Современное состояние развития технологии фибробетонов

Все существующие фибробетоны можно классифицировать по видам волокон, которые применяются при их армировании [13, 68, 69]:

• • Сталефибробетоны — армирование производится стальной фиброй из проволоки, канатов, слябов, листа;
• • Стеклофибробетон — армирование производится фиброй из алюмоборосиликатных, цирконийсодержащих, кварцевых и др. стекол;
• • Базальтофибробетон — армирование производится отрезками базальтового волокна и непрерывными нитями из базальта;
• • Фибробетоны с применением синтетических волокон — армирование производится найлоновыми, полиэтиленовыми, полипропиленовыми и др. волокнами;
• • Асбестоцемент — армирование производится короткими (0,5−4 мм) волокнами хризотилового асбеста.

Сравнительные характеристики всех существующих видов дисперсной арматуры представлены в табл. 1.2.

В табл. 1.2. приведены усредненные показатели различных видов волокон. Из приведенного перечня фибр наиболее эффективными для дисперсного армирования бетона с целью значительного увеличения его прочности могут считаться стеклянные, базальтовые, стальные и углеродные волокна.

Таблица 1.2.

Технические характеристики фибр

При решении вопросов дисперсного армирования бетонных материалов необходимо учитывать, что не все искусственные волокна способны противостоять воздействиям среды гидратирующихся цементов [30]. Стеклянные волокна обычного состава подвергаются интенсивной коррозии в твердеющем бетоне на портландцементе [69]. При твердении цементного камня образуется агрессивная среда, которая разрушает поверхность волокна, образуя при этом раковины. Однако это может влиять не только отрицательно на прочность материала в целом. Вводя дополнительное состав фибробетона пуццолановые добавки возможно регулировать степень взаимодействия волокна с выделяемой при гидратации портландцемента известью.

Из ряда минеральных волокон, при оценке их по стойкости в щелочной среде, выделяется базальтовая фибра. По некоторым данным прочность его при использовании в цементных бетонах не изменяется в течение всего срока эксплуатации [16].

Базальтофибробетон по сравнению со сталефибробетоном, при условии разработки оптимальных способов распределения волокна в матрице и разработке самой матрицы, сможет обладать более высокой прочностью и дефор-мативностью, т.к. армирующее его базальтовое волокно обеспечивает более высокую степень дисперсности армирования цементного камня и само базальтовое волокно обладает более высокой прочностью чем стальная фибра, которая составляет 1,9 — 3,9 ГПа. Кроме того, базальтофибробетон сможет переносить большие упругие деформации потому, что базальтовое волокно при растяжении пластических деформаций практически не имеет, а по модулю упругости превосходит бетон более чем в 3 раза. Плотность базальтовых волокон при прочих сопоставимых характеристиках со стальным волокном, в 3 раза меньше. Это облегчает конструкции из базальтофибробетона, уменьшает общий вес зданий и расходы на их возведение в целом. Благодаря толщине волокон 10- 12мкм, что' меньше минимально возможного диаметра стального волокна на порядок, поверхность сцепления с цементной матрицей может доходить до100 000м /кг, в зависимости от дозировки волокна в цементной системе. При этом ни одна из модификаций известных волокон не обладает такой мощной исходной сырьевой базой [29].

Влияние базальтовых волокон на свойства бетона зависит от их длины и отношения длины к диаметру. Теоретически более длинные волокна и с большим отношением длины к диаметру лучше, чем более короткие. Чем больше длина фибр, тем больше волокно оказывает влияние на прочностные показатели бетона в целом. Однако длинные волокна распределить и уложить более трудно, они хуже распределяются в бетоне. Наиболее эффективной длиной минерального волокна при дисперсном армировании бетона является 8−15мм [34], при этом должно соблюдаться условие, что длина волокна должна превосходить двойной диаметр наиболее крупного заполнителя.

До настоящего времени применение базальтовых волокон в строительных изделиях сдерживалось рядом причин. В частности, отсутствует нормативная база по проектированию, расчету, технологиям производства строительных конструкций из товарных бетонов с использованием базальтового волокна. Обширного внедрения базальтофибробетонов нет по причине отсутствия нормативных документов, устанавливающих требования к самому базальтовому волокну, как к дисперсной арматуре бетонов. Именно по этой причине данные о стойкости волокон к щелочной среде разняться. Существуют две технологии получения базальтового волокна: методом выдувания из расплава и методом вытягивания волокон из расплава через фильеры. Первый метод используется для получения теплоизоляционных материалов. Получаемый материал имеет большое количество посторонних включений в виде корольков, волокна имеют большой разброс в геометрических размерах как для единичного волокна, так и для общей массы фибры в целом.

Второй метод позволяет регулировать геометрические характеристики волокон, получать фибру одинаковой структуры и механических свойств. Этот метод получения базальтового волокна наиболее подходит для дисперсного армирования бетонов [63].

Несмотря на все многообразие видов используемых в строительной индустрии фибр, выбрать какой-то единый тип, который удовлетворял бы всем требованиям, предъявляемым к современным строительным материалам, не представляется возможным. В нашем случае интерес представляют фибробетоны, армируемые высокопрочными волокнами, с высоким по отношению к бетону модулем упругости. Каждый из указанных видов фибробетонов имеет характерные достоинства и недостатки.

В последнее время предложена следующая классификация бетонов по прочности: 1- рядовые бетоны (с прочностью до 40 МПа) имеющие самый массовый спрос и потребление на строительном рынке; 2 — высокопрочные бетоны (40−80 МПа), широко применяемые в строительстве высотных зданий и сооружений; 3 — особо высокопрочные бетоны (80−120 МПа) для конструкций зданий и сооружений повышенной ответственности и большого ресурса эксплуатации; 4 — сверхвысокопрочные бетоны (более 120МПа) уникального назначения [22].

Так называемые сверхвысокопрочные бетоны (с прочностью на сжатие более 120 МПа) ограничены в примении из-за ряда причин, основными из которых можно выделить следующие [7]:

• — очень тщательный подбор заполнителей имеющих собственную высокую прочность (таких как гранитная крошка). Основным принципом здесь выступает улучшение однородности структуры бетона за счет исключения крупного заполнителя;
• — повышение плотности укладываемой смеси за счет оптимизации гранулометрического состава заполнителей и приложения давления до и во время схватывания и твердения бетона;
• — улучшение микроструктуры бетона за счет специальных режимов тепловой или автоклавной обработки после схватывания;
• — большое количество активных пуццолановых наполнителей (до 25−35% от массы цемента) и применение повышенного расхода гиперпластификаторов (3−5% от массы цемента);
• — применение высокомарочных цементов с активностью не менее 80−100 МПа с соотношением вяжущее/заполнитель 1:1, 1:1,5.

Такой подход к производству бетонов дает возможность получения высокопрочных бетонов с прочностью на сжатие в марочном возрасте до 800МПа. Однако применение его в изготовлении конструкций должно быть экономически обосновано, поскольку стоимость такого бетона превосходит стоимость металлоконструкций на несколько порядков, а применение в построечных условиях практически исключено.

Однако применение фибрового армирования базальтовым волокном высокой дисперсности позволит, по нашему мнению, получить составы сверхвысокопрочных бетонов на рядовых заполнителях и цементах, за счет высокой гомогенизации всех компонентов смеси.

Наиболее распространенным вяжущим для получения высокопрочных бетонов является портландцемент. Свойства портландцементов подробно исследованы и описаны в литературе. Среда гидратирующихся портландцементов является достаточно агрессивной по отношению ко всем видам минеральных волокон. Однако данный фактор может оказывать как отрицательное, так и положительное влияние на обеспечение прочности сцепления в контактной зоне между цементной матрицей и армирующими волокнами [62,63].

Основным компонентом жидкой фазы твердеющего портландцемента, влияющим на армирующие волокна, является гидроксид кальция [27], активно взаимодействующий с компонентами минерального волокна, в первую очередь, с кремнеземом. В результате воздействия щелочесодержащей жидкой фазы твердеющего цемента происходит коррозионное разрушение минеральных волокон вследствие выщелачивания и разрушения их кремнекислородно-го каркаса при длительном контакте со средой. Здесь также, следует отметить, что снижение содержания алита и повышение количества белитовой фазы в портландцементе уменьшает, как правило, интенсивность агрессивного влияния среды гидратации цемента по отношению к стеклянным волокнам [69].

Однако наилучшие результаты по прочности на сжатие показывают цементы с повышенным содержанием C3S (не менее50%) [7]. Таким образом, для получения высокой прочности необходимы цементы с высоким содержанием алитовой фазы, что может отрицательно сказаться на стойкости базальтового волокна во времени. Эта проблема может решиться при помощи определенного количества активных пуццолановых наполнителей, связывающих выделяющийся в процессе гидратации гидроксид кальция. Выше отмечалось, что одним из условий получения сверхвысокопрочных бетонов является отказ от крупного заполнителя. А мелкий заполнитель должен ограничиваться фракциями не крупнее 1 мм [8]. При этом должен осуществляться гранулометрический подбор заполнителей, обеспечивающий максимальную упаковку всех компонентов зернистого каркаса бетонной смеси. Такой состав заполнителя более благоприятствует равномерному распределению волокна, чем крупнозернистая смесь. При армировании бетона минеральным волокном рекомендуется использовать заполнитель с крупностью до 2,5 мм [6]. Одним из условий для получения бетонов высокой прочности является минимальная пустотность и однородность его структуры, достигаемая исключением грубой зернистости и подбором соответствующих фракций. Также качество фибробетона зависит от химического и минералогического состава заполнителей, их структуры, формы зёрен, плотности, твёрдости, прочности и других их свойств [16]. Опыт производства высококачественного бетона в США и Европе показывает, что максимальная крупность заполнителя не должна превышать 1−2 мм. Такой бетон по сути становится тонкозернистым, с более гомогенизированной структурой [6]. Одним из наиболее перспективных и эффективных направлений совершенствования структуры цементных композиций и бетонов на их основе является широкое использование различных органических и неорганических добавок [45]. Вводимые в незначительных количествах модифицирующие добавки оказывают влияние на процессы гидратации и кристаллизации, морфологию новообразований и, в целом, на структуру затвердевшего цементного камня, изменяя, тем самым, свойства бетона — прочность, пористость, водонепроницаемость, усадку, трещиностойкость и т. д. [53]. Номенклатура применяемых добавок очень обширна. Актуальным направлением в получении высококачественных цементных композиций, отличающихся более широким спектром функциональных возможностей, является использование комплексных добавок, сочетающих в себе свойства индивидуальных добавок различного функционального назначения [32]. Многокомпонентность комплексных добавок и, как следствие, многокомпонентность бетонной смеси позволяет эффективно управлять процессами структурообразования на всех этапах технологии приготовления бетона и получать бетон с различными эксплуатационными свойствами. При этом высокие технологические свойства бетона наряду с многокомпонентностью состава обеспечиваются и высокими функциональными свойствами самих компонентов [2]. Основным компонентом таких бетонов являются тонкодисперсные добавки — наполнители с высокими пуццоланическими свойствами [12]. К ним относятся, прежде всего, микрокремнеземы (microsilica, silicaatraub, silica — dumpf), активные высокодисперсные золы, не содержащие несгоревших остатков, дегидратированные каолины и др. Наиболее реакционно-активными из них считаются микрокремнеземы, способные связывать гидролизную известь в процессе твердения цемента в низкоосновныегидро силикаты кальция и значительно повышать прочность и долговечность бетона. В настоящее время номенклатура тонкодисперсных наполнителей высокопрочных бетонов значительно расширена. В их числе предложено использовать измельченные отходы металлургической и энергетической промышленности, кварцевые пески, известняки и доломиты, отходы от производства бетона, имеющиеся практически во всех регионах страны [44]. Особенно эффективно использование таких добавок в комплексе с суперпластификаторами и армирующими элементами [71]. Понижение водосодержания бетонных смесей до уровня нормальной густоты цементного теста требует применения высокоэффективных разжижи-телей. Не случайно основные области применения бетонов с суперпластификаторами — это высокопрочные бетоны. При производстве высокопрочных бетонов за рубежом предъявляются особо жесткие требования к суперпластификаторам, которые должны обладать не только высокой реологической активностью, но и минимальным воздействием на гидратационную активность цементов в начальной фазе твердения [75]. В качестве суперпластификаторов наиболее широко применяются соединения следующих видов: модифицированные лигносульфанаты, сульфированные меламинфор-мальдегидные смолы, продукты конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида. В Узбекистане использованию фибробетона в строительстве пока не уделяется достаточного внимания, из-за не достаточной изученности его свойств и технолгии получения, отсутствием сведений о наличии сырьевой базы волокнистых наполнителей и недостаточной обоснованности эффективных областей его использования. Учитывая то, что в Узбекистане (в городе Навои) освоено производство базальтового волокна, а также то, что строительная отрасль Узбекистана нуждается в новых современных эффективных конструкционных строительных материалах, считаем целесообразным проведение комплекса НИР по изучению свойств базальтофибробетона на основе местного сырья и материалов.