facebook
twitter
vk
instagram
linkedin
google+
tumblr
akademia
youtube
skype
mendeley
Wiki
Global international scientific
analytical project
GISAP
GISAP logotip
Перевод страницы
 

Классификация добавок для армирования мелкодисперсных композитов

Классификация добавок для армирования мелкодисперсных композитов
Лилия Хасановна Загороднюк, кандидат технических наук, доцент

Махмуд Шакарна, аспирант

Анастасия Юрьевна Щекина, аспирант

Белгородский Государственный Технологический университет им. В.Г Шухова, Россия

Участник первенства: Национальное первенство по научной аналитике - "Россия";

Разработана классификация добавок для армирования мелкодисперсных композитов. Классификация разделяет волокна на природные и искусственные. В свою очередь природные волокна разделяются на органические животного и растительного происхождения и минеральные из природных силикатов. Волокна искусственные подразделяются на полимерные смешанные и минеральные. Приведены рекомендуемые области применения  различных видов армирующих добавок.

Ключевые слова: армирующие волокна, бетонные и растворные смеси, прочностные показатели, деформативные характеристики, природные и искусственные волокна, органически и минеральные волокна, полимерные волокна.

 

Мировой опыт свидетельствует, что  перспективным направлением в современном строительстве   является микроармирование бетонов и композиционных  материалов.   Дисперсное  армирование  или армирование непрерывной волокнистой арматурой обеспечивает трехмерное упрочнение композитов  и  позволяет принципиально изменять свойства цементного камня и других видов искусственных композитов, обеспечивая им высокую трещиностойкость,  повышая сопротивление ударным и динамическим нагрузкам,  создавая необходимый запас прочности, сохраняя целостность конструкции, даже после появления сквозных трещин, повысить абразивный износ, предотвратить отслаивание поверхности и т.д. Высокодисперсные волокнистые наполнители в цементных композициях оказывают положительное влияние на процессы структурообразования, в результате совмещения микроармирующего волокна и матрицы цементного камня образуется дополнительный комплекс свойств композита, которыми изолированные компоненты не обладают; так, наличие границы раздела между армирующими элементами и цементной матрицей существенно повышает деформативные свойства материала.  Кроме того, использование  микроармирующих волокон   позволяет получать  тонкослойные композиты с  требуемыми технологическими и эксплуатационными свойствами.

История использования армирующих волокон  восходит из глубины веков. Самые древние жилища (землянки, хижины) возводились из грунта с использованием растительных армирующих волокон в зависимости от географического  нахождения (камыша, прутьев, пальмовых листьев и т.д.). С разработкой стеклянных волокон появился  стеклофибробетон, являющийся альтернативой фибробетону.    Использование армирующих  волокон в  композитах обеспечивает высокие физико-механические, деформативные и эксплуатационные свойства зданиям и   сооружениям. В затвердевших растворах использование армирующих добавок  увеличивает  предел прочности при растяжении и срез, ударную и усталостную прочность, снижает усадочные деформации, предотвращает трещинообразование, увеличивает эластичность, сопротивление удару и истиранию, повышает морозостойкость, водопроницаемость [1]. В настоящее время в строительстве находит применение широкий спектр различных природных и искусственно  синтезированных  армирующих  волокон, органических и минеральных,  вводимых  в  составы бетонов и строительных растворов для дисперсного армирования  строительных конструкций  и различных композиционных строительных материалов для  улучшения их  строительно-технических и  эксплуатационных свойств.  Все известные в настоящее  время  армирующие   волокна можно классифицировать следующим образом:  на две основные группы – природные и искусственные ( рисунок 1).

Рисунок 1. Классификация армирующих добавок

Природные добавки в зависимости от их происхождения можно подразделить на  органические  и минеральные.  Группа органических  волокон, в свою очередь, подразделяется на подгруппы  растительного и животного происхождения.  Подгруппа волокон растительного происхождения, состоящих их молекул целлюлозы, присутствующей в растении разделяется на  высокомолекулярную целлюлозу, находящуюся в оболочке семян(хлопок), стеблей растений (лен,  пенька, джут, кенаф), листьев растений (абака, сизаль, юкка, формиум), оболочке плодов (койф, капок).  В подгруппу   волокон животного происхождения, состоящих из молекул  белка кератина, относятся:  животная шерсть, конский волос; а из  молекул  белка фиброина, получающихся при выделении желез шелкопряда, получают натуральные  волокна шелка из тутового или дубового шелкопряда.

Природные  органические волокна далеко не новый вид армирования  строительных материалов. Применение волокон  в строительстве известно давно с древнейших времен, первоначально это были растительные волокна: пальмовые листья, сизаль, джут, пенька, кенаф, солома,   и т.д. Эти волокна относятся к природным органическим.  Группа минеральных   волокон включает  природные волокнистые минералы:  хризотил-асбестовые, волластонитовые, базальтовые, серпентино-магнезитовые. Волокна    хризотил-асбеста успешно выполняет роль армирующего элемента цементного камня в асбестоцементных изделиях. По структуре хризотил-асбест – кристаллический минерал с ярко выраженным волокнистым строением. Каждое кристаллическое волокно хризотил-асбеста состоит, в свою очередь, из огромного числа параллельно расположенных тончайших элементарных кристаллов-волоконец (фибрилл). Хризотил-асбест имеет высокую прочность на разрыв по оси волокнистости  и достаточно высокую эластичность. Волокна имеют поверхностный слой из гидроксильных групп, соединенных со смежным внутренним слоем из ионов магния, что придает  поверхности высокую адсорбционную способность, а с водой  легко образует суспензию, что обеспечивает  высокую технологичность данного  армирующего материала [2]. Особый интерес в последние годы  приобрели природные минеральные  волокна на основе базальтов. Базальты по химическому и минералогическому составу относятся к экструзивным магматическим горным породам.

Необходимо отметить, что искусственно синтезированная полипропиленовая и стеклянная фибра по своим характеристикам существенно уступают базальтовой фибре. К их основным недостаткам относятся: деформируемость даже при небольших нагрузках растяжения; быстрое старение, то есть утрата свойств с течением времени;  подверженность горению при воздействии открытого пламени;   различное относительное удлинение  полимерной и стеклянной фибры и цементного камня;   высокая стоимость.

Все вышеперечисленные недостатки полностью отсутствуют у базальтовой фибры. С появлением базальтового волокна недоверие к дисперсному армированию постепенно исчезает. Небольшая добавка базальтовой фибры значительно увеличивает сопротивление цементного камня изгибающим нагрузкам. При этом повышается долговечность материала, снижаются усадочные деформации, предотвращается  образование деформационных трещин возникающих вследствие  механического воздействия или усадки при заливке полов, устройства стяжки или при заливке в опалубку,  значительно возрастает  ударная вязкость, увеличивается  морозостойкость, обеспечивается высокая  огнестойкость. Использование базальтовых волокон позволяет избежать трудоемких операций по армированию, а также обеспечить высокую ударопрочность поверхностного слоя изделий. Уплотнение поверхностного слоя бетона, обеспечиваемое при внесении микроволокон, снижает проницаемость верхнего слоя бетона в  8-10 раз, проникновение влаги и паров кислот при  этом ограничиваются 2-3 мм. Строительные конструкции из бетона, армированного  базальтовым волокном, особенно эффективны для использования в регионах с высокой сейсмической  нестабильностью. Бетон с базальтовой фиброй широко используется в гидросооружениях, при возведении  мостов и метрополитенов, где  необходима повышенная устойчивость к проникновению антиобледеняющих солей. Базальтовая  фибра устойчива к щелочам и большинству химических веществ, применяемых в производственных процессах. 

 Все это раскрывает перед дисперсно армированными материалами  из базальтовой фибры новые области применения, а также позволяет значительно уменьшить общую массу строительных конструкций за счет уменьшения сечения при неизменных прочностных показателях. Это может явиться дополнительным аргументом в пользу дисперсного армирования цементов, бетонов различных видов: пенобетонов, полистиролбетона, рядовых бетонов, бетонных и железобетонных конструкций, растворов различного назначения, тем более что  одновременно  решаются проблемы строительства на слабых грунтах, а также вопросы экономии сырьевых, энергетических и трудовых ресурсов.

Волластонит – природный силикат кальция, подкласса цепочечных силикатов, растет как  игольчатый кристалл и сохраняет эту игольчатую структуру при расщеплении.  В настоящее время  в строительной отрасли достаточно широко используется  волластонит как  минерального происхождения, так и  синтетический [3], различия их структур  отражаются на физических свойствах и  соответственно на областях применения.

В  группу    искусственных волокон  входят:   металлические, стеклянные, борные, углеродные, полимерные, синтетические волластонитовые и смешанные. Подгруппа металлических волокон  подразделяется на стальные и алюминиевые. Стальные волокна  представлены проволочной фиброй нормированных размеров, специально выштампованной фиброй, а также фиброй фрезерной и токарной.

Стальные волокна имеют очень специфическое применение и, как правило, не используются в обычных бетонных плитах, дорожных покрытиях, полах. Стальные волокна добавляются в бетон в случае, если требуется высокая прочность на удар. Стальные волокна помогут снизить растрескивание бетона при усадке, так же как и синтетические волокна, однако стальные волокна не часто используются для защиты от растрескивания при усадке. Стальные волокна бывают различных размеров и конфигураций [4].

 Длительные исследования [5]  убедительно показали, что  дисперсное армирование металлической фиброй и капроновым волокном улучшает механические характеристики бетонов: повышает трещиностойкость, ударостойкость, прочность при растяжении и изгибе, способствует  стойкости бетона к воздействию агрессивной среды, позволяет сократить рабочие сечения конструкций и в ряде случаев отказаться от использования стержневой  арматуры или уменьшить ее расход. К искусственным волокнам относятся стеклянные волокна. Стеклянные волокна обычно имеют  диаметр порядка нескольких десятков микрометров и длину 20-40 мм. Они обладают высокой прочностью на растяжение, их модуль деформации выше, чем у цементного камня. Температурный коэффициент линейного расширения стекловолокна близок к такому коэффициенту цементного камня. Однако стекло быстро разрушается род действием щелочной среды цемента, поэтому необходимо предусмотреть применение вяжущих веществ  или специальных мероприятий, предохраняющих разрушение  стеклянных волокон в бетоне от коррозии. Стеклянные волокна  обладают высоким модулем упругости, обеспечивают повышение предела прочности бетона на растяжение и его трещиностойкость [4].

 В настоящее время  разработаны специальные составы стекловолокон  с высокой химической устойчивостью к щелочной  среде и выпускаются в виде ровинга РЦР-15-190-2520-9. Разрывная нагрузка ровинга  - 500 Н.  Цементостойкий ровинг применяется для изготовления стеклофибробетона методом напыления, когда механизирован процесс укладки стекловолокна и цементной суспензии.

 При  возведении строительных объектов в  Германии наряду со стеклофибробетоном, представляющим собой   бетонную матрицу, армированную стеклянным волокном, находит применение  текстиль-бетон, при изготовлении которого в  качестве арматуры для бетонной матрицы используются сетки, маты, ткани различных видов, изготовленных из  щелочестойкого стеклянного волокна. В ряде случаев для армирования бетона  стекловолокнистый текстильный материал используется вместе со стекловолокном; такой композиционный материал получил название стеклофибробетон/текстильбетон.

 Широкое распространение при армировании композиционных материалов получили различные полимерные волокна: полипропиленовые, акрилонитрильные,  полиолефиновые, капроновые, нейлоновые, полиэстеровые, полиамидные, полиэтиленовые и др.

  В сухих смесях  применяются   полипропиленовые, акрилонитрильные, целлюлозные волокна [6], обеспечивающие трехмерное армирование раствора. Органические волокна длиной от 20 до 7500 мкм применяются в производстве сухих строительных смесей в качестве армирующего компонента для достижения следующих целей: компенсации недостатков фракционного состава; снижения усадки, которая возникает при затвердевании строительного раствора;  улучшения типсотропных свойств и фиксирующей способности; увеличения трещиностойкости; увеличения деформационной способности полимерцементного камня; увеличение морозостойкости и ударной вязкости; небольшое увеличение «открытого времени». В отличие от полипропиленовых и акрилонитрильных, целлюлозные волокна несколько повышают водопоглощение и снижают прочность сцепления покрытия с основанием.

Короткие и средние волокна длиной до 500 мкм достаточно легко перемешиваются в смесителях любого типа. Применяя двухстадийное смешение можно добиться достаточно равномерного перемешивания волокон целлюлозы практически любой длины в смесителях любого типа. Самые распространенные и доступные сегодня полипропиленовые волокна западных производителей (Fibrin, Krenit, Crackstop), производства Adfil (Англия), BelgianfibersN. V.(Бельгия), PPEUROFIBER  производства  P.BaumhuterGmbH (Германия),  предназначенные для использования в бетонных и растворных смесях.  Использование моноволокон  и мультиволокон EUROFIBER в цементной стяжке, строительном растворе или бетоне позволяет избежать усадочных трещин на ранней стадии, кроме того, это волокно повышает ударопрочность  и водопроницаемость бетона и раствора. Полипропиленовые волокна имеют исключительную устойчивость к щелочам, что обеспечивает идеальные условия для использования в  растворах и бетонах. Расход волокна составляет 0,5-2 кг на 1м3. Дисперсное армирование ячеистого бетона синтетическим фиброволокном  компании «Си Айрлайд-ВСМ» значительно уменьшает или полностью исключает появление и развитие усадочных трещин в процессе изготовления, твердения и последующей эксплуатации материала. Армирование полимерными  волокнами, в большинстве случаев, не должно рассматриваться как альтернатива стальному армированию. Армирование волокнами, однако, должно рассматриваться как мероприятие, которое может существенно снизить возможность пластического образования усадочных трещин и может помочь минимизировать эффекты от термического растрескивания. Трещины на поверхности бетона способствуют проникновению воды и химикатов. Многие формы химического и физического разрушений могут начать своё наступление через поверхностные трещины, что отразится на износоустойчивости и сроке службы бетона. Разумеется,  нельзя утверждать, что полимерные материалы могут полностью вытеснить сталь при армировании  бетонов . В каждом отдельном случае необходимо производить сравнительную оценку и выбирать наиболее оптимальное решение с учетом технических и финансовых аспектов.

В ряде стран (Великобритания, Дания, Франция, Германия) производится  синтетический волластонит, который характеризуется  требуемой стабильностью свойств, имеет высокую степень дисперсности и химической  чистоты. 

Особый интерес  представляет новая группа добавок -   смешанные.    Сейчас создаются комбинированные композиты на основе базальта и полимеров – базальто-полимерные, защищающие базальтовую основу от вредного воздействия щелочной среды.   Одним из наиболее современных видов фибры является полимерная фибра, армированная графитом – графито-полимерные. Прочность такой фибры сравнима со стальной. Такие композиционные материалы имеет низкую плотность и не подвержены коррозии. В настоящее время  используются  смешанные волокна, состоящие из различных сочетаний армирующих компонентов: базальто-стальные, волластонито-силановые, стекло-пластиковые, боро-пластиковые, углеродо-пластиковые, полимеро-стальные, что определяется их целевым назначением и спецификой областей их использования.

 Таким образом, использование дисперсного армирования предопределяет повышение  физико-механических и эксплуатационных свойств  строительных композитов различного назначения. Выбирая  те или иные  волокна для армирования или композицию из них, корректируя их соотношение  можно  целенаправленно регулировать  свойства конкретного материала, повышая его трещиностойкость, коррозионную стойкость, атмосферостойкость  и обеспечить  требуемые эксплуатационные  параметры  и долговечность. Использование дисперсно-армированных волокон   позволяет значительно уменьшить общую массу строительных конструкций за счет уменьшения сечения при неизменных прочностных показателях.  Армирующие волокна обеспечивают трехмерное упрочнение  композиционных материалов по сравнению с традиционной арматурой, которая гарантирует лишь двухмерное упрочнение, увеличивает сопротивление цементного камня изгибающим нагрузкам. С применением синтетического волокна повышается долговечность материала, понижается усадочная деформация, значительно возрастает трещиностойкость и ударная вязкость.

 

Литература:

  1. Корнеев, В.И. Сухие строительные смеси (состав, свойства, применение)  В.И. Корнеев, П.В. Зозуля, И.Н. Медведева, Г.А. Богоявленская, Н.И. Нуждина.  Учебное пособие.  СПбГТИ (ТУ). 2008. 319 с.
  2. Рыбьев И.А. Строительное материаловедение: Учеб. пособие для  строит.спец. вузов.-М.: Высш.шк.,2002.701с.
  3. Родионов Р.Б. Перспективы применения волластонита в строительной отрасли. Строительные материалы, оборудование, технологии ХХI века.№4,2009,с.44-45.
  4. Технология бетона. Учебник.  Ю.М.Баженов М.: Изд-во АСВ, 2003-500с.
  5. Пухаренко Ю.В. Принципы формирования структуры и прогнозирование прочности фибробетонов. Строительные материалы.2004. №10.С 47-50.
  6. Урецкая, Е.А. Сухие строительные смеси: материалы и технологии   Е. А. Урецкая, Э. И. Батяновский. – Минск: НПООО «Стринко», 2001.  208 с.
0
Ваша оценка: Нет Средняя: 5.2 (6 голосов)
Комментарии: 8

Лежнюк Петр Демьянович

Очень интересная статья, посвященная материалам будущего. Эту тему нужно развивать. Хотелося бы увидеть сравнительный анализ по предлагаемым материалам по их основным характеристикам и эксплуатационным особенностям.

Елесин Михаил Анатольевич

Приведенный Вами обзор наполнителей для создания композитов неплохой, но хотелось больше конкретных данных и значений, в технических науках оперируют числами, а их мало. Надо добавить таблицы сравнений показателей и графики. Выводы тоже желательно делать более конкретнее.

рахимбеков сармантай мадиевич

Имеет место актуальность затрагиваемого вопроса, определены возможные направления исследований. На наш взгляд, прежде всего должны быть раскрыты надежностные характеристики с точки зрения "живучести" изделий. В дальнейшем, надо полагать, будут представлены эти данные. С уважением д.т.н. проф.С.М.Рахимбеков

Налобина Елена Александровна

в настоящее время тема разработки новых материалв очень актуальна. В Украине получили развитие исследвания льна, как долгунца, так и масленичного тресту которого банально сжигают. Страдает экология очень серьезно и хозяйства несут финансовые потери. В стеблях льна содержится целлюлоза. Это растение очень интерессное и перспективное с точки зрения использования его как наполнителя различных, в том числе и строительных материалов. Не исследовали ли Вы, Лилия Хасановна, этот природный материал в качестве дбавки? Статья относиться к обзорным и содержит необходимые атрибуты: определена актуальность, возможные направления исследований. В дальнейше, думаю, автор представит нам результаты исследований. Спасибо

Выходец Александр Михайлович

Все это ново и как всякое новое - очень и нтересно.Безусловно, такое исследование имеет будущее. Мировой опыт свидетельствует, что перспективным направлением в современном строительстве является микроармирование бетонов и композиционных материалов. Дисперсное армирование или армирование непрерывной волокнистой арматурой обеспечивает трехмерное упрочнение. В разработанную схему, кроме неорганических и органических добавок. можно было бы добавить енще и биологические.

Горбийчук Михаил Иванович

Авторам пожелаю больше конкретики в их исследованиях.

Трещалин Михаил Юрьевич

Уважаемые коллеги! Приведенный Вами обзор наполнителей для создания композитов достаточно полный и включает практически все используемые в настоящее время варианты армирующих элементов. Занимаясь долгое время разработкой композиционных материалов для использования изделий из них в различных областях промышленности и строительства, в первую очередь оцениваются прочностные свойства и затраты. К сожалению, в Вашей статье не приводятся сравнительные физ-мех и экономические характеристики, позволяющие судить о целесообразности применения того или иного вида наполнителя. В частности, эффективность применения для армирования полых натуральных волокон (хлопок, шерсть) вызывает большие сомнения с т.з. долговечности изделий. Надеюсь, на развитие этой темы в последующих работах. С уважением д.т.н., проф. М.Ю. Трещалин

mahmoud

Уважаемый Михаил Юрьевич! Очень признательны Вам за внимание к нашей публикации и Вашей поддержке.Мы очень поздно, буквально в последний вечер, узнали о возможности опубликоваться в этом издании, а посему отправили, что было . Огромное Вам спасибо за добрые пожелания и Ваши рекомендации. Вообще-то мы занимаемся сухими строительными смесями, вот отсюда наши подходы к этой тематике. Еще раз благодарю Вас за внимание! С уваж..Лилия Хасановна Загороднюк.
Комментарии: 8

Лежнюк Петр Демьянович

Очень интересная статья, посвященная материалам будущего. Эту тему нужно развивать. Хотелося бы увидеть сравнительный анализ по предлагаемым материалам по их основным характеристикам и эксплуатационным особенностям.

Елесин Михаил Анатольевич

Приведенный Вами обзор наполнителей для создания композитов неплохой, но хотелось больше конкретных данных и значений, в технических науках оперируют числами, а их мало. Надо добавить таблицы сравнений показателей и графики. Выводы тоже желательно делать более конкретнее.

рахимбеков сармантай мадиевич

Имеет место актуальность затрагиваемого вопроса, определены возможные направления исследований. На наш взгляд, прежде всего должны быть раскрыты надежностные характеристики с точки зрения "живучести" изделий. В дальнейшем, надо полагать, будут представлены эти данные. С уважением д.т.н. проф.С.М.Рахимбеков

Налобина Елена Александровна

в настоящее время тема разработки новых материалв очень актуальна. В Украине получили развитие исследвания льна, как долгунца, так и масленичного тресту которого банально сжигают. Страдает экология очень серьезно и хозяйства несут финансовые потери. В стеблях льна содержится целлюлоза. Это растение очень интерессное и перспективное с точки зрения использования его как наполнителя различных, в том числе и строительных материалов. Не исследовали ли Вы, Лилия Хасановна, этот природный материал в качестве дбавки? Статья относиться к обзорным и содержит необходимые атрибуты: определена актуальность, возможные направления исследований. В дальнейше, думаю, автор представит нам результаты исследований. Спасибо

Выходец Александр Михайлович

Все это ново и как всякое новое - очень и нтересно.Безусловно, такое исследование имеет будущее. Мировой опыт свидетельствует, что перспективным направлением в современном строительстве является микроармирование бетонов и композиционных материалов. Дисперсное армирование или армирование непрерывной волокнистой арматурой обеспечивает трехмерное упрочнение. В разработанную схему, кроме неорганических и органических добавок. можно было бы добавить енще и биологические.

Горбийчук Михаил Иванович

Авторам пожелаю больше конкретики в их исследованиях.

Трещалин Михаил Юрьевич

Уважаемые коллеги! Приведенный Вами обзор наполнителей для создания композитов достаточно полный и включает практически все используемые в настоящее время варианты армирующих элементов. Занимаясь долгое время разработкой композиционных материалов для использования изделий из них в различных областях промышленности и строительства, в первую очередь оцениваются прочностные свойства и затраты. К сожалению, в Вашей статье не приводятся сравнительные физ-мех и экономические характеристики, позволяющие судить о целесообразности применения того или иного вида наполнителя. В частности, эффективность применения для армирования полых натуральных волокон (хлопок, шерсть) вызывает большие сомнения с т.з. долговечности изделий. Надеюсь, на развитие этой темы в последующих работах. С уважением д.т.н., проф. М.Ю. Трещалин

mahmoud

Уважаемый Михаил Юрьевич! Очень признательны Вам за внимание к нашей публикации и Вашей поддержке.Мы очень поздно, буквально в последний вечер, узнали о возможности опубликоваться в этом издании, а посему отправили, что было . Огромное Вам спасибо за добрые пожелания и Ваши рекомендации. Вообще-то мы занимаемся сухими строительными смесями, вот отсюда наши подходы к этой тематике. Еще раз благодарю Вас за внимание! С уваж..Лилия Хасановна Загороднюк.
Партнеры
 
 
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
Would you like to know all the news about GISAP project and be up to date of all news from GISAP? Register for free news right now and you will be receiving them on your e-mail right away as soon as they are published on GISAP portal.