RESEARCH OF CEMENT-BASED COMPOSITE MATERIAL

DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.120.6.017

ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ЦЕМЕНТА

Научная статья

Тронза Е.И.¹, Тюрина С.А.^2, *, Дальская Г.Ю.³, Юдин Г.А.⁴

²ORCID:0000-0002-6671-1337;

^{1, 2, 3, 4} МИРЭА — Российский технологический университет, Москва, Россия

* Корреспондирующий автор (tyurina_s[at]mirea.ru)

Аннотация

Работа посвящена изучению возможности использования отходов, образующихся при производстве базальтового волокна, в качестве армирующего компонента для композиционных материалов на основе бетона.

Базальт представляет собой широко распространенную горную породу, из которой изготавливаются базальтовые волокна, обладающие химической устойчивостью, негорючестью, хорошими электроизоляционными свойствами, высокой механической прочностью. В настоящее время технология получения базальтовых волокон стала доступна широкому кругу отечественных производителей и вызывает большой интерес к развитию данного производства, которое, к сожалению, сопровождается образованием значительного количества отходов, требующих утилизации.

В ходе проведенной научно-исследовательской работы, показано, что армирование опытных образцов базальтовым волокном в сочетании с выдержкой их в камере с постоянной влажностью позволяет улучшить комплекс механических свойств материала.

Ключевые слова: базальтовое волокно, портландцемент, полифракционный песок, предел прочности на растяжение при изгибе, предел прочности при сжатии, относительная деформация при сжатии, модуль деформации.

RESEARCH OF CEMENT-BASED COMPOSITE MATERIAL

Research article

Tronza E.I.¹, Tyurina S.A.^2, *, Dal'skaya G.YU.³, YUdin G.А.⁴

² ORCID:0000-0002-6671-1337;

^{1, 2,3, 4} MIREA – Russian Technological University, Moscow, Russia

* Corresponding author (tyurina_s[at]mirea.ru)

Abstract

The article is dedicated to the study of the possibility of using wastes from the production of basalt fibre as a reinforcing component for concrete-based composite materials.

Basalt is a widespread geologic material, out of which basalt fibers with chemical endurance, nonflammability, good electric insulation properties, high mechanical strength are made. Today, the technology of basalt fibres production has become available to a wide range of domestic manufacturers and is of great interest in terms of its development, which, unfortunately, is accompanied by a significant amount of waste requiring recycling.

Over the course of the research work carried out, it is shown that the reinforcement of experimental samples with basalt fiber in combination with a constant humidity chamber allows to improve the complex mechanical properties of the material.

Keywords: basalt fiber, portland cement, polyfractional sand, tensile strength, compression resistance, compression unit strain, modulus of deformation.

Введение

Одним из путей решения проблемы утилизации отходов при производстве базальтовых волокон является высокотемпературное сжигание в инсинераторах «IZHTE», представляющих собой двухкамерные печи, топливом для которых являются дизель или газ [1]. Однако более перспективным, на наш взгляд, является ресурсосберегающий метод, связанный с использованием базальтовых волокон в качестве упрочнителя для композиционных материалов [2]. При таком подходе решаются сразу две задачи:

• утилизируются отходы производства базальтового волокна и изделий из него;
• создается новый материал с улучшенным комплексом свойств и минимальными затратами на его изготовление.

В литературе имеются сведения о применении базальтовых волокон в качестве упрочнителя цементов [3], однако конкретных данных о влиянии характера компонентов композиционного материала и условий его изготовления на эксплуатационные свойства очень мало.

В связи с этим, целью нашего исследования явилось изучение эффективности использования именно отходов базальтового волокна в качестве армирующего компонента.

В нашей работе изучено базальтовое волокно, произведенное НПО “Стеклопластик” из базальта украинского месторождения с применением крахмального замасливателя. Средний диаметр элементарного волокна 14 мкм. Для армирования цемента применялось рубленое волокно длинной 12 мм.

В качестве матрицы использовался нормальнотвердеющий портландцемент класса прочности 32.5, (ГОСТ31108-2016) [4] производителя ООО «Холсим (Рус) СМ» и строительный кварцевый сухой песок производства фирмы «Боларс».

Формы для экспериментальных образцов-балочек изготавливались согласно ГОСТ 30744 – 2001 [5].

Подготовленную форму устанавливали на платформу встряхивающего стола и закрепляли зажимами.

Для приготовления одного замеса цементного раствора, необходимого для изготовления пяти образцов-балочек, взвешивали 1000 г цемента, использовали одну упаковку стандартного полифракционного песка массой 3000 г и отмеряли 550 г воды. При дальнейшем добавлении армирующего волокна определенного процентного содержания его массовую долю отнимали от массы песка, чтобы не нарушить общую массу одного замеса.

Максимальное количество вводимого в композиционный материал упрочнителя решено было ограничить 12 % по объему, так как испытания первых трех партий показали, что при увеличении доли волокна сильно снижается модуль деформации, что далеко не всегда желательно.

Заполненную форму с образцами помещали в камеру (шкаф) влажного хранения. Через (24±1) ч с момента изготовления форму с образцами вынимали из шкафа и осторожно расформовывали. Готовые образцы представлены на рисунке 1.

Таким же образом была изготовлена вторая партия образцов, которые выдерживались в камере постоянной влажности в течение 7 суток

Исследование проводилась на машине для испытания асфальтобетонных материалов ДТС-06-50. Данная машина предназначена для испытания на изгиб и сжатие асфальтобетонных смесей по методам, изложенным в ГОСТ 12801-98 [6].

Образцы с выдержкой 2 и 7 суток сравнивались по пределу прочности при изгибе, пределу прочности при сжатии, по относительным деформациям при сжатии, модулях деформации и работе на разрушение.

Все перечисленные характеристики рассчитывались по формулам, приведенным в ГОСТ 12801-98 [6]. На сжатие испытывались половинки разрушенных в результате изгиба образцов.

Рис. 2 – Зависимость предела прочности на растяжение при изгибе от количества наполнителя

Из графика, приведенного на рис.3 следует, что для модуля деформации наблюдается другая тенденция: он резко уменьшается с увеличением объемной доли базальтового волокна. Это означает, что при одном и том же значении прогиба у двух разных материалов в одном возникают меньшие напряжения, а в другом, у которого модуль деформации выше, большие напряжения. Следовательно, для любого материала, который в первую очередь должен быть прочным, так как применяется в ответственных конструкциях и должен выдержать определенные нагрузки, модуль деформации бетона должен быть как можно меньше. В противном случае можно будет с уверенностью сказать, что данный состав не нельзя применять, например, для таких конструкций как фундамент или перекрытия [7]. Тем не менее далеко не всегда следует выбирать материал с минимальным модулем деформации – все зависит от того, где конкретно он будет использоваться. Например, у асфальтового покрытия с низким модулем деформации (низкая деформативность) появляются трещины и выбоины, а с высоким – сдвиги и наплывы на покрытии. Следует отметить, что снижение модуля деформации уже при 12 % волокна по объему столь значительно, что мы сочли нецелесообразным изготовление более наполненных образцов.

Рис. 4 – Зависимость предельной относительной деформации растяжения при изгибе от количества наполнителя

Рис. 6 – Зависимость работы, затраченной на разрушение при сжатии от количества наполнителя

Во второй части работы было изучено влияние времени выдержки во влажной камере на все перечисленные выше характеристики механических свойств. Для сокращения числа опытов мы провели этот эксперимент только для образцов, вообще не содержащих армирующий компонент и содержащих его максимальное количество (12 % по объему).

Как видно, предел прочности на растяжение при изгибе существенно повышается при увеличении времени выдержки во влажной камере для обоих типов образцов. Так как остальные характеристик прочности изменяются аналогичным образом, мы приводим только одну диаграмму (рис. 7).

Рис. 7 – Влияние времени выдержки во влажной камере на прочность при изгибе

Следует отметить, что влияние времени вылеживания на модуль деформации при изгибе неоднозначно, а именно, что для образцов с 12 % наполнителя вылеживание приводит к повышению модуля деформации, хотя он все равно остается значительно меньше, чем у неупрочненного (рис. 8). Возможно, это связанно с процессами физико-химическими взаимодействиями на границе раздела волокно-матрица. Известно, что эти процессы в разных материалах имеют различную природу, а могут и отсутствовать вообще, как например, в некоторых композитах на металлической основе. В нашей работе не ставилась задача их анализа или изучения.

Рис. 8 – Влияния времени выдержки во влажной камере на модуль деформации при изгибе

Существенно также, что мы не планировали получить оптимальные значения концентрации базальтового волокна или времени выдержки во влажной камере. Нашей задачей было выяснение принципиальной возможности создания композиционного материала на основе отходов промышленного производства, а также переработки изделий из базальтовых волокон, которые в ходе эксплуатации уже утратили свои полезные свойства.

Заключение

В ходе проведенных исследований показано, что увеличение количества наполнителя до 12 % (по объему) приводит к повышению прочности композиционного материала.

Установлено, что увеличение времени выдержки образцов в камере с постоянной влажностью позволяет повысить характеристики прочности, пластичности и работу на разрушение при cжатии.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Аблесимов Н.Е. Релаксационные эффекты в неравновесных конденсированных системах. Базальты: от извержения до волокна / Н.Е. Аблесимов, А.Н. Земцов // Москва : ИТиГ ДВО РАН, 2010. – 400 с.
2. Оснос С.П. Проведение исследований и выбор базальтовых пород для производства непрерывных волокон / С.П.Оснос, М.С. Оснос // Композитный мир. – 2018. – № 1. – С. 56–62.
3. Оснос М.С Исследование процессов плавления базальтовых пород при производстве непрерывных волокон / М.С. Оснос, С.П. Оснос // Композитный мир. – 2018. – № 2. – С. 70–75.
4. Петропавловская В.Б. Утилизация отходов минерального волокна в производстве гипсовых изделий / В.Б.Петропавловская, Т.Б. Новиченкова, А.Ф. Бурьянов и др. // Вестник МГСУ. – 2017. – Т. 12. – Вып. 12(111). – С.1392–1398.
5. ГОСТ 31108-2016 Цементы общестроительные. Технические условия/ГОСТ 30744-2001 Цементы. Методы испытаний с использованием полифракционного песка. – Введ. 2017-03-01. – Москва : Стандартинформ, 2019.
6. ГОСТ 12801-98 Материалы на основе органических вяжущих для дорожного и аэродромного строительства. Методы испытаний. – Введ. 1999-01-01. – Москва : ГУП ЦПП, 1999.
7. Оснос М.С. Базальтовое непрерывное волокно – вчера, сегодня и завтра. Развитие технологий и оборудования, промышленных производств и сбыта / М.С. Оснос, С.П. Оснос // Композитный мир. – 2015. – № 2. – С. 24–30.
8. Базальтоволокнистые материалы: сборник статей / cост. О.Н. Семенов. – Москва : Информконверсия, 2001. – 307с.
9. Джигирис Д.Д. Основы производства базальтовых волокон и изделий / Д.Д. Джигирис, М.Ф. Махова // Монография. – Москва : Теплоэнергетик, 2002. – 416с.
10. Кац Г.С. Наполнители для полимерных композиционных материалов / Г.С. Кац, Д.В. Милевски – Москва : Химия, 1981. – 736 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Ablesimov N.E. Relaksacionnye effekty v neravnovesnyh kondensirovannyh sistemah. Bazal'ty: ot izverzheniya do volokna [Relaxation effects in non-equilibrium condensed systems. Basalt: from eruption to fiber] / N.E. Ablesimov, A.N. Zemcov. – Moscow : ITiG DVO RAS, 2010. – 400 p. [in Russian]
2. Osnos S.P. Provedenie issledovanij i vybor bazal'tovyh porod dlya proizvodstva nepreryvnyh volokon [Research and selection of basalt rocks for of continuous fibre production] / S.P. Osnos, M.S. Osnos // Kompozitnyj mir [Composite world]. – 2018. – № 1. –Pp. 56–62. [in Russian]
3. Osnos M.S Issledovanie processov plavleniya bazal'tovyh porod pri proizvodstve nepreryvnyh volokon [Study of the basalt rocks melting processes in the production of continuous fibre] / M.S. Osnos, S.P. Osnos // Kompozitnyj mir [Composite world]. – 2018. – № 2. – Pp. 70–75. [in Russian]
4. Petropavlovskaya V.B. Utilizaciya othodov mineral'nogo volokna v proizvodstve gipsovyh izdelij [Utilization of mineral fibre waste in gypsum articles production] / V.B. Petropavlovskaya, T.B. Novichenkova, A.F. Bur'yanov et al. // Vestnik MGSU [Bulletin of MSUCE]. – 2017. – Vol. 12. – Iss. 12(111). – Pp.1392–1398. [in Russian]
5. GOST 31108-2016 Cementy obshchestroitel'nye. Tekhnicheskie usloviya [General-purpose cements. Technical conditions]/ GOST30744-2001 Cementy. Metody ispytanij s ispol'zovaniem polifrakcionnogo peska [Test methods using polyfractional sand]. – Introduced 2017-03-01. – Moscow : Standartinform, 2019.
6. GOST 12801-98 Materialy na osnove organicheskih vyazhushchih dlya dorozhnogo i aerodromnogo stroitel'stva. Metody ispytanij [Materials based on organic binders for road and airfield construction. Test methods]. – Introduced 1999-01-01. – Moscow : GUP CPP, 1999.
7. Osnos M.S. Bazal'tovoe nepreryvnoe volokno – vchera, segodnya i zavtra. Razvitie tekhnologij i oborudovaniya, promyshlennyh proizvodstv i sbyta [Basalt continuous fiber – yesterday, today and tomorrow. Development of technology and equipment, industrial production and marketing] / M.S. Osnos, S.P. Osnos // Kompozitnyj mir [Composite world]. – 2015 – № 2 – Pp.24–30. [in Russian]
8. Bazal'tovoloknistye materialy [Basalt materials] / comp. by O.N. Semenov. – Moscow : LLC «Informkonversiya», 2001. – 307 p. [in Russian]
9. Dzhigiris D.D. Osnovy proizvodstva bazal'tovyh volokon i izdelij [Basics of basalt fibers and products manufacture] / D.D. Dzhigiris, M.F. Mahova // Monograph. – Moscow : Teploenergetik publishing house, 2002. – 416 p. [in Russian]
10. Kac G.S. Napolniteli dlya polimernyh kompozicionnyh materialov [Fillers for polymer composite materials] / G.S. Kac, D.V. Milevski – Moscow : Himiya publishing house, 1981. – 736 p. [in Russian]