ФИБРА БАЗАЛЬТОВАЯ Российский патент 2011 года по МПК C03C13/06 

Изобретение относится к области производства фибры базальтовой, предназначенной для трехмерного упрочения и повышения в несколько раз стойкости фибробетона (по сравнению с железобетоном) к растрескиванию, изгибающим и разрывным нагрузкам, создает необходимый запас прочности и способствует сохранению целостности конструкции при сквозных трещинах, а также позволяет значительно уменьшить общий вес строительных конструкций.

В соответствии с патентно-информационными исследованиями известны минеральные, в том числе и базальтовые волокна (см., например, авторское свидетельство СССР №391072, кл. C03B 37/00, 1971 г., авторское свидетельство СССР №381621, кл. C03B 37/00, 1971 г., авторское свидетельство СССР №649670, кл. C03B 37/00, 1977 г., патент США №3929497, кл. C03B 37/00, 1973 г.).

Дисперсное армирование бетона базальтовой фиброй изменяет поведение бетона, придавая ему повышенную стойкость к растрескиванию, изгибающим и разрывным нагрузкам, позволяет создать необходимый запас прочности, сохраняя целостность конструкции, даже после появления сквозных трещин.

Основным недостатком этих волокон является невысокая механическая прочность, которая не обеспечивает непрерывное круглосуточное производство непрерывного базальтового волокна.

Известно также базальтовое тонкое волокно (см. патент Российской Федерации №2170218, кл. C03B 37/06, 2001 г.), принятое авторами за прототип. В соответствии с данным изобретением базальтовое волокно на основе расплава базальтовых горных пород включает следующие компоненты, мас.%: SiO₂ 48-52; TiO₂ 2-3; Al₂O₃ 12,5-15,5; Fe₂O₃ 4-8; FeO 6,5-10,5; CaO 8,5-10,5; MgO 5-7; MnO 0,1-0,5; Na₂O 1,5-3,5; K₂O 0,5-2,5; P₂O₃ 0,2-0,5; ZrO₂ 1-3; CuO или их смесь 0,5-2,0.

Для повышения прочности волокна-прототипа в загрузчик плавильной печи совместно с базальтовым щебнем дополнительно загружают оксид циркония ZrO₂ до 3 (мас.%).

Основным недостатком данного базальтового волокна является слабая его устойчивость к влажной среде из-за содержания в волокне оксида фосфора P₂O₅, который обладает исключительной гидроскопичностью. Наличие операции загрузки оксида циркония в строго заданном количестве с последующим тщательным перемешиванием его с базальтовой щебенкой усложняет и затягивает процесс выработки волокна.

Технической задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков и создание фибры базальтовой в качестве добавки для бетона (фибробетон).

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в том, что фибра на основе расплава базальтовых пород, включающая SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, FeO, CaO, MgO, Na₂O, K₂O, содержит указанные компоненты в следующих количествах, мас.%:

SiO₂ 48,4 Al₂O₃ 12,6 Fe₂O₃ 14,6 FeO 11,9 CaO 6,2 MgO 4,8 Na₂O 1,0 K₂O 0,5

при этом волокна диаметров 20, 200 и 400 мкм и длиной отрезков 6, 12, 18, 24 мкм в фибре базальтовой содержатся равными массовыми долями в %.

Технический результат достигнут при заявленном химическом составе базальта, используемого для изготовления фибры.

В настоящее время существуют рекомендации к геометрическим размерам к применению базальтовой фибры (см., например, Добавки для бетона от производителя армирующие, пластифицирующие, комплексные. http://fibra-msk.narod.ru/baz.html: ТД «Базальт» компания):

- диаметр единичного волокна, мкм 13-17;

- длина, мкм 6; 12; 18; 24.

Основной проблемой для использования базальтовой фибры указанного диаметра волокна для армирования бетона является качественное перемешивание раствора цемента с базальтовой фиброй с целью обеспечения равнопрочности блоков фибробетона по всему объему.

Поэтому в технологическом процессе приготовления фибробетона для равномерного перемешивания базальтовой фибры раствор цемента подогревают до 170°С.

В предлагаемом изобретении метрический ряд диаметров единичных волокон существенно расширен от 20 до 400 мкм, что значительно облегчает перемешивание предлагаемой базальтовой фибры, и температура нагрева цементного раствора снижается вдвое (70-80°С), что намного экономит энергетические затраты.

В соответствии с настоящей заявкой на изобретение предлагается три варианта фибры базальтовой:

1. Вариант: фибра из волокна диаметром 20 мкм с длиной отрезков 6, 12, 18, 24 мкм с массовыми долями по 0,25% для каждого отрезка волокна 6, 12, 18, 24 мкм.

2. Вариант: фибра из волокна диаметром 200 мкм с длиной отрезков 6, 12, 18, 24 мкм с массовыми долями по 0,25% для каждого отрезка волокна 6, 12, 18, 24 мкм с массовыми долями по 0,25% для каждого отрезка волокна 6, 12, 18, 24 мкм.

3. Вариант: фибра из волокна диаметром 400 мкм с длиной отрезков 6, 12, 18, 24 мкм с массовыми долями по 0,25% для каждого отрезка волокна 6, 12, 18, 24 мкм.

Эти варианты фибры используются для трехмерного упрочнения фибробетона в зависимости от силовых нагрузок, воздействующих на строительные конструкции.

Свойства и технические характеристики предлагаемой базальтовой фибры:

- высокая прочность и долговечность;

- высокая термостойкость, абсолютная негорючесть;

- стойкость к агрессивным средам;

- экологическая чистота.

Свойства и технические характеристики фибры определяются свойствами базальтовой нити и ровинга (пучок из нитей).

В таблице 1 представлены технические и экологические характеристики для нити и ровинга производства ООО «НПО «Вулкан» г.Оса, Пермский край, РФ.

Таблица 1 Результаты испытаний базальтового ровинга и нити производства ООО «НПО «Вулкан», г.Оса, Пермский край, Россия       НИТЬ РОВИНГ RB 10 2525С-n ТУ 5769-001-80104765-2008 № Показатель Метод контроля ТУ Анализ ТУ Анализ 1 Линейная плотность, текс ГОСТ 6943.1   149,4 2520 2526 2 Влагосодержание, % ГОСТ 6943.4   0,13 не более 0,5 0,11   Содержание веществ, удаляемых при прокаливании           3 (массовая доля), % ГОСТ 6943.8   1,7 не менее 0,3 0,3   Разрывная нагрузка,           4 кГс (Н) ГОСТ 6943,10   17,6 (173) не менее 40 (400) 91 (893)   Динамический ТИ         5 модуль, ГПа 616.25203.00491   78,8   79,9 6 Гигроскопичность, %     6-9   6-9   Динамический модуль упругости после действия разбавленной кислоты (фосфорной           7 - 25%), ГПа ТИ 616.2503.10   79,3   79,17   Динамический модуль упругости после действия концентрированной кислоты (фосфорной           8 -85%), ГПа ТИ 616.2503.10   79,65   79,1   Динамический модуль упругости после действия раствора           9 NaOH, ГПа ТИ 616.2503.10       79,5 Примечание: термостойкость от -260°С до +700°С;

Долговечность фибры обеспечивается высокой влагостойкостью, стойкостью к кислотам и стойкостью к щелочам;

экологическая чистота фибры определяется дозой радиации. Максимальная доза радиации фибры соответствует 6 мкр/час. Предельно допустимая доза радиации для человека 35 мкр/час.

В таблице 2 представлены технические характеристики базальтовой нити и ровинга производства ОАО «Ивотстекло», г.Брянск, Россия. Другими источниками авторы изобретения не располагают.

Таблица 2 Технические характеристики Марка ровинга Диаметр элементарного волокна, мкм Номинальная линейная плотность ровинга, текс Разрывная нагрузка, кгс, не менее РНБ-9-800-4с   800±40 25 РНБ-9-1200-4с   1200±60 40 РНБ-9-1600-4с 9±1,5 1600±80 55 РНБ-9-2400-4с   2400±120 80 РНБ-13-840-4с   840±42 30 РНБ-13-1260-4с 13±1,5 1260±56 50 РНБ-13-2100-4с   2100±105 70 РНБ-13-2520-4с   2520±126 90 Содержание веществ, удаляемых при прокаливании, %, не менее Влажность, % не более Модуль упругости, кг/мм² Прочность при растяжении, (после термич. обработки), % Химическая устойчивость, потеря веса, %, после 3 часового кипячения.       при 20°С 100 H₂O - 0,2 0,3 1,0 9100- при 200°С 95 2N NaOH - 6,0     11000 при 400°С 82 2N HCl - 2,2 Примечание: информация с сайта www.i-vot.ru

Одним из решающих факторов для выработки базальтового волокна с высокой прочностью и эксплуатационными свойствами является строгое соблюдение температурного режима расплава базальтовых пород.

В предложенном изобретении это обеспечивается высоким содержанием оксидов железа в расплаве базальтовых пород для производства фибры в мас.%: Fe₂O₃ 14,6, FeO 11,9. При таком содержании оксидов железа в расплаве базальта железо Fe в чистом виде выпадает на фильеры питателя, через которые вырабатывается волокно. Железо Fe, являясь мягким ковким металлом, при выработке волокна из фильер питателя выполняет роль «пластификатора», что упрочняет волокно и позволяет вырабатывать его в круглосуточном режиме.

Предложенное изобретение базальтовой фибры изготавливается на заводе ООО «НПО «Вулкан», Пермский край, г.Оса.

Технология производства НБВ основана на способе механического вытягивания непрерывных нитей из расплава базальтов через фильеры фильерного питателя, размещенного на поддоне фидера плавильной печи.

Производство НБВ заключается в последовательном выполнении технологических операций:

- подготовка базальтового сырья;

- загрузка его в печь;

- плавление породы в ванной печи и гомогенизация расплава;

- подготовка расплава к выработке в фидере печи;

- формирование первичных непрерывных волокон через фильеры фильерного питателя;

- вытягивание сформированных нитей наматывающей машиной;

- нанесение на первичное волокно замасливателя;

- намотка наматывающим устройством первичных волокон на бобины;

- сушка бобин первичного волокна.

Технология производства фибры.

Рубочная машина рубит фибру из ровинга при помощи ножей, установленных на валу с крепежами ножей.

Ровинг ножами прижимается к прижимному валу и прорубает его на длину 6, 12, 18, 24 мкм в зависимости от количества ножей, установленных на рубочном валу. Смена ножей для изменения длины фибры производится на снятом валу.

При производстве ровинга снятые с наматывающего аппарата паковки нити укладываются на ярусы передвижной тележки на катушках и трансформируются на участок перемотки базальтовой нити. Паковки нити на катушках устанавливаются на бобинодержатели тростнильно-перемоточной машины. Пучки нитей с разных паковок перематываются на одну паковку в требуемое число сложений (до 4000 ниток в ровинге).

Фибра базальтовая предназначена для трехмерного упрочения и повышения стойкости фибробетона (по сравнению с железобетоном) к растрескиванию, изгибающим и разрывным нагрузкам, создает необходимый запас прочности и способствует сохранению целостности конструкции при сквозных трещинах, а также позволяет значительно уменьшить общий вес строительных конструкций. Технический результат изобретения - создание фибры базальтовой для использования ее в качестве добавки для бетона (фибробетон), обеспечивающей качественное перемешивание ее в растворе цемента. Фибра базальтовая на основе расплава базальтовых пород содержит компоненты в следующих количествах, мас.%: SiO₂ 48,4; Al₂O₃ 12,6; Fe₂O₃ 14,6; FeO 11,9; CaO 6,2; MgO 4,8; Na₂O 1,0; K₂O 0,5. Волокна диаметром 20, 200 и 400 мкм и длиной отрезков 6, 12, 18, 24 мкм содержатся в фибре базальтовой равными массовыми долями в %. 2 табл.

Фибра базальтовая на основе расплава базальтовых пород, включающая SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, FeO, CaO, MgO, Na₂O, K₂O, отличающаяся тем, что она содержит указанные компоненты в следующих количествах, мас.%:
SiO₂ 48,4 Al₂O₃ 12,6 Fe₂O₃ 14,6 FeO 11,9 CaO 6,2 MgO 4,8 Na₂O 1,0 K₂O 0,5,