Аннотация. В статье описаны поисковые исследования по армированию теплоизоляционного автоклавного газобетона базальтовой микрофиброй. Целью работы является получение автоклавного газобетона пониженной плотности с улучшенными характеристиками на растяжение при изгибе и на сжатие. Проанализированы первые полученные результаты применения базальтовой микрофибры для армирования ячеистого бетона плотностью 150 кг/м3.
Ключевые слова: автоклавный газобетон, армирование, микрофибра, базальт, прочность при изгибе.
Современные тенденции развития строительного комплекса все больше ориентированы на повышение конкурентоспособности, разработку и внедрение принципиально новых конструктивных решений, обеспечивающих ресурсо- и энергосбережение, и, как следствие, высокие технико-экономические показатели и потребительские качества зданий. Оптимизация расходов обеспечивается благодаря применению долговечных, прочных, высококачественных строительных материалов и системных решений. Кроме экономичности еще одним важным требованием потребителей является экологичность строительных материалов и изделий, которая может быть достигнута за счет использования для производства соответствующих материалов и соблюдения строгого технологического режима закрытого цикла.
Как известно, изделия, изготовленные из автоклавного ячеистого бетона (АЯБ), отличаются достаточно хорошей прочностью, высокой теплоизолирующей способностью и существенно влияют на экономию энергии, необходимой для отопления объектов при одновременном обеспечении здорового микроклимата в помещениях. Этот современный высокотехнологичный строительный материал наилучшим образом вписывается в условия сбалансированного развития как по процессу производства, так и применению [1–5].
В свете ужесточения норм к теплоизоляции стен и удорожания энергоносителей в Украине основной тенденцией потребления газобетона является снижение плотности стеновых блоков с сохранением прочностных характеристик продукции.
С целью повышения конкурентоспособности ячеистых бетонов в современных условиях актуальной задачей является дальнейшее улучшение физико-технических свойств этих материалов и создание энергосберегающих технологий их изготовления.
Одним из способов решения этой задачи на современном этапе развития бетоноведения является использование дисперсного армирования, улучшающего механические и физико-технические свойства бетона – долговечность, прочностные и эксплуатационные свойства [6].
В соответствии с [7] для широкого применения фибрового армирования в производстве ячеистого бетона необходимо решить следующие вопросы:
- сохранность (стойкость и долговечность) каждого вида материала фибр в цементных, известковых, зольных и других растворах с различной степенью щелочности среды;
- влияние фибрового армирования на прочность ячеистого бетона при сжатии и растяжении при кратковременном и длительном воздействии нагрузок;
- влияние фибрового армирования на модули упругости и коэффициент поперечных деформаций;
- влияние фибрового армирования на усадку бетона в процессе термовлажностной обработки и в течение дальнейшего длительного времени, а также на морозостойкость ячеистого бетона;
- влияние на указанные выше свойства длины фибровых волокон (оптимальной длины волокон и их оптимального количества – дозировки);
- разработка распушивателей и измельчителей волокон и смесителей для введения фибровых волокон в ячеистобетонные смеси (по данным [8] распушка волокон заключает в себе потенциальные возможности улучшения свойств фибробетона, которые могут и должны быть реализованы именно в процессе приготовления смеси).
При использовании в ячеистом бетоне дисперсного армирования целесообразно использовать различную фибру: полипропиленовую, нейлоновую, полиэфирную, полиамидную, акриловую, полиэтиленовую, целлюлозную и др. Так, полипропиленовая фибра уже около 18 лет находит широкое применение в мире благодаря таким свойствам, как относительно высокий модуль упругости (до 8000 МПа), высокая химическая стойкость и прочность на растяжение (до 770 МПа), широкий температурный диапазон применения, неэлектропроводность и радиопрозрачность. Вопросы применения вышеуказанных видов фибры достаточно изучены и широко представлены в технической литературе.
Специалистами ГП «НИИСМИ» при поддержке ООО «АЕРОК» проведены поисковые исследования для определения возможности применения фибры из базальтового супертонкого волокна при производстве теплоизоляционного автоклавного газобетона плотностью 150 кг/м3.
Для исследований была использована базальтовая микрофибра «MAGMA MICROFIBER» производства ООО «Магма Индустрия» (г. Костополь, Украина). Это новая армирующая микрофибра, предназначенная для создания 3D-армированных композиционных материалов. Микрофибра изготавливается на основе измельченного механическим способом базальтового супертонкого волокна «MAGMAWOOL», производимого с использованием индукционной плавки шихты при температуре порядка 2200 °С. Это позволяет полностью разрушить кристаллическую структуру всех породообразующих минеральных компонентов базальта. С помощью дутьевых головок, в одну стадию расплав перерабатывается в базальтовое супертонкое (1–3 микрона) волокно, характерной особенностью которого является полностью аморфная структура. Такие волокна обладают повышенной механической прочностью и гибкостью, большей химической и тепловой стойкостью по сравнению с волокнами из Е-стекла. Уменьшенная толщина волокон приводит к значительному возрастанию их удельной прочности по сравнению с базальтовым ровингом с диаметром волокна 13–15 мкм.
Визуально материал представляет собой мелкодисперсный порошок серо-бежевого цвета, состоящий из фрагментов базальтовых супертонких волокон (рис. 1). Длина фрагментов обусловлена способом и временем измельчения. Насыпная плотность порошка определяется степенью помола и находится в пределах 1,5–2 г/см3.
Рис. 1. Базальтовая микрофибра «MAGMA MICROFIBER»
Базальтовая микрофибра «MAGMA MICROFIBER-M» содержит фрагменты волокон с длиной 25–120 мкм и до 10–20% мелкодисперсных частиц неправильной формы с линейными размерами 0,1–0,5 мкм. Фракции «MAGMA MICROFIBER-25», «MAGMA MICROFIBER-50» и «MAGMA MICROFIBER-75» имеют среднюю длину микроволокон 25, 50 и 75 мкм соответственно. Количество мелкодисперсной фракции 0,1–0,5 мкм в этих материалах меньше примерно в десять раз. Микрофибра «MAGMA MICROFIBER-Zr» на основе базальта, модифицированного силицидом циркония, отличается повышенной химической стойкостью.
Микрофибра «MAGMA MICROFIBER» является негорючим и экологически чистым материалом из природного сырья. Она обладает низкой теплопроводностью и полностью прозрачна для электромагнитных волн. Электропроводность материала на порядок ниже, чем у стекловолокон. Уменьшенный диаметр микрофибры приводит к существенному увеличению площади ее удельной поверхности. Этот фактор положительно сказывается на энергии сцепления волокон и матрицы при создании композиционных материалов. Химический состав и технические характеристики базальтовых супертонких волокон приведены в табл. 1 и 2.
Таблица 1
Химический состав базальтовых супертонких волокон
|
SiO2 |
Al2O3 |
FeO |
Fe2O3 |
CaO |
MgO |
MnO |
Na2О |
TiO2 |
|
51,56 |
15,49 |
10,43 |
4,42 |
8,5 |
5,22 |
0,2 |
2,1 |
2,08 |
Таблица 2
Технические характеристики базальтовых супертонких волокон
|
Свойства |
Параметр |
Единица измерения |
|
Средний диаметр волокна, не более |
2 |
мкм |
|
Массовая доля неволокнистых включений «корольков» размером свыше 0,25% |
до 4,8 |
% |
|
Плотность |
от 30 до 125 |
кг/м3 |
|
Коэффициент теплопроводности, не более: |
||
|
при (25±5) °С |
0,034 |
Вт/м·К |
|
при (125±5) °С |
0,054 |
Вт/м·К |
|
при (300±5) °С |
0,098 |
Вт/м·К |
|
Коэффициент звукопоглощения для частот от 100 до 2000 Гц |
0,95–0,99 |
- |
|
Температурный интервал применения |
-269...+900 |
°С |
|
Температура спекания волокон |
+1100 |
°С |
|
Гигроскопичность |
0,2–0,3 |
% |
|
Горючесть |
НГ (не горючий) |
|
|
Модуль кислотности |
4,8–5,2 |
- |
|
Массовая доля влаги, не более |
0,8 |
% |
|
Массовая доля паров хлора, не более |
0,03 |
% |
|
Химическая устойчивость (потеря веса в % при 3-часовом кипячении): |
||
|
в воде |
0,6 |
% |
|
в щелочной среде |
2,75 |
% |
|
в кислотной среде |
2,2 |
% |
|
Выщелачиваемость в пересчете на Na2O на 5000 см3, не более |
5,0 |
% |
|
Наличие связующего |
нет |
|
|
Выделение вредных веществ |
нет |
|
Анализ микроморфологии образцов базальтовой фибры (рис. 2) проводили с использованием растрового электронного микроскопа Tescan Mira 3 LMU (Tescan, Чехия).
Рис. 2. Волокна микрофибры «MAGMA MICROFIBER-Zr» на основе базальта, модифицированного силицидом циркония (электронная микроскопия)
Диаметр волокон находился в пределах 0,3–3,4 мкм. Поверхность волокон довольно гладкая, без особых изъянов и раковин, структура достаточно однородная [9].
Были изготовлены образцы теплоизоляционного автоклавного газобетона марки по средней плотности D150 контрольного состава и армированные базальтовой микрофиброй марок «MAGMA MICROFIBER-M», «MAGMA MICROFIBER-25», «MAGMA MICROFIBER-50», «MAGMA MICROFIBER-75» и «MAGMA MICROFIBER-Zr». Содержание микрофибры составило 0,1%, 0,2% и 0,3% от массы сухих компонентов сырьевой смеси. Расход вяжущих, кремнеземистого компонента, газообразователей и модифицирующих добавок – в соответствии с принятой рецептурой ООО «АЕРОК». Результаты определения физико-механических характеристик полученных образцов автоклавного газобетона приведены в табл. 3.
Таблица 3
Физико-механические характеристики образцов автоклавного газобетона
|
Образец |
Средняя плотность в сухом состоянии, кг/м3 |
Прочность при сжатии, МПа |
Прочность на растяжение при изгибе, МПа |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
Контрольный |
154,7 |
0,391 |
0,104 |
|
Армированный микрофиброй при содержании фибры, % от массы сухих компонентов: |
|||
|
«MAGMA MICROFIBER-M» |
|||
|
0,1 |
153,9 |
0,394 |
0,105 |
|
0,2 |
154,4 |
0,398 |
0,108 |
|
0,3 |
154,8 |
0,401 |
0,110 |
|
«MAGMA MICROFIBER-25» |
|||
|
0,1 |
155,0 |
0,396 |
0,107 |
|
0,2 |
155,3 |
0,407 |
0,112 |
|
0,3 |
154,6 |
0,415 |
0,114 |
|
«MAGMA MICROFIBER-50» |
|
|
|
|
0,1 |
153,5 |
0,399 |
0,107 |
|
0,2 |
154,2 |
0,412 |
0,118 |
|
0,3 |
155,0 |
0,417 |
0,121 |
|
«MAGMA MICROFIBER-75» |
|
|
|
|
0,1 |
155,0 |
0,413 |
0,111 |
|
0,2 |
155,2 |
0,419 |
0,120 |
|
0,3 |
155,5 |
0,425 |
0,128 |
|
«MAGMA MICROFIBER-Zr» |
|
|
|
|
0,1 |
153,6 |
0,409 |
0,108 |
|
0,2 |
154,1 |
0,416 |
0,113 |
|
0,3 |
154,8 |
0,423 |
0,125 |
Полученные экспериментальные данные подтверждают перспективность использования базальтовой микрофибры для армирования теплоизоляционного автоклавного газобетона. В сравнении с контрольными образцами увеличение прочности при сжатии составило от 7 до 9%, прочности на растяжение при изгибе – от 1 до 20% соответственно. Образцы, армированные фиброй «MAGMA MICROFIBER-75» и «MAGMA MICROFIBER-Zr», показали более высокий результат в сравнении с образцами, армированными фиброй «MAGMA MICROFIBER-M», «MAGMA MICROFIBER-25» и «MAGMA MICROFIBER-50».
Читать статью полностью – Материалы 11-й Международной научно-практической конференции «Опыт производства и применения ячеистого бетона автоклавного твердения», 2021 – С. 50–51, доступ по ссылке: http://architec.by/sites/default/files/Konf_beton2021_sbornik.pdf
