В настоящее время в строительной отрасли используются различные типы композиционных материалов, наполненных неорганической матрицей, в основном для улучшения механических эксплуатационных характеристик или для уменьшения риска возникновения трещин в бетоне из-за пластичной усадки. Одним из наиболее перспективных направлений в строительной индустрии является создание новых материалов, в том числе бетонов с добавлением базальтовой ваты, с высокими прочностными показателями при сжатии, изгибе и растяжении.
Базальт – это наиболее распространённый природный камень, порода вулканического происхождения. Плотность камня составляет 253,0…297,0МПа. Водопоглощение варьируется в пределах от 0,25 до 10,2 %. Коэффициент Пуассона составляет 0,20…0,25. Удельная теплоёмкость 0,85Дж/кгК. Температура плавления находится в пределе 1100…250 °C, в некоторых образцах горных пород этот показатель доходит до 1450 °C. Сопротивление материала составляет 60…400МПа [3, 5, 6, 7].
Базальты – многокомпонентная физико-химическая система, состав которой характеризуется широким спектром окислов и взависимости от месторождения различается незначительно: SiO2 – 48,88 %, Al2O3 – 15,61 %, CaO – 10,02 %, MgO – 3,23 %, FeO+Fe2O3 – 13,32 %, TiO2 – 1,62 %, MnO – 0,10 %, Na2O+K2 O – 2,22 %. Втабл.1 приведены основные характеристики базальтовых волокон [5].
Таблица 1
Сравнительные свойства базальтовых компонентов
|
Наименование волокон |
Диаметр, мкм |
Температурный интервал применения, °С |
Температура спекания, °С |
Коэффициент теплопроводности, Вт/(мК) |
Коэффициент звукопоглощения |
Коэффициент фильтрации |
Водоустойчивость, % |
Кислотостойкость (2н НСl), % |
Щелочестойкость, % |
|
|
0,5 н NaOH |
2 н NaOH |
|||||||||
|
Микротонкие |
<0,6 |
–260–+700 |
1050 |
0,03 |
0,99 |
0,9–1 |
95–95,3 |
29–31,5 |
84–85,3 |
37–42 |
|
Ультрасупертонкие |
0,6–2 |
–269–+700 |
1050 |
0,033 |
до 0,99 |
0,9–1 |
95–98,5 |
31–40,8 |
85–86,5 |
42–45 |
|
Тонкие |
5–15 |
–200–+650 |
1050 |
0,035 |
0,95 |
0,9–1 |
98–99,8 |
56–78,2 |
90–97,4 |
79–85 |
|
Утолщенные |
5–25 |
–200–+650 |
1050 |
0,04 |
0,9 |
0,8–1 |
99–99,9 |
79–85 |
97–99 |
84–88 |
Устойчивость базальта к атмосферным осадкам позволяет его использовать для наружных отделочных работ [1, 2]. Материалы, изготовленные на основе базальта, обладают следующими характеристиками: устойчивость к истиранию; стойкость к воздействию щелочей и кислот; отличная теплоизоляция; хорошее шумопоглощение; прочность; термоустойчивость; высокая диэлектричность; паропроницаемость; долговечность; экологичность.
Благодаря вышеуказанным достоинствам базальт все больше внедряется в строительную практику. Его используют как строительный камень, как сырье для изготовления минеральной ваты, в качестве наполнителя для бетонов.
Исследование влияния вида и длины базальтового наполнителя на физико-технические свойства
Известно использование базальтовой фибры в качестве армирующих добавок. Проводилось исследование композиций с измельченной базальтовой ватой различной длины с целью изучения ее влияния на прочностные характеристики композиций.
Исследованы свойства композиционных материалов, наполненных неорганической матрицей в виде измельченной базальтовой ваты и базальтовых волокон. При этом использовались следующие материалы:
–портландцемент марки 300 и выше. Минеральный состав портландцемента: C3S, C2S, C3A, C4AF. Удельная поверхность 310м2/кг. Химический состав цемента: SiO2, AL2O3, Fe2O3, CaO, MgO, SO3, ППП – 0,5;
–кремнеземистый компонент: Вольский песок стандартный с модулем крупности Мкр=2,1, насыпной плотностью – 1,6г/см3, истинной плотностью – 2,69г/см3, примеси в норме, сухой;
–базальтовый компонент: измельченная базальтовая вата и базальтовые волокна с длиной волокон 0,5 и 2см. Базальтовый наполнитель вводился в количестве 2,5 и 5 % от массы цемента.
Количество воды определяли из соотношения В/Ц=0,4. Материалы композиций дозировали по массе. Сцелью равномерного распределения тонкомолотого наполнителя проводилась механическая активация цемента с песком и базальтовым наполнителем в шаровой мельнице в течение 2ч. Композиции приготовляли смешением материалов в лабораторной мешалке.
Испытания проводились на образцах цементного камня размером 4×4×16см. Все образцы были замешаны по ГОСТ [4]. После первых суток образцы распалубили и пропарили 12часов. Испытания образцов проводили после хранения при нормальных условиях (температура 20±2 °С, влажность 100 %) в течение 7–28суток.
В качестве аналога служил контрольный материал (образец), в состав которого входили цемент, песок и вода.
Сравнительные результаты изменения прочности на изгиб композиционных материалов разного состава приведены на рис.1, 2.
Анализ экспериментальных данных показал, что прочность на изгиб в начальный период твердения (7суток) у образцов, содержащих 2,5 % базальтовой ваты длиной 0,5см, превышает прочность контрольного образца, при дальнейшем твердении (28суток) показатели прочности различаются незначительно. Введение наполнителя длиной 5см приводит к уменьшению прочности на изгиб в сравнении с контрольным образцом (рис.2).
Рис. 1. Зависимость прочности на изгиб образцов, содержащих 2,5 % базальтового наполнителя
Рис. 2. Зависимость прочности на изгиб образцов, содержащих 5 % базальтового наполнителя
Прочность на изгиб в начальный период твердения (7суток) у образцов, содержащих 5 % базальтовой ваты длиной 0,5 и 2см, ниже прочности контрольного образца, при дальнейшем твердении (28суток) показатели прочности значительно ниже, чем у контрольного образца.
Длинные волокна труднее равномерно распределить в композиции, поэтому необходима дальнейшая отработка технологии введения базальтовых волокон.
Исследование влияния тонкомолотого базальтового наполнителя
Сравнительные результаты определения прочности на сжатие (Rсж) экспериментальных образцов цементных композиционных материалов разного состава приведены в табл.2. Образцы из указанных композиций были испытаны на морозостойкость. Один цикл составлял 4ч заморозки и 3ч оттаивания. Прочность на сжатие определяли после 20морозоциклов.
Таблица 2
Зависимость прочности на сжатие от содержания тонкомолотого базальтового наполнителя
|
№ п/п |
Композиция |
Прочность на сжатие (Rcж), МПа |
|||
|
3 сут |
14 сут |
28 сут |
после 20 морозоциклов |
||
|
1 |
Цемент |
30,1 |
32,0 |
40,2 |
40,8 |
|
2 |
Цемент+песок+2,5 % тонкомолотый базальтовый компонент |
39,0 |
40,0 |
45,0 |
45,5 |
|
3 |
Цемент+песок+5 % тонкомолотый базальтовый компонент |
28,0 |
29,0 |
39,0 |
38,9 |
Из приведенных данных видно (табл.2):
–по сравнению с серийным (контрольным) образцом наибольшая прочность на сжатие у образцов композиционных материалов, содержащих 2,5 % тонкомолотого базальта (Rсж=45МПа);
–после 20циклов заморозки и оттаивания прочность экспериментальных образцов практически не снизилась.
Исследование базальта в сочетании с добавками
Эффективным технологическим приемом управления свойствами вяжущих является введение химических добавок. Химические добавки позволяют регулировать реологические свойства бетонов и улучшать их физико-химические свойства. Изучение регулирования свойств композиций проводили с использованием химической добавки «Криопласт» – комплексная противоморозная добавка с пластифицирующим эффектом.
При этом принимался базальтовый компонент: тонкомолотая и просеянная через сито №0.2 базальтовая вата, которая вводилась в количестве 2,5 % от массы цемента (табл.3).
Введение пластифицирующей добавки уменьшает количество воды затворения экспериментальных образцов (табл.3).
За критерий влияния добавки на качество композита принималась прочность образцов на сжатие и на изгиб (рис.3–4).
Анализ графиков показал (рис.3–4):
–происходит заметное увеличение прочности на сжатие (3…11 %) при введении добавки «Криопласт»; при этом прочность на изгиб не снижается по сравнению с контрольным образцом, а при 28сутках наблюдается увеличение до 3,5 %;
–введение базальтового наполнителя в комплексе с добавкой «Криопласт» увеличивает прочность на сжатие на 12 % практически на всех стадиях твердения образцов;
–увеличение прочности на сжатие с добавками «Криопласт» и базальтовым наполнителем можно аппроксимировать логарифмической кривой, имеющей достаточно высокую точность (0,99); при этом прочность на изгиб аппроксимируется линейной функцией с точностью 0,97; полученные зависимости позволяют выявить прочность образцов при любом времени их твердения.
Таблица 3
Экспериментальные образцы
|
Композиция |
Состав образцов |
|
Цемент (контрольный образец) |
Цемент 500г; вода 200мл; песок 1500г |
|
Цемент+добавка (криопласт) |
Цемент 490г; вода 196мл песок 1500г; добавка 10г (2 %) |
|
Цемент+добавка (криопласт)+базальтовый компонент |
Цемент 477,5г; вода 191мл; песок 1500г; добавка 10г (2 %); базальт 12,5г (2,5 %) |
Рис.3. Зависимость прочности на сжатие композиций с добавками «Криопласт» и базальтовой пыли от времени твердения
Рис.4. Зависимость прочности на изгиб композиций с добавками «Криопласт» и базальтовой пыли от времени твердения
–введение базальтовой пыли позволило не только улучшить свойства образца, но и увеличить прочность на сжатие (до 8 %) и на изгиб (1…2 %) по сравнению с образцом только с добавкой «Криопласт».
Заключение
Исследования композиционных строительных материалов, наполненных неорганической матрицей, показали.
1.Доказана возможность использование базальтового наполнителя в сочетании с традиционным вяжущим цементом.
2.Экспериментально подтверждена возможность регулирования физико-технических показателей путем химической активации. Введение пластификаторов «Криопласт» уменьшает количество воды затворения и увеличивает прочностные характеристики. При введении тонкомолотого базальтового наполнителя прочность образцов увеличивается при введении его в количестве 2,5 %, а введение добавки «Криопласт» к образцам улучшает их свойства.
3.Полученные исследования показывают, что при введении тонкомолотой базальтовой ваты базальтовой пыли в качестве минерального наполнителя можно получить строительные материалы высокой прочности.