автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Мелкозернистые бетоны с применением базальтовой фибры и комплексных модифицирующих добавок

На правах рукописи

Зубова Мария Олеговна

МЕЛКОЗЕРНИСТЫЕ БЕТОНЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ БАЗАЛЬТОВОЙ ФИБРЫ И КОМПЛЕКСНЫХ МОДИФИЦИРУЮЩИХ ДОБАВОК

Специальность 05.23.05 - «Строительные материалы и изделия»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 НОЯ 2014

005554389

Волгоград-2014

005554389

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

Научный руководитель: - доктор технических наук, доцент

Перфилов Владимир Александрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Тараканов Олег Вячеславович Зав. кафедрой «Кадастр недвижимости и право» ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства»;

кандидат технических наук Тимохин Денис Константинович доцент кафедры «Строительные материалы и технологии» ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.».

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (Национальный исследовательский университет)

Защита состоится 16 декабря 2014 г. в 13-00 часов в ауд. Б-203 на заседании диссертационного совета Д 212.026.04 при ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

Автореферат разослан октября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Акчурин

Тал гать Кадимович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Востребованность бетона и железобетона в великом многообразии строительных материалов очевидна. Без преувеличения его можно отнести к одному из самых используемых в мире материалов. В связи с этим целью современного строительного производства является как создание новейших технологий, так и усовершенствование традиционных. Идея армирования мелкозернистых бетонов различными мет&тлическими и не металлическими волокнами не является новой. Именно дисперсное расположение фибровых волокон в объеме бетона позволило сформулировать понятие композиционного материала на основе бетонной матрицы. В настоящее время для более широкого внедрения в строительную отрасль дисперсно-армированных материалов требуется усовершенствование подбора оптимальных составов фибро-бетонов.

Возможности современного бетоноведения позволяют получать различные виды бетонов с заранее заданными характеристиками и качествами. Данная технологическая возможность позволяет решить проблему получения высокопрочных мелкозернистых бетонов. Создавать тонкие, легкие, прочные, разнообразных геометрических форм конструкции представляется возможным благодаря использованию мелкозернистых базальтофибробетонов.

Особенность высокопрочных базальтофибробетонов заключается в трехмерном армировании бетонной матрицы базальтовым волокном, блокирующим образование и развитие трещин. Именно благодаря высокой степени сопротивления трещинообразованию улучшаются такие физико-механические характеристики, как прочность, морозостойкость, водонепроницаемость.

Дисперсно-армированный базальтовым волокном бетон, является композитом с повышенной прочностью. Это достигается путем упрочнения макро-, микро - и даже нано уровня бетонной матрицы, фибровыми волокнами, а также модификаторами. В настоящий момент значительную роль играют новые разработки химической отрасли, а именно химические добавки в бетон. Как раз на микроскопический уровень влияют различного рода модифицирующие компоненты. В целях повышения качества базальтобетона необходимо направлено регулировать его структурообразование путем введения химических пластификаторов. Значительный интерес представляют разработки новых модифицирующих добавок, позволяющих уплотнять гелевую структуру бетонной матрицы на наноуровне. К таковым, например, относятся наноуглеродные добавки, позволяющие изменять физико-механические параметры.

Для модификации базальтофибробетона также применяют многочисленные отходы и продукты вторичной переработки, которые в ином случае превращались бы в отвалы и свалки, занимающие огромные площади нашей страны. В качестве таких модификаторов используют отходы теплоэнергетики - золы, в последствии преобразованные в аморфный высокодисперсный продукт -технический углерод. Тонкоизмельченный порошок технического углерода (сажи) имеет размеры частиц не более 5 мкм. Введение его в бетонную смесь увеличивает подвижность, а, следовательно, позволяет снижать количество во-

ды затворения. Такое свойство данного продукта дает возможность увеличения прочности, начиная с ранних сроков твердения.

Цель работы - разработка новых составов мелкозернистых бетонов с применением базальтовой фибры и комплексных модифицирующих микро- и нанодобавок для улучшения их физико-механических характеристик.

Для решения поставленной цели решались следующие задачи:

- исследовать влияние различных дозировок базальтового дисперсно-армирующего волокна на структуру цементно-песчаной матрицы и прочностные характеристики мелкозернистых бетонов;

- произвести подбор наиболее эффективных пластифицирующих добавок и определить их оптимальное содержание, способствующее увеличению подвижности смеси и прочности мелкозернистого фибробетона;

- для улучшения реологических и прочностных свойств мелкозернистых базальтофибробетонов на микроуровне исследовать влияние неутилизирован-ных микропорошковых сажевых отходов;

- определить влияние наноуглеродных добавок, диспергируемых в водном растворе с применением ультразвуковой технологии, на микро- и наноструктуру мелкозернистого фибробетона;

- установить влияние комплексного введения в цементно-песчаную смесь микроармирующих базальтовых волокон-фибр, пластифицирующей добавки, нанодобавки и сажевых отходов на свойства мелкозернистого фибробетона;

- разработать новые оптимальные составы и технологии изготовления мелкозернистых фибробетонов, модифицированных комплексными добавками, что приводит к упрочнению микро- и наноструктуры бетонной матрицы, а, следовательно, приросту прочности на сжатие и растяжение при изгибе.

Научная новизна работы:

- теоретически и экспериментально доказано использование микроармирующих базальтовых волокон-фибр, суперпластификаторов, углеродных микро- и нанодобавок для целенаправленного влияния на регулирование процессов структурообразования мелкозернистых фибробетонов, обладающих повышенными прочностными характеристиками, трещиностойкостью, морозостойкостью и другими значительно более высокими эксплуатационными свойствами;

- установлено влияние и обоснована эффективность применения комплексной добавки, включающей углеродный наноматериал «Гаунит», суперпластификатор «ПОЛИПЛАСТ СП-3», а также сажевые отходы, что способствовало модификации микроструктуры цементного камня за счет более быстрого и полного связывания гидросиликатов и гидроксидов кальция и значительному увеличению скорости нарастания прочности мелкозернистого фибробетона;

- разработаны новые составы и технологии изготовления мелкозернистых фибробетонов (Патент на изобретение № 2480428 от 27.04.2013 г.), включающих базальтовые фибровые волокна и модифицирующие комплексные добавки.

Практическая значимость работы:

- получены оптимальные составы фибробетонов, содержащие в своем со-

ставе комплексные модифицирующие добавки, которые играют роль упрочни-теля на микро- и наноуровнях. Доказано, что введение в бетонную смесь базальтового фибрового волокна, пластифицирующей и модифицирующей добавок приводит к упрочнению структуры бетонной матрицы, а, следовательно, приросту прочности на сжатие и растяжение при изгибе;

- Разработан и внедрен новый состав мелкозернистого фибробетона альтернативный «классической» цементно-песчаной стяжке, армированной арматурными сетками. Полученный экономический эффект, значительно сокращающий расход цемента и полностью исключающий арматурную сетку, при площади напольного покрытия 11072 м2 составил 1914 946 рублей.

Личный вклад в решение проблемы

Разработан состав для устройства фиброцементной стяжки М150. Данный состав был применен взамен армостяжки М150, предусмотренной проектом, при устройстве напольных покрытий на объекте: «2 очередь малоэтажной жилой застройки, расположенной по адресу: г. Волгоград, ул. Шекснинская,58. Жилой дом №1,2,3». Был произведен технико-экономический расчет затрат на устройство предлагаемого типа стяжки и проектного. В результате чего выяснилось, что себестоимость материалов, необходимых для укладки фиброце-ментного покрытия оказалась на 3 195,5 руб. ниже себестоимости материалов, требующихся для стяжки армированной металлическими сетками.

На защиту выносится:

- теоретическое и экспериментальное обоснование применения базальтового волокна, суперпластификаторов, наноуглеродных добавок для повышения эффективности процесса получения модифицированной мелкозернистой фиб-робетонной смеси;

- результаты исследований применения суперпластификатора «ПОЛИПЛАСТ СП-3» вместе с углеродным наноматериал «Таунит», а также сажевых отходов и получения составов мелкозернистых фибробетонов с максимальной прочностью;

- оптимальные состав мелкозернистого фибробетона, армированного база-товым волокном и технология его приготовления, включающая предварительную обработку в ультразвуковом диспергаторе суперпластификатора совместно с водой затворения.

Реализация работы:

- разработанный новый состав мелкозернистого фибробетона альтернативный «классической» цементно-песчаной стяжке, армированной арматурными сетками применялся при устройстве напольных покрытий по адресу: 400075, Волгоград, ул. Шекснинская, 58. Полученный экономический эффект, значительно сокращающий расход цемента и полностью исключающий арматурную сетку, при площади напольного покрытия 11072 м" составил 1 914 946 рублей (см. приложение диссертации).

Достоверность результатов работы обеспечена:

- использованием современного оборудования и методик, включая методы математической статистики, которые отвечают нормативной документации

и обеспечивают достоверность полученных результатов;

- применением современных цифровых оптических микроскопов, включая зондовый микроскоп Nanoeducator (NT-MDT) для исследования топологии поверхности образцов в микро- и нанометровом диапазоне;

- определением физико-механических свойств мелкозернистых фибробе-тонов с помощью высокоточных приборов ускоренного неразрушающего контроля: ультразвуковой прибор «Пульсар-1.2», «Бетон-фрост», «МИТ-1» и другие.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 9-й Международной научной конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды» (г. Коша-лин, Польша, 2011); 6-й Международной конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» (г. Волгоград, ВолгГАСУ, 2011г.); 11-й Международной научной конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды» (г. Ханой, Вьетнам, 2013 г.); 12-й Международной конференции молодых ученых, аспирантов, студентов в Донбасской национальной академии строительства и архитектуры «Здания и конструкции с применением новых материалов и технологий» (г. Донецк, Украина, 2013 г.); Международном форуме «Энергосбережение и энергоэффективность Волгограда» (г. Волгоград, 2014 г.).

Публикации. Результаты диссертационной работы и выполненных исследований изложены в 9 публикациях, в том числе: 4 работы опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, получен патент на изобретение РФ № 2480428 от 27.04.2013 г.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованной литературы, включающего 121 наименование, и приложения. Содержит 159 страниц машинописного текста, в том числе 40 рисунков и 34 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, научная новизна и практическая значимость диссертационной работы. Сформулированы цель и задачи исследований.

В первой главе представлен обзор научно-технической литературы с исследованиями в области дисперсно-армированных бетонов. В результате проведенного литературного обзора установлено, что применение различных видов и размеров фибровых наполнителей способствует значительному изменению макро- и микроструктуры бетонов. Подробно рассмотрены основные преимущества и недостатки при использовании металлических, стеклянных, полимерных и базальтовых волокон.

Вклад в развитие и изучение непосредственно дисперсного армирования бетонов внесли следующие ученые: Рабинович Ф.Н., Моргун Л.В., Бочарников A.C., Волков И.В., Гулимова Е.В., Копацкий A.B., Крылов Б.А., Курбатов Л.Г., Лобанов И.А., Малышев В.Ф., Пухаренко Ю.В., Романов В.П., Янкелович Ф.Ц., Шикунов Г.А., Хайдуков Г.К., Малинина Л.А., Королев K.M., Гофштейн Ф.А., Бердичевский Г.И., Кутухтин Е.Г., Михайлов К.В., Хромец Ю.Н., Родов Г.С.,

Лейкин Б.В., Данилова С.Г., Мелихова Е.А., Крылов Б.А., Рыбасов В.П., Вы-легжанин В.П., Канаев (Ястржембский) С.Ф., Талантова К.В., Ваучский М.Н., Кравинскис В.К. и другие.

Выявлено, для того, чтобы дисперсно-армированный бетон отвечал заданным эксплуатационным условиям, необходимо управлять формированием его структуры и свойствами. Придать индивидуальные характеристики бетону позволяют химические модификаторы, направленно регулирующие свойства бетонов.

Проведена предварительная оценка влияния количественного и качественного применения суперпластификаторов на свойства мелкозернистого фиб-робетона.

Выявлена перспективность изучения такой формы твердого углерода как фуллерен. В силу того, что в настоящее время наномодификаторы недостаточно исследованы, к ним сложилось скептическое отношение. В связи с этим необходимо продолжать изучение в направлении упрочнения структуры цементного камня на наноуровне с помощью наноуглеродных добавок.

Определено направление исследований по разработке и изучению составов фибробетонов с улучшенными физико-механическими свойствами при использовании различных модификаторов специального назначения с целью упрочнения структуры фибробетона на микро- и наноуровнях.

Во второй главе приведены характеристики исходных сырьевых материалов, а также оборудования и методики, которые отвечают нормативной документации и обеспечивают достоверность полученных результатов.

В диссертационной работе при проведении исследований применялись следующие материалы:

- портландцемент ЗАО «Осколцемент» марки ПЦМ500 ДО-Н;

- кварцевый песок ЗАО «Орловский песчаный карьер»;

- в качестве пластифицирующих добавок использовались: пластификатор «Д-11», суперпластификаторы: «С-3», «Полипласт СП-3», «Супранафт», «Мурапласт ФК 88 (050)», «ПОЛИПЛАСТ СП-4», «Sika ViscoCrete 5-800», «SikaPlast 2135»;

- для регулирования свойств материалов на наноуровне использовался углеродный наномодификатор под торговой маркой «Таунит», полученный в ООО «НаноТехЦентр» Тамбовского государственного технического университета;

- с целью модифицирования микроструктуры бетонов применялся тонкоиз-мельченный порошок технического углерода (сажа) производства ОАО «Волгоградского завода технического углерода», марки П 234;

- в качестве макроармирующих волокон применялась базальтовая фибра производства ООО НПО «Вулкан».

Исследование микроструктуры фибробетонных образцов производилось цифровым микроскопом «Альтами LCD» и сканирующим зондовым микроскопом Nanoeducator (NT-MDT).

В работе применялось современное оборудование разрушающего и не-разрушающего контроля основных свойств материалов и изделий. Для опреде-

ления прочности неразрушающим методом применяли измеритель времени распространения ультразвука «Пульсар-1.2» фирмы НПП «Интерприбор». Механические испытания при изгибе и на сжатие образцов из мелкозернистого фибробетона проводились с использованием гидравлической испытательной машины компании TECNOTEST марки KD 150-R15 с наличием второго канала с устройством С 362/FN. Измерение параметров морозостойкости контрольных образцов фибробетона осуществлялось ускоренным методом с помощью измерителя объемных деформаций бетона прибора «Бетон - Фрост», а также специальной морозильной камеры. В целях оперативного определения параметров теплопроводности бетонных образцов использовали мобильный измеритель теплопроводности «МИТ-1».

В третьей главе в целях улучшения физико-механических свойств бетонов на микроуровне проведены исследования влияния базальтового дисперсно-армирующего волокна на структуру бетонной матрицы. В ходе теоретических и экспериментальных исследований доказан положительный эффект упрочнения бетонов базальтовыми волокнами, характеризующийся высокими показателями физико-механических характеристик. Установлено, что применение базальтовой фибры дает возможность получения на стадии перемешивания реологически однородной, пластичной, нерасслаиваемой смеси. Затвердевший фибробетон имеет пространственно армированную микроструктуру цементного камня, препятствующую образованию усадочных трещин.

Анализ результатов проведенных испытаний показал, что наиболее оптимальным является состав фибробетона с концентрацией базальтовой фибры, составляющей 1,4 кг/м3, в котором увеличение прочности на сжатие составило 40,89 %, а прочности на растяжение при изгибе - 21,07 %.

Таблица 1

Влияние базальтового волокнистого наполнителя на прочность затвердевшего _цементно-песчаного раствора_

№ п/п Дозировка фибры, кг/м3 Предел прочности

на растяжение при изгибе, МПа при сжатии, МПа

1 0 2,23 30,42

2 0,6 2,35 31,24

3 0,8 2,35 33,25

4 1,0 2,30 40,16

5 1,2 2,40 41,94

6 1,4 2,70 42,86

7 1,6 2,70 39,57

8 1,8 2,70 37,5

9 2,0 2,60 40,09

10 2,5 2,80 39,84

Рост показателей прочности образцов на сжатие и изгиб объясняется тем, что введение в смесь базальтовых волокон способствует увеличению сцепления с цементно-песчаной матрицей. Повышение таких показателей как трещиностойкость и, соответственно, долговечность базальтофибробетонов свазано с макроармирующей способностью фибровых волокон и релаксацией напряжений на поверхностях контакта «матрица-заполнитель». Процесс разрушения бетонов, дисперсно-армированных базальтовым волокном значительно длительнее процесса разрушения обычных мелкозернистых бетонов. Стоит также отметить, что дальнейшее увеличение расхода фибры привод к ее комкованию, снижение прочности на сжатие и растяжение при изгибе, а также к неоправданному удорожанию базальтофибробетона.

Рассмотрено влияние модифицирующих, в том числе наноуглеродных добавок и микроупрочнителей на свойства мелкозернистых фибробетонов. Доказано, что влияние на структуру фибробетона оказывает не только фибровое волокно, но и комплексное введение добавок и микроупрочнителей. Чтобы улучшить физико-механические свойства мелкозернистых фибробетонов, необходимо исследовать влияние пластифицирующих добавок на прочность мелкозернистых фибробетонов. В процессе исследования рассматривались следующие пластифицирующие добавки: пластификатор «Д-11», суперпластификаторы: «С-3», «Полипласт СП-3», «Супранафт», «Мурапласт ФК 88 (050)», «ПОЛИПЛАСТ СП-4», «Sika ViscoCrete 5-800», «SikaPlast 2135».

Установлено, что в результате проведенных экспериментальных исследований наблюдается положительное влияние суперпластификаторов на физико-механические свойства цементно-песчаного раствора. Таким образом, введение добавки «ПОЛИПЛАСТ СП-3» и «Sika ViscoCrete 5-800» способствовало повышению прочности и подвижности раствора. Результаты представлены в таблице 2.

Таблица 2

Влияние пластифицирующих добавок на прочность мелкозернистых фибробетонов

Наименование Расплыв стандартного конуса, мм Плотность кг/м3 Прочность цем раство ентно-песчаного ра, МПа

изгиб сжатие

Эталон 106 2234,37 2.3 30,42

Sika Plast 2135 106 2128,90 2,3 40,19

VC 5-800 106 2171,88 2,4 55,01

Мурапласт 107 2105,47 2,4 39,66

Супранафт 109 2018,80 2,6 47,3

СП-3 111 2152,34 2,9 59,9

С-3 109 2158,36 2.6 52,14

СП-4 109 2138,57 2,8 54,08

Д-11 108 2108,39 2.4 46,68

В результате использования суперпластификаторов снижается расход воды затворения при сохранении подвижности, что играет важную роль при производстве базальтофибробетонов.

Для улучшения физико-механических свойств базальтофибробетонов на микро-и наноуровие проведены исследования влияния добавки технического углерода (сажи). Эта добавка является отходом различных теплоэнергетических установок, неутилизированные запасы которой наносят непоправимый вред окружающей среде. Тонкоизмельченный порошок технического углерода (сажи) имеет размеры частиц не более 5 мкм. Введение его в бетонную смесь дает возможность увеличить подвижность, а, следовательно, снизить количество воды затворения до 20 %. Именно это свойство технического углерода дает возможность увеличения прочности, начиная с ранних сроков твердения. Результаты исследований представлены на рис.1.

Рис. 1. Влияние добавки технического углерода на предел прочности при сжатии и изгибе мелкозернистого фибробетона

По итогам испытаний экспериментально доказано, что применение технического углерода приводит к повышению прочности на сжатие по сравнению с составом смеси без добавки. Наибольшую прочность на сжатие имеет состав с количественным содержанием технического углерода, равным 0,75 % от массы цемента.

В ходе изучения микроструктуры растворных образцов с добавкой технического углерода, которые проводилось с помощью цифрового стереомикро-скопа, установлено, что использование сажевых отходов способствует получению мелкозернистого фибробетона с плотной структурой. Результаты исследований отображены на микрофотографии структуры образцов (см. рис. 2). Мелкие частицы углеродистой добавки концентрируют вокруг себя и скрепляют гидросиликаты кальция цементного камня, а также зерна кварцевого песка,

¥ о

а 44 Ш> С,? 1 у <ф ;

йгр» им**««! угарзаД

о,г ¡),о »г 1 м ъщж тяя» тщ *

и

повышая прочность цементно-песчаной матрицы.

* + ?«. г. . -а, 1 *

Т. ' ■ • ■

2014/02/21 15:24:02

Рис. 2 Микроструктура мелкозернистого бетона

Таким образом, в результате проведенных экспериментальных исследований доказано, что введение в фибробетонную смесь неутилизированных сажевых отходов оказывает положительное влияет на реологические свойства смеси, а также на увеличение прочностных характеристик мелкозернистого фибробетона.

Дальнейшие научные исследования мелкозернистых базальтофибробето-нов проводились не только на макро и микроуровне, но и на наноуровне. Углеродные наномодификаторы дают возможность управлять процессом формирования структуры фибробетона на наноуровне. Одной из форм наномодификато-ров являются полые нанотрубки.

Целью данного этапа исследований являлось изучение влияния нанодо-бавки «Таунит» на свойства фибробетонной смеси и получаемого фибробетона. Сложность изготовления раствора с добавкой «Таунит» связана с тем, что углеродные нанотрубки нерастворимы в воде. Поэтому приготовление раствора на-нодобавки «Таунит» осуществлялось с помощью ультразвукового диспергатора УЗД 1-0.1/22 с частотой 22-26 кГц в течение 30 секунд. Формование образцов производилась на лабораторной виброплощадке. Результаты испытаний, затвердевших образцов из равноподвижных растворных смесей представлены в таблице 3.

Таблица 3

Влияние добавки «Таунит» на свойства мелкозернистого фибробетона

№ состава Количество добавки «Таунит», % от массы цемента Расплыв конуса, мм Прочность, МПа

изгиб сжатие

1 0 107 2.7 42.86

2 0.001 110 2,93 58.37

3 0.005 111 4.2 60.17

4 0,01 108 4,3 62.11

5 0,05 108 -»,7 67,05

6 0,1 110 3.3 66.35

Анализ результатов показал, что прочность на сжатие повысилась на 24 %, а прочность на растяжение при изгибе - на 16 % по отношению к образцам из базальтофибробетона исключающим нанодобавку.

Далее проводились изучения топологии поверхности скола растворных образцов с нанодобавкой «Таунит» и стандартных образцов на сканирующем зондовом микроскопе (СЗМ) №поес!исаЮг (ЫТ-МОТ). Указанное лабораторное оборудование позволило визуализировать и диагностировать исследуемый образец с нанометровым уровнем пространственного разрешения.

На рис. 3 и 4 изображен общий вид исследуемой области и вид нанорель-ефа поверхности скола образцов мелкозернистого бетона. Светлыми цветами на снимке показываются наиболее высокие точки рельефа, а углубления же наоборот выглядят гораздо темнее.

На основании проведенного микроскопического анализа можно сделать вывод о том, что введение в раствор углеродного наноматериала «Таунит» приводит к изменению структуры поверхности скола исследуемых образцов.

Рис. 3 Топология поверхности скола образца с нанодобавкой «Таунит». Размер скана: 5.16 х 5.16 мкм

Рис. 4 Топология поверхности скола стандартного образца без нанодобавки Размер скана: 5.59 х 4.40 мкм

При практически одинаковом размере сканирования, для образцов с на-нодобавкой характерна более однородная упорядоченная структура с наиболее ровной поверхностью скола.

Из рисунков 3 и 4 видно, что в образцах без добавки максимальная высота рельефа поверхности (шероховатость) наноструктурных элементов раствора составила 8358-8362 нм, а в образцах с комплексной наномодифицирующей добавкой, включающей нанотрубки «Тауниг», - 8070-8071 нм. Это свидетельствует о том, что в образцах с нанодобавкой наблюдается более равномерная наноструктура гидросиликатов кальция с меньшей шероховатостью поверхности минералов.

Задачей дальнейших научных исследований является повышение эффективности процесса получения модифицированной мелкозернистой фибробе-тонной смеси, направленное на увеличение ее прочности на сжатие и растяжение при изгибе за счет комплексного введения подобранных наиболее эффективных компонентов: базальтового фибрового волокна, пластифицирующей добавки СП-3, нанодобавки «Тауниг», технического углерода (сажи), упрочняющих структуру фибробетона на микро- и наноуровне.

Исследования проводились на основании шести составов: состав 1 - эталонный без применения каких-либо добавок, состав 2 - дисперсно-армированный базальтовым фиброволокном, состав 3-е пластифицирующей добавкой СП-3, состав 4-е нанодобавкой «Таунит», состав 5-е добавкой технического углерода (сажи), состав б - дисперсно-армированный базальтовой фиброй, а также модифицированный комплексной добавкой. Результаты данных составов затем сравнивались по физико-механическим свойствам и характеристикам.

Из таблицы 4 видно, что применение комплексной добавки, включающей углеродный наноматериал «Таунит», суперпластификатор «СП-3», а также технический углерод-сажу повышает прочность фибробетона, а также позволяет усилить действия суперпастификатора при совместном введении его с углеродными нанодобавками «Таунит».

Таблица 4

Комплексное влияние компонентов на свойства мелкозернистого фибробетона

Составы фибробетонной смеси Расплыв конуса, мм Плотность кг/м3 Прочность, МПа

изгиб сжатие

№1 109 2234.37 2,23 30.42

№2 107 2289,06 2,7 42,86

№3 108 2199,22 5.93 63,45

№4 108 2210,94 4.7 67.05

№5 107 2261,72 3.4 46,74

№6 109 2222,66 7,0 69.81

Совместное введение пластификатора «СП-3» и технического углерода позволяют снизить количество воды затворения, тем самым, уменьшить водо-цементное отношение смеси, что приводит к ускоренному увеличению прочности затвердевшего бетона. Комплексная добавка позволила модифицировать микроструктуру цементного камня за счет более быстрого и полного связывания гидросиликатов и гидроксидов кальция, что значительно снижает их растворимость и увеличивает скорость нарастания прочности.

Обоснованность применения добавки, содержащей технический углерод (сажу) связана с утилизацией экологически опасных золоотвалов. Данный вид сажевых отходов повышает реологические свойства смесей при одновременном увеличении прочности фибробетонов.

Микроструктура растворных образцов, модифицированных комплексной добавкой и базальтовым фиброволокном представлена на рис. 5.

Рис. 5 Комплексное влияние всех компонентов базальтофибробетона Ведение комплексной модифицирующей добавки в фибробетонную

смесь способствовало повышению однородности и плотности микроструктуры цементно-песчаной матрицы и уменьшению микропор и микротрещин. Оптимальная дозировка способствовала равномерному распределению фибровых волокон как это видно на рис. 5, исключив ее комкование. Исходя из вышеизложенного можно сделать вывод о том, что предлагаемый количественный состав модифицированного базальтофибробетона позволяет упрочнить структуру мелкозернистого бетона на микро- и наноуровнях.

Для нахождения взаимосвязи между компонентами различных добавок в мелкозернистой фибробетонной смеси и оценки их совокупного влияния на прочностные характеристики базальтофибробетона был составлен и экспериментально проведен 3-х факторный эксперимент.

Матрица планирования 3-х факторного эксперимента, включает в себя следующие факторы варьирования: X, - расход пластифицирующей добавки «Полипласт СП-3», в процентах от массы цемента, Х2 - расход углеродной добавки (сажа), в процентах от массы цемента, Х3 - расход нанодобавки «Таунит», в процентах от массы цемента. Результирующие показатели: Yi -предел прочности при изгибе, МПа, У2- предел прочности при сжатии, МПа.

Во всех составах применялась базальтовая фибра диаметром 10 мкм и длиной 12 мм, производства компании ООО НПО «Вулкан» в количестве 1,4 кг/м3.

После проведения экспериментальных исследований в соответствии с разработанной матрицей планирования, включающей 32 состава мелкозернистых бетонов, была осуществлена обработка полученных данных. С помощью программного комплекса Excel получены уравнения регрессии, в которых результирующими признаками являлись значения прочности образцов при изгибе - Yj и сжатии Y2.

Уравнения регрессии Yi =7,182+0,12-Xl +0,16-Х,+0,0004Х3, (1)

Средняя ошибка аппроксимации S = 3 %

К, = 73,2 + 0,94 ■ X, + 0,87 • Х2 + 0,003, (2)

Средняя ошибка аппроксимации S = 1 %

Анализ результатов экспериментов показал, что механические характеристики мелкозернистых базальтофибробетонов зависят от комплексного расхода пластификатора, сажевых отходов и углеродных нанодобавок. По результатам проведенных научных исследований разработаны оптимальные составы базальтофибробетонов (см. рис. 6), обладающие высокими прочностными характеристиками, повышенной водостойкостью, морозостойкостью и коррозионной стойкостью.

Рис. 6 Образцы полученных составов мелкозернистых базальтофнбробетонов

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что полученные новые составы с улучшенными физико-механическими свойствами могут быть применены вместо сталефибробетонов, в составе которых присутствует дорогостоящая и подверженная коррозии металлическая фибра.

В четвертой главе приведены разработанные оптимальные составы и технологии приготовления базальтофнбробетонов с использованием различных волокнистых наполнителей и пластифицирующих добавок, а так же с применением микроупрочнителей и наноуглеродных добавок.

Разработан и запатентован новый состав фибробетонной смеси и технология ее приготовления (Патент № 2480428 от 27.04.2013 г.), включающая предварительную обработку в ультразвуковом диспергаторе с частотой 20 кГц суперпластификатора совместно с водой затворения, а также предварительно перемешанных компонентов в виде цементного вяжущего, песка, а также базальтового волокна. Экспериментально доказано, что введение в бетонную смесь базальтового упрочнителя, а также пластифицирующей добавки способствует увеличению прочности на сжатие, а также повышению морозостойкости при сохранении прочности при изгибе.

Проведены исследования оценки влияния сажевых отходов на физико-механические характеристики базальтофнбробетонов. Изучена совместная работа иементно-песчаной матрицы с базальтовым волокном и сажевыми отходами. В ходе исследований установлено влияние на процессы структурообразова-ния, физико-механические и прочностные характеристики фибробетонов комплексного введения в состав смеси базальтовых фибровых волокон, пластифицирующей добавки, сажевых отходов (технический углерод). Был произведен подбор нескольких составов бетонных смесей, отличающихся различным содержанием сажевых отходов в процентном соотношении по массе: 0,25 %, 0,3 %, 0,35 %, 0,5 %, 0.75 %, 1,0%, 1,5 % от массы цемента. В качестве постоянных параметров принято соотношение цемента и песка равное 1:2 и расход армирующего компонента - базальтовой фибры. Исследования проводились на семи составах фибробетонов, среди которых, в итоге, после экспериментальной проверки выявлены оптимальные составы, показавшие лучшие результаты. Ре-

зультатом является разработка оптимальных составов фибробетонов с применением сажевых отходов (технический углерод) с высокими механическими характеристиками, такими как прочность, трещиностойкость, долговечность. Результаты семи опытных составов сравнили с физико-механическими свойствами эталонного состава, приготовленного по той же технологии, но без использования промышленных отходов (технического углерода). Количественный состав бетонной смеси для изготовления эталонного состава (1) и оптимального состава (2) представлены в таблице 5.

По итогам испытаний экспериментально доказано, что добавление в сырьевую смесь высокодисперсного волокнистого наполнителя, а также комплексной добавки, включающей суперпластификатор «Полиппласт СП-3» и технический углерод (сажа) при указанных соотношениях входящих в состав компонентов, способствует увеличению прочности на сжатие в 28 суточном возрасте на 19,58 % . Также результаты показали увеличение прочности на изгиб в 2 раза.

Таблица 5

Количественные составы бетонных смесей

Компоненты смеси Количество, кг/мЗ

1 2

Портландцемент 600 600

Кварцевый песок 1200 1200

Базальтовые волокна-фибры диаметром 13-17 мкм и длиной 6-12 мм 1,4 1,4

Суперпластификатор «Полипласт СП-3» 6 6

Технический углерод - 3

Вода л/мЗ 279 310,5

Произведен подбор состава фиброцементной стяжки, который исключает наличие металлической сетки, а соответственно сопутствующих ее укладки арматурных работ. Предлагаемый состав включает в себя в качестве вяжущего портландцемент ПЦ 500-ДО, в качестве заполнителя строительный песок, армирующим цементно-песчаную матрицу компонентом выступает базальтовое фибровое волокно с диаметром 13-17 мкм и длиной 6-12 мм с прочностью на растяжение до 2000 МПа. Полученный состав базальтоцемента имеет марку М 150. Расход материалов на 1м3 фиброцементной стяжки указан в табл. 4.6.

Таблица 6

Расход компонентов на J м3 стяжки

Расход материалов на 1 мЗ

№ со- Цемент Песок, Фибра базаль- Вода, Арматурная

става ПЦ 500-Д0, кг кг товая, кг л сетка, кг

1 600 1200 - 265 84

2 450 1350 1,0 265 -

Был произведен технико-экономический расчет затрат на устройство двух

видов стяжек. Данный расчет показал, что при замене армостяжки на стяжку из фиброцемента экономический эффект при площади напольного покрытия 11072 м" составляет 1 914 946 рублей. Это объясняется тем, что из первоначального состава полностью исключается металлическая сетка, а в процессе подбора состава базальтобетона без уменьшения прочности удалось сократить количество цемента. Рассматривая все затраты по устройству пола, то есть учитывая не только себестоимость материалов, но и затраты на производство работ, мы видим еще больший экономический эффект. Это связано с тем, что работы по устройству фиброцементной стяжки полностью исключают дорогостоящие работы по армированию, сокращая при этом еще и сроки строительно-монтажных работ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Теоретически проанализировано применение базальтовых фибровых волокон при производстве мелкозернистых фибробетонов. Обоснована эффективность применения различного рода суперпластификаторов, повышающих удобоукладываемость бетонной смеси, а также упрочнителей структуры бетона на наноуровне: наноуглеродных добавок.

2. Определена наиболее рациональная дозировка базальтового микроар-мирующего волокна. Оптимальным является состав базальтофибробетона с концентрацией фибры, составляющей 1,4 кг/м3, в котором выявлено максимальное увеличение прочности. Выяснилось, что дальнейшее увеличение расхода фибровых волокон приводит к их комкованию, а также снижению прочности и как следствие удорожанию базальтофибробетона.

3. Определены и изучены основные физико-механические свойства составляющих компонентов мелкозернистых базапьтофибробетонов. Приведены технология приготовления, а также оборудование, применяемое при изучении свойств разработанных составов фибробетонов, армированных базальтовым волокном. В ходе проведения исследований применялось современное оборудование разрушающего и неразрушающего контроля основных свойств материалов и изделий. Изучение микро- и наноструктуры образцов производили на цифровом микроскопе «Альтами LCD».

4. Приведены результаты исследований комплексного введения в це-ментно-песчаную смесь базальтовых волокон-фибр, пластифицирующей добавки «Полипласт СП-3», технического углерода-сажи, нанодобавки «Таунит» на свойства базальтофибробетона. Установлено, что применение всех вышеуказанных компонентов комплексно, приводит к максимальному набору прочности фибробетонных образцов, нежели применение данных составляющих по отдельности. Выявлены оптимальные дозировки комплексных добавок, которые включают в себя суперпластификатор «Полипласт СП-3» в количестве 0,5 % от массы цемента, технический углерод-сажу в количестве 0,75 % от массы цемента, нанодобавку «Таунит» в количестве 0,05 % от массы цемента.

5. С целью нахождения взаимосвязи между компонентами различных добавок в мелкозернистой фибробетонной смеси и оценки их комплексного влия-

ния на прочностные показатели дисперсно-армированного бетона, был составлен и экспериментально проведен «3-х факторный эксперимент». Проведена оценка влияния различных дозировок суперпласификатора «Полипласт СП-3», углеродной добавки (сажа), наноуглеродной добавки «Таунит».

6. Проведен микроскопический анализ нанорельефа поверхности скола разработанных образцов базальтофибробетона. Выявлено, что исследуемые образцы, упрочненные ноноуглеродной добавкой «Таунит» отличаются более однородной, упорядоченной структурой с более ровной поверхностью.

7. Разработан и запатентован новый состав мелкозернистого фибробетона и технология его приготовления, включающая в себя комплексное введение в бетонную смесь базальтовых волокон-фибр, а также суперпластификатора. Доказано, что комплексное применение фибры и суперпластификатора способствует увеличению подвижности смеси при низком количестве воды затворения, повышая при этом однородность и плотность. Это способствует увеличению прочности и морозостойкости мелкозернистого базальтофибробетона.

8. На основании внедрения результатов экспериментальных исследований получен экономический эффект от применения нового состава мелкозернистого фибробетона. Разработанный состав применялся при устройстве покрытия пола и сравнивался с «классическим» цементно-песчаным раствором для стяжки. Применение в технологии устройства напольного покрытия нового состава мелкозернистого фибробетона позволит сократить трудозатраты, а также значительное количество ресурсов, таких как металлическая сетка и цемент. Все эти факторы позволят снизить стоимость строительства, а также что немаловажно ускорить процессы возведения конструкций.

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

Работы, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях:

1. Перфилов, В. А. Применение базальтовых фибровых волокон и модифицирующей добавки для повышения прочностных характеристик тяжелых бетонов [Текст] / В. А. Перфилов, М. О. Зубова, Д. Н. Неизвестный // Известия вузов. Строительство. - 2011. - № 12. - С. 46-49.

2. Способ приготовления модифицированной бетонной смеси для изготовления блоков ограждающих конструкций [Текст] / В. А. Перфилов, В.И. Лепилов, М.О. Зубова, Д.Л. Неизвестный, У.В. Алаторцева // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Сер.: Строительство и архитектура. - Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2011. -Вып. 22 (41).-С. 59-64.

3. Балластировка подводных трубопроводов с применением фибровых волокон и бурового шлама [Текст] / В. А. Перфилов, М.О. Зубова, Д.Л. Неизвестный, И.Г. Лукина // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - 1Москва. -2012.- № 11. - С. 40-41.

4. Ограждающие элементы с теплозащитными свойствами в конструкциях жилого модуля морских нефтегазовых платформ / В. А. Перфилов, В.И. Ле-

пилов, У.В. Канавец, М.О. Зубова, И.Г. Лукина // - URL: littp://vestnik. vgasu.ni/attachnien ts/PerfilovLepilovKanavetsZuboval-ukina-2013 2(27).ndf

Публикации в других изданиях:

5. Пат. 2480428 Рос. Федерация, МПК С04В28/04. Бетонная смесь [Текст] / В. А. Перфилов, М. О. Зубова, Д. Л. Неизвестный. - № 2011144792/03 ; заявл. 03.11.2011 ; опубл. 27.04.2013, Бюл. № 12.

6. Перфилов, В. А. Базальтовое фибровое волокно как основной компонент дисперсно-волокнистого армирования бетонов [Текст] / В. А. Перфилов, М. О. Зубова // Вестник Донбасской национальной академии строительства и архитектуры. - 2013- Вып. 3 (101). - С. 146-148.

7. Перфилов, В. А. Применение сажевых отходов (технический углерод) с целью повышения прочностных характеристик тяжелых бетонов [Текст] / В. А. Перфилов, М. О. Зубова // Качество внутреннего воздуха и окружающей среды = Indoor air and environmental quality : материалы XI Междунар. науч. конф., 23 марта-5 апр. 2013 г., г. Ханой. - Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2013. - С. 118123.

8. Перфилов, В. А. Фибробетоны с базальтовыми наполнителями и суперпластификаторами [Текст] / В. А. Перфилов, М. О. Зубова, Д. Л. Неизвестный // Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов : материалы VI Междунар. науч.-техн. конф., 13-14 окт. 2011 г., Волгоград. - Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2011. - С. 248-250.

9. Высокопрочные фибробетонные блоки с повышенными теплозащитными свойствами [Текст] / В. А. Перфилов, В.И. Лепилов, М.О. Зубова, Д.Л. Неизвестный, У.В. Алаторцева // Качество внутреннего воздуха и окружающей среды : материалы IX Междунар. науч. конф., 17-22 мая 2011 г., г. Кошалин. - Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2011. - С. 244-248.

Зубова Мария Олеговна

МЕЛКОЗЕРНИСТЫЕ БЕТОНЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ БАЗАЛЬТОВОЙ ФИБРЫ И КОМПЛЕКСНЫХ МОДИФИЦИРУЮЩИХ ДОБАВОК

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 10.10.2014 г. Формат 60x84 1/16. Гарнитура «Times New Roman». Бумага офсетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 106.

Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет Отдел оперативной полиграфии 400074, Волгоград, ул. Академическая, д.1