Резюме:
К настоящему времени уже в течение нескольких лет в строительной отрасли используются различные типы волокон (органических или неорганических) в основном для улучшения механических эксплуатационных характеристик или для уменьшения риска возникновения трещин из-за пластичной усадки. В данном сообщении мы показываем, что применение полиамидных волокон (PA 6.6) в минеральных средах (на основе обычного портландцемента, глинозёмистого цемента, безводного гипса и т.п.) ведет к получению некоторых интересных результатов в отношении способности к повторному диспергированию, улучшения стабильности размеров (безусадочности), механических эксплутационных характеристик, а также стойкости к знакопеременным перепадам температуры.
Рассматривались разные области применения и в том числе жидкие системы (разжиженные самоуплотняющиеся стяжки на основе безводного гипса иa-полугидрата), торкретбетон (сухой процесс), готовые бетонные смеси и сборный железобетон. Для каждой области применения мы старались указать обычно учитываемые основные требования и фокусировались на преимуществах, которые можно ожидать за счет использования полиамидных волокон.
1. Введение:
Из-за того, что материалы на основе портландцемента являются хрупкими и имеют низкую прочность на растяжение, для них требуется применение какого-либо армирования и в течение нескольких десятилетий для этой цели широко используются органические и неорганические волокна. Из числа наиболее широко применяемых волокон мы можем упомянуть стальные, стеклянные, полипропиленовые, натуральные волокна (такие, как целлюлоза, сизаль, джут и т.п.) и некоторые другие полимерные волокна, такие, как углеродное, кевларовое, и т.п.
Цель данного доклада заключается в том, чтобы предоставить некоторую общую информацию, относящуюся к применению полиамидных волокон (PA 6.6) в вяжущей среде. Вообще говоря, волокна PA 6.6 уже использовались в большей части упомянутых выше областей применения для вспомогательного армирования, а не специально в качестве вклада в улучшение механических характеристик, вместо обычно используемых решений. В качестве примера можно привести торкретбетон (сухой процесс), где некоторые полиамидные волокна использовались для увеличения конструкционной прочности.
2. Общие соображения:
Полиамид получается в результате полимеризации двухосновной кислоты и диамина. Термин "нейлон" относится к группе полиамидных смол, которые представляют собой длинноцепные полимерные амиды, в которых амидная группа образует неотъемлемую часть основной полимерной цепи. Все нейлоны славятся своей высокой устойчивостью к щелочным средам (а также к обычным растворителям). Они обладают хорошим сопротивлением истиранию в сочетании с очень низким коэффициентом трения. Их высокая температура плавления (250°C) делает их особенно пригодными для различных областей применения, где специально требуется определенный уровень огнестойкости.
Полиамид также известен, благодаря своим гидрофильным свойствам - это качество обеспечивает прекрасную способность к повторному диспергированию в различных минеральных средах (см. Рис. 1 и 2, на которых сравниваются стекловолокно и полиамидное волокно).
Рис. 1 : Полученная на растровом электронном микроскопе микрофотография материала, армированного стекловолокном
Рис. 2 : Полученная на растровом электронном микроскопе микрофотография материала, армированного волокном PA 6.6
Полиамидные волокна являются прочными, жесткими и эластичными, что делает их особенно пригодными для армирования тонких элементов на основе минеральных вяжущих веществ.
В Таблице 1, взятые из литературы, приводятся некоторые основные характеристики нейлона и других материалов, обычно используемых в области производства армированных волокнами вяжущих композиционных материалов.
Таблица 1: Типичные свойства волокон
| Волокно | Диаметр (чм) | Удельный вес | Модуль упругости (ГПа) | Прочность на растяжение (ГПа) | Удлинение при разрыве (%) | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Сталь | 5-500 | 7,84 | 200 | 0,5-2,0 | 0,5-3,5 | |
| Стекло | 9-15 | 2,6 | 70-80 | 2-4 | 2-3,5 | |
| Асбест | Крокидолит | 0,02-0,4 | 3,4 | 196 | 3,5 | 2.0-3.0 |
| Хризотил | 0,02-0,4 | 2,6 | 164 | 3,1 | 2.0-3.0 | |
| Фибриллированный полипропилен | 20-200 | 0,9 | 5-77 | 0,5-0,75 | 8,0 | |
| Арамид (Кевлар) | 10 | 1,45 | 65-133 | 3,6 | 2,1-4,0 | |
| Углерод (High strength) | 9 | 1,9 | 230 | 2,6 | 1,0 | |
| Нейлон | - | 1,1 | 4,0 | 0,9 | 13,0-15,0 | |
| Целлюлоза | - | 1,2 | 10 | 0,3-0,5 | - | |
| Акрил | 18 | 1,18 | 14-19,5 | 0,4-1,0 | 3 | |
| Полиэтилен | - | 0,95 | 0,3 | 0,7x10-3 | 10 | |
| Древесное волокно | - | 1,5 | 71,0 | 0,9 | - | |
| Sisal | 10-50 | 1,5 | - | 0,8 | 3,0 | |
| Цементное вяжущее(для сравнения) | - | 2,5 | 10-45 | 3,7x10-3 | 0,02 | |
3. Области применения:
3.1 Товарный бетон:
При проведении данного исследования мы выполняли сравнение между собой полипропиленовых (P.P) и полиамидных (P.A) волокон. Волокна (длиной 18 мм) использовались с дозировкой 0,9 кг/м3. Волокна обоих типов вводились в мокрую бетонную смесь (подвижность - измеренная с помощью конуса Абрамса (Abrams): ~ 16 см). Дозировка цемента (марки O.P.C CEM I 52,5 Lafarge) составляла примерно 350 кг/м3 ; водоцементное отношение составляло примерно 0,55.
С использованием бетононасоса была изготовлена бетонная плита с площадью поверхности ~110 м2 на основе бетона, армированного полипропиленовыми и полиамидными волокнами (разделенная на две равные части).
На строительной площадке было изготовлено несколько бетонных призм размером 7 x 7 x 28 см3 и плит размером 50 x 50 x 5 см3. Они использовались в лаборатории для механических испытаний (испытания прочности на изгиб и ударной вязкости), а также нескольких замеров водопроницаемости. Результаты испытаний прочности на изгиб представлены на Рис. 3 :
Рис. 3а : Механические испытания призм размером 7x7x28 см3 по окончании 1 - 7 и 28 дней гидратации.
Приготовленная в лаборатории на основе 400 кг обычного портландцемента марки OPC CEM I 52.5 композиция бетона с гранулометрическим составом 0/10 также была использована для сравнения полипропиленовых волокон (20 мм) и полиамидных волокон (18 мм). Волокна использовались в количестве 1,5 кг/м3. Водоцементное отношение составляло примерно 0,47. Полученные результаты показаны на Рис. 3 б.
Рис. 3б: Механические испытания призм размером 7x7x28 см3 по окончании 1 - 7 и 28 дней гидратации.
Мы можем заметить, что в отношении механических эксплуатационных характеристик (прочности на изгиб и на сжатие) при сравнении полипропиленовых и полиамидных волокон (использовавшихся с дозировками 0,9 и 1,5 кг/м3) результаты получаются практически одинаковыми. Это должно быть в прямой связи с поверхностью раздела "волокно - матрица вяжущего вещества" (связь "волокно - вяжущее вещество") : два армированных волокнами вяжущих композиционных материала должны показывать - с физической точки зрения - схожие характеристики микроструктуры.
После 90 дней гидратации (хранение в лаборатории при температуре 20°C, относительной влажности 75%), мы использовали растровый электронный микроскоп (Leica Stereoscan 440), чтобы оценить характеристики микроструктуры бетона. Некоторые из полученных результатов представлены ниже на Рис. 4 и 5.
Вяжущие композиционные материалы фактически характеризуются переходной зоной, которая зависит от типа волокна, а также от некоторых других параметров, таких, как водоцементное отношение, метод укладки бетона и т.п. Совместимость и связь системы "волокно - вяжущее вещество" будет в значительной степени изменять поведение бетона, особенно в отношении стабильности размеров (свежеуложенное состояние) и "механического" поведения (затвердевший материал).
Мы можем отметить, что в большинстве случаев отдельные полипропиленовые или полиамидные волокна распределены объемно. Цементное вяжущее вблизи от волокна очевидно более пористое, чем по объему цементного теста. На поверхности волокон можно заметить некоторое количество больших по размеру частиц, которые по всей вероятности представляют собой CH (портландит).
Бетон, армированный полипропиленовым волокном:
Рис. 4 а : Полученные на растровом электронном микроскопе микрофотографии бетона, армированного полипропиленовым волокном (900 г/м3)
Очевидно, что полипропиленовые волокна демонстрируют слабую связь с минеральным вяжущим веществом. Некоторые волокна выглядят совершенно чистыми, в то время как некоторые другие волокна демонстрируют частичное сцепление (Рис. 4 б).
Уровень диспергирования кажется приемлемым в рассмотренных образцах бетона, даже несмотря на то, что на этапе приготовления смеси мы наблюдали некоторую агломерацию волокон и были вынуждены увеличить продолжительность перемешивания, чтобы добиться достаточной однородности смеси.
Химическое строение полипропилена делает его гидрофобным, его способность к повторному диспергированию обычно невелика и поверхность раздела "волокно - матрица вяжущего вещества" часто оказывается слабой.
Рис. 4 б : Полученные на растровом электронном микроскопе микрофотографии бетона, армированного полипропиленовым волокном (900 г/м3)
Полипропилен (в который часто добавляется стекловолокно для улучшения его механических характеристик) имеет малый вес (плотность 0.910) и иногда имеет тенденцию подниматься на поверхность цементного вяжущего вещества, где концентрация волокон обычно немного выше, чем в глубине смеси.
Мы можем видеть, что на поверхности части волокон имеется некоторое истирание (из-за трения в процессе перемешивания бетона), даже несмотря на то, что этот материал считается стойким к истиранию
Бетон, армированный полиамидным волокном 6.6 :
Рис. 5а: Полученные на растровом электронном микроскопе микрофотографии бетона, армированного полиамидным волокном 6.6 (900 г/м3)
Полиамидные волокна правильно распределены в матрице минерального вяжущего вещества: во время приготовления бетона оказалось возможным оставить без изменения продолжительность и процедуру смешивания. Кроме того, мы не наблюдали какого-либо поднятия волокон на поверхность бетонной плиты в процессе ее заливки.
При большом увеличении можно заметить, что отдельные волокна могут демонстрировать определенную степень сцепления с вяжущим, аналогичную показанной полипропиленовыми волокнами; с другой стороны, в некоторых частях могут появляться волокна с чистой и гладкой поверхностью. В общем, сцепление не является до конца равномерным. В некоторых областях (которые могут считаться эквивалентом центров зарождения и роста кристаллов) можно видеть, что матрица цементного вяжущего частично прилипла к отдельным волокнам.
Создающиеся в окружающей волокна зоне продукты гидратации, являющиеся предположительно CSH (гидратами силикатов кальция) и CH (портландитом), демонстрируют пористую структуру, в особенности на поверхности раздела "волокно / матрица вяжущего вещества".
Рис. 5б: Полученные на растровом электронном микроскопе микрофотографии бетона, армированного полиамидным волокном (900 г/м3)
Бетон, модифицированный волокном (полипропиленовым или полиамидным), был подвергнут некоторым измерениям пористости (измерения пористости проникновением ртути). Результаты показаны на Рис. 6.
Рис. 6: Распределение размеров пор в бетоне, армированном полипропиленовым (PP) или полиамидным (PA) волокном.
Мы можем отметить, что в отношении распределения размеров пор, армированный полипропиленом бетон аналогичен материалу, модифицированному полиамидом P.A 6.6. Контрольный образец является менее пористым : это необходимо рассматривать во взаимосвязи с реологическими свойствами свежего цементного теста. Введение волокон ведет, в зависимости от дозировки, к некоторому схватыванию смеси, которое исчезает под воздействием сдвигающих усилий или вибрации; относительное загустевание свежего цементного теста может вести к образованию излишней пористости. На этом этапе стоит отметить , что мы находим в литературе, что вяжущее вещество вблизи волокна намного более пористое, чем по объему цементного теста.
3.1.1 Испытания на ударную вязкость:
Органические волокна особенно эффективны для улучшения рабочих характеристик бетона под нагрузкой. Рис. 7 показывает некоторые результаты, полученные при использовании волокон PA 6.6 (18 мм). С использованием склерометра Барони (Barony) измерялась ударная вязкость плит размером 50 x 50 x 5 см3, хранившихся в лаборатории при комнатной температуре, после 1 - 7 - 14 и 28 дней гидратации.
Рис. 7: Оценка ударной вязкости бетона, модифицированного полиамидным волокном.
Так как выбранный метод испытаний обеспечивал только качественную оценку, оценка ударной вязкости контролировалась визуально. Здесь мы подтверждаем, что полиамидные волокна помогают поглощать часть энергии, создаваемой динамической нагрузкой; это ведет к значительному уменьшению процента материала, удаляемого с поверхности бетона.
3.1.2 Водопроницаемость:
При проведении этих испытаний мы прикрепили несколько наполненных водой пластиковых труб (при помощи силиконовой смолы, нанесенной на основание) к бетонным плитам размером 50 x 50 x5 см3 и измеряли объем воды, поглощенный минеральными вяжущими веществами в зависимости от времени. Результаты показаны на графике на Рис. 8.
Рис. 8: Испытания водопроницаемости, проводившиеся на бетонных плитах, модифицированных полиамидными волокнами (длиной 6 - 12 и 18 мм).
Результаты показывают, что водопоглащение (водопроницаемость) значительно уменьшается, если рассматривать бетон, модифицированный полиамидным волокном 6.6. Волокна по-видимому улучшают каппилярную упаковку (компановка структурных каппиляров изменяет затем капиллярную сеть), и это ведет к значительному уменьшению объема воды, поглощенной бетонными плитами (можно также считать, что ограничение усадки должно уменьшать количество трещин и что это может помочь ограничить поглощение воды); Уменьшение водопроницаемости должно обеспечивать некоторые преимущества в специальных областях применения бетона, таких, как бетонные трубы, резервуары для воды, плавательные бассейны тротуары и т.п.
3.1.3 Стойкость к знакопеременным перепадам температуры:
Некоторые образцы вышеупомянутых бетонных плит были подвергнуты испытаниям с точки зрения стойкости к знакопеременным перепадам температуры, после 60 дней гидротации. Результаты представлены на Рис. 9.
Стойкость к знакопеременным перепадам температуры очевидно улучшилась вследствие улучшения водонепроницаемости. Бетонные плиты, армированные ~1 кг полиамидных волокон PA 6.6, могут выдержать от 20 до 30 циклов замораживания - оттаивания (без какого-либо облагораживания или обработки) до появления признаков существенного ухудшения характеристик. Это должно улучшить длительную прочность бетона, особенно в случаях климатических нагрузок (температура, влажность, и т.п.) или воздействия химических реактивов (соли для удаления льда во время гололеда, и т.п.).
Рис. 9: Замораживание-оттаивание проводившиеся на бетонных плитах, модифицированных полипропиленовыми волокнами (15 см х 15 см х 15 см куб).
3.1 Внутренние покрытия из вяжущих материалов для водопроводных труб
В данной области применения мы использовали 6 мм и 12 мм волокна из полиамида P.A 6.6 в композиции на основе глиноземистого цемента (содержащего равномерно распределенный измельченный кварцевый песок), с водоцементным отношением ~ 0,41. Волокна использовались с дозировкой 1 кг/м3. Метод укладки бетона основывался на процессе центрифугирования.
На этапе производства бетона мы заметили, что полиамидные волокна демонстрировали превосходную дисперсию в мокром цементном растворе. Мы не заметили какого-либо поднятия волокон на поверхность после центрифугирования и поверхность минерального вяжущего выглядела гладкой и однородной.
По окончании 28 дней гидратации мы провели несколько измерений пористости. Результаты измерений представлены на Рис. 10.
Мы заметили, как и ожидалось, что волокна полиамида P.A 6.6 ведут к значительному уменьшению пористости. Это явление, которое можно объяснить улучшением уплотненности минерального вяжущего, должно улучшить длительную прочность покрытия из минерального вяжущего и особенно его стойкость к воздействию химических реактивов.
Рис. 10: Распределение размеров пор в покрытии на основе глиноземистого цемента, армированного полиамидными волокнами Р.А. 6.6.
3.2 Торкретбетон
Органические волокна в растворной смеси, наносимой методом набрызга, и в торкретбетоне в основном используются с целью предупреждения образования трещин и улучшения "эластичности" затвердевшего материала. В случае тонких слоев предполагается, что волокна играют роль перекрестных связей, препятствующих распространению трещин. Они также вносят вклад в удержание воды и, иногда, могут обеспечить некоторое уменьшение пыли и отскока. Это особенно ценно при набрызге смеси в замкнутых пространствах на основу из сухого материала.
Известно, что некоторые из органических волокон, используемых при применении этой строительной технологии, выбрасываются в окружающий воздух во время операции набрызга, что в основном связано с их гидрофобным характером, а также с удельным весом.
В этой части исследований мы использовали волокна полиамида P.A 6.6 (длиной 12 и 18 мм, дозировка : 1,2 кг/м3) в композиции бетона (0/8 мм), включающей 400 кг обычного портландцемента марки O.P.C CEM II 32,5.
Для предварительной оценки мы изготовили (при помощи пневматического набрызга) несколько армированных волокном плиток размером 24 см x 24 см x 4 см. Во время выполнения операции набрызга мы заметили, что полиамидные волокна оставались захваченными в свежем материале и также было замечено неожиданное уменьшение запыленности : это вероятно связано с гидрофильными свойствами полиамидных волокон.
Механические характеристики (прочность на изгиб) материала, армированного волокнами полиамида P.A 6.6, представлены ниже на Рис. 11.
Рис. 11: Механические эксплуатационные характеристики (испытания на изгиб) бетона, армированного волокнами полиамида P.A 6.6:
a) с волокнами длиной 12 мм;
b) с волокнами длиной 18 мм.
Хорошо известно, что когда хотят усилить структуру материала при помощи волокон, необходимо выбирать волокна, имеющие модуль упругости, превышающий модуль упругости минерального вяжущего вещества. С другой стороны, также известно, что при применении для армирования бетона волокон с низким модулем упругости было получено значительное улучшение характеристик в отношении прочности, способности к деформации без разрушения и т.п.
Полученные в настоящее время результаты показывают, что может быть достигнуто некоторое механическое армирование даже при умеренных дозировках волокон, что подтверждает тот вывод, что гидрофильный характер полиамида помогает улучшить связь волокон с матрицей вяжущего вещества.
3.1 Самоуплотняющаяся бетонная смесь
В жидкой минеральной среде (на основе обычного портландцемента, глиноземистого цемента и т.п.), присутствие волокон помогает ограничить пластическую усадку. В случае самоуплотняющихся и наливных стяжек на основе безводного гипса CaSO4 или a-полугидрата CaSO4.1/2H2O, волокна полиамида P.A 6.6 могут улучшать принятие воды в 7случае ее избыточного количества. Их превосходная способность к повторному диспергированию ведет к созданию 3-мерной сети внутри минерального теста, что помогает ограничить осаждение гранул минерального вещества.
Особенно необходимо улучшение ударопрочности тонких стяжек. Кроме того, в случае применения для систем обогрева полов, армирование полиамидным волокном обеспечивает правильное и надлежащее решение по предотвращению растрескивания под действием термических напряжений.
3.2 Сборный железобетон
В промышленности по производству сборного железобетона имеется очень большая потребность в адекватных решениях по уменьшению времени до расформовки бетонных элементов и по улучшению внешнего вида их поверхности. Использование ускорителей схватывания иногда ведет к потере консистенции и в этом случае требуется усиление вибрации (возникают неудобства, связанные с шумом и т.п.). Кроме того, хорошо известно, что большинство традиционных ускорителей схватывания (в особенности щелочные продукты) уменьшают конечную прочность затвердевшего материала на основе цемента и, вследствие этого, его износостойкость.
По всем этим причинам использование волокон полиамида P.A 6.6 представляет собой прекрасный путь к повышению производительности труда и качества изделий, принимая во внимание то, что в случае свежеуложенного состояния бетона присутствие волокон будет вести к уменьшению риска отклонения качества (например, из-за конечного избытка воды и т.п.).
4. Заключение:
Краткое рассмотрение в данном докладе применения полиамидных волокон в различных областях показывает, что армирование полиамидными волокнами обеспечивает великолепную альтернативу некоторым традиционным решениям, разработанным для строительных растворов (стяжки, фасадные растворы, и т.п.) и для бетонной промышленности (плиты, резервуары и трубы для воды, сборные железобетонные элементы, и т.п.).
Превосходные характеристики диспергируемости полиамидных волокон, а также их физические и химические качества обусловливают их некоторые интересные свойства в отношении ограничения усадки, улучшения механических характеристик (ударной вязкости), стойкости к знакопеременным перепадам температуры и длительной прочности.