Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,916

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, НАПОЛНЕННЫХ НЕОРГАНИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕЙ

Магеррамова И.А. 1 Ращепкина С.А. 1 Синицына И.Н. 1
1 Балаковский инженерно-технологический институт – филиал ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ»
Представлены результаты исследований композиционных материалов, наполненных неорганической матрицей в сочетании с цементом и различными добавками. На основе эксперимента показано, что базальтовый компонент позволяет увеличить несущую способность изделия при работе на сжатие и изгиб. Выполненный анализ экспериментальных данных показал, что прочность на изгиб в начальный период твердения у образцов, содержащих 2,5?% базальтовых волокон длиной 0,5 см, превышает прочность контрольного образца, при дальнейшем твердении показатели прочности различаются незначительно. Результаты испытаний показывают, что введение тонкомолотого базальтового наполнителя увеличивает прочность образцов. Показана возможность использования базальтового наполнителя в сочетании с традиционным вяжущим цементом. Экспериментально подтверждена возможность регулирования физико-технических показателей путем химической активации. Совместное введение пластификатора «Криопласт» и базальтового наполнителя уменьшает количество воды затворения и увеличивает прочностные характеристики. Проведенные исследования показывают, что при введении тонкомолотой базальтовой пыли в качестве минерального наполнителя можно получить строительные материалы высокой прочности.
цемент
добавки
базальт
эксперимент
изделия
прочность на сжатие
прочность на изгиб
1.Базальтовое волокно – современный материал с уникальными характеристиками. http://teploizolyaciya-info.ru/mat/bazaltovoe-volokno-sovremennyj-material-s-unikalnymi-xarakteristikami.html (дата обращения 15.12.2015).
2.Будущее за базальтовыми волокнами и композитами на их основе/ С.Е. Артёменко, О.Г. Васильева, Ю.А. Кадыкова, А.Н. Леонтьев// Листовое стекло: Междунар. конф. Саратов: изд-во СГТУ, 2002. – С. 125–128.
3.Волков И.В. Фибробетон: состояние и перспективы применения// Промышленное и гражданское строительство – 2002. – №9. – С. 37–38.
4.ГОСТ 31108-2003. Цементы общестроительные. Технические условия. – М.: МНТКС. Актуализирован 15.10.2015.
5.Джигирис Д.Д. Перспективы развития производства базальтовых волокон и области их применения// Строительные материалы. – 1979. – №10. – С.12–13.
6.Информационно-строительный портал. http://www.stroy-info.ru/bazalt/ (дата обращения 15.12.2015).
7.Композиционные строительные материалы с использованием базальтовой ваты/ В.В. Василенко, И.Н. Синицына, С.Е. Артеменко, А.А. Землянский, С.В. Арзамасцев// Пластические массы. – 2009. – №1. – С. 20.

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).

pic_20.wmf

Рис. 1. Зависимость прочности на изгиб образцов, содержащих 2,5 % базальтового наполнителя

pic_21.wmf

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 %)

pic_22.wmf

Рис.3. Зависимость прочности на сжатие композиций с добавками «Криопласт» и базальтовой пыли от времени твердения

pic_23.wmf

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.


Библиографическая ссылка

Магеррамова И.А., Ращепкина С.А., Синицына И.Н. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, НАПОЛНЕННЫХ НЕОРГАНИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕЙ // Современные наукоемкие технологии. – 2016. – № 2-2. – С. 246-250;
URL: http://www.top-technologies.ru/ru/article/view?id=35610 (дата обращения: 31.05.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074