мелкозернистый цементобетон на основе модифицированного базальтового волокна

Формула изобретения

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

Описание изобретения к патенту

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	Btb 4,0	F300
2	35,3	63,08	0,27	1,35	0,23	56,31	6,2	В40	Btb 4,4	F300
3	32,2	66,32	-	1,57	-	42,11	3,77	В30	Btb 3,2	F300
4	36,17	62,13	-	1,7	-	45,81	4,3	В35	Btb 3,6	F300