Технология дисперсного армирования цементных композитов

В общей структуре мирового производства строительной продукции бетон и железобетон в настоящее время занимают приоритетное место. Основной тенденцией в развитии этих материалов является постепенное замещение обычных традиционных бетонов многокомпонентными. В таких бетонах могут использоваться до нескольких химических и реакционно-активных компонентов природного, техногенного и искусственного происхождения.

Новое время диктует правила использования и внедрения новых конструкционных строительных материалов в совокупности с новыми технологиями. Создание "новых материалов из прежних" возможно путем технологии фиброармирования цементных материалов.

Высокодисперсные волокнистые наполнители в цементных композициях оказывают положительное влияние на процессы структурообразования, прочность наполненных бетонов и другие физико-механические и эксплуатационные свойства бетона.

Исследования, проводимые многими учеными в различных странах, убедительно доказывают, что бетоны, армированные волокнами различного происхождения, имеют более высокие физико-механические характеристики:

• Дисперсное армирование позволяет компенсировать главные недостатки бетона: низкую прочность при растяжении и хрупкость разрушения.
• Фибробетон имеет в несколько раз более высокую прочность на срез, ударную и усталостную динамическую прочность, трещиностойкость и вязкость разрушения, морозостойкость, водонепроницаемость.
• Особый интерес представляет возведение зданий и сооружений с учётом возможного воздействия на них сейсмических (инерционных) сил.
• В результате совмещения армирующих композиционных элементов и цементной матрицы образуется комплекс свойств цементного камня, не только отражающий характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми изолированные материалы не обладают.
• Дисперсное армирование бетона сегодня рассматривается как эффективное средство повышения его прочности на растяжение и затруднения образования трещин на всех уровнях его структуры, способствующее повышению долговечности.

В целом, эффективная работа армирования бетонов волокном определяется как минимум тремя факторами: физико-механическими характеристиками волокон, адгезией цементной матрицы к их поверхности, а также долговечностью материала волокон в щелочной среде цементного камня. В последние десятилетие на западе и в России растет интерес к применению фибробетона на основе синтетических фибр в строительных конструкциях. Разработки в этой области ведет челябинская компания ООО «Си Айрлайд».

В силу специфики производства предприятия аналитики компании обратили внимание на полипропиленовую фибру, распространенную на западе. В России синтетические волокна преимущественно были предметом научно-исследовательских работ и ввозились в ограниченном объеме. Самые распространенные и доступные сегодня полипропиленовые волокна западных производителей при диаметре в среднем 20 мкм отличаются от других синтетических волокон низкой прочностью на растяжение (170...300 МПа) и высоким показателем удлинения до разрыва (100 % и более), т.е. характеризуются повышенной деформативностью.

Основными сдерживающими факторами применения широко известных полипропиленовых фиброволокон западных производителей в бетонах являются их низкие механические характеристики и низкие армирующие способности, а также отсутствие каких либо внятных рекомендаций.

Общепризнанные требования, предъявляемые к армирующим фиброволокнам, позволили сформулировать основополагающие требования к разрабатываемым синтетическим волокнам.

Департаменту научных разработок компании «Си Айрлайд» совместно с лабораторией Южно-Уральского государственного университета удалось выявить объединенный конечный эффект композиции нескольких полимеров при формировании свойств полимерной фибры.

Была реализована серия экспериментов и проведен анализ результатов научно-исследовательских работ как зарубежных, так и российских ученых, который позволил утверждать о положительном влиянии синтетической фибры на реологические свойства цементных смесей и подтвердил результаты опытов зарубежных строительных компаний по улучшению свойств бетонных изделий. Благодаря этому стало возможным сделать выводы и определить ключевые физико-химические, механические и технологические аспекты будущих фиброволокон и возможности собственного производства синтетических фибр. Исходя из перечисленных выше предпосылок, были сформированы ключевые требования к созданию совершенно нового типа полимерных волокон (фибры) для дисперсного армирования цементного камня - коаксиального волокна.

Требуемый результат был получен при сочетании положительных качеств (прочность) одного материала и положительных качеств (химическая стойкость) другого. Современные средства химического производства позволяют производить не только моноволокно, но и коаксиальное волокно, имеющее в своей структуре ядро и оболочку. Таким образом, создаются условия для направленного управления физико-механическими и физико-химическими характеристиками фибры (фиброволокон). Удалось повысить начальный модуль упругости и прочность на разрыв введением в полимер ядра волокна химических или ультрадисперсных агентов (нуклеаторов) и последующей технологической структуризацией.

Физико-химические характеристики щелочестойкости и активности поверхности фиброволокна (фибры) реализованы следующими способами:

• полиолефины, базовый полимер оболочки, отличается высокой щелочестойкостью;
• адгезивные качества волокна определяются гидроксильными и карбоксильными функциональными группами, привитыми в состав полимера оболочки. Полярные молекулы, адсорбируясь на границах возникающих зародышей новой фазы, изменяют форму кристаллов, их размеры.

При направленном управлении структурной и химической модификацией ядра и полярными реакционными свойствами оболочки полимерных волокон удалось одновременно добиться высокого модуля упругости волокна и высокой адгезии (сцепляемости) цементного камня и поверхности волокна.

И в начале 2007 года ВСМ появилось на рынке строительных компонентных добавок, одновременно с разработанными и зарегистрированными ТУ и подачей двух патентных заявок (в мае 2008 г - решение о выдаче патента РФ на изобретение). В марте 2007 года компания совершила научно-технический прорыв и вышла на рынок с новым продуктом - волокном строительным микроармирующим (фибра).

Введение фибры в цементные смеси позволяет влиять на микроструктуру цементного камня, улучшения структуру бетонной композиции за счет контроля расслоения и сплошности смеси. Упругая пространственная многомерная хаотичная сетка из волокон (~250 штук/см3) препятствует седиментации (оседанию) частиц зерновой фракции смеси. Основным достоинством бетона, армированного волокном строительным микроармирующим (ВСМ, фибры), является существенное снижение усадочного трещинообразования, снижение внутренних напряжений, возникающих в композиции в процессе твердения массы бетона.

Дисперсное армирование с применением фибры (ВСМ) изменяет поведение непосредственно цементного камня, как составляющей бетонной структуры, позволяя создавать необходимый запас прочности. Микроармирующее фиброволокно (фибра) обладает уникальной способностью позитивно влиять на свойства бетона, улучшая его качественные характеристики: уменьшает водопоглощение, увеличивает прочность, морозоустойчивость, химическую стойкость, сульфатостойкость, износостойкость и др. Позволяет увеличить долговечность и сопротивляемость внешним воздействиям. Фибра - добавка, вызывающая эффект упрочнения твердеющего цемента с функцией армирования цементного камня. Опыт промышленного применения полимерного волокна «ВСМ» (фибры) в бетонных смесях свидетельствует о снижении расслоения смеси как по водоотделению, так и направленному изменению протекания элементарных стадии гидратации и технологических процессов, приводящих к формированию заданных свойств и позволяет достигать поставленных целей направленного изменения свойств бетонных смесей и бетонов по сравнению с обычными.

В настоящее время (прошло два года) Фибру (ВСМ) покупают не только предприятия, расположенные на территории РФ, но и ближнего зарубежья. Клиентская база насчитывает более 200 предприятий, постоянно применяющих наше строительное фиброволокно, а также 21 дилера, распространяющих и продвигающих ВСМ в 28 регионах России. В России широкое применение нашла современная немецкая технология по устройству полов на промышленных и гражданских объектах, где необходимым армирующим компонентом является полипропиленовая фибра. Проведенные исследования подтвердили эффективность «ВСМ-Челябинск» (фибры) в сравнении с рекомендованными фиброволокнами. Фибробетон, выполненный по технологии микроармирования, обладает следующими техническими преимуществами по сравнению с обычным железобетоном: повышенные трещиностойкость, ударная вязкость, прочность на изгиб, износостойкость. Применение ВСМ в бетонных смесях позволяет снизить трудозатраты на арматурные работы, повысить производительность бетонных работ, а также уменьшить толщину стяжки без потери её прочностных и эксплуатационных характеристик и увеличить срок службы пола. Промышленные полы из модифицированного бетона с добавкой фибры обычно выполняются на объектах, где требуется повышенная прочность на изгиб и трещиностойкость пола.

Техническое описание ВСМ (полипропиленовое фиброволокно, фибра);
Область применения фибры (ВСМ) и воздействие фиброволокна на структуру строительной композиции;
Эффективное использование полипропиленового фиброволокна (ВСМ) для модификации строительных растворов;
Прочностные и деформационные характеристики бетонных изделий, такие как: ударная прочность, усталостная прочность, прочность на растяжение и срез, прочность на изгиб, трещиностойкость, морозостойкость, водонепроницаемость, деформативность бетонной конструкции (восприятие материалом изгибающих моментов силы без разрушения) при добавлении фиброволокна (ВСМ);
Сравнительные характеристики фибробетона (бетона, выполненненого по технологии микроармирования ВСМ) и других видов бетона.