, %
1 (контрольная) 0 20 210 17 0,363
2 (разработанный способ) 7,5 20 170 13,8 0,180
В таблице 1 приведено сравнение экспериментальных данных образца бетона с добавлением обычной базальтовой фибры (1) и модифицированной (2)
Исследования проводились с целью понять преимущества применения нового материала. Главным критерием оценки был показатель усадки.
При испытании выяснилось, что относительная деформация усадки образца с наномо-дифицированной фиброй меньше на 50 %. Это значит, что конструкция, в которой использована данная модификация, будет менее подвержена изменению формы при застывании и высыхании бетонной смеси [3].
Также в ходе эксперимента зафиксировано, что в течении 10-15 минут перемешивания модифицированных фиброволокон, в смеси все еще наблюдались их сгустки и комки. То есть длительность этой процедуры лучше увеличить - для обеспечения более равномерного распределения волокон в объеме. Это единственный минус, в сравнении с обычной базальтовой фиброй, нет экономии времени [3].
Таблица 2
Основные характеристики МБМ
№о Наименование показателя Значение
1 Средний диаметр волокна, мкм 8...10
3 Средняя длина волокна, мкм 100-500
3 Содержание неволокнистых включений, % по массе, не более 10
4 Влажность, % по массе, не более 1
5 Плотность насыпная, кг/м3, не более 800
6 Содержание органических веществ, % по массе, не более 2
Стройматериалы изготовленные с ее применением, обладают следующими преимуществами:
- увеличение прочности на сжатие, разрыв, изгиб, растяжение а также усталостной и ударной, вне зависимости от температуры среды (рабочий диапазон применения МБМ от -2600С до +7500С);
- минимальные деформации при усадке;
- улучшение свойств водонепроницаемости и морозостойкости, а также устойчивости к агрессивным средам и механическим воздействиям;
- увеличение срока службы.
Область применения микрофибры базальтовой модифицированной, во многом диктуется ее размером - длина волокон менее 0,5 мм. Это позволяет использовать ее не только
Рисунок 4. Разлом фиброармированного камня
при изготовлении пено- и газобетонов, тротуарной плитки, кирпича, материалов для торкретирования (декоративные штукатурки и прочее), но и покрытий наносимых при помощи пневмонабрызга [4].
Таблица 3
Дозировка МБМ согласно ТУ 5761-014-13800624-2004
Применение Дозировка кг/м3
Пено- и газобетон неавтоклавный, автоклавный, монолитный 0,6-1,0
Сухие строительные смеси, штукатурка 1,0-2,5
Ремонтные составы на основе бетона, гипса 2,0-3,0
Бетонный пол, стяжка 1,5-2,5
ЖБИ 1,5-4,0
Декоративный бетон, малые архитектурные формы 2,5-5,0
Стекло-фибробетон 2,0-4,0
Торкретбетон 2,0-4,0
Керамзитобетон, шлакобетон 1,5-4,0
Тротуарная плитка 2,5-5,0
Древесно - цементные (абролитовые) блоки или плиты 1,5-4,0
Приведенные значения (таблица 3) носят рекомендательный характер, и в каждом конкретном случае оптимальные дозировки должны уточняться экспериментально в зависимости от состава смеси, необходимого результата и экономической целесообразности.
Получается что основным применением нанотехнологий в сфере строительства является изобретение микрофибры базальтовой модифицированной, а нанобетон - это одна из областей ее использования.
Библиографический список
1. Зайченко Н.М. Модифицированные цементные бетоны для устойчивого развития: учебное пособие. Саратов, 2018.
2. Зоткин А.Г. Бетоны с эффективными добавками. М., 2014.
МОСКОВСКИМ ИНФОРМАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ УНИВЕРСИТЕТ -МОСКОВСКИЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ
3. URL: https://beton-house.com/vidy/specialnye/nanobeton-783 (дата обращения: 23.06.2018).
4. URL: http://estp-blog.ru/rubrics/rid-5835/ (дата обращения: 23.06.2018).
В.К. Баженов
кандидат технических наук
доцент кафедры зданий и сооружений Российского университета транспорта (МИИТ), г. Москва
М.А. Червонцева
заведующий кафедрой строительства и городского хозяйства Московского информационно-технологического университета - Московского архитектурно-строительного института E-mail: Chervontseva.M@mfua.ru
