За рубежом и в России огромное внимание уделяется улучшению эксплуатационных свойств бетона, как основного строительного материала. Огромный сегмент этих исследований занимает дисперсное армирование бетона минеральными волокнами . Однако недостаточная изученность стойкости волокон в цементной матрице бетона ограничивает области и объем применения фибробетона в строительстве, несмотря на то, что использование неметаллических волокон исключает ряд проблем, связанных с коррозией стальных фибр.
Из неметаллических волокон наиболее доступными по экономическим показателям являются стеклянные и базальтовые волокна. Одним из способов повышения стойкости стеклянной фибры является применение щелочестойкого волокна с высоким содержанием оксида циркония. Однако высокая стоимость и сложность технологии получения сдерживает его применение. Альтернативой шелочестойкому волокну в строительной индустрии является использование базальтовых волокон для дисперсного армирования бетона. Базальтовое волокно отличается не только своими высокими физико-механическими свойствами, но и повышенной химической стойкостью, температуро-, свето- и атмосферостойкостью и, что немаловажно, невысокой стоимостью и экологической безопасностью.
Испытаниями установлено, что все минеральные волокна, независимо от химического состава, вступают в химическое взаимодействие с растворами, имитирующими среду твердеющего бетона на портландцементе. По показателям — количеству поглощенного CaO, количеству растворившегося SiO,. количеству связанных щелочей и изменению прочности — минеральные волокна можно выстроить в ряд от наименее к наиболее стойкому: бесщелочное, щелочное, кварцевое, базальтовое, циркониевое. Исследования базальтового волокна (БВ) выполнялись зарубежными и отечественными организациями, лабораториями, такими как Лаборатория базальтовых волокон Института материаловедения АН Украины, НИИЖБ, ЦНИИпромзданий, ЛатНИИстроительства, АрмНИИСВ, Basaltex Masureel Group, Department of Textiles (Ghent University Belgium) , Penn State (США) , Technische Universitet Dresden и др . На основе накопленного опыта исследований в области фибробетона проводится работа по созданию цементных композиций, армированных базальтовым волокном, обладающих высокими физико- механическими характеристиками и повышенной коррозионной стойкостью, в том числе при эксплуатации в агрессивных средах.
Основными направлениями являются отработка технологии введения базальтового волокна в цементную матрицу; стабилизация физико- механических свойств; отработка составов смеси для получения базальтофибробетонов повышенной прочности, малой проницаемости с улучшенными деформативными характеристиками. При сотрудничестве с ОАО «Мосспецпромпроект» разработан турбулентный смеситель пропеллерного типа для приготовления базальтофибробетонных смесей, армированных отрезками базальтовой нити диаметром 13-19 мкм длиной от 10 до 50 мм. В настоящее время в лаборатории коррозии и долговечности бетонных и железобетонных конструкций НИИЖБ отработана технология введения в смесь тонкого базальтового волокна, с равномерным распределением элементарных волокон по объему бетонной матрицы. Параллельно проведен подбор и оптимизация составов базальтофибробетонов с различными сроками твердения.
В процессе опытно-экспериментальной работы были решены следующие задачи: — исследование влияния режимов перемешивания смесей и последовательность введения компонентов смеси, воды затворения, отрезков ровинга, модификаторов и ускорителей набора прочности; — исследование влияния процентного содержания и длин волокон на физико- механические характеристики; — отработка оптимальных режимов перемешивания смесей.
Подобраны и оптимизированы составы цементно-песчаных растворов с различными модификаторами, где постоянными факторами являлись содержание цемента и песка при постоянном В/Ц, диаметр базальтового волокна, а варьируемыми факторами являлись длина и процентное содержание базальтового волокна, последовательность загрузки составляющих смеси и режимы приготовления. Результаты испытаний составов базальтофибробетона на физико-механические характеристики представлены в табл. 1 и на рис. 1. № состава Модификатор БВ В/Ц Rсж, МПа Rизг, МПа Rсж, МПа Rизг, МПа Rсж, МПа Rизг, МПа 1 сут. 7 сут. 28 сут. 1 – – 0,40 16,9 4,3 31,5 7,2 37,0 7,5 2 МБ10-01 + 0,40 28,4 7,1 36,8 9,4 37,5 12,3 3 МБ10-01 + 0,28 33,0 7,7 48,5 8,6 51,5 10,9 4 МБ10-01 + 0,37 23,5 9,1 37,2 10,1 43,3 14,6
Таблица 1. Физико-механические показатели составов базальтофибробетона. Морозостойкость базальтофибробетона соответствует марке F300, марка по водонепроницаемости W>16 Рис. 1. Диаграмма физико-механических показателей составов базальтофибробетона По результатам определения физико-механических характеристик и по равномерности распределения базальтового волокна были выбраны две схемы приготовления базальтофибробетона: табл. 2. № этапа Компоненты Содержание Время перемешивания Схема 1 1 Цемент (М500) + Добавка 1 часть (Д в % от Ц) 1 мин 2 Вода В:Ц=0,37 1 мин 3 Песок 2 части (Ц:П=1:2) 1 мин 4 БВ, длина 10, 15, 25 2 % от Ц+П 20 смм, диаметр 10–13 мкм Итого 3 мин 20 с Схема 2 1 Цемент (М500) + Добавка 1 часть (Д в % от Ц) 1 мин 2 Вода В:Ц=0,37 1 мин 3 БВ, длина 10, 15, 25 мм, диаметр 10–13 мкм 2 % от Ц+П 10 с 4 Песок Мк=1,5 2 части (Ц:П=1:2) 20 с Итого 2 мин 30 с
Таблица 2. Приготовление смеси в турбулентном смесителе Так же при испытании образцов на изгиб был отмечен более пластический характер разрушения . При выдержке образцов в агрессивных средах и ускоренном старении с различными температурными режимами образцов базальтофибробетона на контактной зоне «волокно — цементная матрица» появляются новообразования в результате взаимодействия гидроксида кальция портландцемента с оксидом кремния базальтового волокна. По результатам коррозионных исследований, полученных после воздействия агрессивных сред, можно сказать, что применение модификатора МБ-01 также благоприятно влияет на сохраняемость волокна в цементной матрице (рис. 2). Рис. 2. Микрофотографии базальтового волокна в теле бетона после выдержки в агрессивном растворе при температуре 150 °C в течение 30 сут., увеличение 1000: а) без модификатора, б) с модификатором МБ-01
Результаты подтверждают возможность получения высоких прочностей композита в ранние сроки твердения, что очень важно при использовании в ремонтных составах. Также немаловажным фактором является повышенная трещиностойкость образцов при разрушающих нагрузках. Проведенный подбор оптимальных составов базальтофибробетона показал, что наиболее эффективно применение модификатора полифункционального действия МБ-01, содержащего суперпластификатор и микрокремнезем, который позволяет снизить водоцементное отношение, повысить физико-механические показатели.
Проводятся исследования по оценке развития коррозионных процессов базальтового волокна в цементной матрице и оценке долговечности материала.В основу оценки долговечности положена методика А. А. Пащенко, в которой усовершенствован численный расчет скорости взаимодействия компонентов базальтовых волокон с компонентами матрицы во времени. Это позволяет достоверно прогнозировать долговечность композита сроком до 100 лет. Для наблюдения за изменением базальтового волокна в цементной матрице, определения наличия продуктов новообразований при взаимодействии волокна с ней во времени применялись петрографический, рентгенографический, электроскопический методы и дифференциально-термический анализ. Приведенные данные, а также результаты коррозионных исследований [3] позволят определить рациональные области применения цементно-базальтовых композитов повышенной коррозионной стойкости, нормируемой долговечности с обоснованием экономической целесообразности.