ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДИСПЕРСНОГО АРМИРОВАНИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ ЯЧЕИСТЫХ БЕТОНОВ

Митина Н.А., Лотов В.А.

Томский политехнический университет, г.Томск, пр.Ленина, 30

Ячеистые бетоны теплоизоляционного назначения, получаемые по двум разным технологическим направлениям – пенобетон и газобетон – имеют общий существенный недостаток, который заключается в высокой усадке и довольно низкой прочности при пониженной средней плотности.

В настоящее время все более широкое развитие приобретает производство ячеистых бетонов по пенобетонной технологии. Особенно ярко это выражается при возведении теплозащитного слоя в несъемной опалубке в монолитном и каркасном домостроении. В данном случае наиболее важным становится устранение усадочных явлений и стабилизация основных характеристических свойств заливаемого массива ячеистого бетона, таких как прочность и средняя плотность, которая по теплотехническим расчетам не должна превышать 400 кг/м3.

В связи с указанными выше проблемами наряду с использованием высокоактивных минеральных и химических добавок наиболее приемлемо применение материалов и веществ способных создать структурный упрочняющий каркас ячеистобетонного массива, то есть армировать межпоровые перегородки, прочность которых определяет прочность всего материала.

По своему составу и свойствам армирующие материалы различны. Объединяющим фактором является большое значение отношения длины частицы к ее диаметру – это волокнистые материалы. Это отличает их от частиц цементной и далее бетонной матрицы, имеющих почти округлую форму.

В данной работе для исследования были использованы следующие волокнистые материалы: базальтовое тонкое (БТВ) и супертонкое волокно (БСТВ), полипропиленовое волокно (ПП) и волокно из полиэтилентерефталата (ПЭТФ).

Основным свойством, определяющим возможность использования искусственных волокнистых материалов, является щелочестойкость и выщелачивание в связи с сильно выраженной щелочной средой цементной матрицы ячеистых бетонов.

Сырьем для производства базальтового волокна на Томском заводе минераловатных изделий ООО «Томскизоляция» является диабаз Барзасского месторождения Кемеровской области. Химический состав используемого сырья и материала приведен в таблице 1.

Таблица 1

Химический состав сырья и изделий

По данным химического анализа используемых минеральных волокон можно сделать заключение об их пригодности для применения в качестве армирующего компонента ячеистобетонной смеси, так как в их составе находится минимальное количество ионов щелочных металлов – калия и натрия. Наличие как раз этих ионов и определяет щелочестойкость материала и склонность к выщелачиванию, так как они способны замещаться ионами Са2+ находясь в среде насыщенной кальциевой составляющей – твердеющего портландцемента

При проведении исследований для приготовления газобетонной смеси использовался Топкинский цемент марки М400, газообразователь – алюминиевая пудра, гипсовая суспензия и щелочные компоненты.

Для исследований использовали волокна длиной 3-5 мм и диаметром 0,5-2,5 мкм (БСТВ) и 10-80 мкм (БТВ). Эти волокна равномерно распределяются по всему объему газобетонной смеси и заметно стабилизируют процесс ее поризации. После 28 суток твердения и после пропаривания определялась прочность образцов с добавкой волокна в количестве 1% от массы твердого компонента, которая составила соответственно 0,56 МПа и 0,63 МПа при плотности образцов 300 кг/м3. При введении минерального волокна указанных размеров наблюдаются следующие эффекты: устойчивость процесса поризации, отсутствие усадочных трещин и трещин напряжения, увеличение прочности газобетона неавтоклавного твердения, отсутствие даже незначительной усадки, как при схватывании смеси, так и во время всего периода твердения, равномерность пористой структуры.

Свойства полипропиленового волокна напрямую зависят от его диаметра. В данной работе использовалось волокно диаметром 20-60 мкм с истинной плотностью материала – 909 кг/м3, насыпной плотностью – 123-136 кг/м3, порозностью – 86,0-87,6 %. Необходимо отметить следующую важную характеристику углеводородных полимерных волокон. При их выработке из исходного полипропилена и полиэтилентерефталата, которая происходит в результате нагрева и распушке массы, значительно снижается температура разложения – полипропилена до 25 % и полиэтилентерефталата до 47 %, а следовательно снижается и прочность самого волокна.

В работе проведены исследования прочностных характеристик газобетонных образцов средней плотностью 300 и 500 кг/м3 с добавкой лавсанового волокна в количестве 0,5 % и 1 %, которые показали значительное увеличение прочности – почти в 3 раза больше значений прочности ячеистых бетонов указанных в ГОСТе. «Лавсан» или «Лавсановое волокно» является торговой маркой полиэтилентерефталата. Так с добавкой 1 % лавсанового волокна прочность на сжатие газобетонных образцов составляет: при плотности 300 кг/м3 – 0,56 МПа, при плотности 500 кг/м3 – 2,99 МПа.

Для армирования ячеистых бетонов могут использоваться волокна различного диаметра от 1 мкм до 100 мкм, однако при разработке и получении ячеистых бетонов с упрочняющим дисперсным армированием, кроме диаметра волокна также необходимо учитывать и длину.

При этом можно выделить следующие уровни армирования:

1. Межпоровая перегородка армируется в продольном и поперечном направлении волокнами, длина которых соизмерима с толщиной межпоровой перегородки.

2. Межпоровая перегородка армируется в продольном направлении волокнами.

3. Армирование смежных межпоровых перегородок волокнами

Исходя из этого и основываясь на свойства самих волокон, а именно пластичности, длина волокон может составлять от 1,1 мм до 6,6 мм. Кроме того, на длину волокон влияет радиус пор. При этом, находясь на любом уровне армирования при любой длине волокон, они не пронизывают поры, а проходят по межпоровым перегородкам. Особенно хорошо это наблюдается при поризации газобетонной смеси, когда происходит раздвижка смеси газовыми порами и разделение ее на межпоровые перегородки.

В результате исследования закономерностей армирования изделий из ячеистых бетонов дисперсным волокном можно выделить положительные и отрицательные стороны данного процесса.

К положительным сторонам относятся:

1. При небольших значениях предельного напряжения сдвига значительно увеличивается пластическая вязкость газобетонной смеси, что приводит к уменьшению значений пластичности по Воларовичу.

2. Повышение вязкости смеси способствует увеличению давления газа в порах, что может привести либо к формированию полиэдрических пор с минимальной толщиной межпоровых перегородок, либо к уплотнению частиц в межпоровых перегородках, то есть создаются предпосылки к появлению стесненного состояния при гидратации цемента.

3. При получении фиброгазобетона с плотностью 300-400 кг/м3 необходимо вводить 0,5-1,5 % (масс.) волокон от массы цемента или твердой фазы.

4. При получении фиброгазобетона с плотностью 500-900 кг/м3, вследствие увеличения толщины межпоровых перегородок, можно вводить большее количество волокон, что приведет к увеличению прочностных характеристик, несмотря на увеличение вязкости смеси.

5. Разрушение обычного газобетона – хрупкое, присутствие же волокон меняет характер разрушения за счет увеличения доли пластических деформаций, увеличивается прочность на изгиб.

6. Присутствие волокон в газобетонной смеси стабилизирует (повышает) устойчивость процесса поризации, устраняет усадочные явления.

7. За счет меньшей истинной плотности волокон по сравнению с цементом, песком  и другими минеральными наполнителями, увеличивается содержание объемное твердой фазы.

Наряду со значительным положительным эффектом при использовании дисперсного армирования можно отметить некоторые отрицательные стороны данного процесса:

1. При получении фиброгазобетона с плотностью 300-400 кг/м3 необходимо увеличивать содержание жидкой фазы для снижения вязкости смеси и более равномерного распределения волокон по объему.

2. При повышении содержания воды в газобетонной смеси будут преобладать процессы гидратации цемента, приводящие к образованию значительных количеств первичных, слабозакристаллизованных гидросиликатов кальция, что отрицательно сказывается на прочности межпоровых перегородок и самих газобетонных изделий.

3. Избыток воды, влечет за собой необходимость связывания ее в эттрингит, для образования которого требуется 25 молей воды.

4. Введение значительного количества волокон в состав газобетонной смеси затрудняет процесс поризации вследствие увеличения значений предельного напряжения сдвига и пластической вязкости.

Таким образом, результаты проведенных исследований свидетельствуют о том, что армирование поризованных бетонов является одним из наиболее эффективных направлений повышения их физико-механических характеристик.