сотрудник
Белгород, Белгородская область, Россия
сотрудник
Белгород, Белгородская область, Россия
сотрудник
, Россия
УДК 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
Армирование бетона стекловолокном позволяет улучшить эксплуатационные свойства бетона. Объектом исследования являлся стеклофибробетон, где в качестве вяжущего применялся портландцемент или глинозёмистый цемент, а в качестве наполнителя – кремнезёмное стекловолокно. Изучены химический и фазовый составы портландцемента и глинозёмистого цемента. Исследовано влияние продуктов гидратации портландцемента и глинозёмистого цемента на химическую устойчивость стекловолокна. С использованием рентгенофазового анализа исследован фазовый состав портландцемента и глинозёмистого цемента после гидратации. Выявлено, что в глинозёмистом цементе присутствуют следующие фазы: CaОAl2O3, MgОAl2O3, 12CaO·7Al2O3, 2CaO·Al2O3·SiO2, фазовый состав портландцемента – Ca6Al2(SO4)3(OH)12·12H2O, Ca2,25(Si3O7,5(OH)1,5)·(H2O), Ca(OH)2, CaCO3. Установлено, что портландцемент при гидратации отрицательно воздействует на стекловолокно из-за присутствия в нём Ca(OH)2. Фазовый состав глинозёмистого цемента после гидратации показал отсутствие Ca(OH)2. С использованием рентгенофлуоресцентного метода анализа исследован химический состав стекловолокна. Обосновано применение глинозёмистого цемента при использовании в композиционном материале нещелочестойкого стекловолокна. Проведено исследование устойчивости стекловолокна в среде цементной вытяжки. Исследования показали, что стекловолокно марки КВ-11 с продуктами гидратации глинозёмистого цемента менее взаимодействовало, чем с продуктами гидратации портландцемента.
стекловолокно, гидратация, цементная вытяжка, фибробетон, щелочеустойчивость, глинозёмистый цемент, портландцемент
Введение. В настоящее время армирование бетонов различными волокнами является наиболее перспективным и применяемым в строительной отрасли [1–3]. Обычный бетон при высыхании даёт усадку, что является причиной образования трещин и, как следствие, происходит снижение его прочностных характеристик. Улучшить свойства бетонов можно за счёт введения в его состав оптимального количества волокон различного назначения и их равномерного распределения [4–7]. Армирование стекловолокном позволяет улучшить эксплуатационные характеристики бетонов. Кроме того, благодаря применению стекловолокна как армирующего материала бетонов расширился спектр его применения [8, 9]. Иногда армирование стекловолокном является безальтернативным методом улучшения характеристик изделий [10]. Стеклофибра увеличивает прочностные характеристики при значительно меньших дозировках, чем стальная и полипропиленовая фибры, поэтому популярность её использования постоянно возрастает.
Однако на сегодняшний день недостаточно изучена стойкость волокон в цементно-щелочной среде, что является препятствием для массового внедрения стеклофибробетона. Для бетонов с матрицей на основе портландцемента можно использовать только щелочестойкое стекловолокно, а для глинозёмистых обычное алюмоборосиликатное стекловолокно, так как при твердении в нём отсутствует свободная известь, которая вызывает коррозию стекловолокна.
Материалы и методы. Для проведения экспериментальных исследований были использованы следующие сырьевые материалы: портландцемент марки ЦЕМ I 42,5Н производства ЗАО «Белгородский цемент» (ГОСТ 10178–85); глинозёмистый цемент марки ВГЦ-1-35 производства ОАО «Пашийский металлургическо-цементный завод» (ГОСТ 969–2019); песок Корочанского месторождения (ГОСТ 8736–2014); стекловолокно марки КВ-11 производства АО «НПО Стеклопластик» (ГОСТ Р 56212–2014); вода (ГОСТ 23732–2011).
Количественный химический состав стеклошариков, из которых было произведено стекловолокно, определяли с помощью спектрометра АРL 9900 «Thermo scientific» рентгенофлуоресцентным методом. Устойчивость стекловолокна к цементной вытяжке определяли по стандартной методике согласно ГОСТ 473.2–81. Для исследования была задействована лабораторная водяная баня.
Фазовый состав портландцемента и глинозёмистого цемента до и после гидратации определяли на дифрактометре марки ARL X’TRA. Для экспериментальных исследований фазового состава гидратированного цемента его затворяли водой и полученную смесь укладывали в формы. После гидратации и твердения портландцемента в течение 28 суток, а также гидратации и твердения глинозёмистого цемента в течение 3 суток образцы извлекали из форм и исследовали с помощью рентгенофазового анализа.
Основная часть. Среди композиционных материалов важное место занимают стеклоцементные композиции, обладающие высокой прочностью, трещиностойкостью, малой плотностъю, негорючестью, нетоксичностью [11]. Использование их вместо железобетона позволяет снизить: стоимость конструкций в 2–3, массу – в 8–10, расход цемента – в 2–4 раза.
Одним из направлений исследований в области стеклоцементных композиций является разработка специальных составов стекловолокон, стойких против действия среды твердеющего цемента [8]. Используемое в работе кремнезёмное волокно получают путём кислотной обработки срезов стекловолокна, изготовленных из комплексной стеклянной нити, выработанной из стекла на водоэмульсионном замасливателе. Варку стекла проводят в варочном бассейне газоэлектрической стекловаренной печи, затем идёт формование стеклошариков (рис. 1) на формующей машине АСШ, из которых вырабатывается стекловолокно марки КВ-11 [12].
С помощью рентгенофлуоресцентного анализа был определён химический состав стеклошариков, который представлен в таблице 1.
Рис. 1. Стеклошарики, из которых получают стекловолокно марки КВ-11
Таблица 1
Химический состав стеклошариков
|
Содержание оксидов, мас. % |
|||||
|
SiO2 |
Na2O |
Al2O3 |
MgO |
CaO |
Прочее |
|
71,81 |
21,15 |
4,05 |
0,16 |
0,10 |
2,73 |
С использованием рентгенофазового анализа исследован фазовый состав исходного портландцемента (рис. 2). Из исследований видно, что основными фазами являлся двухкальциевый и трёхкальциевый силикаты.
Рис. 2. Порошковая рентгеновская дифрактограмма портландцемента
Также исследованию подвергался гидратированный портланцемент. Выявлено, что основные гидратные фазы портландцемента – эттрингит Ca6Al2(SO4)3(OH)12·12H2O и тоберморит Ca2,25(Si3O7,5(OH)1,5)·(H2O) (рис. 3). Обнаружено значительное количество гидроксида кальция Ca(OH)2 и незначительное – вторичного карбоната кальция CaCO3.
Рис. 3. Порошковая рентгеновская дифрактограмма гидратированного портландцемента
Глинозёмистый цемент производится комплексной плавкой в доменной печи, высокие прочностные показатели которого обуславливаются наличием в нём однокальциевого алюмината. Также в нем могут присутствовать следующие фазы – это однокальциевый диалюминат CaОAl2O3 и майенит 12CaО7Al2O3. Если есть присутствие оксидов кремния и железа, то в конечном продукте возможно присутствие алюмосиликатов, ферритов и алюмоферритов Ca. Высокую прочность и огнеупорность глинозёмистому цементу придаёт CaОAl2O3. В шлаках от переработки кобальт-молибденового катализатора может присутствовать диалюминат кальция, β-Al2O3 и геленит, относящийся к инертным минералам, а также шпинели и другие минералы [13–15]. Фазовый состав глинозёмистого цемента исследовали рентгенофазовым методом (рис. 4).
Рис. 4. Порошковая рентгеновская дифрактограмма глинозёмистого цемента
Фазовый состав глинозёмистого цемента представлен моноалюминатом кальция CaОAl2O3, магнезиальной шпинелью MgОAl2O3, майенитом 12CaO·7Al2O3 и геленитом 2CaO·Al2O3·SiO2. Моноалюминат кальция является вяжущей фазой, магнезиальная шпинель и геленит – инертные примеси.
На дифрактограмме гидратированного глиноземистого цемента основная гидратная фаза представлена гидроалюминатом кальция CaОAl2O3∙10H2O (рис. 5). Это основная цементная составляющая в гидратированном глинозёмистом цементе, которая является метастабильным продуктом гидратации СА. Помимо неё могут образовываться другие метастабильные продукты гидратации – это С2АН8 и С4АН13, которые в итоге переходят в стабильный кубический С3АН6.
Рис. 5. Порошковая рентгеновская дифрактограмма гидратированного глинозёмистого цемента
Твердение портландцемента – сложный комплекс взаимосвязанных химических и физико-химических процессов, которые оказывают влияние на состояние армирующих наполнителей и композиционного материала в целом. Выбор вяжущего вещества – это главный момент при изготовлении стеклофибробетона [16–18]. Иногда целесообразно применение глинозёмистого цемента, так как он интенсивно кристаллизуется, сохраняет прочность стеклофибробетона и повышает его водонепроницаемость. Традиционно применяемый портландцемент, реагируя с водой, надежно защищает металлическую арматуру, но отрицательно воздействует на стекловолокно.
Чтобы сделать заключение о возможности использования стекловолокна данного состава в качестве армирующих элементов бетона было проведено исследование устойчивости стекловолокна в среде цементной вытяжки. Испытания проводили аналогично определению щелочестойкости по ГОСТ 473.2–81.
Была приготовлена цементная вытяжка на основе портландцемента и цементная вытяжка на основе глинозёмистого цемента. Кипячение стекловолокна на водяной бане происходило в течение 1 часа.
Устойчивость стекла к цементной вытяжке (Ц) вычисляли по формуле, %:
, (1)
где m – масса стекловолокна до испытания, г;
m1 – масса стекловолокна после испытания, г.
За окончательный результат принимали среднее арифметическое результатов двух параллельных определений, расхождение между которыми не должно превышать 0,5 % (таблица 2, 3).
Таблица 2
Результаты исследования устойчивости стекловолокна к цементной вытяжке на основе портландцемента
|
№ пробы |
Масса навески стекловолокна, г |
Устойчивость стекловолокна к цементной вытяжке, % |
||
|
m |
m1 |
Отдельной пробы |
Средняя |
|
|
1 |
1,007 |
0,9217 |
91,53 |
88,36 |
|
2 |
1,006 |
0,8533 |
85,19 |
|
Таблица 3
Результаты исследования устойчивости стекловолокна к цементной вытяжке на основе глиноземистого цемента
|
№ пробы |
Масса навески стекловолокна, г |
Устойчивость стекловолокна к цементной вытяжке, % |
||
|
m |
m1 |
Отдельной пробы |
Средняя |
|
|
1 |
1,002 |
0,9869 |
98,49 |
97,26 |
|
2 |
1,003 |
0,9632 |
96,03 |
|
Исследования показали, что стекловолокно марки КВ-11 с продуктами гидратации глинозёмистого цемента менее взаимодействовало, чем с продуктами гидратации портландцемента. В растворе портландцемента присутствует гидроксид кальция, который способствует разрушению стеклянных волокон. Поэтому, выбирая в качестве вяжущего для стеклофибробетона портландцемент, нужно использовать устойчивую к щелочам фибру.
Выводы. Исследование фазового состава глинозёмистого цемента после гидратации показало отсутствие в нём Ca(OH)2, который вызывает щелочную коррозию стекловолокна. Проведённый эксперимент показал, что портландцемент, реагируя с водой, отрицательно воздействует на кремнезёмистое стекловолокно, а именно, стойкость стекловолокон в образующей щелочной среде уменьшается.
1. Клюев С.В., Клюев А.В., Шорстова Е.С. Фибробетон для 3-d аддитивных технологий // Строительные материалы и изделия. 2019. Том 2. № 4. С. 14–20.
2. Hezhev T.A., Zhurtov A.V., Tsipinov A.S., Klyuev S.V. Fire resistant fibre reinforced vermiculite concrete with volcanic application // Magazine of Civil Engineering. 2018. No. 4. Pp. 181–194. DOI: 10.18720/MCE.80.16.
3. Клюев С.В., Лесовик В.С., Клюев А.В., Бондаренко Д.О. К вопросу применения нескольких видов фибр для дисперсно-армированных бетонов // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2012. № 4. С. 81–83.
4. Володченко А.А. Влияние искусственных гидросиликатов кальция на процессы твердения и свойства неавтоклавных силикатных материалов на основе нетрадиционного алюмосиликатного сырья // Строительные материалы и изделия. 2020. Т. 3. № 2. С. 19–28. DOI: 10.34031/2618-7183-2020-3-2-19-28.
5. Klyuev S.V., Bratanovskiy S.N., Trukhanov S.V., Manukyan H.A. Strengthening of concrete structures with composite based on carbon fiber // Journal of Computational and Theoretical Nanoscience. 2019. Vol. 16. Issue 7. P. 2810–2814. DOI: 10.1166/jctn.2019.8132.
6. Klyuev S.V., Klyuev A.V., Khezhev T.A., Pukharenko Y.V. Fiber concrete for industrial and civil construction // Materials Science Forum. 2018. Vol. 945. P. 120–124. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.945.120.
7. Lesovik V.S., Bessonov I.V., Bulgakov B.I., Larsen O.A., Puchka O.V., Vaysera S.S. Approach on improving the performance of thermal insulating and acoustic glass composites // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 463. Article number 042030. DOI: 10.1088/1757-899X/463/4/042030.
8. Гутников С.И., Лазоряк Б.И., Селезнев А.Н. Стеклянные волокна. М.: МГУ, 2010. 53 c.
9. Ерофеев В.Т., Баженов Ю.М., Балатханова Э.М., Митина Е.А., Емельянов Д.В., Родин А.И., Карпушин С.Н. Получение и физико-механические свойства цементных композитов с применением наполнителей и воды затворения месторождений чеченской республики // Вестник МГСУ. 2014. № 12. С. 141–151.
10. Клюев С.В., Лесовик Р.В. Дисперсно-армированный мелкозернистый бетон стекловолокном // Бетон и железобетон. 2011. № 6. С. 4–6.
11. Ерофеев В.Т, Федорцов А.П., Федорцов В.А. Повышение коррозионной стойкости цементных композитов активными добавками // Строительство и реконструкция. 2020. № 2 (88). С. 51–60. DOI: 10.33979/2073-7416-2020-88-2-51-60.
12. Канович М.З., Трофимов Н.Н. Сопротивление композиционных материалов. М.: Мир, 2003. 504 с.
13. Рамачандран В.С. Применение дифференциального термического анализа в химии цементов. М.: Стройиздат, 1977. 408 с.
14. Бондаренко Н.И., Бессмертный В.С., Борисов И.Н., Тимошенко Т.И., Слабинская И.А., Бондаренко Д.О., Макаров А.В. Исследование кинетики дегидратации глинозёмистого цемента в условиях неизотермического нагрева // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2016. № 5. С. 155–160.
15. Ерофеев В.Т., Федорцов А.П., Богатов А.Д., Федорцов В.А. Оценка и прогнозирование физико-химического сопротивления стеклощелочных композитов и методы его повышения // Известия вузов. Строительство. 2017. №6 (702). С. 5–14.
16. Клюев С.В. Применение композиционных вяжущих для производства фибробетонов // Технологии бетонов. 2012. № 1–2 (66–67). С. 56–57.
17. Логанина В.И., Жерновский И.В., Жегера К.В., Структурообразование цементного камня в присутствии добавки на основе аморфных алюмосиликатов // Вестник гражданских инженеров. 2016. № 3 (56). С. 142–148.
18. Amran M., Fediuk R., Vatin N., Yeong H.L., Gunasekaran M., Togay O., Klyuev S., Alabduljabber H. Fibre-reinforced foamed concretes: a review // Materials. 2020. Vol. 13. Issue. 19. Article number 4323. DOI:10.3390/ma13194323.
