Бетони армовані базальтовими волокнами
Інноваційні технології виробництва базальтового безперервного волокна
НОВІ ІНЖЕНЕРНІ РІШЕННЯ ПРОЕКТІВ ПЕРЕРОБКИ БАЗАЛЬТУ У ВОЛОКНО
Проектування виробничих комплексів виробництва безперервного базальтового волокна
ДОСЛІДЖЕННЯ ГІРНИЧИХ ПОРІД
Визначення придатності гірських порід для виробництва базальтового волокна
БЕТОНИ АРМОВАНІ БАЗАЛЬТОВИМИ ВОЛОКНАМИ
Поряд із широким застосуванням залізобетонів особливої уваги, на нашу думку, заслуговують композиційні матеріали, в яких роль матриці виконує цементний камінь, отриманий на основі портландцементу, а як арматуру використовуються різні мінеральні та полімерні волокна, а також металеві сітки та стружка. Волокна забезпечують тривимірне укріплення бетону в порівнянні з традиційною арматурою, яка забезпечує двовимірне укріплення.
В даний час можна склатися два напрямки створення композиційних матеріалів:
- композити на високомодульних волокнах (сталеві, азбестові, скляні, базальтові);
- композити на низькомодульних волокнах (нейлонові, поліетиленові, поліпропіленові та ін.).
У кожного композиту з різними армуючими матеріалами є переваги та недоліки, але більшість дослідників віддають перевагу композитам з використанням як армуючий матеріал базальтових волокон.
Штучні пористі кам'яні матеріали (бетони), характеризуються низьким опором на розрив та утворенням усадкових тріщин при затвердінні. Одним із істотних недоліків таких виробів є руйнування кутів конструкцій, що виробляються. Уникнути утворення тріщин і сколів можливо кількома способами,зокрема вторинним армуванням металевою сіткою чи арматурою, звареним дротом. Але найбільш ефективним є спосіб модифікування в'яжучих сумішей базальтовими, поліпропіленовими та металевими волокнами. Він дозволяє вирішити проблеми, пов'язані з використанням зварної арматури в перекриттях, що дозволяє заощадити на металі. Так поліпропіленове волокно при заміні зварної дротяної сітки запобігає утворенню тріщин у конструкції та підвищує її міцність на вигин більш ніж на 2%. При певному відсотковому вмісті волокна в суміші воно замінює вторинне армування та забезпечує пластичність, але не замінює конструктивну сталеву арматуру. Поряд із цим поліпропіленове волокно має свої недоліки: воно деформується при невеликих навантаженнях на розтяг, втрачає свої властивості з часом і горить при дії на нього відкритого полум'я.
Структура бетону при використанні базальтових волокон наближається до структури з арматурою зі сталевих сіток, але базальтобетон має більш високу міцність, тому що базальтове волокно, що його армує, має більш високий ступінь дисперсності в армованому камені, а саме волокно має більш високу міцність ніж сталева сітка. Базальтобетонні конструкції можуть витримувати великі напружені деформації, тому що саме волокно при розтягуванні пластичних деформацій не має, а по пружності перевершує сталь. У цьому відносна деформація цементного каменю без утворення тріщин сягає 0,9 – 1,1 %. Така деформація у 45-55 разів перевищує граничне подовження неармованого цементного каменю. Однак при твердінні цементного каменю утворюється агресивне середовище, яке руйнує поверхню волокна, утворюючи при цьому раковини, а міцність волокна зменшується трохи до 15%. Але за рахунокраковин міцність зчеплення каменю та волокна збільшується і відповідно міцність самої конструкції зростає. При використанні грубих волокон (понад 40 мкм) їхня міцність практично не зменшується. Збільшення міцності цементного каменю відбувається за рахунок впливу базальтового волокна на концентрації напруг у місцях ослаблених структурними дефектами або підвищеної пористості (в піноматеріалах).
Волокна виготовлені з хімічно інертних гірських порід не вступають у реакцію з солями або барвниками і тому в'яжучі суміші з добавками волокна можуть застосовуватися при будівництві морських споруд в архітектурному будівництві при виробництві конструкцій зі складними поверхнями, декоративному бетоні. При виробництві дорожніх покриттів із застосуванням базальтового волокна воно запобігає жорсткості поверхні.
Перебування базальтового волокна протягом 6 годин у середовищі твердіючого бетону, нагрітій до температури 96 С, а потім витримки протягом 45 годин при нормальній температурі не призводить до істотних змін властивостей міцності волокна. У таких умовах скляне волокно втрачає свою міцність на 23-35 %. В результаті досліджень встановлено, що введення в цементну матрицю базальтових волокон дозволяє:
- Збільшити міцність зразків на стиск на 30 - 40%;
- збільшити міцність на осьове розтяг у три – чотири рази;
- Підвищити ударну в'язкість композиту в 3 - 4 рази.
Міцність композитних виробів залежить від ступеня анкерування армуючих волокон у цементній матриці. Теоретично міцність композиту збільшується із збільшенням вмісту у ньому волокон. Однак армуючі властивості бетонної матриці ззбільшенням кількості волокна зменшуються. Коли обсяг волокна прагне 1, обсяг цементної матриці прагне 0, і міцність композиту також буде нульовою. Тому існує певне співвідношення обсягів волокна та матриці, при яких матриця може забезпечити максимальний ступінь анкерування волокон. За даними ряду дослідників оптимальна кількість базальтового волокна в композиті має становити до 20% від ваги цементу (9, 10, 12).
Довжина зрізів безперервного базальтового волокна з одного боку визначається умовами рівномірного розподілу волокна в цементній матриці (занадто довге волокно сприяє утворенню сплутаних волокон у вигляді "їжаків"), а короткі волокна погіршують рівень їх армування цементною матрицею. У зв'язку з цим оптимальною прийнята довжина зрізу в межах 10-20 мм.
Приготування волокнистоцементної суміші на основі базальтового волокна – найбільш відповідальна операція у технології дисперсно армованих волокнистоцементних сумішей, оскільки найважливішим фактором, що забезпечує стабільність їх властивостей, є рівномірний розподіл базальтових волокон за обсягом суміші. Найбільш прийнятним способом є віброекструзивний, з використанням якого забезпечується рівномірне введення волокон у бетонну матрицю.
У роботі ( 12) на підставі узагальнення вітчизняного та зарубіжного досвіду сформульовано напрями ефективного використання базальтового волокна як армуючого матеріалу:
- для сприйняття головних напруг, що розтягують і сколює, замість стрижневої поперечної арматури;
- для зменшення довжини робочої арматури через можливість відмови від продовження її в зони зменшення згинального моменту, у зв'язку з підвищеною міцністю зчеплення стрижневої арматури з фібробетонамиможливістю зменшення довжини анкерування;
- Зменшення витрати розподільної арматури і бетону в тонкостінних елементах, у яких більшість армування призначається з конструктивних міркувань, а захисний шар бетону становить значну частину товщини елемента.
Там же наведені сфери застосування композитних матеріалів на основі базальтових волокон:
- у конструкціях, до яких пред'являються підвищені вимоги щодо жорсткості та тріскуватості;
- у спорудах, що зазнають впливу ударних і знакозмінних навантажень;
- у тонкостінних конструкціях та конструкціях складної геометричної форми;
- при зонному армуванні найбільш напружених ділянок конструкцій;
- у конструкціях, поперечне армування яких призначене в основному для сприйняття монтажних та транспортних навантажень;
- у конструкціях, до яких пред'являються підвищені вимоги щодо морозостійкості, водонепроникності, стирання та стійкості до теплового удару.
Ефективне застосування композитних матеріалів у центрифугованих трубах, для плит у дорожньому будівництві та опор контактних мереж, бетонних водних каналах, вогнезахисних конструкціях, сейсмостійких будинках та військових спорудах, бетонних підлогах, на злітних смугах аеропортів, швидкісних автодорогах, промислових підлогах обладнання, при внутрішньому армуванні тунелів та каналів, зміцненні схилів, ремонті та реконструкції споруд, покритті металевих поверхонь сталевих споруд. Основними перевагами бетону, армованого базальтовими волокнами є зниження товщини бетонного шару, до половини порівнюючи із звичайним бетоном, відповідно до загальної вартості будівництва, зменшення трудовитрат, пов'язаних із встановленням.дротяної сітки, в колекторах і підземних водних каналах товщина бетонного покриття істотно знижується, вартість ремонту та обслуговування істотно знижується завдяки довговічності армованого армованого волокном. Також не маловажним моментом є те, що волокна не піддаються електрохімічній корозії, на відміну від звичайної арматури, яка є електричним провідником і піддається катодному ефекту. За даними багаторічних досліджень НДІБК, довговічність грубого базальтового волокна в середовищі цементного каменю становить не менше ста років [1]. Слід також враховувати значне покращення ряду експлуатаційних якостей фібробетону (морозостійкість, ударостійкість, водонепроникність, стирання), що підвищують надійність та довговічність конструкцій, а також можливість створення безперервного автоматизованого технологічного процесу формування конструкцій.
У НДІБК Держбуду України м. Київ розроблено конкретні технології приготування бетонів, армованих базальтовими волокнами (базальтофібробетон). Запропоновано технології виготовлення конструкцій з використанням традиційних технологічних схем та обладнання, спеціальних ліній подачі базальтового волокна до бетонозмішувача з обов'язковим ущільненням отриманої маси на вібромайданчиках без глибинного вібрування. Сфера застосування нового композиційного матеріалу: плоскі та тонкостінні вироби, об'ємні елементи, кільця, труби, плити облицювання каналів та силосних траншів, дорожні та тротуарні плити, елементи незнімної опалубки, стінові панелі, фундаменти будівель та ін. При цьому економія металевої арматури з окремих видів продукції становить від 80 до 100%.
Незважаючи на такі очевидні переваги композиційного матеріалу, його виробництво так і не вийшло зстадії дослідних робіт, що пояснюється відсутністю технології великотоннажного виробництва зрізів безперервного базальтового волокна як сировини для виробництва бетонних виробів.
Таку технологію розроблено ЗАТ «Мінерал 7» м. Яворів, Львівської області. При виробленні волокна замість традиційної платинородієвої фільєрної пластини на установці застосована пластина із залізохромонікелевого сплаву, яка забезпечує низький температурний градієнт за площею вироблення волокна. Раніше намотувальні пристрої типу «НАС» замінені на пристрій оригінальної конструкції з напівавтоматичною заправкою нитки. Що дозволило підвищити годинне вироблення волокна за рахунок кількості фільєр.
Продуктивність агрегату по вихідній сировині (базальту) – 12 кг/год, по готовому продукту – 10 кг/год або 80 т/рік.
Витрата газу на плавлення - 10 нм/год. на 2 пальники однієї плавильної печі.
Витрата електроенергії на нагрівання фільєрної пластини – 20 кВт/год.
Хімічний склад вихідного базальту (в % за масою), використовуваного під час виробництва волокна для армування бетону, наведено у таблиці 1.
Хімічний склад гірських порід, що переробляються.