Применение наноуглеродных трубок для повышения прочности пенобетонов с полимерными и базальтовыми фибровыми волокнами

При строительстве малоэтажных зданий и сооружений важное значение приобретает использование железобетонных изделий с небольшой массой при сохранении заданных прочностных параметров. Использование традиционных железобетонных изделий не удовлетворяет указанным требованиям. Наиболее предпочтительными материалами с улучшенными физико-механическими характеристиками являются легкие мелкозернистые фибробетоны, упрочненные высокодисперсными волокнистыми наполнителями.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования показали, что бетоны, упрочненные волокнами, имеют высокие значения физико-механических характеристик. В качестве армирующих бетонную матрицу компонентов наибольшее распространение получили полимерные и базальтовые фибровые волокна, которые, обладая малой плотностью, способствуют трехмерному повышению прочности и препятствуют образованию микротрещин.

Армирование высокодисперсными волокнистыми наполнителями позволяет компенсировать главные недостатки обычного бетона – низкую прочность при растяжении и хрупкость разрушения (трещиностойкость). Фибробетон имеет более высокую прочность на срез, ударную прочность, вязкость разрушения, морозостойкость, водонепроницаемость и др.

Применение высокодисперсных волокнистых наполнителей в цементных бетонах оказывает положительное влияние на процессы структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства бетона. Это достигается за счет улучшенной адгезии волокон к цементной матрице, сравнительно высокой прочности и модуля упругости синтетических волокон, их стойкости по отношению к щелочной среде [1]. В России синтетические волокна используются в ограниченном объеме и ввозятся в основном из других стран. Диаметр таких волокон составляет около 20 мкм, а прочность на растяжение - до 300 МПа [3]. Однако массовое применение полимерных волокон ограничено их невысокими механическими свойствами и высокой стоимостью.

Задачей научных исследований является увеличение прочности на сжатие и растяжение и увеличение коэффициента конструктивного качества пенобетонов с использованием полимерных и базальтовых дисперсных волокон, а также повышение эффективности процесса приготовления сырьевой смеси.

При изготовлении фибропенобетонов подбор составов осуществляли по разработанной компьютерной программе ЭВМ [2].

В качестве связующего использовался портландцемент М500 Себряковского цементного завода. В качестве заполнителя применялся дробленый керамзитовый гравий крупностью 0-5 мм, а также кварцевый песок с модулем крупности 1,8-2,0. Для повышения прочности (особенно на растяжение) пенобетонов на микроуровне применялась дисперсная арматура в виде тончайшего строительного микроармирующего волокна (ВСМ) диаметром 20-50 мкм и длиной 3-18 мм с прочностью на разрыв до 500 МПа, производимого нашей компанией [3] по ТУ 2272-006-13429727-2007, а также в виде базальтового волокна диаметром 13-17 мкм и длиной 6-12 мм с прочностью на растяжение до 2000 МПа.

Применение полимерных и базальтовых волокон-фибр способствует на стадии перемешивания образованию реологически однородной смеси с высокой пластичностью и нерасслаиваемостью. После затвердевания полученный фибробетон имеет пространственно армированную микроструктуру цементного камня, препятствующую образованию усадочных трещин.

Создание пористой структуры ячеистых материалов осуществлялось путем применения пенообразователя ПБ-2000 в соответствии с ТУ 2481-185-05744685-01. Плотность пены составляет 1,07 г/см3, кратность пены - не менее 9,0, а ее устойчивость – не менее 720 с.

В качестве суперпластификатора использовалась поверхностно-активная добавка Sika ViscoCrete-3, представляющая собой водный раствор акриловых полимеров 30%-ной концентрации, без содержания формальдегидов, плотностью - 1,076 кг/л. Она удовлетворяет требованиям для суперпластификаторов ONORM EN 934-2. Добавка не содержит хлориды или другие вещества, вызывающие коррозию, поэтому она может быть использована в железобетонных конструкциях. При введении указанного полимерного суперпластификатора происходит его адсорбция на поверхности частиц цемента, приводящая к эффекту межмолекулярного отталкивания цементных частиц и повышению подвижности смеси при снижении водоцементного отношения, что способствует последующему увеличению прочности затвердевшего фибропенобетона.

В составе добавки, модифицирующей микро- и наноструктуру пенобетона, использовались многослойные углеродные нанотрубки диаметром 8-40 нм и длиной 2-50 мкм. Использование наноуглеродных трубок значительно изменяет микро- и наноструктуру материалов. Этот эффект связан с тем, что высокопрочные нанотрубки являются центрами кристаллизации новообразований цементного камня. В результате образуется упрочненная микроструктура цементного камня, что значительно повышает прочность затвердевших пенобетонов.

Способ приготовления сырьевой смеси заключается в следующем.

Так как углеродные нанотрубки нерастворимы в воде, приготовили суспензию с применением ультразвукового диспергатора. Предварительно суперпластификатор Sika ViscoCrete-3 совместно с водой затворения и дополнительно вводимой модифицирующей добавкой – углеродными нанотрубками обрабатывают в течение 30-60 секунд в ультразвуковом диспергаторе с частотой 20 кГц. Полученный продукт перемешивают в смесителе при последующем введении компонентов связующего, заполнителя, пенообразователя и волокон в течение 5-6 минут. Предлагаемый способ получения модифицированной сырьевой смеси позволяет упрочнить структуру фибропенобетона на микро- и наноуровнях.

Для экспериментальной проверки сырьевой смеси, приготовленной предлагаемым способом, изготовили по стандартной методике образцы-балочки размерами 10×10×40 см, твердеющие в естественных условиях. Анализ полученных результатов показывает, что введение в сырьевую смесь, приготовленную по предлагаемому способу, дисперсной арматуры из полимерных и базальтовых волокон, суперпластификатора Sika ViscoCrete-3 и многослойных углеродных нанотрубок диаметром 8-40 нм и длиной 2-50 мкм способствует согласно предлагаемому составу на полимерной фибре увеличению прочности на сжатие по сравнению с известным составом [4] на 8,3%, прочности на растяжение при изгибе – на 18,8%, повышению коэффициента конструктивного качества при сжатии – на 28,5%, на растяжение при изгибе – на 40,8%. Прирост прочности предлагаемой сырьевой смеси на базальтовой фибре по сравнению с известным составом [4] составляет: при сжатии 9,0%, на растяжение при изгибе – 10,5%, а увеличение коэффициента конструктивного качества при сжатии составляет 18,6%, на растяжение при изгибе – 12,9%.

Таким образом, применение в составе сырьевой смеси дисперсной арматуры из полимерных и базальтовых волокон, суперпластификатора Sika ViscoCrete-3 и многослойных углеродных нанотрубок диаметром 8-40 нм и длиной 2-50 мкм способствует увеличению прочности и коэффициента конструктивного качества фибропенобетонов, приготовленных по предлагаемому способу.

Библиографический список

1. Перфилов В.А., Аткина А.В., Кусмарцева О.А. Фибробетоны с высокодисперсными волокнистыми наполнителями // Международная научно-практическая конференция «Малоэтажное строительство», Волгоград, ВолгГАСУ, 2009, с. 89-91.
2. Перфилов В.А., Митяев С.П. Расчет фибробетона с нанодобавкой // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2009612195, от 29.4.2009 г.