автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Мелкозернистый базальтофибробетон с нанокремнеземом

На правах рукописи

гд

/у

Розина Виктория Евгеньевна

МЕЛКОЗЕРНИСТЫЙ БАЗАЛЬТОФИБРОБЕТОН С НАНОКРЕМНЕЗЕМОМ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 ноя ?015

Улан-Удэ, 2015

005564393

Работа выполнена в ФГБОУ ВО «Иркутский национальный исследовательский технический университет» и ФГБОУ ВПО «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления».

Научный - доктор технических наук, профессор

руководитель: Урханова Лариса Алексеевна

Официальные -оппоненты:

Яковлев Григорий Иванович,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Геотехника и строительные материалы» Ижевского государственного технического

университета имени М.Т. Калашникова

Клюев Александр Васильевич,

кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры теоретической механики и сопротивления материалов ФГБОУ ВПО «Белгородский

государственный технологический

университет им. В.Г. Шухова»

Ведущая ФГБОУ ВПО «Томский государственный

организация архитектурно-строительный университет», г. Томск

Защита состоится «18» декабря 2015 г. в1400 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.039.01 при Восточно-Сибирском государственном университете технологий и управления по адресу: 670013, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 42 Б, стр. 4,ауд. 8-124.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВосточноСибирского государственного университета технологий и управления и на сайте www.esstu.ru.

Автореферат разослан «16» октября 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационногосовета ,^^^---^Цамдинова Дарима Ракшаевна

Актуальность работы. При производстве фибробетонов перспективным в силу ряда преимуществ является применение базальтового волокна. В Иркутской области и Забайкальском крае на основе нового плавильного агрегата - электромагнитного технологического реактора - запущены мини-заводы по производству волокнистых теплоизоляционных материалов с применением базальтов местных месторождений. Применение электротермического метода для плавления исходного сырья с целью получения теплоизоляционных-волокнистых материалов является перспективным. В отличие от ваграночного и ванного способов при электротермическом методе многостадийность процессов заменяется одностадийностью, что позволяет сократить затраты на оборудование и облегчает его эксплуатацию. Формование минерального волокна осуществляется центро-бежно-дутьевым способом - наиболее распространенным для производства минеральных волокон благодаря высокой производительности и относительной экономичности по сравнению с другими. Применение для дисперсного армирования фибробетона базальтового волокна (БВ), полученного центробежно-дутьевым способом и обладающего менее однородными и стабильными качественными характеристиками по сравнению с базальтовым ровингом и тонким штапельным волокном, и повышение его коррозионной стойкости представляется интересным.

Кроме того, в технологии производства бетона перспективно использование нанодисперсных добавок, в частности нанокремнезе-ма, введение которых позволяет регулировать его структуру и свойства.

Диссертационная работа выполнена в рамках проектной части государственного задания в сфере научной деятельности №13.892.2014/К по теме «Получение новых композиционных материалов из расплавов горных пород и золошлаковых отходов в плаз-меннодуговом реакторе и исследование их физико-технических и эксплуатационных свойств» ВСГУТУ и научно-исследовательской работы ИРНИТУ №2.436 «Использование различных добавок и промышленных отходов для получения строительных материалов».

Степень разработанности. Обладая значительными преимуществами, фибробетоны пока не нашли широкого применения в строительстве. Вместе с тем задача их внедрения при обеспечении оптимальных показателей материалоемкости и себестоимости явля-

ется актуальной. Ее успешная реализация позволит в полном объеме раскрыть потенциал дисперсно-армированных бетонов.

При использовании базальтовых волокон, имеющих химическое сродство с минералами портландцемента (ПЦ), необходимо учесть возможное взаимодействие, которое приведет к разрушению базальтового волокна и снижению армирующего эффекта. Для снижения негативного влияния среды ПЦ на коррозию неметаллических волокон применяют различные кремнеземсодержащие добавки. Использование нанодисперсного диоксида кремния — нанокремнезема (НК) достаточно широко исследуется для бетонов различного назначения. Химическая активность нанокремнезема в сочетании с высокой удельной поверхностью позволяет ему быть эффективным компонентом современных высокопрочных бетонов. Однако использование НК для обеспечения коррозионной стойкости базальтового волокна, нахождение оптимальных уровней содержания БВ и НК, влияние БВ и НК на физико-механические, деформативные и эксплуатационные свойства фибробетона ранее не рассматривалось.

Цель работы. Целью настоящей работы является разработка технологии производства фибробетона с использованием базальтового волокна, полученного центробежно-дутьевым способом, и нанодисперсного кремнезема.

Для решения поставленной цели в работе определены следующие задачи:

1. Изучение химической стойкости базальтового волокна, полученного центробежно-дутьевым способом, в щелочной среде гид-ратирующегося портландцемента и исследование влияния на нее нанодисперсного кремнезема.

2. Определение эффективного способа введения в цементную матрицу базальтового волокна и нанодисперсного кремнезема и оценка его влияния на физико-механические свойства цементного камня и бетона.

3. Разработка составов и технологии производства мелкозер-нистогобазальтофибробетонас использованием базальтового волокна, полученного центробежно-дутьевым способом, и нанокремнезема.

4. Технико-экономическое обоснование технологии производства базальтофибробетона, апробация работы.

Научная новизна работы. Установлена эффективность применения базальтового волокна, полученного центробежно-дутьевым способом и характеризующегося неоднородностью по основным характеристикам, в качестве дисперсно-армирующего компонента, и нанокремнезема, полученного путем испарения и конденсации вещества релятивистским пучком электронов, для получения высокопрочного мелкозернистого цементного фибробетона.

Установлен способ повышения коррозионной стойкости базальтового волокна за счет введения нанодисперсного кремнезема, имеющего высокую химическую активность. Нанокремнезем, обладая развитой удельной поверхностью и повышенной химической активностью, взаимодействует с образующейся при гидратации цемента известью, предотвращая коррозию базальтового волокна. Интервал дозирования нанокремнезема значительно ниже по сравнению с известными аналогами микроразмерных кремнеземсодержа-щих добавок и лежит в пределах 0,02-0,1% в составе бетона.

Выявлены закономерности и количественные зависимости прочности цемента и бетона от количества и длины базальтового волокна, дозировки нанокремнезема, способа введения нанокремнезема и волокна, и определены его основные физико-механические и эксплуатационные свойства.

Практическая значимость работы. Разработаны составы ба-зальтофибробетона с применением базальтового волокна, полученного центробежно-дутьевым способом, и нанокремнезема, полученного путем испарения и конденсации вещества релятивистским пучком электронов.

Установлен эффективный способ распределения базальтового волокна в объеме цементной матрицы, заключающийся в кратковременном смешении-помоле в стержневом виброистирателе. Получен базальтофибробетон с прочностью при сжатии — 60-65 МПа, при изгибе - 14-16 МПа, морозостойкостью - 200-250 циклов, усадкой 0,9 1,1 мм/м.

Разработана технология приготовления высокопрочного ба-зальтофибробетона с применением базальтового волокна, полученного центробежно-дутьевым способом, и нанокремнезема. Определены технико-экономические показатели производства базальто-фибробетона и эффективность его применения.

Достоверность результатов экспериментальных исследований и выводов обеспечена:

• соответствием полученных результатов с общими положениями физической химии и структурообразования цементных композиций;

• использованием поверенного испытательного оборудования при испытании материалов и современных методов исследования структуры и свойств цементного камня (РФА, растровая электронная микроскопия, калориметрические исследования), статистической обработкой результатов измерений, корреляций результатов, полученных разными методами.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях: международных — «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» (Пенза, 2011), «Наукоемкие технологии и инновации» (XXI научные чтения) (Белгород, 2014), «Современные строительные материалы, технологии и конструкции» (Грозный, 2015), всероссийских - «Наноматериалы и технологии» (Улан-Удэ, 2014), вузовских - «Наука, технологии, инновации в инвестиционно-строительной сфере, недвижимости и жилищно-коммунальном комплексе» (г. Иркутск, 2009—2014), научно-практической конференции преподавателей, научных сотрудников и аспирантов ВСГУТУ (Улан-Удэ, 2011-2015).

На защиту выносятся:

Результаты исследований по изучению химической стойкости базальтового волокна в щелочной среде гидратирующегося портландцемента и влиянию на нее нанодисперсного кремнезема.

Закономерности и количественные зависимости повышения прочности цемента и бетона от количества и длины базальтового волокна и нанокремнезема, способа введения волокна при его совместном смешении и помоле с портландцементом в различных помольных агрегатах.

Представления о механизме действия базальтового волокна и нанокремнезема в цементе; изменение микроструктуры и фазового состава фиброцемента.

Составы и технология производства базальтофибробетона с учетом особенностей способа введения нанокремнезема и базальтовой фибры.

Расчеты несущих железобетонных элементов, полученных с использованием базальтофибробетонав г. Иркутск, и технико-экономическое обоснование производства базальтофибробетона.

Внедрение результатов исследований. Полученные составы модифицированного бетона апробированы при выпуске опытно-промышленной партии фибробетонной смеси ООО «Буржелезобе-тон», г. Улан-УдэУдэ и ООО «Алит-тм», г. Иркутск. В производственных условиях получены бетоны прочностью при сжатии -65 МПа, прочностью при изгибе - 15,4 МПа.

Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных лабораторных исследований и промышленного внедрения используются в учебном процессе ВосточноСибирского государственного университета технологий и управления и Иркутского национального исследовательского технического университета при подготовке бакалавров и магистров направления 08.03.01 - «Строительство».

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 9 научных статьях, в том числе в 4 статьях в центральных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК. На составы высокопрочного фибробетона с базальтовым волокном и нанокремнеземом получено положительное решение о выдаче патента на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из 6 глав, основных выводов, списка литературы, включающего 149 наименований, содержит 146 страниц текста, 39 рисунков, 31 таблицу и 5 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранного направления исследования, сформулированы цель и задачи исследования, показана его научная и практическая значимость.

В первой главе представленаналитический обзор современных способов получения модифицированных фибробетонов. Современное развитие строительного материаловедения связано с разработкой и внедрением модифицированных дисперсно-армированных бетонов с улучшенными характеристиками. Опыт применения фибробетонов в зарубежной и отечественной практике показывает, что рациональными областями использования таких бетонов является широкая номенклатура монолитных и сборных бетонных конструкций. Обладая значительными преимуществами, фибробетоны пока не нашли широкого применения в строительстве. Вместе с тем задача их внедрения при обеспечении оптимальных показателей мате-

риалоемкости и себестоимости является актуальной. Ее успешная реализация позволит в полном объеме раскрыть потенциал дисперсно-армированных бетонов.

Над вопросами фибробетонов и конструкций на их основе, теорий расчета и проектирования фибробетонных конструкций работали отечественные и зарубежные ученые: В.В. Бабков, Ю.М. Баженов, Е.М. Чернышов, С.С. Каприелов, И.В.Волков, С.Ф. Канаев, Ю.В. Пухаренко, Ф.Н. Рабинович, В.Ф. Степанова, В.Г. Хозин, Г.И.Яковлев, B.C. Лесовик, В.В. Строкова, Э. By, Г.С. Холистер, Дж. Купер и др.

Эффективное улучшение физико-механических, деформационных и эксплуатационных свойств базальтофибробетона возможно при использовании волокна, обладающего стабильными свойствами: однородным диаметром волокна, химическим составом, коррозионной стойкостью, отсутствием «корольков». Наиболее эффективным для дисперсного армирования бетона является использование базальтового ровинга и тонкого штапельного волокна.

При использовании базальтовых волокон, имеющих химическое сродство с минералами ПЦ, необходимо учесть возможное взаимодействие, которое приведет к разрушению базальтового волокна и снижению армирующего эффекта. При дисперсном армировании возможно использование грубых (до 100 мкм) и тонких (до 10 мкм) базальтовых волокон, при этом грубые волокна имеют более низкую прочность при разрыве, хотя предпочтительны с точки зрения коррозионной стойкости. Тонкие волокна, имеющие более высокие прочностные показатели, являются перспективными для дисперсного армирования, однако необходимо обеспечить их коррозионную стойкость в среде цемента. Для снижения негативного воздействия среды цемента на минеральные неметаллические волокна применяют различные приемы: термическая обработка волокна с целью повышения коррозионной стойкости, нанесение на волокна защитного слоя, введение кремнеземсодержащих добавок, связывающих образующуюся при гидратации известь.

Более эффективным и менее трудоемким способом является применение кремнеземсодержащих материалов, основанное на том, что они обладают гораздо большей активностью по сравнению с базальтовым волокном к среде гидратирующегося цемента и за счет связывания извести обеспечивают его сохранность и, соответственно, повышенные физико-механические и эксплуатационные свойст-

ва базальтофибробетона. Дозировки добавок (микрокремнезем, Си-лином-ДБС, модификатор бетона МБ 10-01 и др.), как правило, составляют около 10% от массы цемента.

Развитие инновационных технологий в области строительства обусловливает применение нанодисперсных добавок различного состава и структуры, применение которых позволяет существенно улучшить свойства композитов. Перспективным в данном направлении для получения базальтофибробетона с повышенной коррозионной стойкостью видится применение наноразмерного кремнезема, обладающего гораздо более развитой удельной поверхностью и практически полностью аморфного, например, добавки Таркосил-05®

На основе анализа литературных источников была разработана научная гипотеза улучшения свойств базальтофибробетона с применением НК, полученного путем испарения и конденсации вещества релятивистским пучком электронов, введение которого в микродозировках повышает коррозионную стойкость БВ. Определена цель и поставлены задачи исследований.

Во второй главе представлены характеристики исходных материалов, методов исследований, отвечающих требованиям соответствующей нормативно-технической документации и современному уровню исследований.

В проводимых исследованиях для получения мелкозернистого базальтофибробетона были использовано базальтовое волокно, полученное на основе базальта Селендумского месторождения Республики Бурятия. Минеральные базальтовые волокна имеют следующие характеристики: средний диаметр волокон - 10 мкм, длина волокон

- 30^0 мм, прочность на разрыв - 1350 МПа, температуростойкость -600°С.

Нанокремнезем Таркосил-05® получен путем испарения и конденсации вещества релятивистским пучком электронов на установке - ускорителе электронов в Институтах ядерной физики и теоретической и прикладной механики СО РАН (г. Новосибирск). Данный метод получения НК имеет ряд преимуществ: высокие химическая чистота и удельная поверхность, способность получения нано-порошка в достаточно большом объеме по сравнению с другими методами. Нанокремнезем Таркосил-05® имеет средний размер частиц

- 53 нм, удельную поверхность - 50,6 м2/г (по данным прибора Сор-

би-М) и состоит более чем на 99% из аморфного кремнезема, содержание примесей, в мае. %: Al - 0,01, Fe - 0,01, Ti - 0,03.

Реологические характеристики фиброцементных паст определяли на ротационном вискозиметре Fungilab. Исследования кинетики тепловыделения при гидратации фиброцементапроводились термосным методом с использованием измерительного комплекса Testo 176-Т4. Фазовый состав новообразований (РФА) цемента определяли на рентгеновскомдифрактометре D8 ADVANCE BRUKER AXS. Структуру цементного камня (ЭМА) изучали с помощью сканирующего электронного микроскопа JEOL-JSM-6510LV. Удельную электропроводность и водородный показатель активированной воды с нанодобавками Таркосил-05® определяли на кондуктометре-иономере АНИОН 4155. Деформативные свойства и характер разрушения фибробетонов определяли на универсальной испытательной машине Instron 3367.

В третьей главе определены оптимальные вещественные составы базальтофиброцементных композиций. Границы уровней дисперсного армирования, при которых обеспечивается исключение возможности хрупкого разрушения композита для базальтовых волокон, составляют 2-6 мас.%. Анализ изменения прочности фиброцементных композиций (рис. 1) позволяет отметить, что введение БВ приводит к повышению прочности на сжатие - на 20%, прочности при изгибе - на 40% по сравнению с контрольным составом.

■ БВ (2%)

■ БВ (6%)

■ БВ (4%)

■ ПЦ [контрольный)

0 ОД 0,5

Концентрация НК, масс. %

а б

Рисунок 1 - Влияние концентрации НК и содержания базальтового волокна на прочность при сжатии (а) и изгибе (б) цементного камня

Совместное введение БВ и НК приводит к увеличению прочности на сжатие на 33%, при изгибе - 64% при оптимальном содер-

жании БВ — 4%, НК - 0,1%. Введение НК при оптимальной дозировке не приводит к повышению водопотребности ПЦ и позволяет достичь наилучших физико-механических показателей цементного камня.

Улучшение свойств фиброцементных композиций происходит благодаря комплексному воздействию базальтового волокна и на-нокремнезема, присутствующих в системе. Анализ тепловыделения цемента при гидратации (рис. 2) показывает, что при введении базальтового волокна и нанокремнезема происходит увеличение температуры гидратации на 5—7%. Присутствие НК изменяет концентрацию ионов Са2+ в жидкой фазе цементной пасты уже в первые минуты и интенсифицирует процесс гидратации.

50

Время, ч

Рисунок 2 - Тепловыделение цемента: 1 - ПЦ (контрольный). 2 - ПЦ + базальтовое волокно, 3 -ПЦ + базальтовое волокно + Таркосил®-05

Известно, что минеральное волокно может характеризоваться адсорбцией воды на поверхности, однако этот процесс достаточно длительный и не оказывает существенного влияния на количество свободносвязанной воды в первые часы гидратации. Одновременное присутствие БВ и НК приводит к ускоренному образованию гидросиликатов кальция, что сказывается на увеличении физико-механических характеристик фиброцементных композиций.

Введение БВ и НК в состав ПЦ изменяет технологические и реологические свойства цементного теста и сроки его схватывания. Дгтя объяснения процессов, происходящих в незатвердевшей системе при дисперсном армировании базальтовыми волокнами, были опре-

делены показатели динамической вязкости на ротационном вискозиметре БщщПаЬ (рис. 3).

♦ ПЦ ■ ПЦ+Таркосил

50

время, мин

80

90

б

Рисунок 3 - Динамическая вязкость систем: а) «ПЦ», «ПЦ+Таркосил-05»; б) «ПЦ + базальтовое волокно», «ПЦ + базальтовое волокно + Таркосил-05»

♦ ПЦ+БВ ИПЦ+БВ+Таркосил

30 40 50 60

время, мин

1160

К и

г~ 960

<и >

£ 760

го X и

а: 560

Отсутствие на кривых вязкости резких перепадов показателей вязкости свидетельствует о равномерном распределении волокна в составе цементных паст. Характерно, что вязкость разрушенной структуры цементного теста с волокнами ниже уровня исходной цементной пасты, правда, при больших напряжениях сдвига. В дальнейшем нарастание вязкости цементных паст с базальтовым волокном происходит более интенсивно, чем у исходной цементной пасты. Введение нанокремнезема Таркосил-05, так же как и в случае с исходной цементной пасты, приводит к более высоким показателям вязкости.

Проведенные исследования реологии цементных паст в начальный период гидратации подтверждают предположение о механизме влияния НК на цементную систему, улучшая основные физико-механические показатели фиброцементных композитов.

Равномерность распределения Таркосил®-05 в объеме воды затворения имеет большое значение для стабильности свойств фиб-роцементных композиций. В дисперсной системе устанавливается седиментационно-диффузионное равновесие, которое с повышением температуры способствует не только диспергированию агрегатов, но и выравниванию концентрации частиц по всему объему воды.

Для оптимизации температуры распределения НК в воде затворения и состава (количества добавки) фиброцементных композиций использован метод композиционного планированияэксперимен-та. Были приняты следующие факторы: количество базальтового волокна (Х1), количество Таркосил®-05 (Х2), температура нагрева воды (х3), варьируемые в пределах: Х1=2-6%, х2=0,01-0,1%, х3=40-80°С. После статистической компьютерной обработки экспериментальных данных была получена математическая модель изменения предела прочности при сжатии ПЦ (У) от количества базальтового волокна, нанокремнезема и температуры его распределения в воде.

По уравнению регрессии У = 72,8 - 0,37*! + 3,63*2 - 0,62*3 ~ 6,28^ + 3,21*1 - 24,3х| — 0,25^X2 ~ 0,88x^3 — 0,63х2х3 был сделан анализ влияния исследуемых факторов на физико-механические свойства (рис. 4).

Установлено, что оптимальное содержание базальтового волокна лежит в пределах 4-5%, и при варьировании количества нано-дисперсной добавки от 0,01 до 0,1% прочность на сжатие возрастает на 20-25%. Оптимальная температура, при которой происходит наиболее равномерное распределение наночастиц, лежит в пределах 5565 °С. Оптимум температуры нагревания обусловлен тем, что внутри объема воды при температуре, превышающей 60 °С, начинают протекать конкурирующие процессы, способствующие повторной агрегации частиц Таркосил®-05. Температура ниже оптимального интервала является недостаточной для начала протекания диффузионных процессов выравнивания и дезагрегации наночастиц. В дальнейших исследованиях при оптимизации состава фибробетона расход НК составил 0,1%, БВ - 4% от массы ПЦ.

в

Рисунок 4 - Зависимость прочности при сжатии портландцемента в возрасте 28 сут от варьируемых факторов: а - при содержании базальтового волокна 4%; б - при содержании добавки 0,055%; в - при температуре 60 °С

Для получения стабильных физико-механических показателей при армировании бетона БВ необходимо, чтобы оно было равномерно распределено в объеме всей смеси. Равномерное распределение базальтового волокна в традиционных смесителях и без применения специальных способов невозможно. Здесь возможны различные варианты: постадийное введение волокна в состав бетонной смеси, раздельное перемешивание волокна с цементом в помольных и смесительных агрегатах и т.д.

С учетом того, что совместный помол волокна с цементом является эффективным и определяется способом измельчения, в работе были опробованы два способа распределения: совместное смешивание цемента и волокна в виброистирателе (п=1440 об./мин, N=0,75 кВт) и лабораторном турбулентном смесителе (п=42 об./мин, N=0,18 кВт). Лучшим оказался способ смешивания компонентов в виброистирателе, где сочетаются интенсивные механические воздействия и высокаяэнергонапряженность в рабочей зоне аппарата (рис. 5). Физико-механические показатели при данном способе распределения выше на 15-20% по сравнению со способом распределе-

ния в турбулентном смесителе. При промышленном производстве фибробетонов возможно интенсивное перемешивание цемента с базальтовым волокном в измельчителях нового поколения, таких как центробежно-эллиптическая мельница ЦЭМ-7, шаровая планетарная мельница «Активатор-28», где при оптимальных энергозатратах передается достаточное количество энергии обрабатываемым материалам для повышения их реакционной способности и получения заданных свойств.

ВТурбулентный смеситель в виброистиратель

БВ (4%)+НК (0,5%)

БВ (4%)

0 20 40 60 80

Прочность на сжатие, МПа Рисунок 5 - Сравнение способа распределения БВ

Четвертая глава посвящена вопросам коррозионной стойкости базальтового волокна в среде гидратирующегося цемента. Обеспечение наилучшего армирующего эффекта при использовании тонких базальтовых волокон достигается при снижениикорродирующе-го эффекта щелочной среды цемента и обеспечения целостности поверхности волокна. Для исследования коррозионной стойкости БВ был использован ускоренный метод A.A. Пащенко: при кипячении волокна в насыщенном растворе извести. Образцы исходного базальтового волокна и измельченного с цементом в виброистирателе ВИ-4*350 в течение 45 с кипятили в насыщенном растворе гидро-ксида кальция (рН=12,1) в течение 4 ч. Для сравнения измельченное волокно кипятили в растворе гидроксида кальция с добавлением НК в количестве 1% по объему.

Исходное базальтовое волокно до кипячения характеризуется ровной и гладкой поверхностью (рис. 6 а), после кипячения видны следы взаимодействия извести с волокном, вызывающее появление дефектов и новообразований на поверхности (рис. 6 б-г). Поверхность волокна, измельченного с цементом и прокипяченного с добавлением в раствор НК, осталась гладкой и ровной с незначительными вкраплениями новообразований продуктов взаимодействия НК с известью (рис. 6 д).

д

Рисунок 6 — ЭМА поверхности базальтового волокна (х1 ООО): а - исходное; б - после кипячения в растворе извести; в - измельченное с цементом; г — измельченное с цементом и после кипячения в растворе извести; д — измельченное с цементом после кипячения с добавлением НК

НК, обладая развитой удельной поверхностью и повышенной химической активностью, взаимодействует с образующейся при гидратации цемента известью, предотвращая коррозию базальтового волокна. Это приводит к увеличению прочности цементного камня и усилению армирующего эффекта базальтового волокна (рис. 7 а, б).

Анализируя прочностные показатели составов с исходным волокном и после кипячения с добавлением НК, где волокно имеет бездефектную поверхность, следует отметить, что эффект увеличения прочности при сжатии составил 20-27%, а при изгибе - 50-60% по сравнению с контрольным. Введение базальтового волокна, полученного центробежно-дутьевым способом, значительно увеличивает прочность при изгибе. Прочностные показатели цементного камня с исходным и измельченным волокном, подвергнутого кипячению и имеющего дефектную поверхность, остались на уровне контрольного, и армирующий эффект незначителен.

а б

Рисунок 7 - Прочность при сжатии (а) и изгибе (б) цементного камня: 1 - контрольный; 2-е исходным базальтовым волокном, 4 мае. %; 3-е исходным базальтовым волокном после кипячения в растворе извести; 4 - измельченное с цементом и после кипячения в растворе извести; 5 — измельченное с цементом после кипячения с добавлением НК

Проведение ЭМА и изучение спектров на поверхности скола базальтофиброцементных композиций с помощью системы ПЧСА-х показывают, что в составе без НК элементарный состав поверхностного слоя волокна отличается количественным изменением содержания 81 и Са. На поверхности волокна содержание Са увеличивается на 26%, а содержание уменьшается на 21%, К, N3 до 0% (рис. 8). Это свидетельствует о нарушении структуры поверхности волокна за счет взаимодействия с продуктами гидратации цемента, что приводит к снижению армирующего эффекта.

а б

Рисунок 8 - Микроструктура базальтофиброцементных композиций после 28 сут твердения: а) ПЦ+БВ (4%), б) ПЦ+БВ (4%) + Таркосил®-05 (0,5%) Наименьшие изменения претерпела поверхность БВ при введении в состав композиций НК. Это свидетельствует о том, что более активный НК связывает известь и создает дополнительные цен-

тры кристаллизации гидратных новообразований и активно влияет на гидратацию ПЦ.

РФА показывает снижение интенсивности пиков портландита Са(ОН)2 (с1/п = 0,489, 0,263, 0,193 нм и др.) при введении базальтового волокна (4%) по сравнению с контрольным составом. Это связано с взаимодействием волокна с гидратирующимися минералами цемента. Снижение интенсивности пиков портландита происходит и при введении в состав НК, но связано это в первую очередь с взаимодействием более активного нанокремнезема с ПЦ. Введение НК позволило дополнительно получить низкоосновные гидросиликаты кальция типа С8Н (I), образование которых привело к улучшению физико-механических характеристик дисперсно-армированного материала. Это подтверждается результатами ЭМА фиброцементных композитов (рис. 8). На поверхности скола состава с НК наблюдается большее количество игольчатых новообразований гидросиликатов кальция.

а б

Рисунок 8 - Микроструктура цементного камня после 28 суток твердения: а) ПЦ; б) ПЦ+БВ+Таркосил®-05

Пятая глава посвящена разработке составов фибробетонов с использованием БВ и НК. При оптимизации составов мелкозернистого базальтофибробетона (БФБ) варьировалось содержание БВ и НК Таркосил®-05. При варьировании сырьевых компонентов были определены технологические свойства бетонных смесей (табл. 2). Так, высокая удельная поверхность частиц НК Таркосил®-05 по сравнению с частицами цемента способствует более высокой седи-ментационной устойчивости и улучшению показателя расслаиваемое™ бетонных смесей.

Таблица 2 - Состав и технологические показатели бетонной смеси

Расход материалов на 1 м3 бетона, кг В/Ц Показатели технологичности бетонной смеси

Портландцемент Песок Базальтовое волокно Тарко-сил-05 Марка по удобоуклады-ваемости (OK, см) Расслаивае-мость по водо-отделению, %

550 1375 - - 0,4 П2(7) 0,6

550 1375 22 - 0,4 П2(8) 0,45

550 1375 22 2,75 0,4 П2 (9) 0,3

При варьировании количества вяжущего (табл. 3) в составе фибробетонов можно отметить, что максимальные характеристики бетона получены при расходе 550 кг с достижением показателей соответствующих классу по прочности В45. При пониженных расходах ПЦ физико-механические характеристики бетона снижаются на 15-20% при расходе ПЦ 500 кг/м3, и на 25-35% - при расходе ПЦ 450 кг/м3.

Таблица 3 - Зависимость прочности мелкозернистого фибробетона от процента армирования БВ

Расход материалов на 1 м3 бетона, кг В/ Ц Процент армирования, % от массы ПЦ Прочность после 28 сут твердения, МПа Приз-мен-ная прочность, МПа

Я С песок базальтовое волокно Таркосил-05

при сжатии при изгибе

450 1575 - - 0,4 0 35,1 6,3 19,1

9 0,55 2 39,6 9,4 22,2

1» 4 44,1 10,8 27,3

27 6 37,8 8,6 21,0

500 1500 - 0,4 0 39 7 22,5

10 0,55 2 44 10,4 26,2

20 4 49 12 32,2

3Ü 6 42 9,6 24,7

550 1375 - - 0,4 0 44 9 30

11 0,55 2 55 13 35

22 4 62 15 43

33 6 52 12 33

С увеличением армирования БВ и введением НК наблюдается тенденция к росту физико-механических показателей бетонов. Установлено, что при 4 % армирования от массы вяжущего удается по-

лучить максимальные физико-механические показатели: прочность при сжатии — 62 МПа, прочность при изгибе — 15 МПа, призменная прочность — 43 МПа. Дальнейшее увеличение армирования бетона БВ до 6% приводит к незначительному снижению прочности — в среднем на 15-20%.

Варьирование процента армирования БВ оказывает влияние на изменение водопоглошения и морозостойкости бетона. Увеличение процента армирования до оптимального уровня (4%) приводит к изменению структуры фибробетона и созданию его высокоплотной структуры. При постоянном В/Ц-отношении происходит рост эффективного радиуса пор до гэфф = 2x10"3 см вследствие эффекта воз-духововлечения. Равномерно распределенные поры данного радиуса способствуют увеличению морозостойкости бетона с Б150 до Р200— 250. Увеличение морозостойкости связано, помимо демпфирующего эффекта, с существенным снижением деструктирующего воздействия осмотического давления твердеющего бетона. В результате бетон имеет минимальное содержание микротрещин и сообщающихся пор.

На оптимальных составах базальтофибробетонов были определены его основные физико-механические и деформационные характеристики (табл. 4). Для сравнения были выбраны три состава: без армирования, с дисперсным армированием базальтовым волокном (4%) и введением нанокремнезема (0,1%).

Таблица 4 — Физико-механические и эксплуатационные свойства базальтофибробетонов

Свойства Единицы измерения Показатели

Цементный бетон БФБ без нанокремнезема БФБ с на- нокремнезе- мом

Средняя плотность кг/м3 2400 2460 2480

Прочность при сжатии МПа 44 50 62

Прочность при изгибе МПа 9 13 15

Водопоглощение масс. % 4,0 3,5 2,5

Морозостойкость циклы 150 200 250

Усадка мм/м 2,7 1,6 1,1

Призменная прочность МПа 30 35 43

Модуль упругости МПа З1*103 З4*103 44*103

Состав базальтофибробетона с применением НК Таркосил®-05 показал наилучшие показатели: улучшение прочности на сжатие на

35%, прочности при изгибе - 65% относительно контрольного бездобавочного состава. Бетоны с применением НК характеризуются высокими эксплуатационными показателями.

При дисперсном армировании БВ происходит снижение деформаций усадки фибробетона на 60% по сравнению с контрольным составом. Снижение деформаций усадки связано с созданием высокоплотной матрицы при оптимальном уровне дисперсного армирования БВ и воздействием НК на структуру модифицированного фибробетона. Изучение деформативных свойств фибробетонов показало изменение призменной прочности и модуля упругости бетона, и в наибольшей мере проявляется при совместном введении БВ и НК. Оптимальный уровень армирования (4%) и сохранение целостности базальтового волокна при введении нанокремнезема способствуют улучшению деформативных свойств: призменной прочности на 40-45%, модуля упругости - на 35^}0%. Характер разрушения базальтофибробетона оптимального состава отличается увеличением доли псевдопластичных деформаций и, как следствие, разрушения, в то время как контрольный состав показывает хрупкий характер разрушения.

В шестой главе разработана технология производства БФБ с НК ипроведена оценка технико-экономической эффективности производства. Анализ проведенных расчетов показывает, что при использовании базальтового волокна совместно с нанокремнеземом себестоимость базальтофибробетона в сравнении с контрольным бездобавочным составом снижается на 5-10% за счет изменения структуры материальных затрат на сырьевые компоненты с обеспечением равнозначных физико-механических характеристик. Полупромышленная апробация разработанных составов производилась в ООО «Буржелезобетон» и ООО «Алит-тм».

Были проведены статический, динамический и конструктивный расчеты несущих железобетонных элементов административно-общественного 12-тажного здания в г. Иркутск с помощью систем автоматизированного проектирования SCAD. Результаты расчетов показывают, что при уменьшении размеров сечений конструкций из базальтофибробетонов обеспечиваются работоспособность и несущая способность конструкций.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Доказана принципиальная возможность получения высокопрочного базальтофибробетона с использованием базальтового волокна, полученного центробежно-дутьевым способом и характеризующегося неоднородностью по диаметру, и нанокремнезема, полученного путем испарения и конденсации вещества релятивистским пучком электронов.

2. Анализ тепловыделения цементных паст показывает, что одновременное присутствие минерального волокна и нанокремнезема приводит к ускоренному образованию гидросиликатов кальция.

3. Доказано увеличение коррозионной стойкости базальтового волокна в среде гидратирующегося цемента за счет введения в цементную матрицу нанодисперсного кремнезема. НК связывает известь, выделяемую при гидратации цемента, тем самым предотвращая щелочную коррозию базальтового волокна в бетоне.

4. Экспериментально установлено влияние длины и содержания базальтового волокна на технологические и физико-механические свойства базальтофиброцемента. Разработан оптимальный состав БФЦ с тонким (диаметр 8-10 мкм) базальтовым волокном и оптимальным содержанием — 4% от массы цемента. При этом показано положительное влияние добавки НК на свойства армированного цемента.

5. С помощью метода математического планирования эксперимента установлены оптимальный состав БФЦ и оптимальный температурный режим нагревания воды затворения бетонной смеси.

6. Определен оптимальный способ равномерного распределения базальтового волокна в цементной матрице, заключающийся в совместном измельчении компонентов в энергонапряженном аппарате — виброистирателе в течение 0,5—1,5 мин. При интенсивном перемешивании компонентов происходит не только измельчение БВ и его равномерное распределение, но и активация цемента.

7. Установлено изменение микроструктуры цемента при добавлении базальтового волокна и нанокремнезема. Введение НК позволило дополнительно получить низкоосновные гидросиликаты кальция типа СБН (I), образование которых привело к улучшению физико-механических характеристик дисперсно-армированного материала.

8. Установлены закономерности и количественные зависимости прочности цемента и бетона от количества и длины базальтового волокна, расхода НК, определены основные физико-механические и эксплуатационные свойства фибробетона.

9. Разработаны составы мелкозернистого бетона, армированного коротким (до 13 мм) и тонким волокном в количестве 4 % от массы цемента с введение НК в количестве 0,1 % от массы цемента.

10. Разработана технологическая схема производства базаль-тофибробетона с нанокремнеземом и изделий на его основе. Даны рекомендации по эффективному способу введения нанокремнезема в бетонную смесь и оценке качества выпускаемых материалов и изделий.

11. Доказано, что себестоимость базальтофибробетона ниже себестоимости обычного бетона в среднем на 5-10 %. Экономический эффект достигается за счет снижения расхода цемента в составе бетона, улучшения физико-технических характеристик и увеличения срока службы бетона.

12. Произведен расчет несущих железобетонных элементов административно-общественного 12-этажного здания в г. Иркутск. При уменьшении размеров сечений конструкций из базальтофибробетона обеспечиваются работоспособность и несущая способность конструкций.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

В российских рецензируемых научных изданиях

1. Розина В.Е., Урханова Л.А. Высокопрочный бетон с использованием золы уноса и микрокремнезема // Вестник ИрГТУ. -2011.-№10.-С. 97-100.

2. Урханова Л.А., Лхасаранов С.А., Розина В.Е., Буянтуев С.Л., Бардаханов С.П. Повышение коррозионной стойкостибазаль-тофиброцементных композиций с нанокремнеземом // Нанотехноло-гии в строительстве: научный Интернет-журнал. - 2014. - №4. — С. 15-29.

3. Урханова Л.А., Лхасаранов С.А., Розина В.Е., Буянтуев С.Л., Бардаханов С.П. Базальтофибробетон с улучшенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами с применением нанодисперсных модификаторов // Вестник ИрГТУ. — 2014. - №11 (94).-С. 175-180.

'U!

4. Урханова Jl.A., Лхасаранов С.А., Розина В.Е., Буянтуев С.Л. Мелкозернистый базальтофибробетон с нанокремнеземом // Строительные материалы.- 2015. -№6. -С. 45-49.

В сборниках трудов конференций

5. Розина В.Е., Урханова Л.А., Ефременко A.C. Ресурсосберегающие технологии вяжущих и бетонов с использованием отходов промышленности // Композиционные строительные материалы. Теория и практика: сб. ст. междунар. науч.-техн. конф. - Пенза: Изд-во АННОО «ПДЗ», 2011. - С. 132-134.

6. Розина В.Е., Урханова Л.А., Лхасаранов С.А., Буянтуев С.Л., Бардаханов С.П. Дисперсно-армированные бетоны с базальтовой фиброй и нанокремнеземом // Наноматериалы и технологии: сборник трудов V Всерос. конф. с междунар. участием. — Улан-Удэ: Изд-во БГУ, 2014. - С. 249-252.

7. Урханова Л.А., Лхасаранов С.А., Розина В.Е., Буянтуев С.Л., Хардаев П.К. Оптимизация состава фиброцемента с нанодис-персной добавкой // Наукоемкие технологии и инновации: сб. тр. междунар. науч.-практ.конф. - Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2014. - С. 247-252.

8. Розина В.Е., Урханова Л.А., Лхасаранов С.А., Буянтуев С.Л. Фибробетон с базальтовым волокном и нанокремнеземом // Современные строительные материалы, технологии и конструкции: сб. тр. междунар. науч.-практ. конф. Т.2. - Грозный: Изд-во ФГУП «ИПК «Грозненский рабочий», 2015. - С. 53-57.

9. Розина В.Е., Урханова Л.А., Лхасаранов С.А., Буянтуев С.Л. Фибробетон с использованием минеральных волокон и нанок-ремнезема // Инновационные технологии в образовании и науке — IV: сб. тр. междунар. науч.-практ. конф. — Улан-Удэ: Изд-во БГУ, 2015.-С. 252-258.

Полученные объекты интеллектуальной собственности

10. Урханова Л.А., Лхасаранов С.А., Розина В.Е., Буянтуев С.Л., Бардаханов С.П. Сырьевая смесь для высокопрочного бетона: положительное решение о выдаче патента на изобретение №20014141183, 15.09.2015.

Подписано в печать 15.10.2015. Формат 60х 84'/16.

Усл. п. л. 1,39. Тираж 100 экз. Заказ № 241.

Издательство ВС ГУТУ 670013, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская 40 в

. / //