Цементополимерные бетоны, фибробетоны

Лекция № 7 ЦЕМЕНТОПОЛИМЕРНЫЕ БЕТОНЫ. ФИБРОБЕТОНЫ В 21 веке бетоны остаются по-прежнему одним из главных строительных материалов. Большие возможности в области создания инновационных строительных материалов открываются за счет использования достижений в области химической промышленности– модификации бетона полимерами. Возникают различные пути улучшения свойств бетона: введение в состав бетона новых компонентов, воздействие химическими веществами на составляющие бетонной смеси или готовый бетон и другие способы. Такие материалы называют цементополимербетонами. Улучшение свойств традиционных бетонов полимерами может быть осуществлено несколькими путями: 1. Введение в бетонные смеси на стадии приготовления небольших концентраций полимерных добавок (пластификаторов, суперпластификаторов, гидрофобизаторов и др.) 2. Пропиткой бетона полимерными или мономерными соединениями с последующей их полимеризацией в теле бетона. 3. Применение легких полимерных заполнителей или обработкой поверхности традиционных заполнителей полимерами. 4. Применение полимерных волокон в качестве упрочняющей арматуры. Бетоны с химическими добавками Большое место в технологии изготовления цементно-полимерных бетонов занимают химические добавки, вводимые в небольшом количестве, около 1-2% от массы цемента, вместе с водой затворения для изменения свойств бетонной смеси. По эффекту воздействия добавки классифицируются на следующие группы: 1. Добавки, регулирующие свойства бетонных смесей. Это пластифицирующие добавки, улучшающие подвижность бетонной смеси; стабилизирующие добавки, предотвращающие расслоение смеси и водоудерживающие добавки, уменьшающие водоотделение. 2. Добавки, регулирующие схватывание бетонных смесей (ускоряющие и замедляющие), регулирующие твердение бетона (ускоряющие, противоморозные). 3. Добавки, регулирующие плотность и пористость смеси и готового бетона: воздухововлекающие, газообразующие, пенообразующие, уплотняющие, расширяющие. 4. Добавки, придающие бетону специальные свойства: гидрофобизирующие, антикоррозионные, красящие и др. Большинство добавок растворимы в воде, их вводят в бетоносмеситель в виде предварительно приготовленного раствора. Некоторые добавки вводят в виде эмульсии или взвесей в воде. Наиболее часто применяют следующие концентрации добавок,% от массы цемента: Пластифицирующие – 0.1–0.3; Суперпластификатор – 0.5 – 1.0; Воздухововлекающие – 0.01–0.05; Ускорители твердения – 1.0–2.0. Пропитка бетонов полимерами Наиболее заметное изменение свойств бетона наблюдается при пропитке его специальными полимерными составами. Главным вяжущим в таких композициях являются цементы, поровое пространство которых полностью или частично заполнено отвержденным полимером. Процесс обработки бетонных изделий включает следующие операции: сушку до 1% влажности, пропитку, полимеризацию. Для сушки материал помещают в герметичный автоклав и вакуумируют. Затем в камеру заливают мономер и пропитывают изделие, после чего излишки пропитывающего состава сливают. Полимеризация мономера происходит в той же камере. Изделие пропитывают полностью или только с поверхности на глубину до 15-20 мм в зависимости от области применения и назначения данных бетонов. Изменение свойств пропитанных ЦПБ представлена в табл 7.1. Таблица 7.1– Изменение свойств бетона, после пропитки его полимерами Предел прочности, МПа При сжатии При растяжении При изгибе Исходный бетон 30–50 2-3 5-6 Пропитанный бетон 100–200 6–19 14–28 Изменяя технологию и вид пропитывающего материала, можно получит ЦПБ с самыми разными свойствами. Преимуществом метода пропитки является и то, что специальной обработке могут быть подвергнуты разные исходные бетоны, как существующие, так и приготовленные по упрощенной технологии (например, без виброуплотнения). Применение полимерных заполнителей. Обработка поверхности заполнителей полимерами. Термопластичные полимеры можно вводить в бетонную смесь в виде порошков с последующим прогревом изделий. В результате этого полимер расплавляется в теле бетона и хорошо заполняет капилляры и микропоры. В основном используют полиэтилен, мягкий поливинилхлорид и полистирол. Оптимальная концентрация термопластов составляет 20%. Лучшие результаты получены с применением полистирола. Интересен способ модификации бетона обработкой заполнителей полимерами. Проведена обработка поверхности кварцевого песка эпоксидной смолой. Наибольший эффект получен в тощих составах (Ц:П = (1:6)–(1:8). В ряде зарубежных работ предложены пути улучшения свойств бетона обогащением полимерами цементного клинкера при помоле, а также путем введения в состав бетона мелкоразмерных элементов полимера в виде пластинок из термопластов, обладающих армирующим действием на бетон. Фибробетон Фибробетон – новый строительный материал, изготовленный из бетона и фиброволокна. Фибра выполняет армирующее действие, за счет чего бетонная смесь получает дополнительную прочность. Фибробетон — разновидность цементного бетона, в котором достаточно равномерно распределены фибра/волокна в качестве армирующего материала. Фибра — микроарматура, равномерно армирующая бетон во всех плоскостях, повышающая класс бетона, прочность, ударостойкость и снижает образование усадочных трещин (рис.7.1). Фибра замешивается в бетон непосредственно перед заливкой или же непосредственно на бетонном заводе при производстве бетонной смеси, что является оптимальным с точки зрения технологии. Рис 7.1– Внешний вид фибробетона Структура фибробетона однородная, со всех сторон расположены волокна, изготовленные из разного материала, от него и будут зависеть характеристики, а также эффект армирования (Рис.7.2). Рис.7. 2- Структура фибробетона 1 – граница макроскопической ячейки; 2 – фибра; 3 – матрица бетона; 4 – зона контактного взаимодействия армирующих волокон с бетоном. Фибробетоны применяют в сборных и монолитных конструкциях, работающих на знакопеременные нагрузки. Важнейшая характеристика фибробетона — прочность на растяжение — является не только прямой характеристикой материала, но и косвенной, и отражает его сопротивление другим воздействиям. Ещѐ одна важная характеристика фибробетона это его долговечность. По показателю работы разрушения фибробетон может в 15-20 раз превосходить бетон. При производстве фибробетона используют два типа фибры: Металлическая – изготавливается из стали разнообразной формы и размера; Неметалическая – в качестве исходного сырья берется базальт, стекло, полипропилен, углеволокно, целлюлоза. Стальная фибра Именно из стали изготавливались самые первые армирующие наполнители для фибробетона. Металл и сегодня — основной и самый распространенный вид фиброволокна. Для изготовления стальной фибры зачастую используется проволока, которую разрезают на короткие отрезки и загибают либо расплющивают на концах (для повышения адгезии с цементно-песчаной смесью). Такая фибра называется анкерной. Существует также волновая (волнистой формы) и фрезерованная, получаемая на станках. Рис.7.3 – Стальная фибра Среди преимуществ фибробетона со стальным армированием — высокая прочность материала, его долговечность, повышенная упругость, стойкость к растяжениям и сжатиям, истиранию, износу. Поэтому такой материал широко используется для возведения конструкций, высотных монолитных зданий, гидротехнических сооружений, мостов, тоннелей, дорожных покрытий, полов ангаров и промышленных помещений и пр. Рис. 7. 4- Зависимость прочностных характеристик бетона от содержания стальной фибры Недостатки стальной фибры: подверженность коррозии, большой вес, низкая адгезия с бетоном. Такой фибробетон редко используется для фасадов. Базальтовая фибра Имеет высокий модуль упругости и хорошие показатели прочности на разрыв. В последние десятилетия разработаны новые технологические решения, позволяющие снизить стоимость изготовления базальтовой фибры, ввиду чего в настоящее время она составляет достаточно серьѐзную конкуренцию стальным волокнам. Главной отличительной чертой базальтофибробетона является его высокая прочность для всех видов напряженных состояний и способность переносить большие деформации в упругом состоянии. Рис.7.5 – Базальтовые волокна Конструкции из базальтобетона обладают более высокой прочностью и деформативностью, нежели аналогичные конструкции армоцемента с арматурой из стальных сеток, так как армирующее их базальтовое волокно не только превосходит стальные сетки по указанным параметрам, но и обеспечивает более высокую степень дисперсности армирования цементного камня. Следует отметить, что при твердении цементного камня поверхность тонкого базальтового волокна разрушается. Прочность волокна уменьшается, однако образующиеся раковины повышают прочность сцепления цементного камня и волокна, ввиду чего возрастает и прочность самого изделия. При использовании толстых волокон их прочность не изменяется. Из базальта изготавливается минеральная фибра. Для ее получения вулканический минерал базальт расплавляют при высоких температурах. Базальтовая фибра отличается стойкостью к механическим нагрузкам и воздействиям химически активных реагентов (включая кислоты и щелочи), не подвержена горению. За счет армирования минеральным волокном прочность бетона возрастает в три раза. Стекловолокно Стеклянные циркониевые тонкие волокна диаметром 8-10 мкм по прочности соответствуют высокоуглеродистой холоднотянутой проволоке, плотность же их в несколько раз меньше. Модуль упругости примерно втрое превышает модуль упругости матрицы. Однако производство тонких волокон и объединение их в комплексные нити требует дорогостоящего оборудования. Кроме того, при производстве стекла используется многокомпонентная шихта, что сказывается на стоимости фибр. Для равномерного распределения таких волокон в композиции требуются специальные методы (напыление, контактное формование) и оборудование, повышающие стоимость конструкции. Для получения фибры из стекловолокна используются разные химические ингредиенты, поэтому конечная продукция может довольно сильно отличаться по своим техническим параметрам. В целом для армированного стекловолокном фибробетона характерны высокие показатели прочности, гибкости, пластичности, шумоизоляции, морозостойкости, огнестойкости, водонепроницаемости и пр. Важнейшее преимущество в сравнении с металлической фиброй — низкий вес материала. Рис.7.6 - Стекловолокно Основные области применения: •гидроочистные сооружения; •щиты шумозащиты; • покрытия подверженных загрязнениям промышленных зданий; • малые архитектурные формы, клумбы, скамейки, • реконструкция и реставрация зданий; • отделка фасадов, декоративные элементы, лепнина. фонтаны; Полипропиленовые волокна Полипропиленовые волокна характеризуются надѐжным сцеплением с бетонной матрицей, однако в то же время им свойственна повышенная деформативность, поскольку модуль упругости таких волокон составляет не более 1/4 модуля упругости бетонной матрицы. Поэтому, такие волокна не могут использоваться в качестве эффективной несущей арматуры и применяются, как правило, при дополнительном (конструктивном) армировании, способствующем предотвращению повреждений и выколов в бетоне при транспортировании и монтаже изделий, частичному повышению ударной прочности, сопротивления истиранию и т. д. Вместе с тем, в ходе многолетних исследований было установлено, что изделия, армированные полипропиленовыми волокнами, характеризуются значительными деформациями даже при небольших нагрузках растяжения, что объясняется низкой адгезией полипропилена в цементной матрице. Кроме того, такие изделия с течением времени теряют свои прочностные свойства, имеют высокую истираемость поверхности. Углеволокно Углеродное фиброволокно отличается высокими эксплуатационными характеристиками. Среди преимуществ материала: высокая упругость, прочность, химическая стойкость, не подверженность коррозии, хорошая адгезия, устойчивость к нагрузкам и высоким температурам. Применение фибробетона на основе углеволокна ограничено высокой стоимостью материала. Целлюлоза Целлюлозная фибра производится из целлюлозы, получаемой из натуральных природных материалов (Рис.7.7). Подобные волокна отличаются высокой поглощаемостью водонасыщенных соединений. Добавление целлюлозной фибры в раствор способствует лучшему и более равномерному высыханию стяжки, снижает усадку, исключает появление трещин, повышает паропроницаемость полимерных покрытий. Рис. 7.7- Целлюлозные волокна Таблица 7.2–Сравнительные характеристики различной фибры Показатель Базальтовая фибра Полипропиленовая фибра Стекловолоконная фибра Стальная (металлическая) фибра Материал Базальтовое волокно Полипропиленовая волокно Стекловолокно Проволока из углеродистой стали Прочность на растяжение, МПа Диаметр волокна, мм Длина волокна, мм Модуль упругости, ГПа Коэффициент удлинения,% Температура плавления,0С Стойкость к щелочам и коррозии Плотность,г/см3 3500 150-600 1500-3600 600-1500 13-17 10-25 13-15 0,5-1,2 3,2-12,7 6-18 4,5-18 30-50 Не менее 75 3,2 35 75 190 20-150 4.5 3-4 1450 160 860 1550 высокая высокая Только у щелочестойкого волокна низкая 2,6 0,91 2,60 7,80 При выборе фибробетона (или волокна для его самостоятельного приготовления) необходимо четко определить, какие именно требования выдвигаются к материалу. Например, стальная фибра обладает максимальным модулем упругости и высокими прочностными характеристиками, но при этом имеет большую плотность и низкую устойчивость к коррозии. Для базальтовой характерна максимальная прочность на растяжение и высокая стойкость к химическим соединениям. Наибольшие проблемы могут возникнуть при выборе фибры из искусственных материалов. Например, используемое стекловолокно разных марок может очень сильно отличаться по своим характеристикам. Поэтому нужно обязательно убедиться, что выбранная фибра является стойкой к щелочам. В этом аспекте качество базальтовой фибры практически не зависит от производителя. Но и здесь нужно обращать внимание на два параметра: линейные размеры волокон и вид используемого для повышения адгезии замасливателя. Еще больший разброс параметров характерен для стальной фибры. При ее выборе следует учитывать и вид материала (проволочная, волновая, фрезерованная), и его размеры, и состав. Например, можно использовать более качественную фибру из легированной стали, но это заметно повысит ее стоимость. Преимущества и недостатки У фибробетона, как и у любого другого строительного материала, имеются достоинства и недостатки. К положительным сторонам можно отнести следующее: • Понижение затрат на строительство – за счет повышения прочности плит можно отказаться от армирования, сократив длительность проведения работ, расходы на дополнительные материалы, их транспортировку, монтаж; • Повышение прочности готовых конструкций – технология производства фибробетона любого типа предполагает, что такой материал не боится усадки, не покрывается трещинами, сколами, гарантируя даже более высокую прочность, чем в конструкциях с арматурой; • Стойкость к резким скачкам температуры, влаге, охлаждению/оттаиванию; • Негорючесть – усиленная с помощью композита бетонная конструкция исключает нарушение структуры монолита и появление трещин под воздействием высоких температур; • Прекрасные адгезионные качества; • Легкость фибробетонных блоков, что снижает затраты на транспортировку и монтаж; • Экономия на строительных материалах – за счет существенного увеличения прочности фундамент или стены можно сделать с меньшей толщиной монолита, не пожертвовав устойчивостью и надежностью; • Продление срока эксплуатации – введение волокон фибры позволяет добиться большего срока службы бетона при сохранении всех важных эксплуатационных характеристик; • Уменьшение расхода бетона Единственным минусом считается сравнительно высокая стоимость фибробетона. Для приготовления раствора нужно покупать дорогие материалы, готовые фибробетонные блоки также стоят дороже, чем обычные бетонные. Но экономия на последующих этапах строительства и эксплуатации здания полностью перекрывает этот недостаток. Выводы: • Фибра – элемент, кардинально не меняющий свойства бетона. Применение волокна (фибры) позволяет лишь улучшить отдельные его свойства в рамках определенного предела. • Грамотный подход при выборе волокна – заполнителя фибробетона может существенно повысить долговечность и надежность конструкции, сэкономив денежные средства на ее содержание. • Фибробетон зарекомендовал себя как достаточно надежный и предсказуемый материал. Объемы потребления фибробетона на увеличиваются по экспоненциальной зависимости, что дает основание сделать предложение и о дальнейшем росте его потребления в мире.