Климюк В.И., Федоркин С.И. Стойкость органических волокон в

.
107
11, 2005 .
Раздел 3. Строительные материалы и изделия
УДК 691.55:620.193
Климюк В.И., инженер, Федоркин С.И., д.т.н., профессор
Национальная академия природоохранного и курортного строительства
К
ли
Ф
м
ю
Стойкость дор
И
ек
,и
В
С
к
н
.
органических волокон в изделиях из дисперсноармированного мелкозернистого бетона
Исследована стойкость полиамидных и полипропиленовых волокон в дисперсно-армированном мелкозернистом
бетоне на карбонатных и кварцевых заполнителях. Показано, что среда твердения бетона не оказывает влияния
на коррозионную стойкость органических волокон.
Волокна органические, стойкость, дисперсное армирование, бетон мелкозернистый, прочность, ударная
вязкость.
В последние годы большое внимание уделяется применению органических волокон в производстве композиционных материалов различного назначения. Ввод органических волокон в материал приводит к существенному изменению его физико-механических свойств. Например, хрупкость, присущая цементному камню, может быть уменьшена добавлением в сырьевую смесь небольшого количества полиамидных или пропиленовых волокон [1, 2]. Специалисты единодушны
в том, что органические волокна повышают ударную вязкость материала [3, 4]. Несмотря на противоречивость некоторых исследований в части влияния органических волокон на предел прочности материала при растяжении, а также в определении параметров дисперсного армирования,
можно сделать вывод об эффективности их применения в современных строительных материалах. В то же время недостаточно информации о стойкости органических волокон в строительных
материалах на основе минеральных вяжущих веществ. Результаты одного из немногих исследований, посвященных стойкости органических волокон в жидкой среде цементного камня и цементной матрице [5] свидетельствуют о возможности их использования в цементных бетонах. Однако
расширение использования волокон в этих материалах требует дополнительных исследований.
Целью настоящей работы является исследование стойкости органических волокон в мелкозернистых бетонах.
В качестве сырьевых материалов нами использованы полиамидные и полипропиленовые волокна (табл.1), портландцемент М400 Бахчисарайского цементного завода, запорожский кварцевый песок и карбонатные отходы камнепиления Бештерекского месторождения (г. Симферополь).
Таблица 1
Физико-механические свойства волокон (по данным, приведенным в работе [12])
Вид волокна
Диаметр, Длина, Плотность, Прочность Модуль Удлинение, мм
мм
при упругости, %
г/см3
10
растяжении, МПа
МПа
Полиамидное 0,01-0,2 1О-65
1,14
600-900
400
8
Полипропиле- 0,005-0,1 25-75
0,90
400-600
15-20
4  8  10 3
новое
КТР, 6
0C
1
Термостойкость,
0
C
-
80
90
150
Исследования проводили на образцах-балочках размером 4х4х16 см, изготовленных из мелкозернистого бетона состава Ц : П = 1 : 3 (по массе). Содержание органических волокон длиной 12
мм в цементно-песчаной массе составляло по массе 1,2 % (полиамидное волокно) и 1,8 % (полипропиленовое волокно).
При армировании дискретными волокнами мелкозернистого цементного бетона органические волокна подвергаются коррозионному воздействию жидкой фазы цементного теста, содержащей продукты его твердения. Кроме того, происходит изменение внутренних напряжений волокон изза образования твердой фазы в результате физико-химических процессов, происходящих при твердении, что
108
.
11, 2005 .
способствует увеличению скорости коррозии.
При затворении цементно-песчаной смеси происходит взаимодействие портландцемента с водой, растворение минералов и переход в жидкую фазу продуктов растворения. Состав и свойства среды твердения
влияют как на прочность цементно-песчаной матрицы, так и на свойства армирующего компонента [6, 7, 8].
По данным П.А. Ребиндера , на первой стадии структурообразования возникает коагуляционная структура исходных частиц цемента и гидратных новообразований. На второй стадии развивается сплошная рыхлая кристаллическая структура гидроалюмината, разрушающаяся при перемешивании раствора. Третья стадия- образование кристаллизационной структуры гидросиликатов.
Портландцементный клинкер, кроме основных составляющих - алита, белита, полиминеральной фазы,
состоящей из алюминатов и алюмоферитов, клинкерного стекла, содержит щелочи K 2 O и Na 2 O в коли
личестве 0,5- 1,3 %. В клинкере содержатся также оксиды кальция, магния, диоксид титана, сера.
В результате гидролиза и гидратации клинкерных минералов при твердении портландцемента жидкая
фаза обогащается гидрооксидом кальция и через 6-7 дней достигает максимума (pH=13-14). Такая высокая
щелочность объясняется не только наличием насыщенного раствора гидрооксида кальция (рН=12,6), но и
присутствием щелочей, часть из которых остается в жидкой фазе в виде гидросиликатов или сульфатов, а
другая часть образует комплексные соединения с гидросиликатами [9,10]. Щелочность среды зависит от
минерального состава клинкера и содержания гипса, который снижает рН жидкой фазы, так как препятствует
растворению щелочных сульфатов [11].
Экспериментальные исследования стойкости органических волокон в образцах из дисперсно-армированного мелкозернистого бетона проводили путем испытаний этих образцов на растяжение и ударную вязкость. Уровень разрушения поверхности волокон определяли с помощью электронного микроскопа.
В табл. 2 приведены результаты испытаний дисперсно-армированного мелкозернистого бетона на ударную вязкость и прочность при растяжении.
Таблица 2
Результаты испытаний образцов из дисперсно-армированного мелкозернистого бетона на
ударную вязкость Е (кДж / м 2 ) и прочность при растяжении  p (МПа)
Вид волокна
Полиамидное
Полипропиленовое
Вид песка в бетоне
кварцевый
карбонатный
кварцевый
карбонатный
30
Е
3,06
3,52
2,85
3,33

p
3,40
3,75
3,27
3,54
Время выдержки, сут.
90
180
p
p
Е
Е
2,97
3,51
2,73
3,41
3.47
3,70
3,14
3,36
2,75
3,30
2,57
3,18
3,15
3,50
3,10
3,32
360
Е
2,92
3,40
2,78
3,17
p
3,51
3,40
3,26
3,48
Результаты исследований свидетельствуют о незначительном изменении ударной вязкости и
прочности при растяжении образцов в указанный период испытаний (360 суток). Колебания этих
показателей в период 90-180 суток связаны со структурными изменениями мелкозернистого бетона. Повышенные показатели мелкозернистого бетона на карбонатном песке объясняются более
развитой поверхностью и шероховатостью частиц карбонатного песка по сравнению с кварцевым.
Электронномикроскопические исследования поверхности полиамидных и полипропиленовых волокон показали, что на их поверхности отсутствуют следы разрушений. Однако, на их поверхности обнаружена шероховатость, представляющая собой новообразования - продукты гидратации минералов портландцемента, которые прочно соединены с поверхностью волокон. Происхождение этих новообразований можно объяснить тем, что, по-видимому, в начале гидратации
волокна являются центрами кристаллизации. В дальнейшем, с уменьшением количества свободной влаги, увеличивается число Ван-дер-Ваальсовых связей, что приводит к прочному соединению новообразований с поверхностью волокон.
Таким образом, проведенные исследования свидетельствуют о высокой стойкости органических волокон в дисперсно-армированном мелкозернистом бетоне.
.
11, 2005 .
109
ВЫВОДЫ
Проведено исследование стойкости полиамидных и полипропиленовых волокон в дисперсно-армированном мелкозернистом бетоне на карбонатных и кварцевых заполнителях. Показано, что среда
твердения не оказывает влияния на коррозионную стойкость органических волокон в мелкозернистом бетоне с использованием в качестве вяжущего портландцемента. Применение органических
волокон в мелкозернистых бетонах даст возможность получать долговечные изделия с улучшенными прочностными и деформационными свойствами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Goldfren S. Fibrous reinforcement for Portland cement. Modern Plastics, 1975, 42, №8, p. 156-160.
2. Харчевников В. И., Стадник Л. Н., Назаров С. В. Модификация составов стеклоцементных полимербетонов с целью увеличения их химической стойкости // Межв. сб. «Эффективные композиты
и конструкции».- Воронеж: 1988.- с. 26-31.
3. Самойлович А. Г., Фиговский О. Л. Особенности защитного действия покрытий с добавками,
взаимодействующего со средой // Межв. сб. «Эффективные композиты и конструкции».- Воронеж:
1988.- с. 61-65.
4. Michael E., David R. H. Materiaux.- Paris, Dunod., 1991.- p. 237-240.
5. Деревянко В. Н. Теоретические основы повышения стойкости и технология дисперсно-армированных покрытий: Дис. докт. техн. наук: 05. 23. 05.- Днепропетровск, 2001.- 335 с.
6. Пащенко А. А., Сербин В. П., Старчевская Е. А. Вяжущие материалы.- К.: Вища школа, 1985.- 440 с.
7. Юнг В. Н. Основы технологии вяжущих веществ.- М.: Госстройиздат, 1968.-548с.
8. Волженский А. В., Стамбулко В. И. Структура и свойства цементного камня. М.: Стройиздат, 1978.154 с.
9. Армирование неорганических вяжущих веществ минеральными волокнами / ПащенкоА. А., Сербин В. П., Паславская А. П. и др.- М.: Стройиздат, 1988.- 201 с.
10. Никифоров А. П. Тяжелые бетоны на шлакосодержащих вяжущих с комплексными модификаторами.- Дн-ск: Пороги, 1996.-232 с.
11. Рояк С. М., Курбатова И. И., Абрамкина В. Г. Влияние минералогического состава клинкера на
кинетику изменения состава жидкой фазы и кристаллизацию гидросульфоалюмината кальция в
цементных пастах // ЖПХ.- 1974, Вып. 2.- с.267- 272.
12. Debicki G. L’etude du role de fibre dispersees anisotropiquement dans le mortier de ciment sur les lois de
comportement les criteres de esistance et de fissuration du materiaux. – Lion: L’universite. Clode Bernard, 1988.
– 349 p.