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

Подождите немного. Документ загружается.

Конструкционные качества стекол обусловливаются в значительной мере их

структурным строением. Структурное строение стекол определяет во многом их

поведение при механических воздействиях, меру химической устойчивости к ак-

тивным средам, диэлектрические, оптические и другие свойства. Современные

физические концепции представляют стекло как твердое тело в виде переохлаж-

денной жидкости с фиксированной микронеоднородной структурой.

В процессе

формования подобных структур при охлаждении и расплаве стекла возникает

система, состоящая из микроструктурных образований, строение которых в цен-

тральной части аналогично недеформированной кристаллической решетке, но при

удалении от центра к периферии эти образования деформируются и соответст-

вующие участки периферийной области приобретают аморфное строение. Хими-

ческие представления основываются на том

, что структура стекла, как и структура

кристаллического тела, представляет собой непрерывную сетку, в узлах которой

расположены атомы, атомные группы или ионы. Пространственная сетка может

состоять из достаточно длинных кремнекислородных цепочек, лент или даже ко-

лец. Вместе с тем в отличие от правильной кристаллической сетки структурная

сетка стекла является неправильной и

принцип ее построения иной, чем кристал-

лической сетки.

Исследования выявили, что тонкие нити стекла обладают более высокой

прочностью по сравнению с прочностью массивных образцов. Такая зависимость

прочности от масштабного фактора у стекол появляется в значительно большей

мере, чем у многих конструкционных материалов, в том числе и у стальной арма-

туры.

Например, прочность при растяжении образцов массивного стекла колеб-

лется в пределах 50…100 МПа, а прочность стеклянных волокон диаметром 10

мкм изменяется от 1500 до 2500 МПа, т.е. при прочих равных условиях намного

выше прочности образцов массивного стекла.

Одним из важнейших свойств стеклянных волокон является модуль упруго-

сти. Эта характеристика в полной мере зависит

от диаметра волокон (таблица 13).

Таблица 13 – Зависимость модуля упругости стеклянных волокон

от их диаметра

Диаметр волокон,

мкм

Модуль упругости,

МПа

Упругое удлинение,

10-20 73500 – 74500 2,7 – 1,5

46-60 76000 – 77000 1,3 – 1

80-100 78000 – 79000 0,75 – 0,5

При применении стеклянных волокон в качестве армирующего материала

для цементных и гипсовых растворов и бетонов перспективными оказались во-

локна сравнительно больших диаметров – до 100 мкм, которые, несмотря на более

низкую прочность при разрыве, имеют повышенные значения модуля упругости.

Наряду с этим такие волокна обладают при прочих равных условиях более высо-

ким

уровнем коррозионной устойчивости к воздействиям среды гидратирующего-

ся цемента. Наиболее активным и агрессивным по отношению к стеклам компо-

нентом жидкой фазы гидратирующихся портландцементов является Са(ОН)

. Ис-

пользование вяжущих, не выделяющих в процессе гидратации Са(ОН)

, напри-

мер, глиноземистого и гипсоглиноземистого цементов, существенно замедляет

процессы разрушения стеклянных волокон, но не прекращает эти процессы пол-

ностью.

Наиболее устойчивыми к воздействиям среды твердения цементов являются

волокна цирконийжелезомагнийсиликатных составов. Решение вопроса о выборе

волокон и вида вяжущих для конструкционных материалов всегда связано не

только с подбором оптимального химического состава

волокон и их диаметров,

но и с определением функционального назначения и рациональных областей

применения этих материалов с учетом условий их длительной эксплуатации.

Синтетические волокна. Синтетические волокна относятся к классу воло-

кон органического происхождения. Несмотря на более низкие значения упругих

характеристик органических волокон (по сравнению со стальными и стеклянны-

ми),

интерес к их исследованиям и применению в качестве армирующей добавки

для бетонов сохраняется до сих пор.

Попытки использовать в качестве арматуры органические волокна расти-

тельного или животного происхождения были известны с давних пор. Исследова-

лись возможности применения джутовых, сизалевых, кокосовых, целлюлозных и

других волокнистых материалов. Однако волокна этого типа из-

за большого во-

допоглощения требуют существенного повышения водоцементного отношения

для обеспечения необходимой подвижности бетонной смеси, что, в свою очередь,

приводит к заметному снижению прочности композиций. Проблематичны также в

этом случае вопросы долговечности конструкций.

В большей мере предъявляемым требованиям отвечают синтетические во-

локна: нейлоновые, полиэтиленовые, полипропиленовые и др., которые не под-

даются коррозии под воздействием среды гидратирующихся цементов.

Нейлоновое волокно было первым синтетическим материалом, рекомендо-

ванным для армирования бетона в конструкциях, подвергаемых главным образом

действию динамических нагрузок. Однако нейлоновые волокна в виде элементар-

ных нитей менее технологичны и дороже полипропиленовых, что является одной

из причин, сдерживающих их более широкое применение. Остальные показатели

(прочность, химическая инертность, долговечность, теплостойкость) нейлоновых

волокон близки к показателям волокон из полипропилена.

Объемные волокна из полипропилена для армирования бетонов получают

из пленки путем ее продольной резки, вытягивания и скручивания. В бетонной

смеси такие волокна диаметром 0,02…0,038 мм раскрываются, и цементное тесто

проникает между ячейками сетчатой структуры, образуемой волокнами. Указан-

ные волокна имеют более надежное сцепление с

бетоном и дешевле, чем нейло-

новые.

Все синтетические волокна имеют плохую смачиваемость, при этом их сце-

пление с цементным камнем весьма мало и обусловливается в основном силами

механического заанкеривания. Поэтому, фибриллированные волокна, включая

волокна, скрученные в жгут, имеют более высокую степень заанкеривания в бе-

тонной матрице.

Армирование бетона синтетическими

волокнами не обеспечивает сколько-

нибудь заметного повышения прочности при статических нагрузках. Однако со-

противление композиции «бетон-синтетическое волокно» при воздействии удар-

ных нагрузок оказывается более высоким по сравнению с неармированным бето-

ном. В этом случае работа, которую необходимо затратить для полного разруше-

ния композиции, значительно возрастает за счет, главным образом, сил

трения,

которые необходимо преодолеть при выдерживании волокон в процессе разруше-

ния материала.

Значительный интерес в настоящее время представляет применение в каче-

стве арматуры синтетических волокнистых материалов, которые являются отхо-

дами промышленного производства. К ним относятся, в частности, полиамидные

волокна, используемые при получении шинного корда. Промышленные отходы

кордных волокон (вискозных, капроновых

) дешевле полиэтиленовых, нейлоновых

и полипропиленовых. К тому же утилизация отходов (любых) – это задача номер

один для современного мира.

Отходы корда представляют собой волокна длиной от 5 до 25 мм диаметром

0,5…0,67 мм, которые сравнительно легко перемешиваются с бетонной смесью и

равномерно распределяются в ее объеме. Некоторые технические характеристики

волокон, используемых при изготовлении шинного корда, приведены в таблице

14.

Таблица 14 – Технические характеристики волокон для шинного корда

Волокно

Число

элементарных

волокон в

нити

Разрывная

нагрузка,

Удли-

нение,

Проч-

ность на

растяже-

ние,

МПа

Мо-

дуль

Юнга,

МПа

Полиамидное 140 130 24 720 1900

Вискозное

сверхпрочное

800-1000 165 14 660 5600

Работы по расширению класса применяемых синтетических волокон про-

должаются.

2.3 Технологические методы изготовления

дисперсно армированных бетонов

При получении бетонов, упрочненных волокнами, важное значение имеют

не только правильный подбор и рациональное сочетание исходных материалов,

но и технология их изготовления. Свойства получаемых композиций находятся в

большой зависимости от решения задач, связанных с

обеспечением равномерно-

сти распределения фибр в бетоне, их ориентации, анкеровки, определяющих в

значительной мере способность композиции оказывать сопротивление внешним

воздействиям. Несмотря на общность многих вопросов в технологии дисперсно

армированных бетонов, в этом направлении имеется много различных технологи-

ческих ответвлений, которые продолжают развиваться в настоящее время.

Бетоны, армированные стальными фибрами

Для

получения таких бетонов необходимо выполнить ряд условий:

- надо иметь достаточное количество одинаково высокопрочных волокон;

- в ходе технологического процесса волокна должны сохранять значитель-

ную часть своей прочности;

- волокна надо равномерно распределять по всему объему матрицы, однако

они не должны непосредственно соприкасаться друг с другом;

- волокна должны иметь хорошее сцепление

с раствором и бетоном;

- матрица должна быть химически инертной по отношению к волокнам;

- волокна должны иметь более высокий по сравнению с матрицей модуль

упругости;

- желательно, чтобы матрица имела достаточно высокую прочность на

сдвиг; при возможности следует стремиться к ориентированному распределению

волокон в матрице (растворе, бетоне).

Выполнение перечисленных условий требует проведения различных по со-

держанию и сложности осуществления технологических мероприятий.

Технология изготовления бетонов, армированных стальными фибрами, сла-

гается из трех главных операций:

- получение фибровой

арматуры;

- приготовление фиброармированной бетонной смеси;

- формование изделий.

Получение фибровой арматуры

В настоящее время применяется несколько методов получения стальных

фибр:

- из проволоки с резкой и профилированием их сечения;

- из отработанных стальных канатов с резкой последних на отрезки задан-

ной длины, их расщеплением и очисткой от смазки;

- из стальной

полосы заданной ширины с поперечной или продольной рез-

кой специальными фрезами;

- из стального слитка (сляба) путем фрезерования;

- вытяжкой волокон из расплава;

- получение пакетов склеиванием фибр водорастворимым клеем (по методу

бельгийской фирмы «Бекарт»; пакеты «Драмикс»).

В последнем варианте проволоки диаметром до 1 мм от 10 бухт подаются

через направляющие ролики в емкость

с клеем, после чего подвергаются термо-

обработке в сушильной печи и затем после твердения клея разрезаются на пакты

(блоки) с образованием на их концах отгибов для повышения анкерующей спо-

собности каждой фибры (рисунок 13).

1 – бухты проволоки, 2…5 – направляющие ролики, 6 – емкость для клея, 7 – обтирочное при-

способление, 8 – сушильная печь, 9 – фрикционные ролики, 10 - нож

Рисунок 13 – Схема технологии получения пакетов фибр «Драмикс»

фирмы Бекарт

Применение пакетов фибр снижает транспортные расходы, повышает каче-

ство технологического процесса смешивания фибр с компонентами бетонной сме-

си.

На рисунках 14…17 показаны схемы станков для получения фибр из сталь-

ной проволоки, из листовой рулонной стали, из обработанных канатов, из распла-

ва.

1- бухтодержатель; 2 – направляющая; 3 – прижимной валок; 5 – проволока;

6 – ротор; 7 – подвижный нож; 8 – неподвижный нож

Рисунок 14 – Схема станка для получения фибр из стальной проволоки

1 – рулон листовой стали; 2 – направляющее устройство; 3 – подающий механизм;

4 – неподвижный нож; 5 – ротор с подвижными ножами

Рисунок 15 – Схема станка для изготовления фибр из листовой

рулонной стали

1 – бухта троса; 2 – механизм подачи троса; 3 – пневмоцилиндр; 4 – режущее устройство;

5 – вальцы для расщепления прядей троса; 6 – контейнер-дозатор;

7 – емкости для промывки фибр

Рисунок 16 – Схема установки для получения фибр из обработанных канатов

1 - камера; 2 - диск-кристаллизатор; 3 - плавильная индукционная печь;

4 - привод подъема плавильной печи; 5 - устройство загрузки шихтовых материалов;

- бункер-сборник готового продукта; 7 — вход и выход охлаждающей воды; 8 — экран;

9 — расплав металла; 10-фибры

Рисунок 17 - Схема установки для получения фибр из расплава

Приготовление фиброармированной бетонной смеси

Наиболее сложно в технологическом отношении введение волокон (фибр) в

необходимых количествах в растворную или бетонную смесь с одновременным

обеспечением соответствующей равномерности и дисперсности их распределе-

ния. При традиционных методах перемешивания в растворе и бетоне при введе-

нии волокнистого заполнителя наблюдается образование характерных скоплений

волокон в виде комков

и клубков, препятствующих дальнейшему их распределе-

нию в объеме материала. Это наблюдается при использовании практически всех

видов волокон независимо от применяемого вяжущего. Поэтому могут возник-

нуть ситуации, при которых содержание волокон и степень их рассредоточения в

растворе (бетоне) будут неодинаковыми и недостаточными для создания опти-

мального (критического) уровня. Это может

привести к тому, что статические ис-

пытания на растяжение или изгиб не покажут увеличения прочности материала.

Возможности равномерного распределения волокон в растворе (бетоне)

обусловливаются рядом факторов и зависят в значительной мере от отношения

длины волокон к диаметру, их объемного содержания, размера частиц заполните-

ля, его количества, а также способов перемешивания.

Особенно большое влияние на технологический процесс оказывает длина

используемых волокон. Оптимальным для стальных фибр при существующих

технологиях является отношение длины и диаметра, равное l/d=100.

Важное значение имеют вопросы введения фибр в бетонную смесь.

В настоящее время применяются несколько технологий изготовления фиб-

ромированной бетонной смеси.

Первая технология

заключается в том, что сначала перемешивают всухую

песок с заполнителем и затем вводят требуемое количество предварительно про-

сеянных через сито фибр. После этого в смесь добавляют цемент и воду или сна-

чала цемент, а затем воду с добавками и продолжают перемешивание до получе-

ния однородной бетонной смеси.

Вторая технология

предусматривает введение волокон к заполнителю,

предварительно перемешанному с водой, и после этого введение цемента и недос-

тающей воды.

Третья технология

относится к изготовлению растворной смеси, в которой

отсутствует крупный заполнитель. В этом случае волокна вводят в самую послед-

нюю очередь (после песка, воды и цемента).

Четвертая технология

рекомендует осуществлять подачу фибр в бетоно-

смеситель с помощью установленного над ним специального устройства, пред-

ставляющего собой барабан в виде беличьего колеса.

1 — фибра; 2 — бетоносмеситель; 3 — барабан; 4 — лоток; 5 — привод (не показан);

6 — стержни; 7 — поддон; 8 — крышка; 9—реле для регулирования времени работы барабана и

бетоносмесителя (не показано); 10— ограждение

Рисунок 18 – Устройство для подачи фибр в бетоносмеситель

В барабан помещается навеска фибр на замес смесителя. В процессе враще-

ния барабана фибры под действием центробежных сил постепенно и равномерно

подаются в смеситель во время перемешивания в нем компонентов бетонной сме-

си.

Пятая технология

состоит в том, что в зоне над бетоносмесителем уста-

навливают устройство для получения фибр из исходной заготовки (стальной про-

волоки). Устройство работает одновременно (синхронно) с работой бетоносмси-

теля. Во время перемешивания бетонной смеси осуществляется процесс резки

проволоки на фибры с одновременной их подачей в бетоносмеситель. В данном

случае отпадает необходимость

в упаковке фибр, их складировании и транспорте.

Шестая технология

заключается в равномерной подаче фибр в бетонную

смесь через вибросито по конвейеру методом вдувания. Волокна из барабана по-

ступают на вибросито, где осуществляется их расщепление, затем они подаются

на конвейер, после чего вдуваются сжатым воздухом в бетономешалку с предва-

рительно загруженными в нее исходными компонентами.

Седьмая технология

предусматривает введение в бетонную смесь пакетов

фибр, склеенных водорастворимым клеем. При введении в бетонную смесь паке-

ты хорошо распределяются в ее объеме и в процессе растворения клея при пере-

мешивании смеси распадаются на отдельные фибры с последующим их равно-

мерным распределением в смеси.

Для приготовления фиброармированных бетонных смесей могут использо

ваться обычные смесители периодического действия, но более эффективными яв-

ляются смесители принудительного действия, а также специальные смесители,

например спирально-вихревые, турбулентные и др. Получение фиброармирован-

ной бетонной смеси может осуществляться на бетоносмесительных узлах дейст-

вующих заводов. При этом в зависимости от условий производства могут быть

различные компоновки дополнительных технологических устройств

с действую-

щим оборудованием.

На рисунке 19 приведена схема узла приготовления сталефибробетонной

смеси на строительстве завода кожизделий в г. Рязани.

1 — пульт управления; 2 — бункерная эстакада с дозаторами для подачи песка и щебня;

3— горизонтальный (ленточный) конвейер; 4 — наклонный конвейер;

5 — наклонный лоток для подачи пакетов фибр; 6 — мешки с пакетами фибр;

7 — емкость для цемента; 8 — емкость для воды; 9—емкость для пластификатора;

10—автобетоносмеситель

Рисунок 19 - Схема узла приготовления сталефибробетонной смеси на

строительстве завода кожизделий (Рязань

)

Формование изделий. Изготовление изделий и конструкций из дисперсно

армированных бетонов может осуществляться по существующим заводским тех-

нологиям:

- стендовой;

- поточно-агрегатной;

- конвейерной.

При стендовой технологии формы (стенды) не перемещаются, остаются не-

подвижными, а оборудование (или часть его) и рабочие перемещаются от одного

рабочего поста к другому.

При поточно-агрегатной

технологии все операции (очистка и смазка форм,

укладка арматуры и бетонной смеси, твердение и распалубка форм) выполняются

на специальных постах, образующих технологическую линию. Изделия вместе с

формой последовательно перемещаются (с помощью крана или тельфера) от по-

ста к посту с различными интервалами времени, зависящими от продолжительно-

сти той или иной

операции, от нескольких минут (смазка форм) до нескольких ча-

сов (твердение в пропарочных камерах).

Конвейерная технология характеризуется тем, что все операции полностью

синхронизированы (выровнены), а передача материалов и изделий с одного поста

на другой производится непрерывно при помощи специальных транспортных

средств-конвейеров.