Цементные композиты на основе синтетических компонентов

Строительство - одна из самых материало- и энергоемких отраслей производственной деятельности во всем мире. Наиболее доступным и широко применяемым материалом в строительстве является бетон, и именно бетон, обладающий необходимыми пластическими качествами при формовании конструкций, может послужить основой для создания эффективных разновидностей композиционных материалов, приемлемых для строительной практики.

Бетон обладает свойствами, характеризующими его, как хрупкое твердое тело с химически активной щелочной средой, возникающей в процессе гидратации цементных вяжущих. Бетон - гетерогенный материал с анизотропной структурой строения. Предельные деформации бетона при растяжении существенно ниже предельного сопротивления на сжатие. При проектировании конструкций обычно используют эмпирическую формулу, связывающую прочность бетона на изгиб (Rиз , МПа)  с прочностью бетона на сжатие (Rсж  , МПа). Степенной характер зависимости отражает уменьшение соотношения  Rиз/ Rсж  по мере увеличения Rсж , что свойственно цементным бетонам.

Эти качества бетона предопределили необходимость решить специальные научные и прикладные задачи, относящиеся к выявлению оптимальных условий совмещения цементной матрицы с армирующими волокнами, технические характеристики которых (прочность, модуль упругости, предельные деформации при растяжении, сопротивление к воздействиям щелочной среды) должны иметь теоретическую обоснованность.

Определяющим фактором при создании композитов является взаимодействие и взаимовлияние компонентов в элементарном объеме композита («волокно – матрица»). Чем выше заданные свойства композита строительного назначения, тем более сложный комплекс требований должен выдерживаться при разработке и обоснование армирующих компонентов, без выполнения которых невозможно получить качественные изделия. Эти компоненты должны иметь необходимые характеристики и обусловленное соотношение между механическими и физическими свойствами армирующих волокон и матрицы:

– модуль упругости при растяжении и сдвиге у волокон должен быть больше, чем у связующего: Ев > Eм, Gв > Gм;
-   прочность у волокон должна быть больше, чем у связующего: Rв > Rм ;
-  высокая адгезия (сцепляемость) между волокном и матрицей, характеризуемая сдвиговой прочностью на границе раздела «волокно -матрица», обеспечивает анкеровку волокна в вяжущем, что позволяет полнее передать усилия разрушения на волокна; взаимодействие волокон с матрицей должно обеспечивать высокую сдвиговую прочность - для реализации механических свойств волокон в армированном материале;
-  химические характеристики волокон или оболочки (стойкость в агрессивной щелочной среде) должны быть высокие, что препятствует химической деструкции волокна и обеспечивает полноценное воздействие на армируемую матрицу во весь период эксплуатацию бетонного изделия.

Департамент научных разработок нашей компании провел анализ научных исследований и опыта промышленного применения фибр различной природы в создании фибробетонов. В итоге определены и установлены технические требования к синтетической фибре для цементных бетонов.

Исходя из перечисленных предпосылок, сформулированы общие технические условия к армирующим химическим волокнам для дисперсного армирования цементного камня. А именно – к коаксиальным волокнам. Коаксиальная структура имеет явное преимущество перед обычной моноструктурой в силу возможности синергизма нескольких полимеров при формировании свойств волокна для получения заявленных механических, физических и химических свойств. Применение фундаментальных законов физической химии и химии высокомолекулярных соединений позволяют создать новое поколение синтетических армирующих компонентов с заранее заданными свойствами – высокая прочность, низкая деформативность, высокая энергетическая плотность поверхности волокна. Это позволяет наиболее полно использовать потенциал дисперсно-армирующих волокон при решении задач модификации цементных композиций.

В результате научно-теоретического анализа и опытно-экспериментальных работ предложено синтетическое волокно для объемного армирования цементного продукта, отличающегося от известных волокон тем, что имеет коаксиальную структуру типа «ядро – оболочка». Где в качестве ядра используется полимер с высокими показателями модуля упругости, а в качестве компонента оболочки используются модифицированные полимеры – с целью получения высокой поверхностной энергии.

Оболочка такого волокна модифицирована различными видами органических и неорганических соединений. Это придает поверхности волокна свойства, необходимые для равномерного диспергирования синтетических волокон в объеме цементного раствора и химического и механического заанкеривания волокна в цементном камне. Свойства оболочки – это характеристики щелочестойкости и поверхностной энергии модифицирования полимера специально введенными реакционноспособными функциональными группами различного типа, включая распределенные инициаторы свободнорадикальной полимеризации. Реакционная способность поверхности волокна повышается путем модифицирующего превращения инертной составляющей оболочки в условно активную составляющую. Такая оболочка может активизировать образование контактной прочности между кристаллогидратами матрицы и волокна и, участвуя в процессах гидратации, способствует формирования прочности цементного камня.

Активные центры привитых функциональных групп и сорбционные центры неорганических соединений исполняют активную (инициативную) роль в процессах гидратации: волокно строительное микроармирующее (ВСМ) не только является армирующим элементом, но и изменяет физико-химические процессы, ускоряет твердение цементного раствора. Действие ВСМ объясняется значительным улучшением микроструктуры гидратированных цементных зерен вблизи поверхности волокна. В бетонах с ВСМ формируется менее пористый переходной слой, состоящий из плотного геля вместо неплотных кристаллов портландита и эттрингита в контрольных образцах. Основной фактор действия ВСМ – реакция взаимодействия активных центров, привитых функциональных групп и гидроксида кальция с образованием низкоосновных гидросиликатов. Установлено, что введение ВСМ в состав цементного камня не изменяет общую пористость, но влияет на численность гелевых пор. В результате сорбции ВСМ поглощает из жидкой фазы гидрат окиси кальция, выделяющийся при гидратации алита, а также адсорбирует и удерживает на своей поверхности слой гидросиликатов кальция и других новообразований. Эти процессы ведут к ускорению твердения цемента. Исследованиями установлено практически полное отсутствие пиков портландита в составах с добавкой ВСМ. Распределенные в объеме цементной матрицы волокна армируют цементный камень и улучшают его механические характеристики. Большая удельная поверхность химического волокна определяет его высокую адсорбционную активность. Основная роль синтетического волокна заключается в том, что оно воспринимает растягивающие напряжения и придает цементному камню прочность. Исследования показали, что влияние ВСМ на прочность обусловлено, главным образом, физическим и химическим эффектами, связанными с улучшением упаковки зерен вяжущего и наполнителя в структуре цементного камня. Проведение научных исследований ведется на основе знаний коллоидной и физической химии и методик использования и интеграции компонентов, проявляющих наибольшие управляемость и предсказуемость.

Анализ основных направлений развития теории и практики многокомпонентных бетонов свидетельствует о том, что для получения строительных материалов с высокими эксплуатационными свойствами необходимо использовать дисперсные волокна (фибру).

Контакты:
454077, Россия, Челябинск,
Бродокалмакский тракт, 6A
тел.: +7 (351) 729-84-44 (140),
+7 (351) 270-97-35
E-mail: info@airlaid.ru
www.fibra-airlaid.ru