Влияния полимерной фибры на механические свойства геополимерного раствора

Аннотация

Исследовано влияние дозировки дисперсного армирования полимерной фиброй на механические свойства раствора на геополимерном вяжущем. Исследования были проведены на геополимерном вяжущем на основе измельченного гранита и доменного гранулированного шлака. В качестве армирующей фибры использовалось полипропиленовое волокно длиной 6 мм в дозировке 0,22, 0,44 и 0,66% по объему. Были установлены зависимости прочности при сжатии, изгибе, энергии разрушения и плотности от дозировки фибры в различные сроки твердения. Установлено, что фибра повышает прочность при изгибе и ударную прочность геополимерного раствора. Показано, что исследованная фибра характеризуется высокой стойкостью к щелочной среде геополимерного камня.

Ключевые слова: геополимер, полипропиленовая фибра, дисперсное армирование, прочность при сжатии, прочность при изгибе, ударная прочность, стойкость в щелочной среде.

Быстрый рост производства портландцемента за два последних десятилетия привел к тому, что этот материал лидирует по объемам производства. Цементные заводы занимают первое место среди отраслей промышленности по выбросам в атмосферу углекислого газа. На высокотемпературный обжиг и измельчение в цементной отрасли затрачиваются значительные энергетические ресурсы.

Разработка и применение геополимерных вяжущих и бетонов на сегодня рассматривается в качестве наиболее перспективного направления поиска ресурсосберегающей и экологически оптимальной альтернативы портландцементу [1, 2]. Основу таких вяжущих составляют термически обработанные алюмосиликатные горные породы, промышленные отходы — золы и шлаки, твердение которых активируется щелочными соединениями или кислотами [1].

Установлено, что многие осадочные, магматические, метаморфические горные породы, достаточные запасы которых имеются в различных регионах России, обладают большим потенциалом в качестве сырья для геополимерных вяжущих [3−5].

Кроме преимуществ, геополимерные строительные материалы, имеют и некоторые недостатки, к числу которых относятся повышенная усадка, хрупкость, низкая прочность на изгиб [6,7]. Эффективным способом устранения отмеченных недостатков является использование дисперсного армирования. Исследования различных видов фибры показывают, что полипропиленовая фибра относится к числу наиболее эффективных материалов для дисперсного армирования [8−10]. Однако имеются противоречивые данные [6−9] о влиянии этого вида фибры на прочностные характеристики геополимерных материалов. Отмечается [9], что одной из причин снижения прочности бетона на сжатие при использовании такой фибры может являться ее неравномерное распределение, повышение объема вовлеченного воздуха. Некоторые авторы [6−9] считают, что эффективная дозировка полипропиленовой фибры находится в пределах от 0,3 до 2% по объему.

В настоящей работе проводились сравнительные исследования влияния полипропиленовой фибры на прочностные характеристики растворов на основе геополимерных вяжущих — прочность при сжатии и изгибе, ударную прочность, а также на плотность.

Для изготовления геополимерного вяжущего использовались измельченный гранит Павловского месторождения дисперсностью 350 м²/кг, доменный гранулированный шлак Новолипецкого металлургического комбината с дисперсностью 380 м²/кг в соотношении 3:1. Для активации твердения вяжущего использовался раствор жидкого стекла с силикатным модулем 1,1, полученный при смешивании гидроксида натрия, жидкого стекла и воды. Соотношение вяжущее: мелкий заполнитель=1:2. В качестве мелкого заполнителя использовался Сурский кварцевый песок с Мк=1,6. Содержание жидкости к твердому веществу вяжущего в растворных смесях составляло 0,55. Жидкость затворения состояла на 53% по весу из активатора твердения и на 47% - из воды. В качестве модифицирующей добавки применялась предварительно распушенная полипропиленовая фибра марки ВСМ-II-6 длиной 6 мм.

Фибра вводилась в приготовленную растворную смесь в дозировке 0,22, 0,44 и 0,66% по объему.

Для исследования прочности при сжатии (R_cж) и изгибе (R_из) были изготовлены образцы размером 40Ч40Ч160 мм, для ударной прочности — образцы цилиндры диаметром (d) и высотой (h) 36 мм. Геополимерные образцы твердели в нормальных условиях в течение 28 суток. Прочности при сжатии и изгибе определялись по методикам принятым для цементных образцов по ГОСТ 310.4−81.

Оценка ударной прочности по показателю энергии разрушения производилась на копре КИ. Энергия разрушения (Е_р) определялась как отношение суммарной работы, отнесенной к площади разрушения образца (h· d).

Таблица Свойства геополимерных растворов с различным содержанием полипропиленовой фибры.

Исследования показали, что фибра несколько ухудшает консистенцию смеси — расплыв на встряхивающем столике при объемном содержании добавки 0,66% уменьшается до 135 мм, в то время как у контрольного бездобавочного состава этот показатель составлял 162 мм. Это обусловлено более высокой вязкостью вяжущего теста с дисперсным волокном и увеличением объема вовлеченного воздуха, что подтверждается данными по плотности составов в таблице.

Как видно из результатов в таблице добавка фибры повышает прочность при изгибе во все сроки твердения, а прочность при сжатии повышается только в начальные сроки твердения.

Для ускоренной оценки возможного снижения прочностных характеристик смесей с добавкой фибры в результате ее частичного разрушения под действием щелочной среды геополимерного камня было исследовано влияние выдержки образцов во влажных условиях при повышенной температуре (60 °С) в течение 36 и 72 часов. Результаты определения прочности показали, что изменение прочностных характеристик при такой выдержке не зависит от дозировки фибры, что свидетельствует о высокой стойкости фибры к воздействию щелочи.

Анализ значений энергии разрушения геополимерного раствора (см. таблицу) показал, что введение фибры позволяет повысить эту характеристику более чем в 2,5 раза. Геополимерные образцы в отличие от цементных обладают меньшей хрупкостью, что делает их более стойкими к действию переменных и постоянных нагрузок.

Исследованиями установлено, что механические свойства геополимерных растворов — прочность при изгибе, энергию разрушения можно повысить за счет введения в состав полипропиленовых волокон, которые сдерживают разрушение материала. Установленные зависимости прочности при сжатии, изгибе, энергии разрушения и плотности от дозировки фибры в различные сроки твердения могут учитываться при проектировании конструкций из геополимерного бетона.

дозировка дисперсный армирование раствор

• 1. Davidovits J. Geopolymer Chemistry and Applications. 4th ed. Saint Quentin: Geopolymer Institute, 2015. 644 p.
• 2. Mackenzie K., Welter M. Geopolymer (aluminosilicate) composites: synthesis, properties and applications // Advances in Ceramic Matrix Composites. 2014. pp. 445−470.
• 3. Калашников В. И., Нестеров В. Ю., Гаврилова Ю. В., Кузнецов Ю. С. Теоретические и технологические основы получения высокопрочного силицитового геополимерного камня // Строительные материалы. 2006. № 5. С. 60−63.
• 4. Eroshkina N., Korovkin M. The Effect of the Mixture Composition and Curing Conditions on the Properties of the Geopolymer Binder Based on Dust Crushing of the Granite // Procedia Engineering. 2016. Vol. 150. pp. 1605−1609.
• 5. Ерошкина Н. А., Коровкин М. О. Кинетика твердения геополимерного вяжущего на основе горных пород // Инженерный вестник Дона, 2016, № 4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2016/3864.
• 6. Ranjbar N., Talebian S., Mehrali M. et al. Mechanisms of interfacial bond in steel and polypropylene fiber reinforced geopolymer composites // Composites Science and Technology. 2016. No.122. pp. 73−81.
• 7. Pan Z., Sanjayan J.G., Rangan B.V. Fracture properties of geopolymer paste and concrete // Magazine of concrete research. 2011. Vol. 63, No. 10. pp. 763−771.
• 8. Страданченко С. Г., Плешко М. С., Армейсков В. Н. Разработка эффективных составов фибробетона для подземного строительства // Инженерный вестник Дона, 2013, № 4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/1995.
• 9. Richardson A.E. Compressive strength of concrete with polypropylene fibre additions // Structural survey. 2006. Vol. 24, No. 2. pp. 138−153.
• 10. Клюев С. В., Лесовик. Р.В. Дисперсно-армированный мелкозернистый бетон с использованием полипропиленового волокна // Бетон и железобетон. 2011. № 3. С.7−9.

References

• 1. Davidovits J. Geopolymer Chemistry and Applications. 4th ed. Saint Quentin, Geopolymer Institute, 2015. 644 p.
• 2. Mackenzie K., Welter M. Advances in Ceramic Matrix Composites. 2014. pp. 445−470.
• 3. Kalashnikov V.I., Nesterov V.Yu., Gavrilova Yu.V., Kuznetsov Yu.S. Stroitel’nye materialy. 2006. № 5. pp. 60−63.
• 4. Eroshkina N., Korovkin M. Procedia Engineering. 2016. Vol. 150. pp. 1605−1609.
• 5. Eroshkina N.A., Korovkin M.O. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2016, № 4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2016/3864.
• 6. Ranjbar N., Talebian S., Mehrali M. et al. Composites Science and Technology. 2016. No.122. pp. 73−81.
• 7. Pan Z., Sanjayan J.G., Rangan B.V. Magazine of concrete research. 2011. Vol. 63, No. 10. pp. 763−771.
• 8. Stradanchenko S.G., Pleshko M.S., Armejskov V.N. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, № 4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/1995.
• 9. Richardson A.E. Structural survey. 2006. Vol. 24, No. 2. pp. 138−153.
• 10. Kljuev S.V., Lesovik. R.V. Beton i zhelezobeton. 2011. № 3.pp. С.7−9.