автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Эффективные цементные композиции, модифицированные углеродными материалами

На правах рукописи

СОЛОВЬЕВА Татьяна Александровна

ЭФФЕКТИВНЫЕ ЦЕМЕНТНЫЕ КОМПОЗИЦИИ, МОДИФИЦИРОВАННЫЕ УГЛЕРОДНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 АПР 2015

Волгоград - 2015

005566573

005566573

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

Акчурин Талгать Кадимович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Тараканов Олег Вячеславович, заведующий кафе рой «Кадастр недвижимости и право» федеральног государственного бюджетного образовательног учреждения высшего профессионального образов ния «Пензенский государственный университет а хитектуры и строительства»;

кандидат технических наук, доцент Леснов Виталий Викторович, доцент кафедр «Строительные материалы и технологии» федерал ного государственного бюджетного образовательн го учреждения высшего профессионального образ вания «Мордовский государственный университе им. Н.П. Огарева».

Ведущая организация: федеральное государственное бюджетное образов

тельное учреждение высшего профессиональног образования «Липецкий государственный технич ский университет».

Защита состоится 19.05.2015 г. в 15-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.026.04 в ФГБОУ ВПО Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 400074, ул. Академическая 1, ауд. Б-203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан ¿О2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Акчурин

Талгать Кадимович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Основой для создания эффективных разновидностей композиционных материалов служит цементный бетон, являющийся основным строительным материалом в стратегии развития промышленности различных стран мира. Перспективным конструкционным композиционным материалов являются дисперсно-армированные фибробетоны. При микроармировании бетон имеет в несколько раз более высокие прочность на растяжение и срез, ударную прочность, трещиностойкость, истирание, морозостойкость, водонепроницаемость, сопротивление кавитации, усталостную прочность, жаропрочность, пожаростойкость, вязкость разрушения. Используется армирование цементного камня различными волокнистыми материалами, как органического, так и неорганического происхождения: асбестовое и древесное волокно, стеклянные, стальные, целлюлозные, полиэтиленовые, полипропиленовые, полиамидные, полиакриловые (ПАН), полиэфирные, углеродные и арамидные (кевларовые) волокна, отличающимися не только своими физико-механическими свойствами, стойкостью к воздействию на них агрессивных сред, температур, свето- и атмосфероустойчивостью, но и, что немаловажно, ценой и экологической безопасностью. Совершенствование бетонных материалов должно быть направлено не только на рациональное использование существующих армирующих компонентов, но и на создание и исследование новых эффективных армирующих материалов.

Диссертационная работа посвящена разработке составов эффективных мелкозернистых цементных композиций, модифицированных углеродными материалами, которые являются отходами производства. При формировании определенного размера препрегов, образуются обрезки углеродного материала, которые предлагается использовать в качестве армирующего элемента цементных композиций. Вводимые в бетонную смесь дисперсные добавки отходов углеволокна (ОУВ), позволяют придать новые свойства цементному камню и бетону в целом, существенно повысить его технологические и эксплуатационные характеристики за счет микроармирования структуры бетона и эффективного взаимодействия развитой поверхности углеродного волокна с цементной матрицей, обусловленной высокими адгезионными характеристиками. Увеличение прочности при растяжении и изгибе, трещиностойкости микроармированного бетона обеспечивает высокую технико-экономическую эффективность и конкурентоспособность конструкций на его основе.

Степень разработанности проблемы. Идея усиления хрупкого бетона фиброй не нова. Дисперсное расположение фибры в объеме материала позволило сформулировать понятие композиционного материала на основе бетонной (цементной) матрицы. Большой вклад в развитие науки и практики в области армирования цементных композиций внесли работы ученых: Ю.М. Баженова, Соломатова В.И., Ерофеева В.Т., Акчурина Т.К., Корнеева А.Д., Иващенко Ю.Г., Калашникова В.И., Чернышова Е.М., Хозина В.Г., Яковлева Г.И, Рахимова Р.З., Латыпова В.М., Федосова C.B., Рахимбаева Ш.М., Гарка-

ви М.С., Пичугина А.П., Пухаренко Ю.В., Орешкина Д.В., Белова В.В., Грызлова B.C., Ярцева В.П., и зарубежные ученые - Э. By, А. Келли, Дж. Купер, С.Т. Милейко и др.

В качестве армирующего компонента в бетоне используются металлические, стеклянные, базальтовые, асбестовые и синтетические полимерные волокна. Строительные материалы и изделия из фибробетона, обладают как рядом достоинств, так и определенными, присущими только этому материалу недостатками. Так, например, асбестоцементные изделия обладают высокой сопротивляемостью разрыву, изгибу и сжатию, но малым сопротивлением удару и короблению, а главным недостатком является экологический аспект использования асбеста. Евросоюз настаивает на тотальном запрете асбеста в мире.

Структура бетона с использованием базальтовых волокон приближается к структуре бетона, армированного стальными сетками. Существенным недостатком такого бетона является достаточно низкая степень однородности бетонной композиции, что делает композицию еще более анизотропной.

Изделия, армированные полипропиленовыми волокнами, характеризуются значительными деформациями даже при небольших нагрузках растяжения, что объясняется низкой адгезией полипропилена в цементной матрице. Такие изделия с течением времени теряют свои прочностные свойства, имеют высокую истираемость поверхности и горючесть при воздействии на волокно открытого пламени.

Перспективным представляется использование углеродных волокон, обладающих в сочетании с низкой плотностью высокой прочностью и высоким модулем упругости. Высокомодульные углеродные волокна, завоевавшие себе место в промышленности конструкционных углепластиков, могли бы без конкуренции служить идеальным вариантом строительной фибры, если бы не их высокая цена. Тем не менее, внимание к углеродным материалам достаточно велико. Использование армирующих углеродных волокон с цементной матрицей возможно при изготовлении кровли, гофрированных материалов для конструкций пола, панелей, черепицы, простых и двойных искривленных тонкослойных структур. Недостатком является только стоимость углеродного армирующего компонента, а использование их, как компонентов строительных композиций считается практиками преждевременным, ввиду отсутствия их рентабельного тоннажного производства.

Научно-практический интерес представляют исследование в области технологий получения цементно-волокнистых композиций, армированных отходами углеволокна (ЦВКУ). Добавки отходов углеволокна (ОУВ) модифицируют структуру цементного камня за счет эффекта микроармирования, усиление контактной зоны межфазного взаимодействия приводит к улучшению эксплуатационных характеристик бетона. Все вышесказанное подтверждает актуальность выбранной темы диссертационного исследования.

Цель работы заключается в разработке составов и технологии получения цементно-волокнистых композиций, армированных отходами углеволок-

на (ЦВКУ) с улучшенными прочностными и эксплуатационными характеристиками.

Задачи исследований:

- дать оценку возможности использования отходов углеволокна в качестве армирующего компонента мелкозернистых бетонов;

- определить оптимальный технологический способ введения в цементную матрицу отходов углеволокна и оценить их влияние на физико-механические свойства цементного камня;

- выявить особенности процессов структурообразования ЦВКУ при армировании дискретными углеродными волокнами и установить закономерности изменения физико-механических свойств ЦВКУ от степени наполнения углеволокном;

- оптимизировать составы цементно-волокнистых композиций, армированных отходами углеволокна, путем получения адекватной математической модели для прогнозирования эксплуатационных характеристик ЦВКУ;

- дать технико-экономическую оценку эффективности использования отходов углеволокна в качестве микроармирующего компонента мелкозернистых бетонов и опытно-промышленной апробации результатов исследований.

Научная новизна:

- теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность получения цементно-волокнистых композиций с улучшенными эксплуатационными характеристиками путем их армирования отходами углеволокна;

- выявлено высокая эффективность армирования мелкозернистых бетонов высокомодульными дискретными углеродными волокнами, участвующими в процессах структурообразования цементно-волокнистых композиций и определяющих его эксплуатационные характеристики, такие как плотность, прочность при изгибе, трещиностойкость;

- установлено, что компановка структуры ЦВКУ обусловлена равномерным распределением дискретных углеродных волокон в промежутках между кварцевым наполнителем, что является дополнительным микроарми-рующим эффектом. Упорядоченная макро - и микроструктура единой системы ЦВКУ переходит в микрооднородное, вызывая снижение усадочной деформации, значительное повышение трещиностойкости и прочности при изгибе. Химическая добавка на развитой поверхности ОУВ образует слой пленки и способствует адсобционным процессам в зоне межфазного контакта. Содержащиеся в пленке в качестве концевых активно-полярные гидро-, суль-фо-, амино- и карбоксигруппы, реагируют с цементными системами и участвуют в процессах гидратации, что обеспечивает прочное межфазное сцепление в цементной системе ЦВКУ.

- установлены закономерности и количественные зависимости физико-механических свойств ЦВКУ от степени наполнения композиции отходами углеволокна, подтвержденные построенной регрессионной моделью и результатами экспериментальных исследований, что послужило обоснованием

технического преимущества армирования мелкозернистых бетонов дискретными углеродными волокнами;

- дополнены и расширены представления о способах повышения качества бетонных композиций при их армирования углеродными материалами.

Практическая значимость работы. Предложена и научно обоснована возможность получения эффективных фибробетонов с улучшенными эксплуатационными характеристиками путем их армирования дискретными углеродными волокнам, являющимися отходами производства препрегов.

Установлены закономерности процессов структурообразования це-ментно-волокнистых композиций, армированных отходами углеволокна. Установлены и экспериментально подтверждены зависимости свойств фибробетонов от содержания углеродного волокна. Разработаны оптимальные составы цементно-волокнистых композиций, армированных отходами углеволокна с улучшенными эксплуатационными и технологическими характеристиками, такими как плотность, прочность при изгибе, трещиностойкость. Сочетание микроармирования мелкозернистой структуры бетона углеродными волокнами с технологическими приемами при изготовлении изделий позволяет получать материалы для конструкций кровли, пола, панелей, черепицы, простых и двойных искривленных тонкослойных структур другие виды строительных материалов. Использование высокомодульных углеродных волокон в виде отходов производства позволяет значительно снизить себестоимость изделий и делает изделия из ЦВКУ конкурентоспособными.

Объект исследований. Фибробетоны, армированные углеродными волокнами.

Предмет исследований. Процессы структурообразования мелкозернистой бетонной системы при ее микроармировании дискретными углеродными волокнами и оценка влияния рецептурно-технологических факторов на физико-механические характеристики цементно-волокнистой композиции.

Положения, выносимые на защиту:

- принципы улучшения эксплуатационных характеристик мелкозернистого бетона и его физико-механических свойств за счет микроармирования отходами углеволокна;

- теоретические представления о процессах структурообразования цементно-волокнистых композиций, армированных отходами углеволокна, обусловленных микроармирующим эффектом путем распределения дискретных углеродных волокон в промежутках между наполнителем, что способствует формированию микрооднородной структуры системы ЦВКУ с повышенными физико-механическими свойствами;

- результаты экспериментальных исследований и оценка влияния ре-цептурно-технологических факторов на физико-механические характеристики цементно-волокнистой композиции;

- новые составы и эксплуатационные характеристики цементно-волокнистых композиций, армированных отходами углеволокна и их опытно-промышленная апробация.

Достоверность исследовании и выводов по диссертационной работе обеспечена обоснованным использованием апробированных методов экспериментального исследования, использование стандартных средств измерений и методов исследований; использованием современного программного обеспечения при обработке экспериментальных данных, которое обеспечивает не противоречие и совпадение опытных испытаний и их положительных практических результатов с результатами расчетов и выводов известных положений.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на Международной конференции посвященной 60-летию вуза «Наука и образование: архитектура, градостроительство и строительство» (Волгоград, 2012 г.); на ПЫУ-й научно-технической конференции «Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства» (Волгоград, 2012 г., 2013 г.); на 1-ой Международной научно-практической конференции «Ресурсоэнергоэффективные технологии в строительном комплексе региона» (Саратов, 2013 г.); ежегодной научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава и студентов ВолгГАСУ (Волгоград 2014 г.), Международной научно-технической конференции «Инженерно-экологические проблемы строительного комплекса региона» (Волгоград 2014 г.).

Личный вклад автора. Вклад автора состоит в выборе и обосновании направления исследования; дополнении, расширении и научном обосновании представлений о процессах структурообразования мелкозернистых бетонов при их армировании углеродными материалами. Разработке новых составов цементно-волокнистых композиций, армированных отходами углеволокна, с улучшенными техническими и технологическими характеристиками. В предложении технологических решений при изготовлении изделий из оптимизированных составов. В анализе и обобщении полученных результатов исследований, изложенных в диссертационной работе; внедрении результатов диссертационной работы в виде опытно-промышленной апробации.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 печатных работ, в т. ч. 2 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов приложений и изложена на 137 страницах машинописного текста, включает 19 таблиц и 25 рисунков, списка использованных источников из 170 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, ее научная новизна, практическая значимость, а также основные положения работы, выносимые на защиту, приведены сведения об опытно-промышленной апробации работы. Сформулированы цель и задачи исследований. Представлена целесообразность и перспективность использование дискретных высокомодульные углеродных волокон в виде отходов произвол-

ства как идеального варианта строительной микроармирующей фибры для улучшения функциональных свойств бетонных композиций.

В первой главе проведен анализ литературных источников по вопросу истории развития и перспектив использования дисперсно-армированных бетонов как основных конструкционных материалов в строительстве.

Большой вклад в развитие науки и практики в области улучшения функциональных и конструкционных характеристик бетонов внесли работы Ю.М. Баженова, Соломатова В.И., Ерофеева В.Т., Акчурина Т.К., Корнеева А.Д., Иващенко Ю.Г., Калашникова В.И., Чернышева Е.М., Хозина В.Г., Яковлева Г.И, Рахимова Р.З., Латыпова В.М., Федосова C.B., Рахимбаева Ш.М., Гаркави М.С., Пичугина А.П., Пухаренко Ю.В., Орешкина Д.В., Белова В.В., Грызлова B.C., Ярцева В.П. и др. Результаты этих исследований позволили определить эффективность фиброармирования для изделий и конструкций, работающих на действие статических нагрузок, которая зависит от прочности бетона-матрицы, характеристик и объемной концентрации фибры. Используемые в настоящее время виды армирующих волокнистых материалов в виде коротких отрезков тонкой стальной проволоки, стеклянных волокон, базальтовых волокон, волокна на основе полипропилена и хризолитового асбеста, различаются по своим свойствам и к решению вопросов о их применении в качестве арматуры необходимо подходить дифференцированно. Влияние этих волокон на свойства бетонных композиций достаточно изучены, в меньшей степени это относится к дисперсно-армированным бетонам на синтетических и углеродных волокнах. Вводимые в бетонную смесь тонкодисперсные добавки углеволокна позволяют придать новые свойства цементному камню и бетону в целом, существенно повысить его показатели за счет адгезионного взаимодействия на межфазных границах. Углеволокно существенно модифицируют структуру цементного камня и его контактные зоны с наполнителем. Увеличение прочности композитов за счет введения углеродных материалов практически не зависит от активности вяжущего, прирост прочности может составлять до 15 - 20 МПа, а для цементного камня - 0,8 -1,5 МПа. Для низкомарочных мелкозернистых бетонов это может соответствовать почти двукратному упрочнению, а для высокомарочных составляет 25 - 30 процентов от исходной прочности.

Но, не смотря на конкурентную способность композиций, армированных углеродными материалами, на рынке стройматериалов, их массовому использованию препятствуют высокие цены на углеродное волокно. Стоимость углеродного армирующего материала существенно выше стоимости основных материалов-конкурентов, суммарный выпуск углеродных волокон не высок и составляет 15 тыс. т / год, а их мировой рынок за последние двадцать лет растет в среднем на 5 % в год.

В связи с вышеизложенным, в диссертационной работе представлены исследования по использованию в составах мелкозернистого бетона в качестве армирующего компонента отходов углеволокна для получения цементно-волокнистых композиций с улучшенными прочностными и эксплуатацион-

ными характеристиками, которые представляются весьма актуальными и экономически оправданными.

Во второй главе обоснован выбор материалов и методик исследований. В диссертационной работе были использованы следующие материалы:

- природные разнофракционные пески с Мк 2,0 - 2,5 месторождений Волгоградской области;

- портландцемент ПЦ 500 ДО производства ОАО «Себряковцемент»;

- волокно углеродное (измельченное) марки ПП 12/1 ООО «ЗУКМ» г. Челябинск;

- пластифицирующие добавки: Суперпластификатор марки С-3 (ТУ 5870-002-58042865-03), Cementol Zeta Super-5 (производитель Dynamon, Чехия).

Для проведения экспериментальных исследований изготавливались серии образцов в лабораторных условиях кафедры СМ и СТ. Испытания проводились в соответствии с ГОСТ 18105-2010 «Бетоны. Правила контроля и оценки прочности», ГОСТ 10180-2012 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам». Водопоглощение определялось в соответствии с ГОСТ 12730.3-78 «Бетоны. Методы определения водопоглощения». Макро- и микроструктура образца изучалась методами оптической микроскопии. При проведении исследований и испытаний использовались современные физические и физико-химические методы анализа, математические методы планирования эксперимента и их компьютерная обработка.

В третьей главе представлено техническое решение по диспергированию отходов углеволокна (ОУВ) при приготовлении бетонных смесей, а также результаты исследования процессов структурообразования цементно-волокнистой композиции, армированной отходами углеволокна (ЦВКУ), установлены зависимости и определены закономерности изменения физико-механических свойств ЦВКУ от количества вводимой углеродной микроар-мирующей фибры.

При введении строительной микроармирующей фибры в готовые (товарные) бетонные смеси хорошего диспергирования можно достичь в смесителях гравитационного или принудительного действия, причём микрофибру можно добавлять в сухую смесь непосредственно перед добавлением жидких компонентов. Для углеродной фибры присутствуют определенные трудности при ее введении в состав бетонной смеси, связанные со сваливанием и комкованием материала. В диссертационном исследовании предлагается использовать простой технологический прием предварительного смешивания ОУВ с водным раствором пластифицирующей добавки. Использовалась химическая добавка Cementol Zeta, применяемая изготовителем цементно-волокнистых плит. Микроскопическое изображение отходов углеволокна, после обработки пластифицирующей добавкой представлены на рис. 1, а-б.

Отходы углеволокна представляют собой фракционную по длине смесь дискретных волокон, размер которых колеблется от 20 и до 1000 мкм, диаметр углеволокна изменяется от 5 до 25 мкм. Длинные углеродные волокна

эффективно упрочняют цементную матрицу, реализуя всю свою прочность при воздействии внешних нагрузок на композицию. Короткие волокна можно рассматривать как мнкронаполнитель. Дополнительной специальной обработки поверхности углеродных волокон не требуется.

Рис. 1 - Микроскопическое изображение материала отходов углеволокна в проходящем (а) и отраженном (б) свете (МБС-9 (3.3-100.8Х))

Армирование углеродными волокнами можно рассматривать как многоуровневое за счет трубчатой структуры волокон, характеризующейся структурными слоями из атомов углерода. Такую структуру называют "комка мятой бумаги". И именно она обеспечивает трехмерное упрочнение ЦВКУ в виде плотной упаковки системы «цемент - песок - дисперсная арматура» и их взаимное сцепление. Для традиционных виден* фибрм характерно только двухмерное упрочнение. По мнению ряда авторов, единой методики подбора составов дисперсно-армированных бетонов нет. При подборе состава композиции воспользовались формулой Боломея-Скрамтаева (1), учитывающей активность цемента, качество заполнителя и необходимую прочность бетона на сжатие, с корректировкой состава исходя из соотношения цемента и заполнителя (2).

а

б

где Ц - цемент, кг;

3 - заполнитель, кг;

р, - плотность заполнителя, кг/м';

Pu.r - плотность цементного теста, кг/м3;

V„„ - количество цементного теста в I м1 бетона, л.

Ц: 3 = I: /»' = I:

р.

(2)

где рв, - объемная масса заполнителя в уплотненном состоянии, кг/м'; р, - плотность армирующего волокна, кг/м3; ц - процент армирования по массе.

Добавка пластификатора, являясь поверхностно-активным веществом, способствовала равномерному распределению отходов углеволокна в системе, смачивая его поверхность. В таком виде материал вводился в композиционную смесь. Пластификатор, снижая величину поверхностного натяжения, проявил поверхностно-активные свойства по отношению к развитой поверхности углеволокна. что обусловило их способность к диспергированию в цементной системе.

изображение ямутррмней структуры леннс системы ЦВКУ «вяжущее -скола образца ЦВКУ. (МБС-9 (4,0 - дисперсная арматура»

Анализ структу ры полученных образцов производился методами оптической фрактографни (рис. 2). Излом образца (рис. 2) позволяет выявить структурные поверхности разрушения, что является эффективным средством анализа причин эксплуатационных повреждений в изделиях из цементно-волокннстых композиций. Плоскость разрушения меняет свою ориентировку от зерна к зерну наполнителя, образуя так называемые фасетки. Скол не идеально гладок - на его поверхности имеются ступеньки, придающие структуре вид ручьистых узоров, вид которых меняется при переходе от зерна к зерну наполнителя, так как плоскость разрушения меняет свою ориентировку. По основным деталям рельефа можно выявить очаг главной трещины, который располагается вблизи границы цементной матрицы и кварцевого наполнителя. в узлах пространственно-ориентированной структуры, а также вблизи избыточных фаз на границе зерен кварцевого песка (рис. 2). Наличие угле-

РатрылжпчыЛ •иО/хт.тшлвыЛ мглг^доьшемв

Рис. 2 - Микроскопическое

Рис. 3 - Модельное представ-

родных волокон разной длины способствует сокращению количества как микро-, так и макротрещин. Короткие волокна уменьшают количество мнкро-трешнн, позволяя избежать значительных дислокаций напряжений, повышают трещиностойкость. Длинные волокна углеродной фибры способствуют снижению числа микротрсшин при высоких нагрузках.

Усиления адгезии ОУВ и цементного вяжущего, и повышение их структурообразующей роли достигается за счет пленки пластифицирующей добавки на развитой поверхности углеволокна (рис. 3). Добавка содержат в качестве концевых актнвно-полярные гидро-. сульфо-, амино- и карбокси-группы. которые реагируют с цементными системами, участвуя в процессах гидратации. Слой пленки (рис. 3) на поверхности углеволокна способствует адсобционным процессам в зоне межфазного контакта.

Таким образом. ОУВ за счет слоя ПАВ на развитой поверхности характеризуются как носители активных центров, интенсифицирующих процессы гидратации цемента. Адсорбция продуктов гидратации на поверхностях ОУВ, адгезия новообразований к этим поверхностям создает прочное сцепление в цементных системах и способствует изменению физико-механических характеристик ЦВКУ (рис. 4 - 7).

«Г ^

i - <

« /

* 0 к

■ 1111 1 ■ 1 ■

«4 ап. ч.

Рис. 4 - Диаграмма изменения прочности при сжатии ЦВКУ в зависимости от содержания ОУВ

Рис. 5 - Диаграмма изменения прочности при изгибе ЦВКУ в зависимости от содержания ОУВ

„_ 3 я

Щ 13

Рис. 6 - Диаграмма изменения плотности ЦВКУ в зависимости от содержания ОУВ

Рис. 7 - Диаграмма изменения водоноглощення ЦВКУ в зависимости от содержания ОУВ

Но результатам исследования отчетливо видна тенденция увеличения прочности при сжатии и изгибе с введением ОУВ. При содержании ОУВ в области от I - 3 % прочностные характеристики изменяются не значительно (прирост не более 3 %), наблюдается стабилизация показателей. Значительный прирост прочное™ (до 20 %) наблюдается при содержании ОУВ до 2 %, дальнейшее увеличение содержания армирующего компонента ОУВ не значительно влияет на увеличение показателя (прирост до 0,5 %). Оптимальное количество армирующего компонента ОУВ лежит в пределах от 0,5 до 1.5 % и это экономически оправдано.

В четвертой главе рассмотрены результаты экспериментальной проверки теоретических предположений, выдвинутых в работе, оптимизированы составы цсментно-волокнистых композиций, армированных отходами угле-волокна (ЦВКУ).

При выявлении наиболее эффективных дозировок пластифицирующих добавок и оптимизации микроармируюшего компонента ОУВ в качестве контрольного образца был принят состав цемент: песок = 1:2, при фиксированном водоцементном соотношении (В/Ц = 0,37). Сравнивались два вида пластификаторов отечественного и импортного производства, наиболее часто используемых при изготовлении цеменгно-волокннстых композиций, с учетом предлагаемого способа введения углеродного волокна в бетон и рекомендуемого производителем процента введения (суперпластифнкатор С-3 на основе продуктов конденсации нафталинсульфокислоты с формальдегидом; среднепласитифицирующая добавка Cementol Zeta). В табл. 1 представлены значения прочностных характеристик ЦВкУ.

Таблица 1

Прочностные характеристики ЦВКУ_

Содержание ОУВ.% Вид пластификатора Прочность на сжатие, МПа Прочность при ил мбе. МПа

0 С-3 50,8 16,0

Cementol Zeta 52.5 17,6

0.5 С-3 54,7 18,2

Cementol Zeta 58.3 19,2

1.0 С-3 56.5 20,0

Cemento! Zeta 58,5 24,3

1.5 С-3 56,8 22,8

Cementol Zeta 63,2 23.5

Влияние вида пластификатора не однозначное нам прочностные характеристики композиции при предварительном смешивании ОУВ с добавкой. Поэтому определялось влияние дозировки пластификатора при оптимизации вводимого количества ОУВ, при которых достигаются максимальные значения физико-механических характеристик ЦВКУ. На рис. 7 - 10 отражены

зависимости физико-механических характеристик ЦВКУ от процентного содержания ОУВ и пластификатора.

<Л«1Л

Рис. 7 - Прочность при ежа- Рис. 8 - Прочность при изгибе

тии цементно-волокнистой компози- цемеитно-волокнистой композиции,

ции, армированной отходами угле- армированной отходами углеволокна волокна

Рис. 9 - Плотность цементно- Рис. 10 - Водопоглощение

волокнистой композиции, армиро- цементно-волокнистой композиции, ванной отходами углеволокна армированной отходами углеволокна

Наблюдается тенденция увеличения прочности при сжатии (7 %) начиная с дозировки добавки Cementol Zeta от 0.15 % при введении ОУВ в диапазоне от 0,5 до 2.0 % от массы цемента. Наибольшего значения прочность при сжатии достигается при 1.5 % содержании ОУВ и составляет 57,4 МПа. что превосходит контрольный состав на 8 %. При увеличении дозирования добавки до 0,7 % рост показателя стабилизируется (9 %).

Такая же тенденция характерна и для прочности на изгиб с большим эффектом роста показателя. Максимального увеличения прочность на изгиб достигает при 2.0 % содержании ОУВ и добавки. 0,5 %, прирост, в сравнении с контрольным образцом, составил 33 %. При этом же процентном содержании ОУВ и пластификатора плотность ЦВКУ увеличилась на 25 %. Сннжение водопоглощения на 38 % наблюдалость уже при значениях добавки 0.3 % и содержании ОУВ 1,5 %. Значительное снижение водопоглощения создает

Рис. 11 - Микроскопическое изображение структуры оптимального состава ЦВКУ. поверхность не шлифованная (МБС-9 (7.0 - 14"))

Рис. 12 - Модельное представление микроармирующего эффекта ОУВ в ЦВКУ

предпосылки для высокой морозостойкости ЦВКУ. Результаты исследований показали, что значение морозостойкости оптимизированного состава ЦВКУ более F 100.

Анализируя результаты физико-механических показателей ЦВКУ. оптимальным считается состав, имеющий наибольшие прочности как при сжатии. так при изгибе, с минимальным значением водопоглощення. при содержании ОУВ 1,5 % и пластифицирующей добавки Cementol Zeta 0,5 %, что согласуется с рекомендуемой дозировкой производителя. На рис. 11 представлена структура оптимального состава ЦВКУ и модельное представление микроармирующего эффекта ОУВ (рис. 12).

ФнЛра

Структура образца дисперсно-упрочненная с наличием армирующего элемента (ОУВ) (рис. 11). Распределение ОУВ по объему образца более или менее равномерное, присутствуют скопления углеволоконного материала в промежутках между кварцевым наполнителем, что является положительным эффектом дополнительного микроармирования ЦВКУ и препятствует образованию очагов вторичных трещин и их локальному распространению.

Адгезия ОУВ и цементной матрицы проявляется в постоянстве внешнего вида углеродной фибры (рис. 11), ОУВ не скручиваются, соотношение размеров больших и малых отрезков ОУВ не изменяется после технологических операций изготовления образцов. Повышение трещиностойкости образцов ЦВКУ объясняется механизмом торможения распространения трещин за счет отсутствия разрушений на границе раздела цементная матрица - ОУВ. Дополнительное сопротивление трешннообразованию способствует равномерному распределению напряжений пс всему объему ЦВКУ. Микроармиро-ваннс цементно-волокннстых композиций отходами углеволокна будет спо-

собствовать повышению долговечности материала, снижению усадочной деформации, значительному повышению трещиностойкости, улучшению эксплуатационных характеристик.

Полученные результаты положены в основу опытно-промышленной апробации изделий на ООО "НГС "Ахтуба" (г. Волжский).

В пятой главе приведены результаты опытно-промышленной апробации оптимизированного состава цементно-волокнистой композиции, армированной отходами углеволокна.

Выполнен расчёт технико-экономических показателей производства изделий из разработанных цементно-волокнистых составов, где возможна замена асбестового армирующего компонента отходами углеволокна. Экономический эффект от внедрения разработанного состава ЦВКУ достигается за использования отходов углеволокна, улучшения эксплуатационных характеристик цементно-волокнистых изделий, снижения экологической нагрузки.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Теоретически обоснована и практически подтверждена возможность получения цементно-волокнистых композиций, армированных отходами углеволокна (ЦВКУ), с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

2. Предложен технологический прием введения дискретных углеродных волокон, позволяющий исключить сваливание и комкование углеродного материала, и способствующий диспергированию ОУВ в цементной системе, состоящий в предварительном сшивании углеродного материала с водным раствором пластифицирующей добавки.

3. Выявлены особенности процессов структурообразования ЦВКУ, заключающиеся в плотной упаковке системы «цемент - песок - дисперсная арматура» и их взаимном сцеплении. Длинные углеродные волокна эффективно упрочняют цементную матрицу, короткие волокна рассматриваются как микронаполнитель, с учетом многоуровневой трубчатой структуры углеродного волокна. Слой пленки пластификатора на поверхности ОУВ способствует усилению адгезии, его концевые активно-полярные гидро-, сульфо-, амино- и карбоксигруппы, реагируя с цементными системами, участвуют в процессах гидратации, создавая прочное сцепление в зоне межфазного контакта, способствуя измененшо физико-механических характеристик ЦВКУ.

4. Установлены закономерности изменения физико-механических характеристик ЦВКУ от дозировки ОУВ и пластификатора. Максимальное увеличение прочности при сжатии (9 %), прочности при изгибе (38 %), плотности (25 %), снижение показателя водолпоглощения (38 %) достигалось при сочетании 1,5 % введения ОУВ и 0,5 % дозировки пластификатора.

5. Дополнены и расширены существующие представления о способах формирования структуры цементно-волокнистых композиций, армированных углеродными материалами. При оптимизации составов ЦВКУ выявлено, что скопления ОУВ в промежутках между наполнителем является положитель-

ным эффектом дополнительного микроармирования и препятствует образованию очагов вторичных трещин и их локальному распространению. Постоянный внешний вид углеродной фибры говорит об адгезии ОУВ и цементной матрицы, что повышает трещиностойкость ЦВКУ и улучшает ее эксплуатационных характеристик.

6. Экономический эффект от внедрения разработанного состава ЦВКУ выражается в снижении себестоимости в среднем на 35 % на 1 т изделий, что достигается за счет использования отходов углеволокна, улучшения эксплуатационных характеристик цементно-волокнистых изделий, снижения экологической нагрузки.

Основные результаты диссертационной работы изложены в 9 публикациях, в том числе:

Работы, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях:

1. Соловьева, Т. А. Оценка возможности использования отходов углеволокна в качестве армирующего элемента цементных композиций / Т. А. Соловьева, Т. К. Акчурин, О. Ю. Пушкарская // Вестн. Волгогр. гос. ар-хитектур.-строит. ун-та. Сер.: Стр-во и архитектура. Строит. Науки 2013 -Вып. 30 (49).-С. 197-201.

2. Соловьева, Т. А. Анализ роли армирующих отходов углеволокна в формировании структуры цементно-волокнистой композиции / Т. А. Соловьева, Т. К. Акчурин, О. Ю. Пушкарская // Вестн. Волгогр. гос. архитектур,-строит. ун-та. Сер.: Стр-во и архитектура. Строит. Науки, 2014. - Вып 37(56) -С. 93-101.

Публикации в других изданиях:

3. Соловьева, Т. А. Перспективы и возможности использования отходов углеволокна в технологии эффективных цементных композиций / Т. А. Соловьева, Т. К. Акчурин, О. Ю. Пушкарская // Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства : материалы 1П Междунар. науч.-техн. конф., 10 - 12 апр. 2012 г., Волгоград. - Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2012. - Ч. 1. - С. 172 - 174.

4. Соловьева, Т. А. Строительные композиции нового поколения, модифицированные углеродными материалами / Т. А. Соловьева, Т. К. Акчурин, О. Ю. Пушкарская // Наука и образование: архитектура, градостроительство и строительство : материалы Междунар. конф., посвящ. 60-летию вуза, 18-19 сентября 2012 г., Ч. I., Волгоград. - Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2012 - С 299-301.

5. Соловьева, Т. А. Процессы формирования макро- и микроструктуры цементно-волокнистой композиции, армированных отходами углеволокна, и оценка содержания влияния армирующего компонента на свойства бетона / Т. А. Соловьева, Т. К. Акчурин, О. Ю. Пушкарская // Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительст-

ва : материалы IV Междунар. науч.-техн. конф., 13 - 14 сентября 2013 г., Волгоград. - Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2013. - С. 229 - 232.

6. Соловьева, Т. А. Отходы углеволокна - армирующий элемент эффективных цементных композиций / Т. А. Соловьева, Т. К. Акчурин, О. Ю. Пушкарская // Ресурсоэнергоэффективные технологии в строительном комплексе региона : сб. науч. тр. по материалам Междунар. науч.-практ. конф. - Саратов : Сарат. гос. техн. ун-т, 2013. - С. 68-72.

7. Соловьева, Т. А. Повышение качества, долговечности, экономичности бетона путем армирования отходами углеволокна / Т. А. Соловьева, Т. К. Акчурин, О. Ю. Пушкарская // Материалы ежегодной науч.-техн. конф. ППС и студентов ВолгГАСУ, 29-30 апреля 2014 г., Ч. I., Волгоград. - Волгоград: Изд-во ВолгГАСУ, 2014. - С. 24-27

8. Соловьева, Т. А. Область объемного содержанияармирующего компонента при оптимизации состава цементно-волокнистой композиции, армированной отходами углеволокна / Т. А. Соловьева, Т. К. Акчурин // Инженерно-экологические проблемы строительного комплекса региона : сб. науч. тр. по материалам Междунар. науч.-техн. конф. ВолгГАСУ, 3-4 июля 2014 г., Ч. I., Волгоград. - Волгоград: Изд-во ВолгГАСУ, 2014. - С. 86-90

9. Соловьева, Т. А. Особенности формирования структуры цементно-волокнистой композиции, армированной отходами углеволокна, способствующие повышению трещиностойкости композиции / Т. А. Соловьева, Т. К. Акчурин // Инженерно-экологические проблемы строительного комплекса региона : сб. науч. тр. по материалам Междунар. науч.-техн. конф. ВолгГАСУ, 3-4 июля 2014 г., Ч. I., Волгоград. - Волгоград: Изд-во ВолгГАСУ, 2014.-С. 90-94

Соловьева Татьяна Александровна

ЭФФЕКТИВНЫЕ ЦЕМЕНТНЫЕ КОМПОЗИЦИИ, МОДИФИЦИРОВАННЫЕ УГЛЕРОДНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ

Автореферат

Подписано в печать 3.03.2015 Формат 60x84/16. Бумага Union Prints. Гарнитура Times New Roman. Печать трафаретная Усл. печ. л. 1 . Уч.-изд. л. 1,13. Тираж 100 экз. Заказ № 18

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет, 400074 г. Волгоград, ул. Академическая 1

Отдел оперативной полиграфии