Алексеева Л.Л. Инновационные технологии и материалы в строительной индустрии

Подождите немного. Документ загружается.

Температура твердения бетонов на глиноземистом цементе не должна пре-

вышать 20-25

С.

Что касается гипсовых вяжущих, то стальная арматура в изделиях на их ос-

нове подвергается интенсивной коррозии. Это связано главным образом с ней-

тральностью среды твердения гипсового камня (рН=6,5…8). Вместе с тем, среда

гидратации гипсовых вяжущих оказывается практически инертной ко всем видам

минеральных волокон. Поэтому они являются эффективным армирующим мате-

риалом для гипсовых изделий.

Для дисперсно армированных конструкций целесообразно использовать

строительный и высокопрочный виды гипса. Изделия на основе гипса быстро

приобретают высокую прочность, обладают высокой огнестойкостью, малой теп-

лопроводностью. Циклы изготовления конструкций с применением гипса имеют,

как правило, небольшую продолжительность, что обеспечивает высокую произ-

водительность технологического процесса.

Для регулирования сроков

схватывания гипсового теста (в том числе и для

стеклоармированных конструкций) используются добавки-замедлители, включая

разные клеи, буру и другие подобные им вещества.

В связи с недостаточной водостойкостью изделий на основе гипса их при-

менение рекомендуется в помещениях с относительной влажностью воздуха не

более 75%. В данном случае ведутся работы, направленные на

повышение стекло-

армированных гипсовых конструкций, что позволит значительно расширить об-

ласть их применения.

Определенный интерес представляет применение в дисперсно армирован-

ных конструкциях бетонов на основе гипсоцементнопуццолановых вяжущих

(ГЦПВ), которые включают 50-80% гипсового вяжущего, 15-20% портландцемен-

та и 10-25% гидравлических добавок. Важно, что ГЦПВ в отличие от обычного

гипса обладают более высоким уровнем

водостойкости.

Еще более высокими свойствами, особенно водостойкостью, обладают но-

вые композиционные гипсополимерные вяжущие (КГПВ), у которых в качестве

полимерного связующего используются отверждающиеся полимеры (карбамид-

ные и меламиновые смолы, акриловые сополимеры). Отверждающееся полимер-

ное связующее, вводимое в гипсовое тесто в больших количествах, служит свя-

зующим материалом в дополнение к минеральному вяжущему

веществу. При со-

вмещении этих столь различных веществ образуются материалы со сложной ор-

ганоминеральной структурой и специфическими свойствами, присущими как гип-

су, так и полимеру.

Свойства материалов, полученных таким образом, в первую очередь опре-

деляются свойствами полимера, и улучшаются они по сравнению с гипсом тем

более, чем больше в его составе полимера. В

этой связи если композиту следует

придать более высокую прочность, можно использовать карбамидные смолы. Ес-

ли же кроме прочности требуется более высокая водостойкость, то необходимо

применять меламиновые смолы. Если композиционный материал будет подвер-

гаться различным деформациям в процессе эксплуатации, то здесь не обойтись

без акриловых полимеров, т.к. отвержденные и высохшие продукты

этих полиме-

ров обладают высокой прочностью, эластичностью и водостойкостью.

Гипсополимерные вяжущие вещества в строительной практике используют-

ся для производства различных бетонов, в том числе и дисперсно армированных.

Фиброгипсополимер (название дисперсно армированного материала на ос-

нове КГПВ) имеет плотность, равную 1700 кг/м

, прочность при сжатии – 40

МПа, изгибе – 20 МПа, водопоглощение – 2%, коэффициент размягчения – 0,85,

морозостойкость – 250 циклов. Применяется для облицовки фасадов (плиты, ар-

хитектурные изделия), для изделий малых архитектурных форм и садово-

парковой архитектуры. Исследования по расширению применения данных мате-

риалов продолжается.

Армирующие волокна. Не все волокна отвечают требованиям, которые

предъявляются к арматуре бетонов. Здесь прежде

всего необходимо учитывать

такие показатели, как прочность, деформативность, химическая стойкость арми-

рующего материала, его адгезия к бетону, коэффициент линейного расширения и

т.д. Важное значение имеют также вопросы стоимости армирующих материалов и

объемы их производства, которые в ряде случаев играют решающую роль.

Например, известны идеальные волокна в виде нитевидных монокристаллов

(так называемые "усы"), характеризующиеся чрезвычайно высокими прочностью

на разрыв и модулем упругости, большой устойчивостью к различным средам.

Однако производство этих волокон даже в промышленно развитых странах пока

ограничено. В то же время такие распространенные и освоенные промышленно-

стью многих стран волокна, как капрон, нейлон и др. не могут быть эффективно

использованы в качестве несущей арматуры, главные образом из-за более низких

(по сравнению с бетоном) значений модуля деформации.

В настоящее время используются в достаточно широких масштабах три ви-

да армирующих волокнистых материалов: волокна (фибры) в виде коротких от-

резков тонкой стальной проволоки, стеклянные волокна и волокна на основе по-

липропилена. Эти материалы различаются по своим свойствам, поэтому к реше-

нию вопросов их применения в качестве арматуры необходимо подходить

диффе-

ренцированно.

Наиболее эффективной в конструкционном отношении является стальная

фибровая арматура, модуль упругости которой примерно в 6 раз превышает мо-

дуль упругости бетона. Элементарные стеклянные волокна диаметров 8…10мкм

по прочности соответствуют высокоуглеродистой холоднотянутой проволоке

(1800-2500 МПа), а по плотности в 3,5 раза легче. Модуль упругости стеклово-

локнистых материалов ниже, чем стали, но примерно

втрое превышает модуль

упругости бетона и в среднем в 6 раз больше модуля упругости гипсового камня.

Это предопределяет реальные возможности применения стеклянных волокон в

качестве эффективного армирующего материала.

Синтетические волокна на основе полипропилена характеризуются повы-

шенной деформативностью. Модуль упругости таких волокон составляет не более

1/4 модуля упругости обычных бетонов. Поэтому волокна

из полипропилена вряд

ли могут выполнять роль эффективной несущей арматуры для бетонов. Их при-

менение дает возможность решить вопросы, связанные прежде всего с дополни-

тельным (конструктивным) армированием: предотвращения повреждений и выко-

лов в бетоне при транспортировании и монтаже изделий, частичного повышения

ударной прочности, сопротивления истиранию и т.д.

Таким образом,

как и при традиционном армировании эффективность рабо-

ты волокон в конструкциях в значительной мере должна определяться степенью

их деформативности. Поэтому предложено разделять волокна на 2 типа: низкомо-

дульные (нейлоновые, полиэтиленовые, полипропиленовые) с характерным для

них большим относительным удлинением при разрыве и высокомодульные

(стальные, стеклянные, углеродные). В первом случае при армировании следует

ожидать в основном повышения ударной вязкости бетона, во втором – может

быть достигнуто так же увеличение прочности бетона при растяжении, жесткости

и сопротивления динамическим воздействиям.

Для улучшения качества бетонных изделий могут быть эффективно исполь-

зованы углеродные волокна. Они не подвергаются коррозии в гидратирующемся

цементе, заметно повышают прочность цементного камня на растяжение

и модуль

его упругости. Однако стоимость углеродных волокон значительно превышает

стоимость стальных и стеклянных волокон, поэтому использование их в качестве

арматуры требует специального обоснования.

Ведутся работы по их получению и исследованию свойств.

Стальные волокна. Металлические волокна, применяемые в качестве ар-

матуры, изготавливаются различными способами: механическим, электромехани-

ческим, формованием из расплава. Получившие наибольшее распространение ме-

ханические способы включают волочение, обычное вытягивание

, протяжку, а

также резку металлической фольги или листа и других подобных материалов.

Выбор технологии производства металлических волокон существенно зависит от

требуемого диаметра.

Сверхтонкие волокна обычно получают путем волочения через алмазные

фильтры. Однако, несмотря на высокую прочность и эффективность подобных

волокон, использование их из-за значительной стоимости возможно лишь в не

больших количествах в тех случаях, когда это экономически оправдано.

Наибольшее применение для армирования бетонов получают нарезанные из

проволоки отрезки стальных волокон-фибр диаметром 0,3-1,5 мм (рисунок 11).

а – из проволоки; б – из сляба; в – из листа; г – "Драмикс" (Бельгия)

Рисунок 11 – Стальные фибры

Обычно используется стальная низкоуглеродистая проволока общего назна-

чения (ГОСТ 3282). Определенный интерес представляет получение плоских

стальных фибр сечением 0,15-0,4 мм на 0,25-0,9 мм из металлической фольги,

лент, листов, пластин или сплющенной круглой проволоки. Перспективным явля-

ется расширение производства плоских фибр, получаемых из листовых материа-

лов (тонколистового проката) или из стальных массивных заготовок.

В таблице 11 приведены показатели стоимости фибр, %.

Таблица 11 – Показатели стоимости стальных фибр

Расходы, %

Вид волокон и тех-

нологические прие-

мы их получения

на

сырье

на обработку

сырья и по-

лучение во-

локон

на прочие

(упаковка,

транспорти-

рование и

др.)

итого

Недостатки

производства

Круглые в попереч-

ном сечении, полу-

чаемые резкой

стальной проволоки

100

Высокая

стоимость ис-

ходного сы-

рья

Квадратной или

прямоугольной фор-

мы в поперечном се-

чении, получаемые

резкой листовой ста-

ли

Сравнительно

небольшой

срок службы

режущего ин-

струмента

Треугольной формы

в поперечном сече-

нии или в виде тон-

ких пластин, полу-

чаемых резкой

стальных заготовок

То же

Серповидной формы,

получаемые извле-

чением из расплава

Трудности в

подборе дол-

говеченых

материалов

для печей

Как видно, стоимость фибр зависит во многом от стоимости используемого

для их изготовления исходного сырья.

Значительные резервы для производства фибровой арматуры могут быть

изысканы при использовании для этих целей отработанных стальных канатов (по-

сле завершения или нормативных сроков эксплуатации, например, в шахтах, ка-

натных дорогах различного рода подъемных механизмов). Ежегодные

объемы

сдачи в переработку подобных канатов исчисляются десятками тысяч тонн.

Для получения дисперсно армированных бетонов важное значение имеют

геометрические параметры фибр, характеризующиеся их относительной длиной

(отношение длины к диаметру фибр). Эти параметры влияют не только на степень

заанкеривания фибр в бетоне, но и на технологические процессы получения одно-

родных составов армированной бетонной смеси. Могут наблюдаться три различ-

ных состояния, зависящие от длины фибр и от состояния массы фибровой арма-

туры.

Длина фибр l≤50 d .

В этом случае масса фибр обладает сыпучестью, и ка-

ких-либо проблем, связанных с получением однородного состава армированной

бетонной смеси при перемешивании в стандартных бетоносмесителях, не возни-

кает. Однако применение коротких фибр невыгодно, т.к. их длина недостаточна

для заанкеривания в бетоне. Соответственно прочность стали в конструкциях ис-

пользуется неполностью.

Длина фибр l=80-120 d. Увеличение длины фибр приводит к тому, что мас-

са их приобретает связность. Однако пучки сцепившихся друг с другом фибр при

встряхивании постепенно рассыпаются.

Получение однородной бетонной смеси в данном случае возможно при по-

степенном введении фибр в смесь в процессе ее перемешивания. При использова-

нии стандартных

бетоносмесителей количество вводимой фибровой арматуры

ограничивается соотношением

=2,5 d/l.

Длина фибр l=200 d и более. Связность фибр в этом случае достигает такого

уровня, что получение смеси бетона с фибрами путем их перемешивания в бето-

носмесителях практически невозможно. Здесь требуются другие технологические

приемы совмещения бетона с фибрами, например, основывающиеся на методах

роторного набрызга.

Наиболее приемлемыми, как показала практика, можно

признать соотноше-

ние l/d=100.

На эффективность работы армированных волокнами бетонов большое влия-

ние оказывают характеристики сцепления фибр с бетоном. Для увеличения сцеп-

ления между стальной арматурой и бетоном рекомендуются проволоки периоди-

ческого профиля с рельефной и деформированной поверхностью, проволоки пря-

моугольного и квадратного сечений, с переменным по длине сечением

, переходя-

щим от круглой к прямоугольной форме, а также гнутые фибры, фибры с отгиба-

ми на концах, с различного рода анкерами и т.д. В таблице 12 приведены данные,

характеризующие влияние различных видов обработки стальной проволоки на

прочность ее сцепления с цементным камнем.

Таблица 12 – Влияние обработки проволоки на прочность ее сцепления

с цементным камнем

Способ обработки проволоки

Прочность сцепле-

ния проволоки с

цементным камнем-

усилие выдергива-

ния (усредненные

данные), Н

Индекс, характе-

ризующий повы-

шение прочности

сцепления с це-

ментным камнем

обработанной

проволоки по

сравнению с необ-

работанной

Химический

Очистка в трихлорэтилене 29 1,5

Травление:

в разбавленной азотной кислоте

в концентрированной азотной кислоте

в щавелевой кислоте

в растворе фосфата

1,5

1,2

Окисление:

при температуре 350 С

При температуре 600 С

образование небольшого количества ржавчины

4,7

Нанесение полимерных покрытий:

из эпоксидной смолы

из эпоксидной смолы и цемента

на основе поливинилацетата

112

3,1

5,7

Нанесение покрытий, содержащих металлы:

горячее цинкование

электролитическое цинкование

горячее цинкование и обработка раствором

хромата

электролитическое цинкование и обработка рас-

твором хрома

149

102

7,8

5,2

3,7

4,2

Механический

Обработка наждаком (шкуркой):

в направлении, параллельном оси проволоки

в радиальном направлении

1,4

1,8

Раздавливание в тисках 67 3,4

Нанесение зазубрин 74 3,7

Скручивание 31 1,6

Наплавление небольших шарообразных выступов 128 6,5

Расплющивание концов отрезков 175 8,9

Загибание:

концов отрезков

петель на концах отрезков

зигзагообразное загибание отрезков

загибание отрезков вокруг круглого стержня

109

212

5,5

10,8

4,7

4,2

Как видно из таблицы, наиболее эффективные способы обработки проволо-

ки – окисление при температуре 600

С, нанесение на поверхность проволоки

эпоксидной смолы и цемента, а также горячее и электролитическое цинкование.

При механической обработке наибольший эффект дает загибание петель на кон-

цах проволок, но введение в бетонную смесь проволоки с петлевыми концами

может затруднить перемешивание такой смеси.

Как упоминалось ранее значительные разрывы для производства фибровой

арматуры

лежат в области использования обработанных стальных канатов. Сей-

час этот сырьевой резерв тем более актуален, что огромное внимание во всем ми-

ре уделяется утилизации производственных отходов на фоне охраны окружающей

среды.

Получение фибр из обработанных стальных канатов осуществляется путем

резки этих канатов на отдельные отрезки, которые затем подвергаются расщепле-

нию

на отдельные проволоки-фибры. Для использования этих фибр важное зна-

чение имеет определение их оптимальных геометрических параметров, которые

зависят от технологических возможностей производства, а также от конструктив-

ных требований, предъявляемых к фибрам как к арматуре бетона. Уменьшение

длины резки канатов существенно облегчает процесс их расщепления, однако

конструкционные качества фибр при этом

становятся ниже.

На практике при резке канатов длина отрезков зависит от шага свивки пря-

дей и устанавливается в соответствии с техническими возможностями их расщеп-

ления с учетом получения максимально возможной длины получения фибр.

Одной из важных технологических операций является очистка поверхности

стальных канатов от имеющейся на ней смазки, которая

препятствует сцеплению

фибр с бетоном в конструкциях. Канат перед резкой подвергают термической об-

работке, например, путем его отжига или электротермического нагрева. Смазка с

поверхности удаляется, а содержащийся в канате органический (пеньковый) сер-

дечник отжигается. После термической обработки канат охлаждают, режут на от-

резки, а отрезки расщепляют путем перетирки. Недостатком данной технологии

является высокая энергоемкость технологического процесса и частичное сниже-

ние прочности в проволоках, подвергаемых термической обработке при достаточ-

но высокой температуре.

С целью снижения энергозатрат и повышения качества фибры предложен

новый способ, состоявший в том, что сначала осуществляют резку канатов и их

расщепление, а затем полученные фибры обрабатывают острым паром или горя-

чей водой при 70…100

С. В пар или воду вводят поверхностно-активные вещест-

ва.

Еще одна новая технология по очистке поверхности канатов (фибр) – обра-

ботка сухим горячим воздухом под определенным давлением.

Стеклянные (минеральные) волокна. Разнообразие типов стекол обу-

словливает возможность получения широкой номенклатуры стеклянных волокон

различного химического состава с большим диапазоном их физико-

механических

и конструкционных свойств.

К стеклам относят плавленый кварц и различные оксидные соединения –

силикатные, фосфатные, боратные, свинцовые, а также системы, не содержащие

кислорода, на основе соединений мышьяка, сурьмы с серой, селеном, теллуром

(халькогенидные стекла). К наиболее обширной группе относятся силикатные

стекла и полученные из них стеклянные волокна: кварцевые, алюмоборосиликат-

ные

, натрийкальцевосиликатные, цирконийсиликатные, алюмосиликатные и др.

Развивается производство шлаковых волокон и волокон, получаемых из плавле-

ных горных пород (в том числе из базальта).

Стоимость стеклянных волокон, как правило, выше стоимости обычной

стальной арматуры, однако плотность стекла примерно в 3 раза ниже, чем стали.

Использование стеклянных волокон в качестве арматуры достаточно выгодно,

главным

образом в тонкостенных конструкциях. Применение таких волокон

обеспечивает экономию дефицитной арматурной стали.

Свойства стекловолокон зависят от многих факторов, в том числе и от спо-

собов их получения и химического состава стекла. По своему химическому соста-

ву промышленные стекла и стекловолокна подразделяются на две основные груп-

пы: бесщелочные (содержание не более

1…2% щелочных оксидов) и щелочные

(содержащие 10…15% щелочных оксидов).

В настоящее время налажено производство непрерывных стеклянных воло-

кон в виде одиночных нитей большой длины (сотни и тысячи метров) и штапель-

ных – сравнительно коротких отрезков (до 60 см) одиночных волокон. Непрерыв-

ные стекловолокна диаметрами от 3 до 100 мкм получают путем вытягивания из

расплавленной стекломассы на специальных установках из стеклоплавильных со-

судов с фильерами (отверстиями) в днище. Количество фильер может колебаться

от 50 до 1600. После вытягивания элементарные стеклонити собираются в пучок –

первичную нить. Первичные нити в 20, 40 или 60 сложений наматываются на ба-

бину. Непрерывное стекловолокно используется для переработки в ровинг (жгут),

а также для получения тканых

или нетканых рулонных материалов. Штапельное

волокно диаметром до 20 мкм получают путем вертикального вытягивания и раз-

дува или центрифугально–фильерно-дутьевым методом.

В качестве дисперсной арматуры для бетонных матриц используются не-

прерывные стеклонити, получаемые из жгута, а также нарезаемые из него корот-

кие отрезки волокон, длина которых устанавливается в основном в

зависимости

от технологических требований. Для армирования могут использоваться срезы

стекловолокна, стеклохолсты, вуали, нетканые стеклосетки и другие подобные им

переработанные стекломатериалы (рисунок 12).

а – стекложгут; б – нетканые стеклосетки; в – стеклохолст;

г – стеклорезы; д - рубленое волокно

Рисунок 12 – Стекловолокнистые материалы, используемые

в качестве арматуры