Научная статья на тему 'Стойкость базальтовых волокон в различных средах'

Стойкость базальтовых волокон в различных средах Текст научной статьи по специальности «Строительство. Архитектура»

CC BY
184
83
Поделиться
Ключевые слова
ВОЛОКНА / СТіЙКіСТЬ / ТУЖАВЛЕННЯ / ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ / ПОРіВНЯННЯ / СТОЙКОСТЬ / ТВЕРДЕНИЕ / СРАВНЕНИЕ

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Деревянко В.Н., Саламаха Л.В., Кушнир Е.Г., Щудро Е.С., Смоглий А.Г.

Рассмотрены вопросы, связанные со стойкостью базальтовых волокон в различных средах, которые имитируют среду твердеющего портландцемента, в сравнении с другими стеклянными волокнами.

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Деревянко В.Н., Саламаха Л.В., Кушнир Е.Г., Щудро Е.С., Смоглий А.Г.,

Firmness of basalt fibres in various environments

The materials, concerning stability of the basalt fibers in different environment, that imitate the medium of hardening Portland cement, in comparison with other glass fibers are stated in the article.

Текст научной работы на тему «Стойкость базальтовых волокон в различных средах»

3. Баженов Ю. М. Технология бетонов: [учеб. пособ. для тех. спец. строит. вузов] / Ю. М. Баженов. [2-е изд.]. - М. : Высшая школа, 1987.- 415 с.

4. Волженский А. В. Минеральные вяжущие вещества: [учебник для вузов] / А. В. Волженский. [4-е изд.]. - М. : Стройиздат, 1986.- 464 с.

5. Справочник по производству теплоизоляционных и акустических материалов: [изд. по строит.] / под ред. В. А. Китайцева.- М. : 1964.-524 с.

6. Текунов Ю.Н. Теплоизоляция промышленного оборудования и трубопроводов / Ю. Н. Текунов.- М. : Стойиздат, 1985. - 453 с.

7. Ахтямов Р.Я. Применение эффективных теплоизоляционных материалов и жаростойких бетонов в футеровках печей обжига керамического кирпича / Р. Я. Ахтямов // Строительные материалы. - 2004. - № 2. - С. 26-28.

8. Стрелов К. К. Теоретические основы технологии огнеупоров / К. К. Стрелов.- М. : Металлургия, 1985. - 480 с.

9. Стрелов К. К. Структура и свойства огнеупоров / К. К. Стрелов. М. : Металлургия, 1982.- 208 с.

10. Меркин А. П. Ячеистые бетоны: научные и практические предпосылки дальнейшего развития / А. П. Меркин // Строительные материалы. - 1995. -№ 2. - С. 11-13.

11. Справочник. Строительные машины / под ред. В. А. Баумана. [2-е изд.]. - М. : Машиностроение, 1977.- 496 с.

12. Гузман И. Я. Высокоогнеупорная пористая керамика / И. Я. Гузман.- М. : Металлургия, 1971. - 208 с.

13. Технология теплоизоляционных материалов: [учеб. для вузов] / Ю. П. Горлов,

A. П. Меркин, А. А. Устенко.- М. : Стройиздат, 1980. - 399 с.

14. Глуховский В. Д. Основы технологии отделочных тепло- и гидроизоляционных материалов / В. Д. Глуховский, Р. Ф. Рунова. К. : Высшая школа, 1988.-376 с.

15. Завадский В. Ф., Путро Н. Б., Максимова Ю. С. Поризованная строительная керамика // Строительные материалы. - 2004. - № 2. - С. 50 -51.

16. Горлов Ю. П. Технология теплоизоляционных материалов и изделий / Ю. П. Горлов.-М. : Высшая школа, 1989. - 384 с.

17. Иванов И. А. Технология легких бетонов / И. А. Иванов.- М. : Стройиздат, 1974.

-287 с.

18. Баранов И. М. Промышленная тепловая изоляция. Применение и производство / И. М. Баранов // Строительные материалы. - 2004. - № 5. - С.25.

19. Тепловая изоляция. Справочник строителя / В. Г. Кузнецов, В. И. Бельский,

B. П. Горбачев и др.: под ред. Г. Ф. Кузнецова. - М. : Стройиздат, 1985. - 421 с.

20. Баранов И. М. Пенобетон неавтоклавный на золосиликатном вяжущем / И. М. Баранов // Строительные материалы.- 2009. - № 8. - С. 28-29.

УДК 666.983

СТОЙКОСТЬ БАЗАЛЬТОВОГО ВОЛОКНА В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ

В. Н. Деревянко, д. т. н, проф., Л.. В. Саламаха, аспир., Е. Г. Кушнир, аспир., Е. С. Щудро, студ., А. Г. Смоглий, студ.

Ключевые слова: волокна, стойкость, твердение, портландцемент, сравнение.

Постановка проблемы. Применение в строительстве высокопрочных бетонов неразрывно связано с высокой чувствительностью таких бетонов к трещинообразованию. В качестве эффективного средства повышения прочности при растяжении и изменения трещинообразования высокопрочных бетонов в настоящее время рассматривается дисперсное армирование бетона. Для этого используются различные виды металлических и неметаллических волокон минерального или органического происхождения.

Базальтовые волокна отличаются от других минеральных волокон не только своими высокими физико-механическими свойствами, но и повышенной химической стойкостью, температуро-, свето- и атмосферостойкостью, но и, что немаловажно, простотой технологии производства, невысокой стоимостью и экологической безопасностью. При применении этих волокон в качестве армирующих компонентов для изготовления дисперсно-армированных

композиционных материалов можно исключить ряд проблем, связанных, например, с коррозией стальных фибр в аналогичных условиях применения [1].

Однако исследованиями установлено, что все минеральные волокна, независимо от химического состава, вступают в химическое взаимодействие с растворами, имитирующими среду твердеющего бетона и портландцемента [2].

Состав и свойства среды твердения неорганических вяжущих веществ, в частности жидкой фазы, оказывают существенное влияние на прочность цементного камня и композиций на его основе.

Анализ публикаций. Несмотря на обширные исследования в области гидратации цементов, многие вопросы о составе и свойствах продуктов, образующихся при твердении, остаются спорными и до сих пор. Растворимость щелочных фаз портландцементного клинкера в воде исследовалась многими учеными. На основе полученных результатов можно сделать вывод, что щелочные фазы гидратируются быстро. Многие фазы, содержащие Ка20, очевидно, растворяются быстрее, так что в большинстве цементов вся Ка20 переходит в раствор раньше, чем К20. Можно полагать, что благодаря быстрой гидратации одна или несколько щелочных фаз могут способствовать росту прочности цементных продуктов. Для портландцементов и его разновидностей характерно то, что уже в первые часы затворения в жидкой фазе устанавливается значение рН, соответствующее величине насыщенного раствора Са(0Н)2 или близкое к ней. Это значение мало меняется с течением времени [3].

В коррозионных процессах наряду со щелочами принимает участие Са(0Н)2. Исследования показывают, что Са(0Н)2 способствует выводу кремнекислоты из раствора, восстанавливает концентрацию щелочи и создает благоприятные условия для дальнейшего перевода части кремнезема в раствор. Твердые продукты реакции накапливаются у поверхности зерен заполнителя, что несколько уменьшает скорость диффузии щелочи.

Цель исследований. Определение степени коррозионной стойкости базальтовых волокон в среде твердеющего портландцемента.

Основной материал. Таким образом, среда твердения портландцемента имеет щелочной характер. Жидкая фаза твердеющего цемента может содержать 0,1-0,5 г/л Са(0Н)2 и 0,1-2% Я20 №0 и К20) [3].

В процессе твердения портландцемента в результате реакций гидролиза и гидратации клинкерных минералов жидкая фаза обогащается гидрооксидом кальция - Са(0Н)2. Поэтому изучение взаимодействия волокон с раствором Са(0Н)2 - основным компонентом жидкой фазы портландцемента - является необходимым условием применения минеральных волокон в дисперсно-армированных композициях. Проведенные исследования [2] показывают, что химическое взаимодействие между раствором Са(0Н)2 и волокнами приводит к увеличению массы последних. Поглощение ионов Са2+ различными волокнами протекает более интенсивно в начальный период и более значительно для волокон бесщелочного и щелочного стекла, чем для базальтовых волокон (рис. 1).

На поверхности волокон после их выдержки в течение 100 ч при 90 0С наблюдается появление новообразований. Однако данные изменения характерны для щелочных, бесщелочных и кварцевых волокон. Поверхность циркониевых и базальтовых волокон изменилась незначительно. Прочность при растяжении волокон всех исследуемых видов после взаимодействия с раствором Са(0Н)2 при 20 0С и 90 0С снижается.

Комплекс описанных исследований показывает, что по устойчивости в растворе Са(0Н)2 (остаточная прочность) волокна располагаются в последовательности: циркониевое > базальтовое > кварцевое > щелочное > бесщелочное.

При разработке композиционных материалов следует также уделить внимание стойкости применяемых волокон в насыщенном растворе Са(0Н)2 и в жидкой фазе, имитирующей среду твердеющего портландцемента.

Кинетику взаимодействия волокна с насыщенным раствором Са(ОН) 2 изучали с помощью метода определения активности гидравлических добавок; фиксируемой характеристикой являлось количество СаО, поглощенное 1 г стеклянного волокна [2].

Стеклянные волокна находились в насыщенном растворе Са(ОН)2 в течение года. На рисунке 2 приведены кривые, характеризующие кинетику поглощения катионов кальция (в пересчете на СаО) из насыщенного раствора Са(ОН)2 исследуемыми подокнами. Бесщелочное и щелочное волокна наиболее интенсивно поглощают известь в первые два-три месяца. Затем скорость их взаимодействия с Са(ОН) 2 снижается.

—■—

V

А Ох, - --- _ —<

— —ч Л

т *

л й О II и С X

Ш I — Э

« л"

г

мтк.

-I — — -Ь----I---

- I

511

ч

я с

О

т 99

^а-о-1

.

щт

щ у,

Г * X

гол

3!

■а I

р*.н *

99 99

2000

_____ ^, ___,

Г- ^

я- -а— * / м, =---.

20

40 50 9О "С

Г.О /ОС

шо то вооо о

70'С время, ч

Рис.1. Зависимость характеристик системы раствор Са(ОН)2 времени и температуры: 1-прочностъ, 2-масса, 3-содержание ОН~, 4-содержание Са 100 % принята величина исходной характеристики) [2]

стекловолокно от

2+

(за

Базальтовое и циркониевое волокна поглощают незначительное количество извести в течение всего срока эксперимента. Несколько отлично поведение кварцевых волокон: к 6 мес. они поглотили СаО в незначительном количестве, а затем, к 12, интенсивность поглощения увеличилась в несколько раз.

Из рассмотренных данных видно, что по количеству извести, поглощенной из раствора за исследуемый период, стекла располагаются в последовательности: бесщелочное > щелочное > кварцевое > циркониевое > базальтовое.

Характер и степень изменения поверхности волокон в процессе их взаимодействия с гидратирующимися цементами различны и определяются как химической природой стекла, из которого изготовлено волокно, так и агрессивностью среды твердеющего цемента [3].

Поверхность базальтового волокна после действия насыщенного раствора Са(ОН)2 мало изменилась, а после действия жидкой фазы твердеющего портландцемента на волокнах видны небольшие точечные образования. Рентгенограммы базальтового волокна наличие кристаллических новообразований не подтверждают.

В жидкой фазе, имитирующей среду твердеющего портландцемента, кроме основного компонента насыщенного раствора гидрооксида кальция присутствуют гидрооксид калия и натрия.

7

2 3

4,5

Рис. 2. Поглощение СаО стеклянными волокнами из насыщенного раствора Са(ОН)2 : 1 -бесщелочное, 2 - щелочное, 3 - кварцевое, 4 - базальтовое, 5 - циркониевое [2]

Анализ показывает, что при взаимодействии раствора КаОН с бесщелочным, циркониевым и базальтовым волокнами они теряют 8Ю2, СаО, Ка20 + К20. Количество других компонентов практически не изменяется.

Под действием раствора КаОИ волокна теряют массу. В раствор переходит замасливателъ и некоторые компоненты стекла. При температуре 20 °С потеря массы составляет до 3,2 % при остаточной прочности 7—70 %.

При температуре 90 °С потеря массы составляет до 8,4 %, остаточная прочность 1—65 % (рис. 3).

Процессы, протекающие в системе раствор КаОН — волокно, приводят к значительному изменению прочности волокон. По устойчивости в растворе КаОН (остаточной прочности) волокна располагаются в следующей последовательности: циркониевое > базальтовое > кварцевое > щелочное > бесщелочное. Поверхность волокон изменилась значительно, видны атмосферные массы продуктов взаимодействия, просматриваются дефекты, образовавшиеся в результате вывода из волокон части компонентов, составляющих структуру стеклянных волокон, что согласуется с результатами химического анализа. Наименьшие изменения претерпела поверхность циркониевого волокна. В системе «портландцементный камень -базальтовое волокно» отмечается выделение более ровной и тонкой «рубашки» мелкокристаллического новообразования вдоль волокна, по сравнению с другими исследуемыми волокнами. Для описанных выше исследований процессы взаимодействия волокон с водой и растворами щелочей изучались при комнатной температуре (20 ± 2 °С) и при 90 ± 1 °С. Последняя близка к максимальным температурам тепловлажностной обработки при атмосферном давлении изделий на основе неорганических вяжущих веществ. Для исследования стеклянные волокна (2 г) помещали в термостойкую колбу (500 мл), заливали 250 мл раствора, закрывали трубкой с известью и помещали в термостат с заданной температурой. Поверхность стеклянных волокон примерно в 32 раза больше поверхности колбы, контактирующей со щелочным раствором. В качестве модельных сред использовали растворы №ОН, Са(ОН)2 (рН = 12,35), водные вытяжки из портландцемента (рН = 12,6).

Из материалов, изложенных в источнике [3], видно, что процесс разрушения волокна в цементном тесте происходит в такой последовательности:

1) адсорбция воды и коллоидных частиц извести на волокнах;

2) взаимодействие воды и этих частиц с поверхностью волокон, в котором активно участвуют ионы кальция. При этом разрушаются некоторые поверхностные соединения, а продукты разрушения отводятся в водный раствор (десорбция) и в образовавшиеся новые соединения (хемосорбция);

3) переход образовавшегося золя новых соединений в гель, упрочнение образовавшейся коагуляционной решетки цемента и возникших новообразований, из которых через некоторое время могут образоваться кристаллогидраты. В результате этих процессов, которые со временем затухают, а также в результате усадки цементного камня при твердении неразрушившаяся сердцевина волокна прочно укрепляется в цементном камне.

Рис. 3. Зависимость характеристик системы раствор ЫаОИ - стекловолокно от времени и температуры: 1 - прочность, 2 - масса, 3 - содержание ОН- (за 100 % принята величина

исходной характеристики) [2]

Возможность повышения стойкости минеральных волокон в композиционных материалах на основе портландцемента за счет их кристаллизации показана в статье [4].

Следует также отметить, что результаты исследований, изложенные в диссертационной работе [5], показывают возможность регулирования стойкости базальтовых волокон к указанным средам на стадии производства. В работе установлены закономерности влияния условий формования непрерывных волокон из базальтовых горных пород на их стойкость к воздействию кислот.

Исследования прочностных характеристик и оценки коррозионной стойкости в водной вытяжке из цементного теста штапельных базальтовых волокон рассмотрены в источнике [6]. В зависимости от диаметра и длины стойкость штапельных базальтовых волокон к воздействию щелочной среды определялась по изменению предела прочности при разрыве элементарного волокна после обработки в водной вытяжке из цементного теста. Штапельные базальтовые волокна выдерживались в водной вытяжке из портландцементного теста при температуре 20 и 65 0С в течение 7, 28, 180, 360 и 720 суток. Микроскопические исследования штапельных

базальтовых волокон, прошедших обработку щелочными растворами, не выявили дефектов их поверхности. Разрывная прочность волокон снизилась на 7-12 % в 40 - суточном возрасте хранения по сравнению с контрольными, и затем к 720 - суточному возрасту хранения предел прочности на разрыв стабилизировался, дальнейшее снижение значения предела прочности волокон не имело места. Механическая прочность и модуль упругости штапельных базальтовых волокон зависят от диаметра элементарного волокна. Модуль упругости штапельного базальтового волокна снижается по мере увеличения его диаметра.

Выводы. Базальтовые волокна обладают повышенной прочностью по сравнению с другими минеральными волокнами. Сравнительный анализ стойкости различных минеральных волокон в изучаемых средах показывает, что базальтовые волокна по своей стойкости уступают только циркониевым волокна.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Цементные композиции повышенной коррозионной стойкости, армированные базальтовыми волокнами. Популярное бетоноведение, - № 4-24-2008. С. 38-40.

2. Армирование неорганических вяжущих веществ минеральными волокнами / А. А. Пащенко, В. П. Сербин, А. П. Паславская и др.Под ред. А. А. Пащенко. - М. : Стройиздат, 1988. - 200 с.

3. Пащенко А. А., Сербин В. П. Армирование цементного камня минеральным волокном - К: УкрНИИНТИ, 1970, 45с.

4. Стойкость дисперсной арматуры в портландцементном камне Строительные материалы, № 2, 1991. С. 19-20.

5. Цибуля Ю. Л. Високотемпературш фшьтрувальш i композицшш матерiали на основi неперервних волокон з базальтових прських порщ. Дис. робота на здобуття наук. ступеня -Кив, 2003.

6. Петросян С. Т. Технология изготовления строительных изделий с использованием штапельного базальтового волокна Автореф. Дис. на стиск. уч. степ. - Тбилиси, 1988.

7. Стойкость базальтовых волокон в среде гидратирующих цементов / Ф. Н.Рабинович, В. Н. Зуева, Л. В. Макеева. Стекло и керамша, 2001. №12.- С. 12-14.

8. Мохорт М. А. Теплоiзоляцiйнi i конструкцшш волокнист матерiали на основi лужного алюмосилшатного звязуючого Автореф. дис. на здоб. наук. ступ. - Ки!в, 1997.

УДК 666. 97. 033

АКУСТИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ БЕТОНОВ

В. М. Глущенко, проф.

Ключевые слова: кавитация, акустический активатор, дефлокуляция, мицелла, акустическое поле.

Постановка проблемы. Как известно, цемент является полидисперсной системой, содержащей большое количество агрегированных (слипшихся) частиц. При самом совершенном смесительном оборудовании не удается разъединить цементные агрегаты (микрокомки) и перемешать цементное тесто так, чтобы вода была равномерно распределена между всеми зернами цемента для полного вовлечения их в процесс гидратации. Наличие в цементном камне зерен твердой фазы, не вступивших во взаимодействие с водой, значительно снижает прочность бетона и ухудшает другие его свойства. Для более полного использования потенциальных вяжущих свойств портландцемента ранее были предложены сухой и мокрый домол, а также ряд способов обработки цементного теста как в процессе приготовления, так и при укладке (уплотнении) бетонной смеси. В зависимости от свойств среды, в которой находится цемент, и средств воздействия на него способы механической активации реакционной способности цемента могут быть подразделены на три группы:

1) сухой домол в мельницах: шаровых, вибрационных, эксцентриковых, планетарных, противоточных, центробежно-ударных, вихревых;

2) мокрый домол в установках: растворо- и бетононасосах, мельницах с мелющими телами, вибромельницах, скоростных смесителях, специальных активаторах;