CC BY
18УДК 666.971.4: 693.542.5: 693.554-486
В.А. ГУРЬЕВА1, д-р техн. наук (victoria-gurieva@rambler.ru);
А.И. КУДЯКОВ2, д-р техн. наук; Т.К. БЕЛОВА1, инженер (belova_tatyana_90@mail.ru)
1 Оренбургский государственный университет (460018, г. Оренбург, пр. Победы, 13)
2 Томский государственный архитектурно-строительный университет (634003, г. Томск, Соляная пл., 2)
Совершенствование технологии приготовления цементного раствора с модифицированными базальтовыми микроволокнами
Исследованы технологические приемы приготовления цементного раствора с модифицированными базальтовыми микроволокнами (МБМ). Установлены оптимальные последовательность введения компонентов и способ перемешивания растворной смеси, обеспечивающие равномерное распределение МБМ в растворе и повышение однородности параметров качества бетона. Предложен метод предварительного разделения базальтовых микроволокон в жидкой среде, обеспечивающий прирост прочности раствора при изгибе на 64,1%. При приготовлении растворной смеси с модифицированными базальтовыми микроволокнами в смесителе роторного высокоскоростного типа поочередным способом загрузки исходных компонентов повышаются прочностные характеристики и однородность раствора. Разработанные составы и технологические приемы приготовления цементно-песчаного раствора с модифицированными базальтовыми микроволокнами использованы при разработке технологического регламента и рекомендованы для устройства монолитных полов промышленных зданий.
Ключевые слова: цементный раствор, модифицированные базальтовые микроволокна, технологические приемы, однородность, монолитные промышленные полы.
Для цитирования: Гурьева В.А., Кудяков А.И., Белова Т.К. Совершенствование технологии приготовления цементного раствора с модифицированными базальтовыми микроволокнами // Строительные материалы. 2017. № 9. С. 54-57.
V.A. GURIEVA1, Doctor of Sciences (Engineering) (victoria-gurieva@rambler.ru),
A.I. KUDIAKOV2, Doctor of Sciences (Engineering), T.K. BELOVA1, Engineer (belova_tatyana_90@mail.ru)
1 Orenburg State University (13, Pobedy Avenue, 460018, Orenburg, Russian Federation)
2 Tomsk State University of Architecture and Building (2, Solyanaya Square, 634003, Tomsk, Russian Federation)
Improvement in Technology of Preparation of a Cement Mortar with Modified Basalt Micro-Fibers
Technological methods for preparation of the cement solution with modified basalt micro-fibers (MBM) have been studied. Optimal sequences of introducing components and the method for mixing the mortar mix, which provide the uniform distribution of MBM in the solution and improvement of the homogeneity of parameters of concrete quality, have been established. The method for preliminary separation of basalt micro-fibers in the liquid medium, which provides the increase in the bending strength by 64.1%, is proposed. When preparing the mortar mix with modified micro-fibers in the mixer of a rotor high-speed type, using the alternate method of loading of initial components, strength characteristics and homogeneity of the mortar are improved. Developed compositions and technological methods for preparing the cement-sand mortar with modified basalt micro-fibers are used when developing the technological regulation and recommended for construction of monolithic floors of industrial buildings.
Keywords: cement mortar, modified basalt micro-fibers, technological methods, homogeneity, monolithic industrial floors.
For citation: Gurieva V.A., Kudiakov A.I., Belova T.K. Improvement in technology of preparation of a cement mortar with modified basalt micro-fibers. Stroite'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 9, pp. 54-57. (In Russian).
При строительстве многофункциональных промышленных зданий и сооружений большое внимание уделяется применению инновационных строительных материалов и технологий [1]. В частности, при проектировании и устройстве монолитных растворных цементных полов в производственных помещениях со значительной интенсивностью механических воздействий рекомендуется применять микроармирующие минеральные или органические добавки [2—5].
Новым эффективным микроармирующим материалом для упрочнения цементного камня, бетонов и растворов являются модифицированные базальтовые микроволокна (МБМ) длиной 100—500 мкм, диаметром 8—10 мкм с углеродными наночастицами на их поверхности [6, 7]. При введении модифицированных базальтовых микроволокон в растворную смесь уменьшается ее расслаиваемость, формируется плотная структура цементного камня на микро- и наноуровнях, в результате чего существенно уменьшаются усадочные деформации, повышаются прочность при изгибе, трещино- и износостойкость цементного раствора [7, 8].
Однако при приготовлении растворной смеси в смесителях возникают технологические трудности с разде-
лением модифицированных базальтовых микроволокон в цементном тесте и обеспечением равномерного их распределения в объеме изготовляемой растворной смеси [9, 10].
Цель исследования — разработка технологических приемов приготовления растворной смеси с МБМ, обеспечивающих повышение однородности структуры и эксплуатационных показателей цементного раствора для устройства монолитных полов.
При проведении исследований применялись следующие сырьевые материалы: портландцемент ПЦ 500 Д0 Южно-Уральской горно-перерабатывающей компании, г. Новотроицк (ГОСТ 10178—85); песок для строительных работ Архиповского месторождения Оренбургской области с модулем крупности Мк=2,81 (ГОСТ 8735—88); суперпластификатор «Штайнберг GROS-63MC» (ТУ 5745-008-69867132-2011); модифицированные базальтовые микроволокна диаметром 8-10 мкм, средней длиной 100-500 мкм (ТУ 5761-014-13800624-2004), изготовленные ООО «НТЦ Прикладных нанотехноло-гий». На поверхность базальтовых волокон методом распыления суспензии нанесены полиэдральные многослойные наночастицы фуллероидного типа с межсло-
евым расстоянием 0,34—0,36 нм и средним размером частиц 60—200 нм.
При проведении экспериментальных исследований принят состав растворной смеси 1:3 (Ц:П) при В/Ц=0,42, обеспечивающий получение смеси с маркой по подвижности Пк4, необходимой для принятой трубопроводной технологии устройства полов промышленных зданий. В растворную смесь вводились МБМ в количестве 1% от массы цемента [8].
Испытание и оценка качества смеси, а также раствора проводились по ГОСТ 5802-86 и ГОСТ 28013-88. Прочность раствора при сжатии определялась на образцах-кубах размером 70,7x70,7x70,7 мм, а предел прочности раствора при изгибе — на образцах-балочках размером 40x40x160 мм. Образцы твердели в стандартных условиях. Минимальное количество образцов для каждого испытания принималось равным шести.
На первом этапе исследовались различные селективные технологические схемы приготовления цементно-песчаной растворной смеси с МБМ, отличающиеся последовательностью загрузки компонентов смеси и способом их перемешивания. Исследовалось четыре технологических приема введения МБМ и способа приготовления растворной смеси (табл. 1):
схема 1 - введение МБМ в предварительно приготовленную растворную смесь;
схема 2 - введение МБМ в предварительно приготовленную суспензию из цемента, пластифицирующей добавки и воды с последующим введением песка;
схема 3 - введение МБМ в сухую смесь цемента и песка, перемешивание до получения однородной массы сухих компонентов и последующее затворение их водой;
схема 4 - предварительное разделение базальтовых микроволокон в водном растворе с суперпластификатором «Штайнберг GROS-63MC» с последующим введением полученной дисперсии в отдельно приготовленную частично затворенную водой растворную смесь [9].
Зависимость прочности при изгибе цементно-песчаного раствора от дозировки МБМ смеси и способа разделения волокон: 1 - разделение волокон ультразвуком; 2 - механическое разделение
Растворные образцы испытывались в возрасте 28 сут твердения на сжатие и изгиб. По полученным значениям прочностных характеристик были вычислены коэффициенты вариации прочности. Результаты проведенных экспериментальных исследований представлены в табл. 2.
Как следует из табл. 2, максимальные значения прочностных характеристик при сжатии и изгибе (39,7 и 11,5 МПа соответственно) получены при предварительном разделении МБМ с частичным объемом воды за-творения и суперпластификатором. Коэффициент вариации прочности при сжатии снизился с 12,3 до 6,5%, а прочности при изгибе — с 10,7 до 5,8%, что свидетельствует о повышении однородности параметров качества раствора и более равномерном распределении модифицированных микроволокон в растворной смеси в сравнении с технологией традиционного смешивания компонентов. При введении модифицированных микроволокон в готовую растворную смесь наблюдалось
Таблица 1
№ этапа приготовления Схема 1 Схема 2 Схема 3 Схема 4
1 Ц+П+В+Д Ц+В+Д Ц+П Ц+П+В*
2 МБМ МБМ МБМ МБМ+В+Д**
3 - П В+Д 1+2
Примечание. Ц - цемент; П - песок; В - вода; Д - суперпластификатор; МБМ - модифицированное базальтовое микроволокно; *- смесь, затворенная с 70% водой затворения; **- предварительное разделение МБМ в водном растворе с суперпластификатором.
Таблица 2
№ схемы приготовления Предел прочности при изгибе Яизг, МПа Коэффициент вариации Уизг, % Предел прочности при сжатии Ясж, МПа Коэффициент вариации Усж, %
1 6,9 10,7 37,7 12,3
2 7,3 9,3 37,8 11,2
3 8,8 7,6 39,1 7,9
4 11,5 5,8 39,7 6,5
Таблица 3
Тип смесителя Способ загрузки компонентов Прочность при изгибе, МПа Коэффициент вариации прочности V, %
Контрольный С 1% МБМ Контрольный С 1% МБМ
Принудительный Поочередный 7,6 10,2 7,3 6,5
Одновременный 7 9,1 10,1 9,8
Роторный Поочередный 7,8 11,5 6,3 5,6
Одновременный 7,2 10,7 7,4 6,2
j j. ®
сентябрь 2017
55
неравномерное распределение их по объему растворной смеси, о чем свидетельствует снижение прочностных характеристик и повышение коэффициентов вариации прочности.
На втором этапе исследований для еще большего повышения эффективности разделения МБМ и равномерного их распределения в растворной смеси применялись специальные технологии: разделение волокон ультразвуком и разделение механическим способом путем создания высоких градиентов скоростей компонентов в суспензии воды с волокнами.
Разделение микроволокон ультразвуком проводилось с помощью ультразвукового диспергатора УЗД2-0,1/22. Разделение волокон механическим способом выполнялось с использованием высокоскоростного роторного дезинтегратора погружного типа IKA T 65 D ULTRA-TURRAX.
Указанными способами предварительно проводилось разделение МБМ в воде затворения с суперпластификатором, после чего полученная суспензия в требуемом количестве вводилась в частично затворенную водой растворную смесь. Во всех составах растворов цементно-песчаное и водоцементное отношение принято постоянным. При проведении исследований содержание МБМ в растворной смеси увеличивалось с шагом 0,2% от массы цемента.
Результаты испытаний образцов цементно-песчаного раствора с МБМ, приготовленного с применением различных методов разделения волокон, представлены на рисунке. Установлено, что механическое разделение модифицированных базальтовых микроволокон под воздействием высоких скоростей является наиболее эффективным. Прочность раствора при изгибе с содержанием волокон 1% от массы цемента увеличилась на 64,1% по сравнению с прочностью образцов контрольного состава.
Приготовление растворной смеси в технологическом процессе устройства монолитного пола целесообразно производить в циклическом смесителе. Поэтому на третьем этапе исследований рассматривались технологические режимы приготовления растворной смеси в смесителях принудительного и роторного
Список литературы
1. Angarskiy E.V., Piotrovich A.A. Prefabricated modular structures of industrial buildings made of folding sections as up-to-date construction method. Новые идеи нового века — 2017: материалы Семнадцатой Международной научной конференции. Хабаровск. 2017. Т. 3. С. 182-187.
2. Клюев С.В., Лесовик Р.В., Клюев А.В., Гинзбург А.В., Казлитин С.А. Фибробетон для тяжелонагруженных полов промышленных зданий. Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2013. 116 с.
3. Горб А.М., Войлоков И.А. Вопросы обеспечения долговечности и эксплуатационной надежности полов производственных зданий // Склад и техника. 2010. № 4. С. 38-43.
4. Баронов А.Е., Затеева Ю.С., Абрамов М.А. Совершенствование технологии устройства покрытий полов с упрочненным верхним слоем // 68-я Всероссийская научно-техническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием: Сборник материалов конференции. Ярославль, 2015. С. 754-757.
5. Каприелов С.С., Шейнфельд А.В., Кардумян Г.С. Новые модифицированные бетоны. М.: ООО «Типография Парадиз», 2010. 258 с.
6. Патент РФ 2355656. Бетонная смесь / Пономарев А.Н., Юдович М.Е. Заявл. 10.05.2007. Опубл. 20.05.2009. Бюл. № 14.
высокоскоростного типа, в которых приготовление растворных смесей различного состава осуществлялось по следующим схемам загрузки исходных компонентов: поочередной (цемент — песок — 70% воды затворения — МБМ с оставшейся частью воды затворения и суперпластификатором) и одновременной.
Результаты исследований по влиянию способа загрузки компонентов и состава раствора на прочность при изгибе и коэффициент вариации прочности представлены в табл. 3. В качестве контрольного состава принят состав с Ц:П=1:3 и В/Ц = 0,4 с 1% суперпластификатора «Штайнберг GROS-63MC» без содержания МБМ.
Как видно из табл. 3, при приготовлении растворной смеси в высокоскоростном роторном смесителе поочередным способом загрузки компонентов повышается ее однородность, а цементно-песчаный раствор характеризуется высоким пределом прочности при изгибе (11,5 МПа) и низким коэффициентом вариации прочности (5,6%). Следовательно, способ загрузки и перемешивания компонентов в смесителе оказывает влияние на равномерность распределения модифицированных базальтовых микроволокон в растворной смеси.
По результатам анализа проведенных экспериментальных исследований установлены оптимальные технологические приемы и режимы приготовления це-ментно-песчаного раствора с МБМ: поочередная загрузка компонентов: цемент, песок, 70% воды затворения, введение МБМ в виде суспензии с пластификатором и оставшейся частью воды затворения. МБМ предварительно разделяется в жидкой среде под воздействием высоких скоростей. Предварительное разделение МБМ в водном растворе «Штайнберг GROS-63MC» с дальнейшим введением в растворную смесь позволяет увеличить прочность при сжатии до 31,4%, при изгибе до 64,3% и снизить коэффициент вариации прочности до 5,6%. Результаты исследований использованы при разработке технологического регламента приготовления цементно-песчаного раствора с МБМ с улучшенными эксплуатационными характеристиками и рекомендованы для устройства монолитных полов промышленных зданий.
References
1. Angarskiy E.V., Piotrovich A.A. Prefabricated modular structures of industrial buildings made of folding sections as up-to-date construction method. New ideas of the new century — 2017: materials of the Seventeenth International Scientific Conference. Khabarovsk. 2017. Book 3, pp. 182-187.
2. Klyuev S.V., Lesovik R.V., Klyuev A.V., Ginzburg A.V., Kazlitin S.A.Fibrobeton dlja tjazhelonagruzhennyh polov promyshlennyh zdanij [Fiber concrete for heavy-duty floors of industrial buildings]. Belgorod: BGTU im. V.G. Shuhova. 2013. 116 p.
3. Gorb A.M., Voilokov I.A. Questions of ensuring durability and operational reliability of floors of production buildings. Sklad i tekhnika. 2010. No. 4, pp. 38-43. (In Russian).
4. Baronov A.E., Zateeva Ju.S., Abramov M.A. Improvement of technology of the device of coverings of floors with the strengthened top layer. Sixty-eighth All-Russian Scientific and Technical Conference of students, undergraduates and graduate students of higher educational institutions with international participation: Proceedings of the conference. Yaroslavl. 2015, pp. 754-757. (In Russian).
5. Kaprielov S.S., Sheinfel'd A.V., Kardumyan G.S. Novye modifitsirovannye betony [The new modified concrete]. Moscow: OOO «Tipografiya Paradiz». 2010. 258 p.
6. Patent RF 2355656. Betonnaya smes' [Concrete mix]. Ponomarev A.N., Yudovich M.E. Declared 10.05.2007. Published 20.05.2009. Bulletin No. 14. (In Russian).
7. Gurieva V.A., Belova T.C. Structural features of the cement-sand mortar reinforced modified basalt microfiber. Procedia Engineering. Materials of 2-nd International Conference on Industrial Engineering (ICIE-2016). 2016. Vol. 150, pp. 2163-2167.
8. Гурьева В.А., Кудяков А.И., Белова Т.К. Цементно-песчаный раствор с модифицированными микроволокнами для полов промышленных зданий // Вестник ТГАСУ. 2017. № 3. С. 118-126.
9. Кудяков А.И., Плевков В.С., Кудяков К.Л., Невский А.В., Ушакова А.С. Совершенствование технологии изготовления базальтофибробетона с повышенной однородностью // Строительные материалы. 2015. № 10. С. 44-48.
10. Elshekh A.E., Shafiq N., Nuruddin M.F., Fathi A. Evaluation the effectiveness of chopped basalt fiber on the properties of high strength concrete // Journal of Applied Sciences. 2014. Vol. 14. No. 10, pp. 1073-1077. Doi: 10. 3923/jas.2014.1073.1077.
7. Gurieva V.A., Belova T.K. Structural features of the cement-sand mortar reinforced modified basalt microfiber. Procedia Engineering. Materials of 2nd International Conference on Industrial Engineering (ICIE-2016). 2016. Vol. 150, pp. 2163-2167.
8. Gur'eva V.A., Kudyakov A.I., Belova T.K. Cement and sand solution with the modified microfibers for floors of industrial buildings. Vestnik of TSUAB. 2017. No. 3, pp. 118-126. (In Russian).
9. Kudyakov A.I., Plevkov V.S., Kudyakov K.L., Nevskiy A.V., Ushakova A.S. Improvement in manufacturing technology of basalt fiber concrete with increased uniformity. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2015. No. 10. pp. 44-48. (In Russian).
10. Elshekh A.E., Shafiq N., Nuruddin M.F., Fathi A. Evaluation the effectiveness of chopped basalt fiber on the properties of high strength concrete. Journal of Applied Sciences. 2014. Vol. 14. No. 10, pp. 1073-1077. Doi: 10. 3923/jas.2014.1073.1077.
II Международный симпозиум по долговечности и устойчивому развитию конструкционного бетона DSCS 2018
* Москва, 6-7 июня 2018 г.
Организаторы:
Итальянское отделение американского института бетона (ACI IC) и Российская инженерная академия (РИА) При участии Российской академии наук (РАН) и Российской академии архитектуры и строительных наук
(РААСН) Спонсоры конференции: Американский институт бетона (ACI) и его комитеты: C130 (Sustainability of Concrete), C201 (Durability of Concrete), C544 (Fiber Reinforced Concrete), C549 (Thin Reinforced Cementitious Products and Ferrocement); Международная федерация по конструкционному бетону (fib); Международный союз экспертов и лабораторий в области испытаний строительных материалов, систем и конструкций (RILEM)
Тематика симпозиума
Сокращение парниковых газов в цементной и бетонной промышленности
Рециклирование и организация удаления отходов в производстве бетонов и растворов Сульфоалюминатные цементы как альтернатива портландцементу и смешанным цементам Щелочеактивированные материалы и геополимеры для устойчивого строительства
Долговечность железобетонных конструкций Оценка жизненного цикла в строительстве из бетона Повторное использование и восстановление функциональности железобетонных конструкций Ремонт и эксплуатация Контроль, инспектирование и мониторинг Примеры из практики
Место проведения конференции: Российская академия наук, Москва, Россия
http://www.aciitaly.com/events/dscs2018 Секретариат симпозиума: ACI Italy Chapter Secretary (aciitalychapter@gmail.com) Российский секретариат: Леонид Иванов, региональная группа РИЛЕМ (l.a.ivanov@mail.ru); Сергей Бронин, Национальная группа ФИБ (bronin@list.ru).
j î . ®
сентябрь 2017
57
