CC BY
28УДК 691.328.43
К.А. САРАЙКИНА1, канд. техн. наук ([email protected]), В.А. ШАМАНОВ1, канд. техн. наук, В.А. ГОЛУБЕВ1, канд. техн. наук; Г.И. ЯКОВЛЕВ2, д-р техн. наук
1 Пермский национальный исследовательский политехнический университет (614010, г. Пермь, ул. Куйбышева, 109)
2 Ижевский государственный технический университет им. М.Т. Калашникова (426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7)
Прогнозирование долговечности базальтофибробетона, модифицированного наноструктурными добавками
Рассматриваются вопросы долговечности базальтофибробетона (БФБ), модифицированного наноструктурными добавками. Основным критерием долговечности, как правило, принимают морозостойкость, которая зависит от многих факторов: прочности, плотности, водонепроницаемости и др. Учитывая специфику БФБ, не менее важным критерием долговечности следует считать сохранность армирующего волокна в цементной матрице. В результате проведенных исследований установлено, что комплексная модификация базальтфибробетона наноструктурными добавками в виде высокоактивного метакаолина и дисперсии многослойных углеродных нанотрубок обеспечивает повышение его долговечности и эксплуатационных характеристик. Это обусловлено защитой базальтового волокна от щелочной коррозии за счет снижения щелочности среды, уплотнения контактной зоны базальтовое волокно - цементный камень и управления составом и морфологией новообразований цементной матрицы по поверхности волокна.
Ключевые слова: базальтофибробетон, армирующие волокна, метакаолин, нанотрубки, базальтовое волокно, коррозия, цементный камень.
Для цитирования: Сарайкина К.А., Шаманов В.А., Голубев В.А., Яковлев Г.И. Прогнозирование долговечности базальтофибробетона, модифицированного наноструктурными добавками // Строительные материалы. 2017. № 1-2. С. 41-44.
K.A. SARAYKINA1, Candidate of Sciences (Engineering) ([email protected]), V.A. SHAMANOV1, Candidate of Sciences (Engineering), V.A. GOLUBEV1, Candidate of Sciences (Engineering); G.I. YAKOVLEV2, Doctor of Sciences (Engineering)
1 Perm National Research Polytechnic University (109, Kuibysheva Street, Perm, 614010, Russian Federation)
2 Kalashnikov Izhevsk State Technical University (7, Studencheskaya Street, Izhevsk, 426069, Russian Federation)
Prediction of Durability Basaltfiberconcrete Modified with Nanostructural Additives
The article deals with durability basaltfiberconcrete (BFC), modified by nanostructural additives. The main durability criterion usually take frost resistance which depends of many factors: the strength, density, water resistance, and others. Taking into account specificity of BFC, not less important durability criterion must be considered the safety of the reinforcing fiber in cement matrix. The investigations established the complex basaltfiberconcrete modification by nanostructural additives (high activity metakaolin and multi-walled carbon nano-tube dispersion) provides increased its durability and operating characteristics, due to the protection of basalt fiber from the alkaline corrosion by reducing the alkalinity, the contact zone of the seal basalt fiber - cement stone and control the composition and morphology of tumors cement matrix on the fiber surface.
Keywords: basaltfiberconcrete, reinforcing fibers, metakaolin, nanotubes, basalt fiber, corrosion, cement stone.
For citation: Saraykina K.A., Shamanov V.A., Golubev V.A., Yakovlev G.I. Prediction of durability basaltfiberconcrete modified with nanostructural additives. Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2017. No. 1-2, pp. 41-44. (In Russian).
Комплексной характеристикой качества конструкционных композиционных материалов является долговечность — способность сопротивляться внешним и внутренним факторам в течение длительного времени, т. е. способность материала сохранять в эксплуатационный период времени на допустимом уровне структурные характеристики (параметры), которые сложились в технологический (предэксплуатационный) период [1]. При этом свойства переходного слоя между компонентами композита, прежде всего прочность сцепления (адгезия) с компонентами, в большей мере определяют эксплуатационные характеристики композиционного материала и их стабильность во времени [2]. Основным критерием долговечности, как правило, принимают морозостойкость материала, которая зависит от многих факторов: прочности, плотности, водонепроницаемости, характера пористости и др. Учитывая специфику базальтофибробетона (БФБ), не менее важным критерием его долговечности следует считать сохранность армирующего волокна в цементной матрице.
Согласно исследованиям А.А. Пащенко кипячение базальтового волокна в течение 4 ч в насыщенном растворе гидроксида кальция соответствует 10 годам его нахождения в среде бетона [3]. Прогнозирование старения волокна в цементном бетоне в процессе его эксплуатации и оценка влияния ранее подобранных наноструктурных модификаторов [4] на свойства армирующего волокна и композита в целом осуществлялись по следующей методике.
Complex characteristic of structural composite materials quality is the durability — the ability to resist internal and external factors for a long time, i. e., the material ability saves the structural characteristics (parameters), which are formed in the process (pre-operation) period, in the operational period of time at an acceptable level [1]. Thus, the properties of the transition layer between the composite components, especially the adhesion strength (adhesion) with the components to a greater extent determine operational characteristics of the composite material and its stability in time [2]. The main criterion of durability, usually take the frost resistance of the material, which depends on many factors: strength, density, water resistance, the nature of the porosity, etc. Considering the specificity basaltfiberconcrete (BFC), not less important criterion for its durability should be considered as the safety of the reinforcing fibers in the cement matrix.
According to A.A. Pashchenko research basalt fiber boiling for 4 hours a saturated solution of calcium hydroxide equivalent to 10 years of its location in the environment of concrete [3]. Prediction aging fibers in cement concrete, during its operation, and assessment of the impact previously nanostructural modifiers [4] on the properties of the reinforcing fiber and composite as a whole was performed using the following procedure.
Basalt fiber for concrete reinforcement previously been subjected artificial "aging" by boiling it in a saturated solution of calcium hydroxide according to the procedure pro-
научно-технический и производственный журнал
Базальтовое волокно для армирования бетона предварительно подвергалось искусственному старению путем его кипячения в насыщенном растворе гидроксида кальция согласно методике, предложенной Ф.Н. Рабиновичем [5]. При этом в один образец раствора был добавлен высокоактивный метакаолин (ВМК) для связывания щелочи, имитируя его действие при добавлении в бетонную смесь. Количественно содержание гидроксида кальция [5] и метакаоли-на соответствует условиям их образования и применения в цементе, а содержание базальтовой фибры и многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ) принято на основании ранее полученных результатов — 0,4 и 0,005% от массы цемента соответственно [6]. Таким образом, изучение долговечности базальтофибро-бетона осуществлялось на различных составах (табл. 1)
После имитации старения базальтового волокна были изготовлены образцы немодифицированного и модифицированного базальтофиб-робетона, которые твердели при теп-ловлажностной обработке по стандартному режиму, после чего образцы были испытаны (табл. 2).
Как видно из данных табл. 2, образцы, содержащие состаренное волокно, показали снижение прочности на растяжение при изгибе до 15%, а прочности при сжатии — до 20% относительно образцов состава 1. При этом введение высокоактивного ме-такаолина и дисперсии многослойных углеродных нанотрубок позволило повысить прочность на растяжение при изгибе до 30%, а при сжатии — до 85% относительно состава 2с. Кроме того, при модификации базальтофиб-робетона наноструктурными добавками наблюдается повышение водонепроницаемости до W10, что подтверждает уплотнение структуры, которое способствует повышению долговечности композита, так как чем больше водонепроницаемость бетона, тем меньшее воздействие оказывает на него вода и растворенные в ней вещества.
Увеличение прочности и водонепроницаемости образцов базальтофибробетона, модифицированного на-ноструктурными добавками, следует связывать со снижением открытой пористости (водопоглощения по массе) более чем на 30%, обусловленным уплотнением межфазных слоев матрицы, заполнителя и армирующего компонента. Это подтверждается сравнительным анализом микроструктуры образцов различного состава (рис. 1), который показывает, что при совместном введении в состав базальтофибробетона оптимального количества наноструктурных добавок образуется наиболее выгодная упаковка компонентов в структуре композита, обусловленная изменением состава и морфологии новообразований на поверхности армирующих волокон и зерен заполнителя.
Кроме того, необходимо отметить, что при определении водонепроницаемости были испытаны образцы,
Таблица 1 Table 1
Состав Composition Содержание МУНТ, % Ц Content MWCNT, % of cement Содержание ВМК, % Ц Content HAM, % of cement Примечание Comment
1 - - БФБ (без предварительной обработки базальтового волокна) BFC (without pretreatment basalt fiber)
2с 2a - - БФБ, содержащий базальтовое волокно, подверженное искусственному старению BFC, containing basalt fibers, exposure to artificial "aging"
3м 3m 0,005 3 Модифицированный БФБ Modified BFC
4мс 4ma 0,005 - Модифицированный БФБ, содержащий базальтовое волокно, подверженное искусственному старению Modified BFC, containing basalt fibers, exposure to artificial "aging"
Таблица 2 Table 2
Состав Composition R^n МПа Flexural strength, MPa R^, МПа Compressive strength, MPa Поткр (Wm), % Open porosity, % Марка по водонепроницаемости Water resistance
1 5,45 32,4 6,19 W4
2с 2a 4,64 26,1 6,25 W4
3м 3m 6,1 51,8 4,31 W10
4мс 4ma 5,95 48,5 4,46 W10
Рис. 1. Структура образцов БФБ составов: а - 2с; b - 3м; с - 4мс Fig. 1. Basaltfiberconcrete structure of different compositions: а - 2a; b -
3m; с - 4ma
posed by F.N. Rabinovich [5]. Thus in one sample solution was added to the high activity metakaolin (HAM) for binding alkali imitating its action when added to the concrete mix. The quantify content of calcium hydroxide [5] and metakaolin correspond to conditions of their formation and use of the cement, and the content of the basalt fiber and multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) was made based on previous results — 0.4% and 0.005% by weight of cement, respectively [6]. Thus, the study of the durability basaltfiberconcrete was carried out on different formulations (Table 1).
After imitation the basalt fiber "aging" were produced samples of unmodified and modified basaltfiberconcrete that hardened during heat and humidity treatment at standard mode, after which the samples were tested (Table 2).
As can be seen from Table 2, the samples containing "aged" fiber showed a decrease in the flexural strength of 15% and a compressive strength of up to 20% relative to the
научно-технический и производственный журнал ■' i ■ ■ , ■, Г i ' Г I-1 ! liiJÎ
Рис. 2. Микроструктура образцов БФБ после испытания на морозостойкость состава: a - 2с; b - 4мс
Fig. 2. Basaltfiberconcrete microstructure after the test of frost resistance (different compositions): а -2a; b - 4ma
прошедшие тепловлажностную обработку, а, как известно [7], одной из особенностей бетона является то, что с увеличением его возраста водонепроницаемость повышается.
Принимая во внимание вышеобозначенный факт, можно предположить, что при дальнейшем наборе прочности образцов в благоприятных условиях будет происходить снижение проницаемости бетона. Метакаолин, взаимодействуя с гидроксидом кальция, образует гидроалюмосиликаты кальция [8], которые встраиваясь в матрицу, повышают плотность бетона, в то время как дисперсия нанотрубок способствует более полному протеканию процесса гидратации цемента и направленному формированию новообразований в теле бетона, за счет чего происходит кольматация пор и капилляров в матрице композита с образованием условно-закрытых микро-пор, вследствие чего происходит повышение водонепроницаемости базальтофибробетона.
Положительное влияние наноструктурных добавок на долговечность базальтофибробетона также подтверждается повышением морозостойкости модифицированного композита до F150, что превышает морозостойкость немодифицированного базальтофибробетона в 1,5 раза ^100), а контрольного цементно-песчаного раствора — в 2 раза ^75).
Как показывают результаты микроструктурного анализа (рис. 2), повышение долговечности базальтофибробетона по критерию морозостойкости следует связывать со значительным уплотнением структуры бетона, обусловленным заполнением межзерновых пустот и микропор продуктами взаимодействия метакаолина с портландитом (гидроалюмосиликатами кальция) и направленным их структурообразованием в межфазных слоях за счет введения МУНТ, что способствует кольма-тации капиллярной сетки в теле бетона и получению системы условно-закрытых микропор, препятствующих проникновению воды в тело бетона. Кроме того, струк-турообразование в твердеющем бетоне при тепловой обработке является комплексным процессом, при котором повышение температуры, с одной стороны, интенсифицирует процессы твердения, а с другой — приводит к усилению деструктивных процессов за счет темпера-турно-влажностных деформаций, вызванных контрак-ционными явлениями [9]. Таким образом, структурные дефекты, образованные при тепловлажностной обработке, создают дополнительную сеть капилляров и пор. В таких условиях кольматация пор в короткие сроки под действием модификаторов является менее эффективной в сравнении с бетонами, твердеющими в нормаль-но-влажностных условиях, что подтверждается результатами исследований различных авторов [10, 11].
По результатам проведенных ранее работ [12] установлено, что введение в состав фибробетонной смеси дисперсии многослойных углеродных нанотрубок способствует более полному протеканию процесса гидрата-
samples of composition 1. Thus the introduction of highly active metakaolin and multi-walled carbon nanotube dispersion possible to increase the flexural strength to 30%, and compressive strength — up to 85% relative composition 2a. Moreover, modification basaltfiberconcrete by nanostruc-tural additives observed improvement of water resistance to W10, which confirms the structure of the seal, which improves the composite durability, since the greater the water resistance of concrete, the less impact it has on the water and dissolved substances.
The increase in strength and water resistance basaltfiberconcrete samples modified nanostructural additives, should be associated with the reduction of open porosity (water absorption by weight) more than 30% due to seal matrix interfacial layers, filler and reinforcing component. This is confirmed by comparative analysis of the microstructure of samples of different compositions (Fig. 1), which shows that the joint administration optimum amount nanostructural additives in basaltfiberconcrete produced the most favorable packing components in the composite structure due to change in the composition and morphology of the tumors on the surface of the reinforcing fibers and the aggregate grains.
Furthermore, it should be noted that in determining the water resistance samples past heat and humidity treatment were tested, as is well known [7] one of the characteristics of concrete is that water resistance increases with increasing age.
Considering the expressed above fact, it can be assumed that a further increase strength of samples in favorable conditions, decrease permeability of the concrete will be. Metakaolin, interacting with calcium hydroxide to form a calcium hydroaluminosilicates [8] that "by embedding" with the matrix, increase the density of concrete, while the nanotube dispersion promotes a more complete the flow of the cement hydration process and towards the formation of tumors in the concrete body, thereby occurs colmatation pores and capillaries in the composite matrix to form conditionally closed micropores, thereby improving basaltfiberconcrete water resistance there is.
The positive effect on the durability of basaltfiberconcrete with nanostructural additives also confirmed an increase in the frost resistance of the modified composite to F150, which is higher than the unmodified basaltfiberconcrete frost resistance 1.5 times (F100), and the control cement-sand mortar
- 2 times (F75).
As the results of microstructural analysis (Fig. 2), increased basaltfiberconcrete durability the criterion of frost resistance should be associated with significant compaction structure of concrete caused by filling the intergranular voids and micropores reaction products of metakaolin with portlandite (calcium hydroaluminosilicates) and directed them to structure formation in the interfacial layers by introducing MWCNTs, which contributes to colmatation of the capillary network in the body of the concrete and obtain system provisionally closed micropores, preventing the penetration of water into the concrete body. Moreover, structure formation in the concrete hardening by heat treatment is a complex process in which the temperature increase from one side intensifies hardening processes, and on the other
— leads to an increase destructive processes due to temperature and humidity deformations caused by contraction phenomena of [9]. Thus, the structural defects formed at heat and humidity treatment creates additional network capillaries and pores. In such conditions colmatation pores in a short time under the influence of the modifier is less efficient in comparison with concretes, hardening in normal conditions, as evidenced by the different authors study results [10, 11].
According to the results of previous studies [12] found that the introduction of the fiber-reinforced concrete mix-
: j научно-технический и производственный журнал
ции цемента. Это приводит к появлению большого количества продуктов гидратации цемента, которые адсорбируются на поверхности углеродных нанотрубок и стимулируют рост формирующихся кристаллов. В свою очередь, введение высокоактивного метакаолина обеспечивает связывание свободного гидроксида кальция в гидроалюмосиликаты, обеспечивая тем самым защиту базальтового волокна от щелочной коррозии. В результате данных физико-химических процессов происходит уплотнение микроструктуры цементной матрицы, обеспечивающее повышение прочностных характеристик модифицированного базальтофибробетона. Подобная модель действия модификаторов в составе базальтофи-бробетона позволяет предположить, что за счет направленного роста кристаллов и уплотнения структуры гидроалюмосиликатами кальция уменьшается количество микропор и капилляров, способствующих фильтрации воды в тело бетона, повышая тем самым его эксплуатационные характеристики, а следовательно, и долговечность базальтофибробетонной композиции.
Список литературы
1. Бутт Ю.М., Куатбаев К.К. Долговечность автоклавных силикатных бетонов. М.: Стройиздат, 1966. 216 с.
2. Капитонов А.М., Редькин В.Е. Физико-механические свойства композиционных материалов. Упругие свойства. Красноярск: СФУ, 2013. 531 с.
3. Пащенко А.А., Сербин В.П., Паславская А.П. и др. Армирование неорганических вяжущих веществ минеральными волокнами / Под ред. А.А. Пащенко М.: Стройиздат, 1988. 200 с.
4. Сарайкина К.А., Голубев В.А., Яковлев Г.И., Поли-таева А.И., Сеньков С.А. Наноструктурирование цементного камня при дисперсном армировании базальтовым волокном // Строительные материалы. 2015. № 2. С. 34-38.
5. Рабинович Ф.Н. Композиты на основе дисперсно-армированных бетонов. Вопросы теории и проектирования, технология, конструкции: Монография. М.: АСВ, 2004. 560 с.
6. Сарайкина К.А., Голубев В.А., Яковлев Г.И., Федорова Г.Д., Александров Г.Н., Плеханова Т.А., Дулесова И.Г. Модификация базальтофибробетона нанодисперсными системами // Строительные материалы. 2015. № 10. С. 64-69.
7. Баженов Ю.М. Технология бетона. М.: Высшая школа, 1987. 415 с.
8. Яковлев Г.И., Галиновский А.Л., Голубев В.А., Сарайкина К.А., Политаева А.И., Зыкова Е.С. Наноструктурирование как способ повышения адгезионных свойств системы «цементный камень — армирующее базальтовое волокно» // Известия КГАСУ. 2015. № 2. С. 281—288.
9. Грановский А.Г. Структурообразование в минеральных вяжущих системах. Киев: Наукова думка, 1984. 299 с.
10. Алексашин С.В. Повышение морозостойкости и водонепроницаемости мелкозернистых бетонов для речных гидросооружений. Дис. ... канд. техн. наук. Москва. 2014. 114 с.
11. Пудов И.А. Наномодификация портландцемента водными дисперсиями углеродных нанотрубок. Дис. . канд. техн. наук. Казань. 2013. 185 с.
12. Сарайкина К.А., Голубев В.А., Яковлев Г.И., Сычугов С.В., Первушин Г.Н. Повышение коррозионной стойкости базальтового волокна в цементных бетонах // Строительные материалы. 2016. № 1—2. С. 27—31.
ture dispersion of multi-walled carbon nanotubes promotes a more complete the cement hydration process. This leads to a large amount of cement hydration products which are adsorbed on the surface of the carbon nanotubes and stimulate the growth of the crystals formed. In turn, the introduction of highly active metakaolin provides the binding of free calcium hydroxide in the calcium hydroaluminosili-cates, thereby ensuring the protection of basalt fiber from the alkaline corrosion. As a result of these physical and chemical processes going on compaction of the cement matrix microstructure, providing an increase of strength characteristics of the modified basaltfiberconcrete. This modifier action model as a part of basaltfiberconcrete suggests that due to the directional crystal growth and compaction structures by calcium hydroaluminosilicates, amount of micropores and capillaries to facilitate filtering water in the concrete body reduced, thus enhancing its performance characteristics, and therefore also basaltfiberconcrete composition durability.
References
1. Butt Yu.M., Kuatbaev K.K. Dolgovechnost' avtoklavnyh silikatnyh betonov [Durability autoclave silicate concretes]. Moscow: Stroyizdat. 1966. 216 p.
2. Kapitonov A.M., Red'kin V.E. Fiziko-mekhanicheskie svoystva kompozicionnyh materialov. Uprugie svoystva [Physical and mechanical properties of composite materials. Elastic properties]. Krasnoyarsk: SFU. 2013. 531 p.
3. Pashchenko A.A., Serbin V.P., Paslavskaya A.P. and etc. Armirovanie neorganicheskih vyazhushchih veshchestv mineral'nymi voloknami [Reinforcement of inorganic binders in mineral fibers]. Moscow: Stroyizdat. 1988. 200 p.
4. Saraykina K.A., Golubev V.A., Yakovlev G.I., Politaeva A.I., Sen'kov S.A. Nanostructuring of cement stone at disperse reinforcing with basalt fiber. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2015. No. 2, pp. 34-38.
5. Rabinovich F.N. Kompozity na osnove dispersno-armirovannyh betonov. Voprosy teorii i proektirovaniya, tekhnologiya, konstrukcii: monografiya [Composites based on fiber concrete. Questions of the theory and design, technology, design: a monograph]. Moscow: ASV. 2004. 560 p.
6. Saraykina K.A., Golubev V.A., Yakovlev G.I., Fedoro-va G.D., Aleksandrov G.N., Plekhanova T.A., Duleso-va I.G. Modification of dasaltfiberconcrete by nanodis-persed system. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2015. No. 10, pp. 64-69. (In Russian).
7. Bazhenov Yu.M. Tekhnologiya betona [The technology of concrete]. Moscow: Vysshaya shkola. 1987. 415 p.
8. Yakovlev G.I., Galinovskiy A.L., Golubev V.A., Saraykina K.A., Politaeva A.I., Zykova E.S. Nanostructuring as a method of adhesion properties increase of the «cement stone — basalt fiber reinforcement». Izvestiya KGASU. 2015. No. 2, pp. 281—288. (In Russian).
9. Granovskiy A.G. Strukturoobrazovanie v mineral'nyh vyazhushchih sistemah [Pattern formation in mineral binding systems]. Kiev: Nauka dumka. 1984. 299 p.
10. Aleksashin S.V. Increased frost resistance and water resistance of fine-grained concrete for hydraulic structures of rive. Cand. Diss. (Engineering). Moscow. 2014. 114 p. (In Russian).
11. Pudov I.A. Nanomodification of Portland cement with aqueous dispersions of carbon nanotubes. Cand. Diss. (Engineering). Kazan. 2013. 185 p. (In Russian).
12. Saraykina K.A., Golubev V.A., Yakovlev G.I., S.V. Sychugov, Pervushin G.N. The corrosion resistance increase of basalt fiber cement concrete. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2016. No. 1—2, pp. 27—31.
научно-технический и производственный журнал
Öi; '/л I' м:,;г.,т
