Белгород, Белгородская область, Россия
ГРНТИ 67.09 Строительные материалы и изделия
ББК 383 Строительные материалы и изделия
В работе представлены результаты исследования характеристик цементного камня в зависимости от вида фибры как элемента самоочищающейся поверхности. Приведены ис-следования краевого угла смачивания горизонтальной поверхности, поверхности под углом 70°, прочности на сжатие цементного камня с различным содержанием фибры и гидрофо-бизирующей добавки. Для исследования использовались 4 вида фибры различного состава: базальтовая фибра, стекловолокно, фибра полипропиленовая (ВСМ), фибра из поливинило-вого спирта. На основе полученных результатов становится возможным выбор вида и до-зировки фибры в зависимости от назначения материала, а также эффективности ее сов-местного использования с объемной гидрофобизацией. При проектировании самоочищаю-щихся фасадных материалов при необходимости достижения высоких значений краевого угла смачивания рекомендуется использование стекловолокна (3 %) или ПВС-фибры (3 %) с гидрофобизирующей добавкой (1 %). При необходимости достижения высоких прочностных характеристик рекомендуется использование ВСМ (3 %) без гидрофобизирующей добавки. Оптимальным (средние показатели краевого угла смачивания и прочности на сжатие) явля-ется использование базальтовой фибры (3 %) без гидрофобизирующей добавки.
фибра, гидрофобизируюшая добавка, цементный камень, краевой угол смачивания, прочность
Введение. Высокая смачиваемость капиллярно-пористой поверхности традиционных фасадных материалов на основе цемента обуславливает их периодическое увлажнение при эксплуатации и циркуляцию жидкой фазы в толще композита. Фасадные материалы постоянно подвергаются воздействию агрессивных сред, которые вызывают высолообразование, сульфатную коррозию, а также вымывание минеральных компонентов. Эксплуатация материала во влажной среде может привести к образованию микроорганизмов, грибков, лишайников, бактерий на его поверхности и в объеме. Следствием этого могут стать повышенная влажность фасада, снижение его прочности и даже разрушение, проявляющееся в виде локальной коррозии либо отделения поверхностного слоя, которое влияет на эстетический вид сооружения, а также, при биокоррозии, неприятный запах, аллергические реакции у жителей.
Одним из способов защиты поверхности фасада является придание ему самоочищающихся свойств путем создания высокоразвитой поверхности материала за счет получения иерархической структуры с применением гидрофобизирующей эмульсии [1–4]. Данный метод призван обеспечить комплексную защиту материала от атмосферного воздействия, увеличить срок службы изделия, повысить эстетические качества и внешний облик здания в целом, оставаясь физиологически безопасным для человека и экологически безвредным для природы.
Традиционно способность материала к самоочищению достигается созданием системы нано- или микрошероховатости на его поверхности [5–8]. Достижение известного «эффекта лотоса» на строительных материалах затруднено. Так, например, поверхность традиционного цементного бетона является грубодисперсной, в том числе характеризуется присутствием пор и капилляров, что нивелирует эффект, создаваемый нано- или микрочастицами [9–12]. Проблематично также равномерное распределение и закрепление этих частиц, обеспечение долговечности самоочищающегося слоя. Негативными факторами также являются быстрая потеря эффективности в условиях повышенных температур и механических нагрузок, высокая себестоимость. В связи с чем, актуальным направлением является оптимизация механизма создания развитой гидрофобной поверхности цементного материала с учетом обеспечения высокой способности к самоочищению. Важным компонентом иерархической структуры поверхности является фибра, от характеристик которой будут зависеть как поверхностные, так и объемные свойства создаваемого композита [13–15]. В данной работе представлены результаты исследования характеристик цементного камня и его поверхности в зависимости от вида фибры как элемента самоочищающейся поверхности.
Методология. Для исследования использовались 4 вида фибры различного состава: базальтовая фибра ООО «Каменный век», Россия, Московская обл., г. Дубна; стекловолокно ООО «Стеклотекс», Россия, Самарская обл., г. Сызрань; волокно строительное микроармирующее (ВСМ) (фибра полипропиленовая) ООО «Си Айрлайд», Россия, Челябинская обл., г. Челябинск; фибра из поливинилового спирта (ПВС-фибра) ООО «Курарай», Япония, г. Осака.
Микроструктурные исследования фибры проводили на сканирующем электронном микроскопе Mira 3 FesSem (Tescan, Чехия) в режиме высокого вакуума (InBeam) с использованием катода Шоттки высокой яркости.
Затем были приготовлены образцы цементного камня на основе портландцемента
ЦЕМ I 42,5 Н производства ЗАО «Белгородский цемент». Исследуемые виды фибр вводились в содержании 1, 3 и 5 %. В/Ц смесей составляло 0,28. Влияние фибры различного состава на прочность цементного камня исследовалось в возрасте 28 суток твердения. Помимо этого, проводилось исследование величины краевого угла смачивания поверхности образцов в горизонтальном положении, а также под наклоном 70º. Исследования проводились с использованием прибора для измерения краевого угла смачивания KRUSS DSA 30 (KRUSS GmbH, Германия). Наклон образцов под углом 70º был использован с целью приближения эксперимента к реальным условиям эксплуатации материала и обусловлен максимально возможным углом поворота предметного столика прибора.
На следующем этапе были приготовлены образцы цементного камня с фиброй различных видов (3 %) и гидрофобизатором «Мурасан БВА 17» производства ООО «Эм-Си Баухеми». Расход гидрофобизатора варьировался: 0,5; 1 и
1,5 %. После 28 суток нормального твердения для полученных образцов аналогично исследовались: прочность на сжатие, краевой угол смачивания в горизонтальном положении и под наклоном 70º.
Основная часть. В связи с тем, что в предлагаемых исследованиях фибра будет выступать элементом высокоразвитой поверхности композита, параметрами, представляющими интерес, являются – длина и диаметр волокна (табл. 1), шероховатость (рис. 1). Все виды фибр, выбранные для исследования, являются совместимыми с цементной средой и используются для получения бетонов.
Таблица 1
Параметры фибры различного состава
|
Параметры фибры |
Тип фибры |
|||
|
Базальтовая фибра |
Стекловолокно |
Фибра полипропиленовая (ВСМ) |
Волокна поливинилового спирта (ПВС-фибра) |
|
|
Длина волокна, мм |
12,7 |
12 |
12 |
8 |
|
Диаметр филамента, мкм |
10−22 |
13−15 |
20−22 |
38 |
Наименьшим диаметром обладают волокна базальтовой и стеклянной фибры, наибольшим – волокна ПВС-фибры. Поверхность базальтовой и стеклянной фибр является преимущественно гладкой с незначительным присутствием замасливателя, цель использования которого заключается в улучшении разделения филаментов и распределения фибры в объеме бетонной смеси (рис. 1, а, б). Поверхность органических волокон (ВСМ (рис. 1, в) и ПВС (рис. 1, г) отличаются большей шероховатостью ввиду их состава и технологии производства.
На следующем этапе исследуемые волокна вводились в состав цементного камня в различных дозировках (1, 3 и 5 %). Целью исследований являлось установление влияния фибры различного состава на краевой угол смачивания в горизонтальном положении и под наклоном 70°, как наиболее важные параметры самоочищающихся поверхностей, а также на предел прочности при сжатии цементного камня. Также целью эксперимента для всех видов фибр являлось установление той дозировки, при которой возможно достижение максимального краевого угла смачивания. Для базальтовой фибры и ВМС это содержание составляет – 3 %, для стекловолокна и ПВС-фибры – 5 %. Значения краевого угла смачивания, достигаемые при данных дозировках фибры, представлены на рисунке 2. Стоит отметить, что при значительном повышении краевого угла смачивания за счет введения фибры, прочность на сжатие образцов с базальтовой фиброй, стекловолокном и ПВС-фиброй понижается на
11,6; 40,4 и 6,8 % соответственно. Снижение прочности на сжатие обусловлено разуплотнением структуры из-за избыточного содержания фибры. Использование же ВСМ позволяет повысить прочность на сжатие на 50,9 %. В качестве контрольного образца использовался цементный камень (В/Ц=0,28).
|
|
|
|
а |
б |
|
|
|
|
в |
г |
|
Рис. 1. Микроструктурные особенности фибры: а − базальтовой; б − стекловолокна; в − ВСМ; г – ПВС |
|
|
|
|
Рис. 2. Максимальные значения краевого угла смачивания поверхности образцов цементного камня в зависимости от вида фибры |
С целью сравнения эффективности фибры в таблице 2 представлены результаты при введении 3 % фибры каждого вида. Стоит отметить, что все используемые виды фибры позволяют повысить краевой угол смачивания поверхности в месте выхода волокна, что обусловлено снижением площади контакта водяной капли с поверхностью цементного камня. Величина данного эффекта зависит как от смачиваемости материала фибры, так и равномерности ее распределения при приготовлении смеси.
Таблица 2
Характеристики образцов цементного камня с фиброй (3 %), МПа
|
Характеристика образца |
Тип фибры |
Контроль |
|||
|
Базальтовая |
Стекловолокно |
ВСМ |
ПВС |
||
|
Краевой угол смачивания, º |
103,6 |
106,6 |
108,7 |
92,8 |
78,4 |
|
Краевой угол смачивания при наклоне 70º, º |
115,1 |
105,4 |
102,2 |
91,5 |
60,3 |
|
Прочность на сжатие, МПа |
59,6 |
48,5 |
101,7 |
70,6 |
67,4 |
По полученным данным исследованная фибра может быть ранжирована:
- по уменьшению значения краевого угла смачивания:
ВСМ → Стекловолокно → Базальтовая фибра → ПВС-фибра.
- по уменьшению значения краевого угла смачивания под наклоном 70º:
Базальтовая фибра → Стекловолокно → ВСМ → ПВС-фибра.
- по влиянию на прочность:
ВСМ (↑) → ПВС-фибра (↑) → Базальтовая фибра (↓) → Стекловолокно (↓).
Для изучения возможности повышения значений краевого угла смачивания в объем образцов вводилась гидрофобизирующая добавка. В связи с тем, что максимальные значения прочности на сжатие наблюдались для большинства видов фибр при дозировке 3 %, то для следующего эксперимента все виды фибр вводились в данной дозировке. Но при этом варьировался расход гидрофобизатора: 0,5; 1 и 1,5 %. В таблице 3 приведены значения для 1 % гидрофобизатора. В строках с обозначением ∆, % (табл. 3) рассчитана разница значений краевого угла смачивания в горизонтальном положении и при наклоне 70°, а также прочности на сжатие образцов с фиброй при дополнительном введении гидрофобизирующей добавки в сравнении с образцами без добавки (см. табл. 2).
Таблица 3
Характеристики образцов цементного камня с фиброй и гидрофобизатором, МПа
|
Характеристика образца |
Тип фибры |
Контроль |
|||
|
Базальтовая |
Стекловолокно |
ВСМ |
ПВС |
||
|
Краевой угол смачивания (Кус), º |
130,4 |
136,1 |
77,3 |
138,2 |
78,4 |
|
∆ Кус, % |
+25,9 |
+27,7 |
-28,9 |
+48,9 |
- |
|
Краевой угол смачивания при наклоне 70º (Кус), º |
109,2 |
126,1 |
73,5 |
115,0 |
60,3 |
|
∆ Кус, % |
-5,1 |
+19,6 |
-28,1 |
+25,7 |
- |
|
Прочность на сжатие (Rсж), МПа |
52,9 |
44,1 |
29,7 |
47,7 |
67,4 |
|
∆ Rсж, % |
-11,2 |
-9,1 |
-70,8 |
-32,4 |
- |
Полученные результаты позволяют отметить различный характер взаимодействия компонентов. Так при использовании стекловолокна (табл. 3, рис. 3) введение гидрофобизатора в объем материала позволяет повысить краевой угол смачивания, при этом уменьшение прочности − незначительно. Значительный положительный эффект увеличения краевого угла смачивания наблюдается при совместном использовании ПВС-фибры с гидрофобизирующей добавкой, но при этом прочность на сжатие уменьшается. Стоит отметить, что не рекомендуется совместное использование исследованного гидрофобизатора с ВСМ, так все исследованные характеристики значительно снижаются (табл. 3), что может быть обусловлено повышенным воздухововлечением и разуплотнением структуры материала.
|
|
|
|
а |
|
|
|
|
|
б |
|
|
Рис. 3. Определение краевого угла смачивания поверхности цементного камня со стекловолокном |
|
Заключение. Связь полученных результатов по определению краевого угла смачивания с параметрами фибры не подтверждает положительного влияния шероховатости ее поверхности (ВСМ и ПВС-фибра) на значение краевого угла смачивания.
На основе полученных результатов становится возможным осуществление выбора вида, дозировки фибры в зависимости от назначения материала, а также совместного ее использования с объемной гидрофобизацией. В частности, при проектировании самоочищающихся фасадных материалов при необходимости достижения высоких значений краевого угла смачивания рекомендуется использование стекловолокна (3 %) или ПВС-фибры (3 %) с гидрофобизирующей добавкой (1 %). При необходимости достижения высоких прочностных характеристик рекомендуется использование ВСМ (3 %) без гидрофобизирующей добавки. Оптимальным (средние показатели краевого угла смачивания и прочности на сжатие) является использование базальтовой фибры (3 %) без гидрофобизирующей добавки.
Предполагается, что механическая обработка поверхности образцов, а также поверхностная обработка фибры гидрофобной эмульсией с целью создания иерархической структуры позволят улучшить водооталкивающие характеристики поверхности, что станет предметом дальнейших исследований.
1. Кожухова М.И., Кнотько А.В., Соболев К.Г., Кожухова Н.И. Микроструктурные осо-бенности формирования иерархической структуры на гидрофобизированной поверх-ности бетона // Вестник Белгородского госу-дарственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2016. № 9. С. 6–9.
2. Бойнович Л.Б., Емельяненко А.М. Гид-рофобные материалы и покрытия: принципы создания, свойства и применение // Успехи химии. 2008. № 77 (7). C. 619–638.
3. Muzenski S.W., Flores-Vivian I., Kozhu-khova M.I., Rao S., Nosonovsky M., Sobolev K. Nano-engineered Superhydrophobic and Over-hydrophobic Concrete. In: Sobolev K., Shah S. (eds) Nanotechnology in Construction. Springer, Cham. 2015. P. 443–449.
4. Кожухова М.И., Строкова В.В., Собо-лев К.С. Особенности гидрофобизации мелко-зернистых бетонных поверхностей // Вестник Северо-Кавказского федерального универси-тета. 2014. № 4. С. 33.
5. Кочетков А.В., Чванов А.В. Новые ан-тигололедные дорожные покрытия с шерохо-ватой поверхностью в России // Строительные материалы. 2009. № 11. С. 76–78.
6. Bhushan B., Jung Y.C. Natural and bio-mimetic artificial surfaces for superhydrophobi-city, self-cleaning, low adhesion, and drag reduc-tion // Progress in Materials Science. 2011. Vol. 56. P. 1–108.
7. Miwa M., Nakajima A., Fujishima A., Hashimoto K., Watanabe T. Effects of the sur-face roughness on sliding angles of water drop-lets on superhydrophobic surfaces // Langmuir. 2000. Vol. 16. P. 5754–5760.
8. Feng X.Q., Gao X., Wu Z., Jiang L., Zheng Q.S. Superior water repellency of water strider legs with hierarchical structures: Experi-ments and analysis // Langmuir. 2007. Vol. 23. P. 4892–4896.
9. Колесов Е. О применении нанотехно-логий в производстве строительных материа-лов в Китае // Нанотехнологии в строитель-стве: научный интернет-журнал. 2009. № 2. С. 65–70.
10. Лесовик В.С., Урханова Л.А., Федюк Р.С. Вопросы повышения непроницаемости фибробетонов на композиционном вяжущем // Вестник ВСГУТУ. 2016. № 1. С. 5–10.
11. Матвеева Е.Г., Королева Е.Л. Фиб-робетон с добавкой нанодисперсного кремне-зема // Вестник МГСУ. 2013. № 3. С.140–146.
12. Кожухова М.И., Чулкова И.Л., Хар-хардин А.Н., Соболев К.Г. оценка эффектив-ности применения гидрофобных водных эмульсий с содержанием нано- и микрораз-мерных частиц для модификации мелкозер-нистого бетона // Строительные материалы. 2017. № 5. С. 92–97.
13. Бабаев В.Б., Нелюбова В.В., Жернов-ский И.В. Термическая обработка базальтово-го волокна как способ повышения его щело-честойкости // Строительные материалы. 2013. № 10. С. 58–61.
14. Хархардин А.Н., Сивальнева М.Н., Строкова В.В. Топологический расчет основ-ных параметров фибры для получения пено-бетона на основе бесцементного нанострук-турированного вяжущего // Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал. 2016. Т. 8. № 4. С. 73–88.
15. Клюев С.В., Лесовик Р.В. Дисперсно армированный стекловолокном мелкозерни-стый бетон // Бетон и железобетон. 2011. № 6. С. 4–6.
