Исследование возможности повышения адгезии минеральных фибр к цементному камню. Часть 3.

Страницы:   1   2   3

---

Как известно материал волокна под действием агрессивной цементной среды реагирует с получением новообразований [37]. Происходит частичное разрушение волокна, величина которого зависит от времени. В среднем разрушение происходит на глубину до 4 мкм. Новообразования усиливают соединение волокна с цементной матрицей. Это наглядно видно при разрушении образцов, на изломе (рис.3.2.2), что цементная масса и волокна разрушаются как единое тело без вырывания волокна из бетонной матрицы.

 

При использовании волокна диаметром 30 мкм под воздействием агрессивной среды твердеющего цемента остается минимум 22 микрона рабочего диаметра волокна, что практически не влияет на его прочностные характеристики. Применение фибры диаметром 12 мкм, изготовленной из базальтового ровинга без замасливателя показало, что с течением времени она теряет все прочностные характеристики и иногда полностью разрушается, так как волокна, после реакции с агрессивной средой бетона уменьшаются в диаметре до 4 мкм. При использовании фибры, изготовленной из базальтового ровинга с замасливателем, адгезия с цементной массой практически отсутствует. При изломе (рис. 3.2.3) четко видны обрывки волокон, выдернутых из бетонной матрицы.

 

Низкой адгезий с цементным вяжущим так же обладают полиамидные и пропиленовые волокна (рис. 3.2.4).

В зависимости от состава фиброволокна имеют различную степень адгезии. рассматривался характер взаимодействия фибры с силикатной матрицей вяжущего, в результате анализа было определено, что полимерная характеризуется низкой степенью адгезии, которая обусловлена механическим сцеплением с матрицей вяжущего. Базальтовая же фибра имеет высокую степень взаимодействия, вызванную эпитаксиальным ростом наноразмерных индивидов кварцевых составляющих вяжущего на поверхности волокна. Аналогичное действие распространяется и на ячеистые композиты на основе силикатного наноструктурированного вяжущего.

 

На микрофотографиях видно, что поровая структура ячеистого бетона, армированного базальтовой фиброй, характеризуется наличием пор сферической формы с четкими границами между ними, что подтверждает положительное влиянии мик-роармирующих компонентов на процессы формирования структуры в пеноматериалах (рис 3.2.6, а), имея гибкие и эластичные волокна, обеспечивает расположение волокна в системе между порами и выступает в качестве направляющего элемента, вокруг которого сконцентрированы ячейки, расположенные максимально близко друг к другу. Но в виду хаотичного распределения волокнистые добавки не всегда имеют упорядоченное распределение пор относительно волокна, поэтому возможны случаи, когда фибра проходит сквозь пору. При этом армирующий эффект сохраняется и минимизирует негативное влияние на прочностные характеристики материала от нарушения целостности пор.

Базальтовая фибра выступает в качестве подложки для направленной кристаллизации кварцевых новообразований (рис 3.2.6, б, в). Для получения скола исследуемой поверхности образец подвергался механическому внешнему воздействию, в результате которого произошло выдергивание волокон из матричной системы композита. В результате поверхность выдернутого волокна усыпана конгломератами частиц, представляющих собой оставшиеся фрагменты межпоровой перегородки, что свидетельствует о высокой степени адгезии базальтового волокна и силикатной матрицы наноструктурированного вяжущего. Данный процесс, как и при взаимодействии с исходным вяжущим обусловлен эпитаксиальным ростом и формированием кварцполевошпатовых срастаний, характеризующихся прочным сцеплением с основной матрицей ячеистого композита.

На образцах пенобетона, армированного полимерной фиброй, наблюдаются незначительные скопления агрегатов микрочастиц вяжущего с неоднородным распределением (рис 3.2.6, г, д, е). При этом некоторые области волокна имеют гладкую и чистую поверхность (рис 3.2.6, е).

При исследовании микроструктуры фибры полимерная определено, что поверхность данного волокна отличается незначительной рельефностью, наличие которой определяет слабую адгезию за счет механического сцепления с минеральной матрицей ячеистого композита.

На фотографиях (рис 3.2.6, г, д) хорошо видно, что участки межпоровых перегородок и самого волокна имеют гладкую глянцевую поверхность, что обусловлено действием щелочного раствора при упрочнении. При этом наблюдается рассечение структуры поверхности волокна с отколом замоноличенного поверхностного слоя, который вызван проведением процедуры пробоподготовки.

Оценка структуры межпоровых перегородок и внутрипорового пространства армированного пенобетона также является определяющим факторов качества ячеистых композитов.

 

Бесцементный фибропенобетон с применением базальтового волокна характеризуется выраженной ячеистой структурой с порами полидисперсного размера (рис3.2.7, а). Основную массу композита представляют частицы кварца, характеризующиеся обломочной и угловатой формой частиц. Межпоровая перегородка, толщина которой находится в пределах 30 мкм, и поверхность поры сложены мелко-дисперным кварцем с высокой степенью плотности упаковки (рис 3.2.7, а, б, г). О степени сцепления и, соответственно, прочности композита, можно судить по расположению и характеру взаимодействия минеральных частиц вяжущего между собой. Скол внутренней части образца, открывающий поверхность межпоровой перегородки, характеризуется плотной кварцевой системой с однородным распределением мелких частиц уровня 30–100 нм на более крупных, размером 5–10 мкм. Явные признаки сродства между отдельными частицами проявляются при проведении упрочнения (рис 3.2.7, в, д, е). В ячеистых бетонах на основе наноструктурированного вяжущего (НВ) происходит омоноличивание кремнеземистого вещества. Границы между отдельными зернами размыты, что свидетельствует о прочном срастании полидисперсной системы в плотный композит. Наличие в системе фиброволокна обеспечивает капиллярно – пористое строение, что способствует как интенсификации сушки фибропенобетона, так и проникновению щелочного раствора во внутреннюю поверхность материала и повышению эффективности упрочнения.

Образцы фибропенобетона на основе НВ с фиброй полимерная характеризуются аналогичными микроструктурными особенностями. Пористая структура представлена ячейками преимущественно сферической формы, присутствуют также элементы полиэдрической формы, средние размеры которых находятся в диапазоне 100 – 300 мкм (рис 3.2.8, а, б). Поровые структуры представлены полидисперсной матрицей из частиц кварца, слагающих плотную структуру ячеистого композита. После упрочнения внутренняя поверхность приобретает гладкость и связность элементов внутрипорового пространства, однородность и прочность сцепления между кварцевыми компонентами матрицы, что приводит к уплотнению и упрочнению структуры межпоровых перегородок (рис3.2.8, в – ж). Наблюдаемые микротрещины (рис 3.2.8, г, е) являются результатом препарирования образцов для съемки при формировании скола, и не свидетельствуют о внутренних нарушениях.

Зафиксирована интересная область внутрипорового пространства (рис 3.2.8, з), где отмечается рост кристаллических фаз игольчатой структуры кремнеземсодержащей матрицы, которые за счет размеров и формы заполняют образованные пустоты, восстанавливая общую структуру поры.

 

Таким образом, исследование структуры фибропенобетонных бесцементных композитов на микрометрическом уровне позволили определить положительное воздействие армирующих компонентов, усиленное дополнительной операцией упрочнения. Данное действие обуславливается характером сцепления компонентов: полимерная фибра представляет слабую степень контакта с основной матрицей композита, вызванную механическим сцеплением, что компенсируется более глубоким проникновением раствора при упрочнении; базальтовая фибра проявляет высокую степень взаимодействия за счет химического сродства, что приводит к формированию кристаллических новообразований по механизму эпитаксиального роста. В результате формируется рациональная пористая структура материала с высокими эксплуатационными и теплоизолирующими характеристиками.

 

Анализируя снимки электронного микроскопа, представленные на (рис.3. 2.9. б), необходимо отметить, что структурирование продуктов гидратации портландцемента за счет введения многослойных углеродных нанотрубок наблюдается и по поверхности заполнителя (песка) в отсутствие базальтовых волокон. Однако, в виду того, что базальтовое волокно имеет более развитую поверхность, в сравнении с мелким заполнителем, вполне закономерно структурирование плотной оболочки вокруг волокна с морфологией кристаллогидратов, ориентированных вертикально к поверхности твердой фазы (рис.3. 2.9 в). Снимки, представленные на (рис. 3.2.10 а-в), позволяют более детально изучить структуру новообразований, появляющихся на поверхности базальтового волокна в присутствии дисперсии многослойных углеродных нанотрубок.

3.3 Влияние наличия замасливателя на адгезию фибры к цементному камню

 

Во время процесса вытяжки ровинги обычно подвергаются обработке специальнымизамасливателями. Замасливание представляет собой процесс нанесения покрытия на поверхность волокон, которое способствует их объединению в комплексную нить (слипанию) и снижает трение между волокнами, препятствуя тем самым образованию поверхностных микротрещин, которые снижают прочность волокна. Наличие замасливателя может влиять на адгезионные качества волокон.

Были проведенные исследования по определению потери прочности фибры, изготовленной из непрерывного базальтового волокна без замасливателя, при ее пребывании в жидкой фазе твердеющего портландцементного бетона при нормальных условиях. Результаты экспериментов приведены в таблице 3.3.1

Таблица 3.3.1 – Прочность базальтового волокна после пребывания в жидкой фазе портландцементного бетона[38]

В состав замасливателей входят такие вещества, как парафин, канифоль и поверхностно – активные вещества, которые ухудшают смачивание поверхности волокна, что отрицательно влияет на структуру поверхностного слоя полимеров.

Кроме того, входящие в состав замасливателей полярные соединения с различными активными группами могут взаимодействовать с реакционно – способными группами на поверхности наполнителя, препятствуя образованию прочных связей полимера с наполнителем [41].

Для поверхностной модификации волокон иногда производят их термохимическую обработку, которая заключается в удалении текстильного замасливателя, и последующую пропитку водными растворами специальных химических соединений – аппретами [42]. Однако, данные операции являются дорогостоящими и ухудшающими прочностные свойства волокон, поэтому для пластиков чаще применяют препараты, разработанные с использованием прямых замасливателей. Такие аппреты, в состав которых входят гидрофобно –адгезионные вещества, способствуют созданию прочной связи на границе раздела «полипропиленовое волокно – цементный камень». Кроме того, повышение адгезии к полимеру после термической и электрохимической обработки его поверхности обусловлено не только появлением на поверхности активных функциональных групп, но и удалением загрязнений, создающих ослабленную зону [44].

Наиболее эффективными в качестве замасливателей считаются соединения с ненасыщенными связями, содержащие концевую или внутреннюю двойную связь. К таким веществам относятся кремнийорганические соединения.

При изучении особенностей производства волокон выяснилось, что наибольшее распространение среди замасливателей полипропиленовой фибры получил прямой водосовместимый кремнийорганический замасливатель 4С (на основе неиогенных ПАВ, ненасыщенной эпоксидной эмульсии и аминосилана)

[43]. Определено [27], что моносиланы устойчивы в нейтральной среде, но легко гидролизуются даже в присутствии малейших следов ОН − ионов:

Характерной особенностью гидролиза гидридов (на примере тетрагидрида кремния SiH4) является выделение водорода (H2). Реакция протекает по окислительно-восстановительному механизму полностью и необратимо.

Количество выделенного водорода пропорционально количеству прореагировавшего моносилана, и, следовательно, возрастает при увеличении расхода замасливателя с повышением расхода фибры в бетоне. Стоит отметить, что данные уравнения химических реакций хоть и позволяют определить количество прореагировавшего и образованного вещества, однако нет точной информации о продолжительности реакций и о количестве выделяемого водорода в ходе реакций гидролиза тетрагидрида кремния.

Учитывая сложный химический состав замасливателя трудно установить, какой из его компонентов гидролизуется, а какие – не вступают в реакцию или изменяют свое агрегатное состояние. А между тем выделение водорода при химической реакции может происходить как во время приготовления смеси, так и в период набора прочности фибробетона. Таким образом, повышение пористости от эффекта газообразования при экстракции аппретов может влиять на общую пористость бетона и в конечном счете на его морозостойкость.

 

Выводы

 

• основным механизмом увеличения прочности дисперсно-армированного бетона является увеличение прочности сцепления армирующего волокна с бетонной матрицей композита.
• Анализ проведенных исследований показывает, что повышение прочностных характеристик фибробетона с применением фибр малого диаметра с высоким процентом насыщения, создает трудности с технологией приготовления смеси (при большом количестве образуется так называемые «ежи») и увеличивает вредное влияние в связи с повышением площадей ослабления. Поэтому выбор показателей насыщения и упрочения необходимо определять с учетом характера размещения фибр.
• Прочность на растяжение при изгибе является одним из важных показателей фибробетона , который зависит от содержания фибры и её длины. показания прочности при изгибе и жесткость, когда направление приложения нагрузки перпендикулярно направлению распределения волокон, ниже получаемых при приложении нагрузки параллельно направлению распределения волокон.
• Эффективность волокон (т.е. сопротивление волокон выходу из цементной матрицы) возрастает с увеличением соотношения сторон. Кроме того, адгезия между ними также возрастает с увеличением прочности матрицы. В фибробетоне с правильно соблюденными пропорциями компонентов, разрушение возникает из – за выхода фибр, даже с деформированными фибрами. Таким образом, различная геометрия фибр и взаимодействие матрицы с волокном могут повлиять на поведение фибробетона при изгибе.
• Сцепление фибры с бетоном и повышение технологичности операций, в первую очередь, зависит от отношения длины фибры к ее диаметру (l/d), которое может изменяться в широких пределах и влиять на степень анкеровки волокна в бетонной матрице, а также на технологические свойства фиброармированных бетонных смесей.
• Технологический процесс изготовления фибробетона должен обеспечить равномерное распределение фибры в объеме, при этом расположение элементов фибры получается хаотичным и в полной мере упругие и прочностные свойства фибры не используются. Совместность работы бетона и фибры обеспечивается, главным образом, сцеплением по их поверхности. Для некоторых видов фибры, в частности стальной, дополнительное сцепление получается за счет устройства анкеров в виде утолщений или загибов на концах фиброэлементов.
• Надмолекулярная структура волокна предопределяет такие свойства как величина внутренней поверхности, пористость, способность к набуханию, поглощению влаги и термические свойства, которые, в свою очередь, играют важную роль в сорбции и фиксации твердой фазы на поверхности волокна.
• Наличие в системе фиброволокна обеспечивает капиллярно – пористое строение, что способствует как интенсификации сушки фибропенобетона, так и проникновению щелочного раствора во внутреннюю поверхность материала и повышению эффективности упрочнения.

 

ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. УДК 691.87 . ОРИЕНТАЦИЯ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ФИБР В ЦЕМЕНТНОЙ МАТРИЦЕ. Клюев А.В., Нетребенко А.В., Дураченко А.В.2014.
2. СТО НОСТСТРОЙ ФТБК 2013 «Освоение подземного пространства. Конструкции транспортных тоннелей из фибробетона. Правила проектирования и производства работ». – М.: Национальное объединение строителей, 2013.
3. Пантелеев Д.А. полиармированные фибробетоны с использованием аморфнометаллической фибры.2016.c13
4. дс. ЧХИН С. МЕЛКОЗЕРНИСТЫЙ ФИБРОБЕТОН НА КОМПОЗИЦИОННОМ ВЯЖУЩЕМ ДЛЯ МОНОЛИТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА В УСЛОВИЯХ КАМБОДЖИ.2015.
5. ГОСТ 22266-94 «Цементы сульфатостойкие. Общие технические условия». – М.: Издательство стандартов, 1995.
6. ОЗИНА В.Е МЕЛКОЗЕРНИСТЫЙ БАЗАЛЬТОФИБРОБЕТОН С НАНОКРЕМНЕЗЕМОМ. 2015.
7. УДК 666.97 . ФИБРОБЕТОН ДЛЯ СЕЙСМООПАСНЫХ РАЙОНОВ СТРОИТЕЛЬСТВА Гафарова Н.Е. c179 c180
8. УДК 691.328 Технологии и организации строительного производства . Т.Р. Баженова , А.В. Курочкин
9. ВСН 48-96 «Ведомственные строительные нормы по монтажу систем внутренней канализации». –М.: Департамент строительства, 1997.
10. ВСН 126-90 «Крепление выработок набрызг-бетоном и анкерами при строительстве транспортных тоннелей и метрополитенов». –М.: Департамент строительства, 1991.
11. ВСН 56-97 «Проектирование и основные положения технологий производства фибробетонных конструкций». –М.: Департамент строительства, 1997.
12. ГОСТ 31108-2003 «Цементы общестроительные. Общие технические условия». – М.: Издательство стандартов, 2014.
13. ГОСТ 10178-85 «Портландцемент и шлакопортландцемент. Общие технические условия». – М.: Издательство стандартов, 1987.
14. ГОСТ 969-91 «Цементы глиноземистые и высокоглиноземистые. Общие технические условия». – М.: Издательство стандартов, 1992.
15. ГОСТ 8736-93 «Песок для строительных работ. Технические условия». – М.: Издательство стандартов, 1993.
16. ГОСТ 8267-93 «Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия». – М.: Издательство стандартов, 1995.
17. ГОСТ 9077-82 «Кварц молотый пылевидный. Общие технические условия». – М.: Издательство стандартов, 1983.
18. ГОСТ 25592-91 «Смеси золошлаковые тепловых электростанций для бетонов. Технические условия». – М.: Издательство стандартов, 1991.
19. ГОСТ 25818-91 «Золы уноса тепловых электростанций для бетонов. Технические условия». – М.: Издательство стандартов, 1991.
20. ГОСТ 26644-85 «Щебень и песок из шлаков. Технические условия». – М.: Издательство стандартов, 1986.
21. ГОСТ 24211-2008 «Добавки для бетонов. Общие технические условия». – М.: Издательство стандартов, 2011.
22. ГОСТ 23732-79 «Вода для бетонов и растворов. Общие технические условия». – М.: Издательство стандартов, 1980.
23. УДК 693.547.3 «ТЕРМООБРАБОТКА СТАЛЕФИБРОБЕТОНА» М.В.Молодцов
24. Гост 26633-91«БЕТОНЫ ТЯЖЕЛЫЕ И МЕЛКОЗЕРНИСТЫЕ
25. Технические условия».- М.: Издательство стандартов,
26. 25 Калашников, В.И. Геометрические параметры фибры для высокопрочных бетонов/ В.И. Калашников, Ю.П. Скачков, С.В. Ананьев, И.Ю. Троянов// Региональная архитектура и строительство. 2011. №1. – с. 27-33
27. Пухаренко, Ю.В. Научные и практические основы формирования структуры и свойств фибробетонов: Дис. … д-ра техн. наук/ Ю.В. Пухаренко: СПбГАСУ. – СПб, 2005. – 315 с.
28. Зотов, A.H. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА МОДИФИЦИРОВАННЫХ МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ БЕТОНОВ С ПОЛИПРОПИЛЕНОВОЙ ФИБРОЙ: Дис. техн. Наук/ доцент, Соболев Г.М,2005.
29. Блещик, Н.П. Физико – механические и технологические свойства сталефибробетона, особенности применения и
30. перспективы развития сталефибобетонных конструкций / Н.П. Блещик, И.В. Коваль // Третий международный
31. симпозиум «Проблемы современного бетона и железобетона» 9 – 11.11.2011 г.
32. Клюев, А.В. Ориентация и распределение фибр в цементной матрице / А.В. Клюев, А.В. Нетребенко, А.В
33. Дураченко; Сборник научных трудов Sworld – 2014 г.
34. Л.М. ПАРФЕНОВА, М.С. КАЧАН. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕТОНОВ/Серия F СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ УДК,2011.
35. С ПОЛИАКРИЛОНИТРИЛЬНЫМИ ВОЛОКНАМИ
36. Ицкович, С. М. Технология заполнителей бетона : учебник для строит. вузов по спец. «Производство строительных изделий и конструкций» / С. М. Ицкович, Л. Д. Чумаков, Ю. М. Баженов. – М. : Высш. шк., 1991. – 272 с.
37. Бочарников, А. С. Вероятное количество фибр, участвующих в работе разрушения сталефибробетонного образца / А. С. Бочарников, А. Д. Корнеев // Технологии бетонов. – 2005. – № 5. – С. 17–18.
38. Волков, И. В. Фибробетон : состояние и
39. перспективы применения / И. В. Волков // Промышленное и гражданское строительство. – 2002. – № 8. – С. 37–38.
40. И. А. Леонович, А. А. Леонович. ВЛИЯНИЕ УПРУГИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОМПОЗИТНОГО МАТЕРИАЛА
41. НА СВОЙСТВА ФИБРОБЕТОНА: Российского университета. 2007. № 3-c148.
42. МОРГУН, Л. В. Структурообразование и свойства
43. фибропенобетонов неавтоклавного твердения: Дис. техн. Наук/ П.Г. КОМОХОВ,2005.
44. Дьяков К.В. Особенности технологии приготовления магнезиального базальтофибробетона // Бетон и железобетон. – 2007. – № 3. – с. 18.
45. Новицкий А.Г. Химическая стойкость базальтовых волокон для армирования бетонов.//
46. Хімічна промисловість України. 2003. №3, с. 16-19.
47. Будівельні матеріали, вироби та санітарна техніка, Науково-технічний збірник. – Випуск 36. –2010 р.
48. СИВАЛЬНЕВА, М. Н. ФИБРОПЕНОБЕТОН НА ОСНОВЕ
49. НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО ВЯЖУЩЕГО: Дис. техн. Наук/
50. Строкова В.В.2005.
51. Политаева А.И. Наноструктурирование как способ повышения адгезионных свойств системы
52. «цементный камень – армирующее базальтовое волокно», Известия КГАСУ, 2015, № 2.
53. Андреевская Г.Д. Высокопрочные ориентированные стеклопластики. /М.: Наука, 1966. — 370 с.
54. Чернин И.З., Смехов Ф.М., Жердев Ю.В. Эпоксидные полимеры и композиции./ М.: «Химия», 1982. — 232 с.
55. ГОСТ 52581 – 2006 «Ровинг из стеклянных нитей». / М.:
56. Страндартинформ. — 2012.
57. Баженов Ю.М.Технология бетона. – М.: Высш. шк.,1987, – 415 с.
58. Пантелеев Д. А. ПОЛИАРМИРОВАННЫЕ ФИБРОБЕТОНЫ
59. С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АМОРФНОМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ФИБРЫ: Дис. техн. Наук/Ю.В. Пухаренко ,2005.
60. ПАРФЕНОВ А.В. Ударная выносливость бетонов на основе
61. стальной и синтетической фибры: Дис. … д-ра техн. наук/Б.В. Васильевич,2005.

---

Страницы:   1   2   3