CC BY
41
УДК 692.533.15
ГУРЬЕВА ВИКТОРИЯ АЛЕКСАНДРОВНА, докт. техн. наук, доцент,
victoria-gurieva@rambler. т
Оренбургский государственный университет,
460018, г. Оренбург, пр. Победы, 13,
КУДЯКОВ АЛЕКСАНДР ИВАНОВИЧ, докт. техн. наук, профессор, kudyakow @tsuab. т
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2,
БЕЛОВА ТАТЬЯНА КОНСТАНТИНОВНА, преподаватель,
Оренбургский государственный университет,
460018, г. Оренбург, пр. Победы, 13
ЦЕМЕНТНО-ПЕСЧАНЫЙ РАСТВОР С МОДИФИЦИРОВАННЫМИ БАЗАЛЬТОВЫМИ МИКРОВОЛОКНАМИ ДЛЯ ПОЛОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗДАНИЙ
Приведены результаты исследований свойств цементно-песчаного раствора с базальтовыми микроволокнами, модифицированными углеродными наночастицами. Требуемая прочность раствора на сжатие (30 МПа) достигается при содержании модифицированных базальтовых микроволокон 1 % от массы цемента. При этом обеспечивается прирост прочности раствора на изгиб на 77,5 %, уменьшение усадочных деформаций на 56,2 %, повышение износостойкости до 0,4 г/см2. Разработанные составы и технология приготовления раствора рекомендованы для промышленного использования при устройстве полов промышленных зданий.
Ключевые слова: промышленные полы; цементно-песчаные смеси и растворы; приготовление смесей; составы; базальтовые волокна; наномодифициро-ванные базальтовые волокна; подвижность; прочность; усадочные деформации; износостойкость.
VIKTORIYA A. GUR'EVA, DSc, A/Professor,
victoria-gurieva@rambler. ru
Orenburg State University,
13, Pobedy Ave., 460018, Orenburg, Russia,
ALEKSANDR I. KUDYAKOV, DSc, Professor,
kudyakow @tsuab.ru
Tomsk State University of Architecture and Building,
2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia,
TAT'YANA K. BELOVA, Lecturer,
Orenburg State University,
13, Pobedy Ave., 460018, Orenburg, Russia
© Гурьева В.А., Кудяков А.И., Белова Т.К., 2017
CEMENT-SAND MIXTURE WITH MODIFIED BASALT MICROFIBERS FOR INDUSTRIAL FLOORING
The paper presents investigation results on properties of cement-sand mixture with basalt microfibers modified with carbon nanoparticles. The required compressive strength (30 MPa) of this mixture is achieved when the content of modified basalt microfibers achieves 1 wt.%. In this case, the flexural strength of the mortar is increased by 77.5 %, the shrinkage strain is reduced by 56.2 %, and the wear resistance is increased up to 0.4 g/cm2. The developed compositions and енру mortar technology are recommended for the industrial flooring.
Keywords: industrial flooring; cement-sand mixture; mixture preparation; compositions; nanomodified basalt fibers; mobility; strength; shrinkage; wear resistance.
В связи с необходимостью импортозамещения и развития производства конкурентоспособной и малоэнергоемкой продукции в России возникает необходимость разработки инновационных технологий для ее производства и строительства многофункциональных промышленных зданий и сооружений с учетом повышенных механических и эксплуатационных нагрузок на полы [1, 2]. При проектировании и устройстве полов промышленных зданий большое внимание уделяется применению новых эффективных строительных материалов из местных сырьевых ресурсов и технологий, что позволяет эффективно решать задачи ресурсного обеспечения и достижения требуемых эксплуатационных характеристик покрытия пола.
Наиболее распространенными материалами для устройства полов промышленных предприятий являются цементные бетоны и растворы [2]. Технологии монолитных растворных цементных полов относительно просты в ресурсном обеспечении, процессах устройства, а покрытия характеризуются достаточно высокой прочностью на сжатие [3]. Согласно требованиям СП 29.13330-2011, цементное растворное покрытие применяется в производственных помещениях с различной интенсивностью механических воздействий на пол. При высокой прочности на сжатие цементно -песчаные растворы характеризуются недостаточной сопротивляемостью растягивающим и изгибающим усилиям, возникающим под воздействием нагрузок от технологического оборудования, тележек на металлических шинах, транспортных средств на гусеничном ходу, что может быть причиной образования трещин, шелушения поверхности, сколов или отслаивания покрытий [4].
Для повышения трещино- и износостойкости, а также стойкости к динамическим и вибрационным нагрузкам при изготовлении строительных конструкций на основе цементных песчаных композиций, в том числе и полов производственных помещений, рекомендуется использовать микроармирую-щие органические, минеральные и стальные волокна [5-8]. В настоящее время наиболее распространенным при устройстве полов промышленных зданий является сталефибробетон [9]. Однако технологически очень сложно равномерно распределить стальные фибры в объеме растворной смеси, что существенно снижает однородность структуры, показатель класса по прочности и долговечность полов промышленных предприятий. Наиболее эффективным микроармирующим материалом, упрочняющим цементный камень в раство-
рах и бетонах, являются базальтовые микроволокна [8, 10, 11]. Для ускорения скорости структурообразования, повышения прочности сцепления базальтовых волокон с цементным камнем, а также прочности раствора и трещино-стойкости полов предложено базальтовые волокна модифицировать наноча-стицами. При введении модифицированных базальтовых микроволокон (МБМ) в растворную смесь формируется плотная структура цементного камня на микро- и наноуровнях [11-14].
Для повышения прочности при изгибе и трещиностойкости цементных растворов авторами предложено в процессе приготовления цементной растворной смеси вводить базальтовые микроволокна с поверхностью, модифицированной углеродными наночастицами.
Цель исследований - разработать научно обоснованные составы и изучить свойства цементно-песчаных растворов с модифицированными базальтовыми микроволокнами, а также установить эффективность их применения для устройства полов промышленных зданий.
При проведении исследований цементно-песчаных растворов для устройства полов с высокими эксплуатационными свойствами 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 истинной плотностью рист = 2500 кг/м3, насыпной плотностью рн = 1480 кг/м3 и модулем крупности Мк = 2,81 (ГОСТ 8735-88), суперпластификатор «Штайнберг GROS-63MC» (ТУ 5745-008-69867132-2011). В качестве армирующих волокон применялись модифицированные базальтовые микроволокна ООО «НТЦ Прикладных нанотехнологий (МБМ). Средний диаметр микроволокон - 8-10 мкм, длина - 500 мкм. На поверхность базальтовых волокон методом распыления суспензии нанесены полиэдральные многослойные на-ночастицы фуллероидного типа с межслоевым расстоянием 0,34-0,36 нм и средним размером частиц 60-200 нм.
Растворная смесь готовилась в лабораторных смесителях механического принудительного действия. Определение свойств и оценка качества растворной смеси и раствора проводились по ГОСТ 5802-86 и ГОСТ 28013-88, прочность раствора при сжатии - на образцах-кубах размером 70,7x70,7x70,7 мм, а предел прочности раствора при изгибе - на образцах-балочках размером 40x40x 160 мм. Образцы твердели в стандартных условиях.
Для исследования микроструктуры цементно-песчаного раствора использовался растровый электронный микроскоп (РЭМ) японской фирмы JEOL JSM-6460LV, снабженный системой микроанализа Oxford INCA Energy. Рент-генофазовый анализ выполнен на дифрактометре ДРОН-3 с модифицированной приставкой PDWin.
При проведении исследований в качестве базового (контрольного) принят состав растворной смеси без волокон с цементно-песчаным отношением по массе Ц:П = 1:3,8 и водоцементным отношением В/Ц = 0,5, обеспечивающим получение смеси с маркой по подвижности Пк4, необходимой для обеспечения принятой трубопроводной технологии устройства полов промышленных зданий.
Результаты исследований
При введении в цементно-песчаные растворные смеси модифицированных базальтовых микроволокон незначительно снижается подвижность (в пределах требуемой марки Пк4) и расслаиваемость по сравнению со смесями контрольного состава.
На рис. 1 показано влияние содержания модифицирующей добавки МБМ на прочность при сжатии и при изгибе. Наибольший прирост прочности раствора как при сжатии (34,7 %), так и при изгибе (100,7 %) получен при содержании МБМ в растворной смеси в количестве 1 % от массы цемента. Прогрессирующая динамика превышения прочности раствора при изгибе по сравнению с прочностью при сжатии наблюдается на рис. 2.
< с
1
/ 2
и
< с
0,2 0,4 0,6 0,8 1 1 ? 1.4 о Содержание волокон, % б
1
2
-*
0,2
0,6 0,8 1 1,2
Содержание волокон, %
Рис. 1. Влияние количества и вида базальтовых волокон на прочностные характеристики цементно-песчаного раствора:
а - предел прочности при изгибе; б - предел прочности при сжатии; 1 - составы с МБМ; 2 - составы с базальтовым волокном ББ 13-12р
«изг, МПА
28 29 30 31 32 33 34 35 36 37
«сж, МПА
а
Рис. 2. Динамика относительного прироста прочности при изгибе и при сжатии раствора в возрасте 28 сут твердения:
1 - раствор без МБМ; 2 - с 0,5 % МБМ; 3 - с 1 % МБМ
Проведены сравнительные исследования прочностных характеристик растворов, модифицированных базальтовым микроволокном (МБМ) и используемым в строительной практике базальтовым волокном BF 13-12р (рис. 1). Установлено, что в цементно-песчаных растворах с добавкой МБМ в количестве 1 % по массе по сравнению с образцами с базальтовым волокном BF 13-12р прочность на сжатие увеличивается на 4,5 %, а прочность при изгибе - на 77,5 %.
Истираемость цементно-песчаного раствора с оптимальным содержанием добавки МБМ равна 0,4 г/см2, что согласно СП 29.13330.2011 позволяет характеризовать его как износоустойчивый материал, пригодный для устройства покрытий малопылящих полов промышленных зданий.
Установлено снижение усадки цементно-песчаного раствора с добавкой МБМ на 56,2 %, а дисперсно-армированных базальтовым волокном BF 13- 12р -на 39,8 %, по сравнению с контрольным составом (рис. 3). Снижение усадочной деформации модифицированных растворов с МБМ, а также повышенная прочность на растяжение с изгибом позволяют прогнозировать снижение интенсивности образования усадочных трещин при твердении растворов и повышение эксплуатационных характеристик монолитного пола.
Продолжительность твердения, сут
Рис. 3. Кинетика развития усадочных деформаций цементно-песчаного раствора с мик-роармирующими базальтовыми волокнами: 1 - раствор без МБМ; 2 - с 1 % МБМ; 3 - с BF 13-12р
В образце контрольного состава наблюдаются трещины (рис. 4, а). Це-ментно-песчаный раствор с добавкой МБМ обладает более плотной и однородной микроструктурой (рис. 4, б). В контактной зоне «модифицированное базальтовое микроволокно - цементный камень» идентифицируются гидросиликаты и углеродные наночастицы. Контактная зона характеризуется хорошим сцеплением цементного камня к микроволокнам, что способствует формированию малодефектной структуры цементного раствора (рис. 4, б).
Рис. 4. Микроструктура образцов цементно-песчаного раствора: а - контрольного состава; б - состава с 1 % МБМ
Таким образом, при введении в цементно-песчаную смесь модифицированных наночастицами базальтовых микроволокон в количестве 1 % от массы цемента обеспечивается заданная прочность на сжатие (более 30 МПа), повышение прочности при изгибе на 77,5 %, снижение усадочных деформаций на 56,2 %, повышение износостойкости до 0,4 г/см2, что позволяет рекомендовать разработанный цементно-песчаный раствор для устройства полов промышленных зданий со значительной интенсивностью механических воздействий.
Библиографический список
1. Ибрагимов, Р.А. Анализ современных технологических решений напольных покрытий промышленных зданий / Р.А. Ибрагимов, Р.Р. Богданов, С.Н. Шебанова // Известия КГАСУ. - 2016. - № 4. - С. 416-421.
2. Трещиностойкие высокопрочные наливные полы «БеПоРс» на модифицированном гидравлическом вяжущем / М.Н. Мороз, С.В. Ананьев, Р.Н. Москвин, Е.А. Белякова // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. - 2014. - № 2 (10). -С. 178-185.
3. Горб, А. Состояние, проблемы и основные факторы, влияющие на устройство качественных бетонных полов на объектах промышленно-складского назначения / А. Горб // Склад и техника. - 2013. - № 10. - С. 21-23.
4. Пшеничный, Г.Н. Проблемы, существующие в бетоноведении / Г.Н. Пшеничный // Технологии бетонов. - 2014. - № 12. - С. 42-46.
5. Клюев, С.В. Высокопрочный фибробетон для промышленного и гражданского строительства / С.В. Клюев // Инженерно--строительный журнал. - 2012. - № 8. - С. 61-66.
6. Технология и составуглеродофибробетона с повышенной однородностью прочностных показателей / А.И. Кудяков, В.С. Плевков, В.В. Белов, А.В. Невский, К.Л. Кудяков // Вопросы материаловедения. - 2016. - № 1. - С. 66-72.
7. Порошковые фибробетоны со сверхвысокой прочностью с дисперсным армированием фиброй / В.И. Калашников [и др.] // Новые энерго- и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов : матер. Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза, 2011. - С. 41-48.
8. Совершенствование технологии изготовления базальтофибробетона с повышенной однородностью / А.И. Кудяков, В.С. Плевков, К.Л. Кудяков, А.В. Невский, А.С. Ушакова // Строительные материалы. - 2015. - № 10. - С. 44-48.
9. Тяжелонагруженные полы на основе мелкозернистых фибробетонов / С.В. Клюев, А.В. Клюев, Д.М. Сопин, А.В. Нетребенко, С.А. Казлитин // Инженерно-строительный журнал. - 2013. - № 3. - С. 7-14.
10. Низина, Т.А. Мелкозернистые дисперсно-армированные бетоны на основе комплексных модифицирующих добавок / Т.А. Низина, А.Н. Пономарев, А.С. Балыков // Строительные материалы. - 2016. - № 9. - С. 68-73.
11. Фаликман, В.Р. Наноматериалы и нанотехнологии в современных бетонах / В.Р. Фалик-ман // Промышленное и гражданское строительство. - 2013. - № 1. - С. 31-34.
12. Белова, Т.К. Приготовление в турбулентном смесителе цементного раствора, дисперсно-армированного модифицированной микрофиброй / Т.К. Белова // Вестник Московского государственного строительного университета. - 2016. - № 3. - С. 47-58.
13. Gurieva, V.A. Structural features of the cement-sand mortar reinforced modified basalt microfiber / V.A. Gurieva, T.C. Belova // Procedia Engineering. Materials of 2nd International Conference on Industrial Engineering (ICIE-2016). - 2016. - V. 150. - P. 2163-2167.
14. Реология как инструмент определения удобоукладываемости / Ф. Курто, Ф. Лонгли, У. Мартенсвик, С. Кара // CPI. Международное бетонное производство. - 2011. - № 4. -С. 38-45.
References
1. Ibragimov R.A., Bogdanov R.R, Shebanova S.N. Analiz sovremennykh tekhnologicheskikh reshenii napol'nykh pokrytii promyshlennykh zdanii [The analysis of modern flooring technologies in industry]. IzvestiyaKGASU. 2016. No. 4. Pp. 416-421. (rus)
2. Moroz M.N., Anan'ev S.V., Moskvin R.N., Belyakova E.A. Treshchinostoikie vysokoprochnye nalivnye poly 'BePoRs' na modifitsirovannom gidravlicheskom vyazhushchem [Crack resistant BePoRs poured floors based on modified hydraulic cement]. Modeli, sistemy, seti v ekonomike, tekhnike, prirode i obshchestve. 2014. No. 2 (10). Pp. 178-185. (rus)
3. Gorb A. Sostoyanie, problemy i osnovnye faktory, vliyayushchie na ustroistvo kachestvennykh betonnykh polov na ob"ektakh promyshlenno-skladskogo naznacheniya [State, problems and main factors of quality concrete flooring in industrial use]. Sklad i tekhnika. 2013. No. 10. Pp. 21-23. (rus)
4. Pshenichnyi G.N. Problemy, sushchestvuyushchie v betonovedenii [Problems in concrete studies]. Tekhnologii betonov. 2014. No. 12. Pp. 42-46. (rus)
5. Klyuev S.V. Vysokoprochnyi fibrobeton dlya promyshlennogo i grazhdanskogo stroitel'stva [High-strength fiber concrete for industrial and civil applications]. Inzhenerno-stroitel'nyi zhurnal. 2012. No. 8. Pp. 61-66. (rus)
6. Kudyakov A.I., Plevkov V.S., Belov V.V., Nevskii A.V., Kudyakov K.L. Tekhnologiya i sostav uglerodofibrobetona s povyshennoi odnorodnost'yu prochnostnykh pokazatelei [Technology and composition of carbon fiber concrete with increase in strength homogeneity]. Voprosy ma-terialovedeniya. 2016. No. 1. Pp. 66-72. (rus)
7. Kalashnikov V.I. Poroshkovye fibrobetony so sverkhvysokoi prochnost'yu s dispersnym armi-rovaniem fibroi [Powder fiber concretes of superhigh strength]. Proc. Int. Sci. Conf. 'New Energy- and Resource-Saving Technologies in Construction Materials Production'. Penza, 2011. Pp. 41-48. (rus)
8. Kudyakov A.I., Plevkov V.S., Kudyakov K.L., Nevskii A.V., Ushakova A.S. Sovershenstvovanie tekhnologii izgotovleniya bazal'tofibrobetona s povyshennoi odnorodnost'yu [Modern technologies of basalt fiber concrete with improved homogeneity]. Stroitel'nye materialy. 2015. No. 10. Pp. 44-48. (rus)
9. Klyuev S.V., Klyuev A.V., Sopin D.M., Netrebenko A.V., Kazlitin S.A. Tyazhelonagruzhennye poly na osnove melkozernistykh fibrobetonov [Heavy-loaded floors based on fine fiber concretes]. Inzhenerno-stroitel'nyi zhurnal. 2013. No. 3. Pp. 7-14. (rus)
10. Nizina T.A., Ponomarev A.N., Balykov A.S. Melkozernistye dispersno-armirovannye betony na osnove kompleksnykh modifitsiruyushchikh dobavok [Fine fiber concrete based on complex modifying additives]. Stroitel'nye materialy. 2016. No. 9. Pp. 68-73. (rus)
11. Falikman V.R. Nanomaterialy i nanotekhnologii v sovremennykh betonakh [Nanomaterials and nanotechnologies in modern concretes]. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2013. No. 1. Pp. 31-34. (rus)
12. Belova T.K. Prigotovlenie v turbulentnom smesitele tsementnogo rastvora, dispersno-armirovannogo modifitsirovannoi mikrofibroi [Fiber-reinforced cement preparation in turbulent mixer]. VestnikMGSU. 2016. No. 3. Pp. 47-58. (rus)
13. Gurieva V.A., Belova T.C. Structural features of the cement-sand mortar reinforced modified basalt microfiber. Procedia Engineering. Proc. 2nd Int. Conf. Industrial Engineering (ICIE-2016). 2016. V. 150. Pp. 2163-2167.
14. Kurto F., Longli F., Martensvik U., Kara S. Reologiya kak instrument opredeleniya udoboukladyvaemosti [Rheology as instrument for remoldability identification]. Mezhdu-narodnoe betonnoeproizvodstvo. 2011. No. 4. Pp. 38-45. (rus)
