МЕЛКОЗЕРНИСТЫЙ ЦЕМЕНТОБЕТОН НА ОСНОВЕ МОДИФИЦИРОВАННОГО БАЗАЛЬТОВОГО ВОЛОКНА Российский патент 2014 года по МПК C04B28/04 

Изобретение относится к конструкционным материалам и может использоваться в различных отраслях промышленности, например в дорожном и гражданском строительстве.

Из уровня техники известен способ модифицирования поверхности неорганического волокна, модифицированное волокно и композиционный материал [патент РФ №2475463 RU]. Однако в данном способе не указаны свойства, отображающие влияние агрессивных сред на поверхность волокна, что характеризует данный способ как слабо-эффективный для решения поставленных задач по достижению высоких прочностных характеристик цементобетона. При применении данной технологии к указанному волокну (базальтовое волокно) на поверхности волокна образуется оболочка из твердого углеродного вещества, которая может приводить к образованию хрупкой поверхности, тем самым изменяя категорию материала из упругого в твердое. Таким образом, указанный способ не позволяет достичь высокой адгезии продуктов гидратации клинкерных минералов на поверхности волокна. Также к недостаткам относится то, что при применении отдельных элементов модификации, указанных в данном способе, отсутствует методика контроля изменения структуры и поверхности модифицированного волокна.

Известен способ использования базальтовой фибры на основе расплава базальтовых пород, 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 [патент РФ №2418752 RU]. Тем не менее, в данном способе недостаточное внимание уделено проблемам щелочестойкости базальтового волокна. Учитывая специфику работы волокна в агрессивной щелочной среде цементобетона, необходимо уделять должное внимание проблемам коррозионной стойкости базальтового волокна в процессе эксплуатации. Таким образом, предложенный способ не отвечает всем требованиям, необходимым для использования указанного волокна в качестве микроармирующего компонента в фибробетоне.

Известно армирование бетонов базальтовой фиброй [Василовская Н.Г. Цементные композиции, дисперсно-армированные базальтовой фиброй / Н.Г. Василовская, И.Г. Енджиевская, И.Г. Калугин // Вестник ТГАСУ №3, 2011]; [Сарайкина К.А. Дисперсное армирование бетонов / К.А. Сарайкина, В.А. Шаманов // Вестник ПГТУ. Урбанистика. 2011. №2] и др. Однако, при указанном соотношении компонентов, не удается достигнуть эффективного трехмерного упрочнения структуры цементобетона.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ приготовления модифицированной фибробетонной смеси и модифицированная фибробетонная смесь [патент РФ №2433038 RU], включающий перемешивание в смесителе портландцемента, фибры стальной, заполнителя, пластифицирующей и модифицирующей добавок и воды затворения, в качестве стальной фибры используют «Миксарм»-фибру, выполненную из стальной проволоки с коническими анкерами на концах, в качестве пластифицирующей добавки - пластификатор «Д-11», в качестве модифицирующей добавки - многослойные углеродные нанотрубки диаметром 8-40 нм и длиной 2-50 мкм, предварительно проводят диспергацию портландцемента, указанных пластификатора и модифицирующей добавки и их перемешивание с фиброй в линейно-индукционном вращателе в течение 5-7 минут, а полученный продукт перемешивают в смесителе при последовательном введении заполнителя и воды затворения. Однако в указанном способе используется нерациональная последовательность ввода сырьевых компонентов, а также в процессе перемешивания фибры происходит ее соприкосновение с твердыми частицами цементобетонной смеси, что приводит к механическим повреждениям и истиранию фибры. Не описывается рациональный способ ввода микроармирующего компонента, что является важной составляющей для получения композита заданной прочности. В результате снижается эффективность применения указанного способа. Также недостатком является слабая степень армирования, так как при указанном соотношении армирующего компонента возможно образование комков и неравномерностей в структуре композита. Учитывая соотношение длины к диаметру, волокна являются достаточно длинными, что также будет негативно сказываться на равномерности распределения. Известно, что в цементной среде присутствует агрессивная щелочная среда, способная вызвать коррозию. В указанном прототипе не изучен вопрос коррозионной стойкости микроармирующего компонента.

Целью заявляемого изобретения является улучшение механических характеристик бетонов: повышение их трещиностойкости, прочности при растяжении при изгибе, повышение стойкости микроармирующего компонента к воздействию агрессивной щелочной среды цементного камня.

Поставленная цель достигается за счет того, что мелкозернистый цементобетон, состоящий из цемента, песка, воды, пластифицирующей добавки и базальтового волокна согласно предлагаемому изобретению содержит модифицированное базальтовое волокно, вводимое в смесь методом гидрораспушения, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

цемент 34 песок 64 вода 1,4 пластифицирующая добавка 0,3 базальтовое волокно 0,3

Для повышения эффективности использования базальтового волокна в цементобетоне была принята возможность увеличения щелочестойкости волокна путем его термической обработки.

Процесс термообработки волокна происходил следующим образом: фибру подвергали нагреву при температуре 500°C, время изотермической выдержки составляло 30 мин. Охлаждение происходило при комнатной температуре в воздушной среде.

Для подтверждения эффективности применения базальтового волокна в цементобетоне образцы проходили испытание на щелочестойкость путем выдержки волокна в растворе цементного молочка (pH 12,9).

В указанный раствор вводили распушенное волокно. Концентрацию базальтового волокна в растворе выбирали с учетом предельного содержания фибры в цементных композитах (3-12% массы вяжущего), установленного на основании анализа литературных данных и опытным путем. Таким образом, оптимальная концентрация волокна, позволяющая достигнуть максимальных прочностных характеристик составила 7%.

По истечении срока выдержки для удаления остатков цементной составляющей волокно промывали слабым раствором соляной кислоты (0,1%) через фильтровальную бумагу. Для удаления посторонних примесей впоследствии образец промывали 1 л дистиллированной воды. Далее оставшееся на фильтровальной бумаге базальтовое волокно просушивали при комнатной температуре. Растворимость волокна определяли по разности масс первоначальной навески и сухого остатка в результате выдержки в щелочной среде. Потерю массы выражали в процентах. Возможные потери волокна при промывке (т.н. технологические потери) приняты сопоставимыми для каждого эксперимента. Результаты испытаний представлены в таблице 1.

Таблица 1 Зависимость щелочестойкости волокна от температурной обработки № Время испытания, сут Масса после выдержки, г Потеря массы, % pH раствора после выдержки Цвет Исходное волокно 1 3 2,77 7,7 11,9 норм 2 7 2,46 18,8 11,5 слабо-осветл. 3 14 2,15 28,4 10,3 осветл. 4 28 2,1 34 10,1 осветл Волокно термообработанное при 300°C 5 3 2,91 3,3 11,9 норм 6 7 2,84 5,4 11,5 норм 7 14 2,74 8,57 10,3 норм 8 28 2,66 11,39 10,1 сл.-осветл. Волокно термообработанное при 400°C 9 3 2,89 2,9 11,9 норм 10 7 2,82 6,1 11,5 норм 11 14 2,77 7,8 10,3 норм 12 28 2,73 9,04 10,1 сл.-осветл. Волокно термообработанное при 500°C 13 3 2,95 1 11,9 норм 14 7 2,88 2,1 11,5 норм 15 14 2,87 4,11 10,3 норм 16 28 2,84 5,5 10,1 сл.-осветл.

Увеличение температуры с 300 до 500°C способствует повышению щелочестойкости волокна. Потеря массы при выдержке в щелочном растворе после 28 сут в данном случае составляет около 5%, тогда как исходное волокно за это время теряет более 30% начальной массы волокна.

Для достижения рационального способа ввода использовали метод гидрораспушения. При этом способе волокно перемешивается в воде затворения, что способствует более равномерному его распределению. Далее суспензия добавляется в смесь цемента и песка.

Заданная подвижность достигалась с использованием пластификатора СП-1 производства Полипласт. Установлено существенное влияние способа введения волокна и вида пластификатора на физико-механические свойства мелкозернистого бетона (таблица 2).

Предварительное распушение волокна в воде затворения в присутствии нафталинформальдегидного пластификатора (СП-1) приводит к повышению прочности при сжатии на 24% и при изгибе на 30% по сравнению с составами, полученными одновременным смешением всех компонентов (традиционный способ). Это обусловлено адсорбцией пластификатора на поверхности базальтового волокна и ее гидрофилизацией, что приводит к формированию сольватной оболочки на поверхности волокна и его равномерному распределению сначала в воде, а впоследствии, в растворной смеси.

Характеристика используемых компонентов.

1. Цемент производства ЗАО «Осколцемент» ЦЕМ I 42,5 П.

2. Песок Ново-Товолжанского месторождения, Белгородской области.

3. Пластифицирующие добавки, СП-1 (производства Полипласт).

4. Волокно базальтовое: ООО «Машзавод БАСК».

Плотность - 2,7 г/см³;

прочность на растяжение - 1600-3600 МПа;

модуль упругости - 80-110 МПа;

удлинение при разрыве - 1,4-3,6%;

диаметр - 3-12 мкм.

Для получения цементобетона с заданными прочностными характеристиками предложен комплексный подход к способу введения базальтового волокна с пластифицирующей добавкой. Так, в работе использован способ введения предварительно распределенного волокна в воде затворения (распушение) в присутствии добавки с дальнейшим введением суспензии в формовочную смесь.

Предварительное распушение волокна в воде затворения в присутствии нафталинформальдегидного пластификатора (СП-1) приводит к повышению прочности при сжатии на 24% и при изгибе на 30% по сравнению с составами, полученными одновременным смешением всех компонентов. Это обусловлено адсорбцией пластификатора на поверхности базальтового волокна и ее гидрофилизацией, что приводит к формированию сольватной оболочки на поверхности волокна и его равномерному распределению сначала в воде, а, в последствии, в растворной смеси.

Подбор рационального состава мелкозернистого цементобетона проводили согласно ГОСТ 26633-91. В качестве расчетных параметров учитывалась подвижность бетонной смеси, прочность при сжатии и изгибе, а также проектная марка по морозостойкости.

Состав мелкозернистого цементобетона определяли расчетно-экспериментальным путем по ГОСТ 27006-86 и ГОСТ 7473-94. На первом этапе рассчитывали предварительный состав бетона, обеспечивающий получение заданной подвижности цементно-песчаной смеси и заданную прочность бетона.

Подбор пластификатора осуществляли, исходя из заданной подвижности бетонной смеси, которая подбиралась по стандартной методике, согласно ГОСТ 24211-2008.

Таблица 2 Состав и свойства мелкозернистого цементобетона № состава п/п Расход материалов, мас.% Количество добавки, мас.% В/Ц, мас.% Количество микроармирующего компонента, мас.% Предел прочности при сжатии, МПа Предел прочности при изгибе , МПа Класс бетона по прочности на сжатие Класс бетона по прочности на изгиб Класс морозостойкости бетона Цемент песок 1 32,22 66,27 0,24 1,27 0,25 47,3 5,09 В35 B_tb 4,0 F300 2 35,3 63,08 0,27 1,35 0,23 56,31 6,2 В40 B_tb 4,4 F300 3 32,2 66,32 - 1,57 - 42,11 3,77 В30 B_tb 3,2 F300 4 36,17 62,13 - 1,7 - 45,81 4,3 В35 B_tb 3,6 F300

Изобретение относится к конструкционным материалам и может использоваться в различных отраслях промышленности, например в дорожном и гражданском строительстве. Технический результат заключается в повышении трещиностойкости, прочности, стойкости микроармирующего компонента к воздействию агрессивной щелочной среды цементного камня. Мелкозернистый цементобетон состоит из цемента, песка, воды, пластифицирующей добавки и базальтового волокна, вводимое в смесь методом гидрораспушения, при следующем соотношении компонентов, мас.%: цемент - 34, песок - 64, вода -1,4, пластифицирующая добавка - 0,3, базальтовое волокно - 0,3. 2 табл.

Мелкозернистый цементобетон, состоящий из цемента, песка, воды, пластифицирующей добавки и базальтового волокна, отличающийся тем, что содержит модифицированное базальтовое волокно, вводимое в смесь после предварительного гидрораспушения в присутствии нафталинформальдегидного пластификатора (СП-1), при следующем соотношении компонентов, масс.%:
цемент 34 песок 64 вода 1,4 пластифицирующая добавка 0,3 базальтовое волокно 0,3