04.05.2024 0
д.т.н., профессор, зам. директора по научной работе ГП «НИИСМИ» (г. Киев, Украина)
ст. науч. сотр., ученый секретарь ГП «НИИСМИ» (г. Киев, Украина)

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.

Базальтовая микрофибра «MAGMA MICROFIBER»

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).

Волокна микрофибры «MAGMA MICROFIBER-Zr»

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