CC BY
76УДК 691.328.5
В.С. ИЗОТОВ, д-р техн. наук, Р.Х. МУХАМЕТРАХИМОВ, инженер (rustemmail@yandex.ru), Л.С. САБИТОВ, канд. техн. наук, Казанский государственный архитектурно-строительный университет
Цементно-волокнистый композиционный материал для фиброцементных плит
Для отделки фасадов вновь возводимых, а также при утеплении реконструируемых зданий большое применение находят навесные вентилируемые фасадные системы.
В настоящее время в качестве защитно-декоративного экрана используются различные материалы, однако остаются весьма актуальными вопросы получения новых материалов, сочетающих высокие декоративные и эксплуатационные качества, отличающихся эколо-гичностью и низкой себестоимостью. Особое внимание в этом отношении привлекают фиброцементные плиты.
Фиброцементные плиты заслуженно востребованы архитекторами, проектировщиками и строителями. Ими отделаны корпуса жилых, офисных зданий, учебных заведений, банков, станций метро и вокзалов, тоннели, мосты, эстакады [1].
Эти плиты представляют собой искусственный композиционный каменный строительный материал, получаемый в результате затвердевания смеси, состоящей из цемента, волокон («5—20% от массы цемента) и воды. Наиболее распространенным видом фиброцемента являются асбестоцементные изделия. Они имеют невысокую стоимость и конкурируют с другими кровельными и фасадными материалами.
При разработке новых цементно-волокнистых композиционных материалов необходимо использовать экологически чистое сырье невысокой стоимости с требуемыми техническими свойствами.
Наиболее значительный эффект может быть достигнут при внедрении новых безасбестовых цементно-во-локнистых материалов на действующих традиционных технологических линиях по производству асбестоцеменг-ных листов с максимальным использованием имеющегося оборудования. Имеются исследования фиброце-
ментных материалов на основе щелочестойких стеклянных (марки Щ-15ЖТ) и базальтовых волокон [2], согласно которым полное исключение асбеста из композиции и замена его только стеклянным или базальтовым волокном применительно к существующим круглосе-точным машинам практически невозможно. Объясняется это главным образом низкой цементоудерживающей способностью рассматриваемых волокон.
Наиболее предпочтительным видом волокон, позволяющим достичь высокий технический результат, являются целлюлозные. Хорошие показатели получены при создании НИИпроектасбестцемент цементно-волок-нистых изделий с частичной (до 50%) заменой асбеста целлюлозными волокнами [3]. Волокнистым материалом служила целлюлоза: сульфатная небеленая марки НС-2 и сульфитная беленая. Листы на основе целлюлозного волокна прошли 10-летний срок испытаний в эксплуатации. Прочностные и эстетические свойства листов не ухудшились. Заводское производство фиброцементных плит на основе целлюлозного волокна налажено в Республике Мордовия ОАО «ЛАТО». Изделия полностью удовлетворяют эксплуатационным требованиям [4].
Согласно классификации дисперсно-армированных
бетонов [5] армирующие волокна предложено разделять на два типа: низкомодульные и высокомодульные, которые в свою очередь подразделяются на металлические, минеральные и органические. Технические характеристики некоторых из них представлены в таблице.
Целлюлозные волокна можно отнести к высокомодульным, органическим, поскольку относительное удлинение при разрыве составляет 0,5—4%, прочность на растяжение 300—500 МПа, средний диаметр волокон
Вид волокна Плотность, г/см3 Прочность на растяжение, МПа Модуль упругости, МПа Удлинение при разрыве, %
Полипропиленовое 0,9 400-770 3500-8000 10-25
Полиэтиленовое 0,95 700 1400-4200 10
Нейлоновое 1,1 770-840 4200 16-20
Акриловое 1,1 210-420 2100 25-45
Полиэфирное 1,4 730-780 8400 11-13
Асбестовое 2,6 910-3100 68000 0,6
Целлюлозное 1,2 300-500 10000 0,5-4
Стеклянное 2,6 1050-3850 70000-80000 1,5-3,5
Стальные фибры 7,8 800-3150 200000 3-4
Углеродное 2 2000 245000 1
Карбоновое 1,63 7800 380000 2,1
Полиамидное 0,9 720 1900 24
Вискозное 1,2 660 5600 14
Базальтовое 2,6 1600-3600 80000-110000 1,4-3,6
Волластонит 2,9 200-400 10000 0,2-0,5
Кевларовое 1,45 3600 150000 2,1-4
Полиакрилонитрил 1,2 900 20000 10
20
научно-технический и производственный журнал
май 2011
iA ®
10—35 мкм, длина 200—1000 мкм и более. Такие характеристики целлюлозного волокна обеспечивают высокую ударную вязкость и предел прочности при изгибе композиционного материала.
Целлюлозное волокно обладает следующими положительными свойствами: легкой распушаемостью, достаточной механической прочностью и гибкостью, не является канцерогенным. Высокая адсорбционная способность позволяет ему осаждать и прочно удерживать на своей поверхности зерна цемента. Армирующая способность определяет высокую механическую прочность на изгиб и растяжение затвердевшего материала. К прочим плюсам материала относится высокая щелочестойкость.
В данной работе представлены результаты разработки цементно-волокнистого композиционного материала на основе целлюлозных волокон для изготовления прессованных фиброцементных плит автоклавного твердения, которые в зависимости от функционального назначения могут быть использованы для облицовки наружных стен зданий, изготовления подвесных потолков, сэндвич-панелей, межкомнатных перегородок, подоконных плит, в качестве съемной и несъемной опалубки и т. д.
Цель исследований состояла в определении оптимального состава цементно-волокнистого композиционного материала для изготовления фиброцементных плит. Исследовано влияние цементно-песчаного отношения матрицы (Ц/П), удельной поверхности песка (5уд) и содержание волокон целлюлозы на физико-технические свойства полученного материала.
Для этого изготовлены образцы-плитки размерами 220x100x7 мм различного состава. Использовались следующие материалы: портландцемент Ульяновского цементного завода ЦЕМ 11/А-К (Ш-П) 32,5Н; песок кварцевый Камского месторождения удельной поверхностью Sуд = 192; 210; 310; 410 м2/кг; целлюлоза хвойная сульфатная небеленая Соломбальского ЦБК (ГОСТ 11208—82). Приготовление фиброцементной смеси осуществлялось в следующем порядке: дезинтеграция волокон целлюлозы согласно ГОСТ 14363.4—89 (Целлюлоза. Метод подготовки проб к физико-механическим испытаниям); после завершения роспуска производили отфильтрование волокна через фильтровальную сетку, смешивание волокна с цементом и песком до образования фиброцементной массы (ФЦМ) с концентрацией в воде 20—25%. После чего производили отфильтрование полученной ФЦМ.
Дадее укладывали ФЦМ в пресс-формы и прессовали по режиму: 10 мин — подъем давления до 600 Н/см2 со скоростью — 10 кгс/с; 10 мин — выдержка под давлением.
После выдержки в течение 1 ч полученные образцы-плитки подвергались ТВО в пропарочной камере (по режиму: 2 ч — подъем температуры до 65оС, изотермическая выдержка в течение 4 ч, 2 ч — охлаждение), а затем автоклавной обработке (по режиму: 3ч — подъем до температуры 175—180оС, 6 ч — изотермическая выдержка, 3 ч — охлаждение).
Испытания проводились согласно ГОСТ 8747—88 (Изделия асбестоцементные листовые). По результатам экспериментальных исследований получена математическая зависимость предела прочности при изгибе ФЦП от цементно-песчаного отношения матрицы, которая выражается полиномом второй степени следующего вида: Rизг = -4,05х2+15,25х-1, согласно которой максимальные показатели достигаются при Ц/П = 1/1,6-1/2,1.
Скорость реакций и прочность конгломератов возрастают по мере повышения дисперсности сырьевых материалов. В этой связи представляет интерес определение оптимального значения тонкости помола кварцевого песка, используемого при изготовлении образцов ФЦП. Для этого были изготовлены образцы-плитки с
Содержание волокна, %
Зависимость предела прочности при изгибе фиброцементных плит от содержания волокна: 1 - Sуд =190 м2/кг; 2 - £уд = 210 м2/кг; 3 - Sуд = 310 м2/кг; 4 - Sуд = 410 м2/кг
различной удельной поверхностью песка при оптимальном цементно-песчаном отношении, равным 1/2. По результатам исследований построена зависимость предела прочности при изгибе ФЦП с различной удельной поверхностью песка от содержания волокнистого материала (рисунок).
Экспериментальные исследования показали, что максимальные показатели прочности при изгибе достигаются при содержании волокна 5—7,5% при цементно-песчаном отношении матрицы 1/2. При этом с увеличением удельной поверхности кварцевого песка со 190 до 210; 310; 410 м2/кг предел прочности при изгибе увеличивается на 3, 12 и 16% соответственно.
Таким образом, получен оптимальный состав цемент-но-волокнистого композиционного материала для изготовления фиброцементных плит автоклавного твердения, при котором обеспечиваются достаточно высокие физико-механические и экономические показатели.
Полученные плиты обладают следующими физико-техническими характеристиками: средняя плотность 1600 кг/м3; предел прочности при изгибе 25 МПа; водо-поглощение 15%. Они атмосферо- и морозостойкие, не воспламеняются и не распространяют огня, обладают низким коэффициентом температурного расширения, ударопрочные, влагонепроницаемые, долговечные, экологически безопасные, устойчивые к агрессивным средам. По массе значительно легче керамогранита, поэтому могут успешно использоваться для облицовки при реконструкции зданий с ограниченной нагрузкой на фундамент.
Ключевые слова: фиброцементные плиты, целлюлозные волокна.
Список литературы
1. Лунин Е.М., Баранов И.М. Фиброцементные крупноразмерные декоративно-отделочные плиты «МИ-НЕЛИТ» для облицовки фасадов зданий // Строит. материалы. 2004. № 7. С. 16-17.
2. Волочек И. З, Халдей Т.В., Иванова В.В., Чумадурова Л.И. Фиброцементные материалы на основе стеклянного волокна // Строит. материалы. 1992. № 8. С. 25-26.
3. Григорьева Л.С., Рабей М.Б., Сулейман О.В., Фишер И.М. Цементно-волокнистые изделия с частичной заменой асбеста целлюлозным волокном // Строит. материалы. 1992. № 10. С. 25-26.
4. Latonit — новинка на российском рынке вентилируемых фасадов // Лучшие фасады. 1997. № 14. С. 60—61.
5. Рабинович Ф.Н. Композиты на основе дисперсно-армированных бетонов. Вопросы теории и проектирования, технология, конструкции. М.: Изд-во АСВ, 2004. 560 с.
Ы ®
научно-технический и производственный журнал
май 2011
21
