Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию
advertisement
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Ангарская государственная техническая академия ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И МАТЕРИАЛЫ В СТРОИТЕЛЬНОЙ ИНДУСТРИИ Учебное пособие по курсу «Перспективные строительные материалы» для студентов специальностей 270102 «Промышленное и гражданское строительство» 270105 «Городское строительство и хозяйство» Ангарск 2010 Инновационные технологии и материалы в строительной индустрии. Учебное пособие /Алексеева Л.Л. Ангарская государственная техническая академия. – Ангарск: АГТА, 2010, 104 с. В учебном пособии рассматриваются инновационные пути развития строительных материалов и технологий ввиду их высокой эффективности и будущего широкого использования в различных отраслях строительства. Рецензент: к.т.н., доцент П.А. Шустов Рекомендовано к изданию учебно-методическим советом АГТА © Ангарская государственная техническая академия © кафедра ПГС 2 СОДЕРЖАНИЕ Введение………………………………………………………………………… 4 1 Композиционные строительные материалы (композиты)……………… 4 1.1 Характеристика композитов……………………………………………….. 4 1.2 Классификация композитов……………………………………………….. 6 1.3 Композиционные материалы на основе органической матрицы……….. 8 1.4 Композиционные материалы на основе неорганической матрицы.. …… 18 2 Композиты на основе дисперсно армированных бетонов………………. 29 2.1 Характеристика дисперсно армированных бетонов……………………... 29 2.2 Материалы для дисперсно армированных бетонов……………………… 38 2.3 Технологические методы изготовления дисперсно армированных…….. бетонов………………………………………………………………………. 54 2.4 Области применения дисперсно армированных бетонов……………….. 66 3 Инновационный потенциал нанотехнологий в производстве строительных материалов…………………………………………………… 79 3.1 Характеристика нанотехнологий ……………………………………......... 79 3.2 Перспективные нанотехнологии для производства строительных …….. материалов………………………………………………………………………. 81 3.2.1 Нанотехнологии активирования (структурирования) воды………........ 81 3.2.2 Нанотехнологии измельчения исходных материалов………………….. 83 3.2.3 Нанотехнологии изготовления и применения нанодисперсной арматуры…………………………………………………………………………………. 84 3.2.4 Нанотехнологии использования модифицирующих добавок…………… 86 4 Инновационный потенциал биотехнологий в строительной …………….. индустрии………………………………………………………………………… 90 4.1 Характеристика биотехнологий ……………………………………………. 90 4.2 Применение биотехнологий в производстве древесных композитов……. 90 4.3 Биотехнологии в производстве модификаторов для строительных……… материалов………………………………………………………………………… 96 4.4 Применение биотехнологий в производстве биоцидных бетонов и растворов…………………………………………………………………............. 97 4.5 Применение биотехнологий в обработке сырьевых материалов…………. 100 Литература……………………………………………………………………….. 103 3 ВВЕДЕНИЕ Учебное пособие предназначено для самостоятельного изучения отдельных тем курса: «Перспективные строительные материалы». Оно включает сведения о свойствах, технологиях получения и применения эффективных строительных материалов, широко используемых во многих видах строительства, а также о материалах нового поколения, получаемых по новым технологиям. Всемирный форум по устойчивому развитию человечества, состоявшийся в Иоханесбурге в сентябре 2002 г, определил как одну из главных задач на 21 век необходимость сочетания социальных, экологических, высокотехнологичных и экономических вопросов в решении глобальных проблем всей планеты, отдельно взятых стран и отраслей производства. Строительство как главная отрасль любой страны должно внести свою лепту в решение поставленных задач по устойчивому развитию человечества. Доля строительства будет заключаться в разработке и внедрении инновационных материалов и технологий их производства, отвечающих поставленным перед человечеством задачам. 1 КОМПОЗИЦИОННЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ (КОМПОЗИТЫ) 1.1 Характеристика композитов Композиты – материалы сложного состава, образующиеся путем сочетания различных фаз с границей раздела между ними; это гетерофазные системы, получаемые из двух и более компонентов с сохранением индивидуальности каждого из них. Композиционные материалы состоят из матрицы и армирующего компонента. Компонент, непрерывный в объеме композиционного материала, называется матрицей (связующим). Компоненты, распределенные в матрице в форме зерен, волокон или пластин, называются дисперсной арматурой (фиброй или армирующим компонентом). В композиционных материалах разнородные компоненты создают синергетический эффект – новое качество материала, отличное от свойств исходных компонентов. Например, в конструкционных композитах главное – это высокая 4 удельная прочность (коэффициент конструктивного качества), превышающая аналогичную характеристику стали во много раз. В то время как в одних композитах достигается очень выгодное сочетание легкости и прочности (конструкционные композиты), в других современная техника ценит редкостное сочетание жесткости, упругости, термостойкости, невысокого трения скольжения. Желаемый комплекс свойств достигается, как правило, не за счет создания какого-то нового вещества, а за счет удачного соединения в одном материале веществ. Выгоды такого обстоятельства очевидны: материал с новым сочетанием свойств не надо разрабатывать заново и налаживать его производство, путь этот сложный, длинный, дорогой. Еще одно важное достоинство композитов – относительная дешевизна, она проистекает из дешевизны применяемых наполнителей – здесь часто пригодны даже отходы производства. Кроме того, наполнитель экономит связующее вещество. Производство композитов в мире стремительно растет (от 350 тысяч тонн в 1977 году до 5 млн.т в 2009 году). Наиболее массовый и сравнительно дешевый композит – стеклопластик, где упрочнитель - стеклянные волокна, а связующий элемент – смолы. Чего только не делают в мире из стеклопластиков: корпуса легких самолетов, электротехнические изделия, сборные строительные сооружения, емкости и трубы, особенно для химически активных продуктов, части автоматики, предметы спорта и быта, медицины и т.д. Вслед за стеклопластиком появились новейшие композиты, где в качестве упрочняющих элементов используются углеродные волокна (органопластики). Первые в 4,5 раза, вторые в 5,5 раза легче стали и существенно прочнее. По удельной прочности они превосходят сталь примерно в 15 раз. Высокая удельная прочность – отличительная черта композитов. Удельная прочность характеризует отношение прочности к плотности материала. В автомашинах, начиная с 90-х годов, композиты не только широко используются, но и доминируют в наиболее перспективных марках, они не боятся коррозии, из них изготавливают кузова, рессоры, рамы, бамперы и т.д. В самолетахгигантах «Руслан», «Мрия», «Ил-96», «Вояджер» использовано по 5…6 тонн и более композитов. Будущее авиастроения – полная замена металла на композиты. 5 Волокна для композиционных материалов и сами композиционные материалы превратились в важную статью высокотехнологического экспорта ряда стран (США, Япония). Композиты ведут к настоящей революции и в перерабатывающей промышленности. Если при производстве металлических деталей до 50% металла уходит в стружку, то при композитах исходный материал используется на 90%. С учетом меньшей (примерно в 4 раза) массы, более высокого (в 2…3 раза) выхода при изготовлении готовых изделий, большей продолжительности эксплуатации (в 2…3 раза) 1 тонна композита может заменить 4…5 тонн стали. Поскольку композиты – это армирующие композиты, заключенные в полимерное, керамическое, металлическое, цементное, бетонное связующее, то, следовательно, это конкуренты практически всем традиционным строительным материалам. Дальнейшее создание новых материалов для строительства будет развиваться с использованием теории и технологии композиционных материалов. 1.2 Классификация композитов Композиционные материалы по вещественной природе матрицы подразделяют на: - полимерные; - металлические; - неорганические; - комбинированные (полиматричные). Матрица обеспечивает форму и сплошность материала, перераспределяет нагрузки по его объему, защищает армирующие компоненты от механических и коррозионных воздействий. Вещественная природа матрицы предопределяет термическую и коррозионную стойкость композиционного материала (далее КМ). Армирующие компоненты классифицируют в зависимости от: - геометрических признаков (таблица 1); - порядка их расположения в матрице. Армирующие компоненты вводят в матрицу с целью улучшения конструкционных свойств композиционного материала. По порядку расположения армирующих компонентов в матрице (макроструктуре) КМ бывают: - дисперсно упроченные (изотропные); - дисперсно армированные (анизотропные). 6 Таблица 1 – Классификация армирующих компонентов по геометрическим признакам Геометрические параметры в относительных единицах Длина Ширина Толщина Форма Перечень материалов, используемых чаще всего Армирующий компонент 0 0 1 1 1 2 2 1 1 1 1 1 1 1...10 1 1 10...1000 1 1 1000 1 1 10.. .100 10...100 1 100 10 1 Сфера Куб Порош- Крсталки и лы микро- кальцисферы та, полевого шпата Парал- Волокна Волокна Чешуйки Пленки, леле- ограни- неогра- или пла- ткани пипед ченной ниченной стины длины длины Окси- Нитевид- Металли- Каолин, Металды ные кри- ческая слюда, лическрем- сталлы, провографит кие, ния стеклово- лока, полиили локно, волокна мерные, бария асбест и орг. и минет.п. неоргаральнические ные Примечание. Армирующие компоненты имеют размеры: нульмерные (0) – не менее чем на порядок меньше наименьшего размера изделия из КМ; одномерные (1) – один из размеров, соизмеримый с размером изделия из КМ; двухмерные (2) – два размера, соизмеримых с размерами изделия из КМ. Дисперсно упроченные КМ содержат равномерно распределенные в объеме матрицы нульмерные армирующие компоненты. Дисперсно армированные КМ содержат равномерно распределенные в объеме матрицы одно – или двухмерно армирующие компоненты. Современные строительные композиционные материалы сочетают высокую прочность и долговечность с низкой плотностью. Их применение в строительных конструкциях позволяет снизить нагрузку на фундаменты на 30…65%, трудоемкость возведения зданий в 1,5…3 раза, материалоемкость в 3…7 раз. Основные области эффективного использования композиционных строительных материалов: - в качестве заменителей металла и других дефицитных строительных материалов; 7 - в качестве конструкционных или конструкционно-теплоизоляционных материалов с улучшенными строительно-эксплуатационными свойствами. Поскольку композиционные материалы с нульмерными армирующими компонентами (бетоны, растворы) рассматриваются в других разделах (дисперсно армированные бетоны), в данном разделе будут рассмотрены только одно- и двухмерно армированные композиционные материалы. Композиционные материалы удобнее всего классифицировать по вещественной природе матрицы. Различают следующие классы КМ: - на органической (полимерной) матрице; - на неорганической 1.3 Композиционные материалы на основе органической матрицы Композиционные материалы на основе органической матрицы (КПМ - композиционные полимерные материалы) – это: - пластики, армированные волокнами, тканями или объемными элементами; - фанера, состоящая из чередующихся слоев древесины и полимерного материала; - микрокапсулы; - сотопласты и др. Все перечисленные материалы были созданы в 20 веке. Сейчас номенклатура КМ на полимерной матрице насчитывает тысячи наименований, объединяющих материалы с уникальными свойствами (прочностными, коррозионными и др.). Уникальные свойства этих материалов – одна из причин, обусловливающих конкурентоспособность КПМ среди традиционных строительных материалов. Кроме того, конкурентоспособность обеспечивается также тем, что изготовление КПМ и изделий на их основе осуществляется с применением совершенных высокоавтоматизированных технологий. В таблице 2 приведены сведения об основных технологических схемах производства КПМ. 8 Таблица 2 – Основные технологические схемы производства КПМ Технологические процессы Операции для армирующих компонентов сеток, тканей, рубленых волокон или нитей непрерывных волокон Подготовка армирующего Обезжиривание, аппретирование, Обезжиривание, аппретикомпонента рубка, сушка рование, сушка Приготовление Измельчение, отсев нужной фракции, сушка, добавление касвязующего: тализаторов, пластификаторов и других ингредиентов, гомопорошкообразного или генизация смеси или приготовление расплава, раствора, дисгранулированного; персии или эмульсии с добавлением необходимых ингредижидкого ентов. Приготовление раствора нужной вязкости, введение в него катализаторов, пластификаторов и др. Дозировка компонентов Взвешивание наполнителя и связующего в соответствии с рецептурой Совмещение Смешение связующего и напол- Пропитка раствором, рассвязующего и нителя в мельницах или смесиплавом, дисперсией, армирующего компонента телях с последующей гомогениза- эмульсией связующего цией смеси (получение компаун- (получение препрегов) дов, премиксов, пресс-порошков), или нанесение порошкопропитка связующим отрезков во- образного связующего на локон в смесителях; сушка или каждый слой арматуры термическая обработка (частичное отверждение термореактивных связующих) Приготовление Измельчение твердой массы, Вырезка или вырубка заполуфабриката таблетирование, гранулирование готовок требуемой форили приготовление премиксов мы, приготовление пакстов заготовок, намотка или выкладка на отправку, протяжка через формующую головку (при изготовлении профильных изделий) Прямое, литьевое иди профильное Прямое прессование, ваФормование прессование, литье вод давлени- куум-формование, конизделия ем, экструзия, вакуумтактное формование, фор формование, штампование, напы- мование автоклавным ление, пневматическое формова- или пресс-камерным мение, спекание тодом Калибровка Обработка заготовок соответствующим методам до требуеизделия мых размеров и формы Контроль Контроль качества исходных компонентов, пооперационный качества контроль технологического процесса, контроль состава и свойств КПМ 9 Механические и другие свойства любого композита определяются тремя основными параметрами: - высокой прочностью упрочняющих компонентов; - жесткостью матрицы; - прочностью связи на границе матрица-упрочнитель. Соотношение этих параметров характеризует весь комплекс механических и других свойств материала и механизм его разрушения. Поэтому в качестве материала матриц для КПМ чаще всего используются полимеры, обладающие достаточной адгезионной прочностью по отношению к армирующему волокну и низким коэффициентом линейного расширения. На рисунке 1, а также в таблицах 3, 4 представлены номенклатура композиционных строительных материалов на полимерной матрице, свойства наиболее распространенных волокнистых армирующих компонентов и эксплуатационные свойства волокнистых КПМ. 10 Композиционные материалы на полимерной матрице Поропласты Сотопласты Пенопласты Пластики с полыми наполнителями (синтаковые) Металлопласты Древесно-слоистые пластики Гетинаксы Дублированные пластики на тканевой основе Текстолиты Стеклопластики, асбопластики, углеродопластики 11 Нетканые материалы Древесные плиты Волокниты Углеродопласты, боропластики Органосиликатные материалы Смеси полимеров Текстурированные кристаллические полимеры Графитопласты Порошковые фено- и аминопласты Саженаполненные каучуки Металлонаправленные пластики Конструкционные (общетехнические) пластики Рисунок 1 – Номенклатура композиционных строительных материалов на полимерной матрице с сообщающими ссзакрытызакрытыми мипорами порами Слоистые Волокнистые Дисперсные Компоненты в газовой фазе Компоненты в твердой фазе Таблица 3 – Номенклатура и свойства наиболее распространенных волокнистых армирующих компонентов Волокно Полиамидное (капрон) Полиэфирное (лавсан) Полиакрилонитрильное (нитрон) Поливинилспиртовое (винол) Полиамидное Арамидное Углеродное низкопрочное Плотность, кг/м3 Предел прочности при растяжении, МПа Модуль упругости, МПа Температура деструкции, 0 С 1140 770...850 3200..3500 200…220 1380 800...1000 2000...2500 240…260 1170 460...560 4600...5800 — 1260 600... 1000 25000 230 800...2000 20000...45000 300 2000...4000 100000... 1500000 — 1300... 1400 1400... 1490 300...400 (потеря прочности) 300…400 (потеря прочности) 1450... 1800 600... 1500 75000... 200000 1700... 2000 2000...3500 200000... 600000 2400... 2600 5000...7000 До 450000 2500 Стеклянное алюмоборосиликатное 2600 1400...2200 60000 700 (плавление) Стальное 7800 4100...5000 200000 1620 Титановое 4700 1900...2000 115000 1600 Окись алюминия 3990 680...700 323000 2080 Хризотил-асбест 2490 1350...1500 172000 1520 Хлопок 1500 500...600 4900 320 Углеродное высокопрочное Борное 12 Таблица 4 – Эксплуатационные свойства волокнистых КПМ Значение показателя для Показатель Плотность, кг/м3 Предел прочности, при -растяжении, - сжатии, - изгибе, МПа Ударная вязкость, кДж/м2 Модуль упругости при изгибе, МПа Теплостойкость по Мартенсу, 0С Температурный коэффициент линейного расширения α∙105, 0С-1 стеклопластиков стекловолокнитов на термопластичной матрице Анилинофе- Кремний- ПолиПоли- Полинолофор- органичес- амид-66 бутисульмальдегид- кое свя+40% лентере- фон ная зующее СВ фталат +30% смола +60% СВ +30% СВ СВ +62% СВ фенольного марки К-6 1700...1900 1800...2000 1460 1520 1450 1950 80... 120 130...200 120...200 15...17 40... 85 40..110 217 — 294 136 — 196 126 — 168 — 80 — 30.. .100 20...90 — — — 20 — — 11200 9450 8400 1500... ...25000 — — 260 220 190 — — 2,52 2,16 2,52 13 асбопластиков кремнийорга- на термопластичнических ной матрице К-41-5 КМК- Паро- Полиэти218 нита лен марки +17..50 ПОН %АВ (общего назначения) 1800... 1800... 1600... — 1900 2000 2000 — — 132...142 120..147 — — 6 — — 10,5...12,5 — — 3,8...6,2 — — — — — 2,8...5,8 200 350 350 100 70 2,5…2,8 — — — 2,9 15...20 продолжение таблицы 4 Показатель Плотность, кт/м3 Предел прочности, МПа, при — растяжении, — сжатии, — изгибе Ударная вязкость, кДж/м2 Модуль упругости при изгибе, МПа Теплостойкоть по Мартенсу, °С Температурный коэффициент линейного расширения α∙105, °С-1 Значение показателя для углеродопластиков боропластиков органопластиков металлопластиков карбоволокнитов на термопластичной боро- на термо- органово- на тер- металло- на термоматрице волок- пластич- локнита мопла- волокни- пластичнита ной матстичной та ной матрице матрице рице Феноль- ЦиклоаПолиПоли- НТ-ХПоли- Смола ВР- ПолиЭпокПолиная смо- лифатиче- амид-66 сульфон 904 амидная 907 +60% амид-68 сидная пропила +50% ская, +30% УВ +30% УВ (США) смола волокна +20% смола лен УВ эпоксид+60% БВ кевлар-49 ВАП +50% +20% ная смола (США) алюми- стальных +60% УВ ниевых волокон волокон 2300 1550 1280 1370 — — 1370 1100 — 2300 84 224 151 1650 1430 1650 245 — 307 160 — 224 — — 500 — — 1650 700 250 700 — — — — — — — 26 — — 14000 124000 20300 14350 70000 220000 87000 11000 — — — — 267 137 — — — — — — — — 1,89 1,08 — — — — — — 14 130...150 25 — 90...150 140 60...95 40...50 — — Самым распространенным КПМ являются стеклопластики. Получают их путем пропитки синтетическим связующим стеклянного волокна (ограниченной или неограниченной длины) с последующим уплотнением (штампованием, протяжкой через фильтры). Стеклопластики выпускаются в виде листов (ГОСТ 9590), плит (ГОСТ 10499), скорлуп и труб (ГОСТ 12496), погонажных профилей (ГОСТ 19111). В стеклопластиках высокая прочность сочетается с низкой плотностью и теплопроводностью, радиопрозрачностью и прекрасными электроизоляционными свойствами. Асбопластики получают путем пропитки распушенного асбестового волокна полимерным связующим (ГОСТ 5-78 Е). Это теплостойкие КПМ, сохраняющие свои механические свойства при температурах до +4000С. Известным асбопластиком является паронит (ГОСТ 481) – материал на основе каучука, асбестового волокна и порошковых наполнителей. Из паронита изготавливают прокладки для герметизации сред избыточного давления при строительстве резервуаров, в неподвижных соединениях деталей машин. Волокниты – КПМ, состоящие из рубленного волокна, пропитанного термореактивным полимером. Если волокно хлопковое или химическое, то такой КПМ называется органоволокнитом. Если волокно углеродное – карбоволокнитом, борное – бороволокнитом и т.д. Матрицы волокнитов изготавливают в основном из фенолоформальдегидной смолы резольного или новолачного типа. Если используется другой полимер, то к слову «волокнит» добавляют начальные слоги из его названия. Например, мелаволокнит – КПМ на основе меламиноформальдегидной смолы. Из волокнитов изготавливают плиты и строительные панели, строительные изделия, подвергающиеся в процессе эксплуатации ударным нагрузкам. Углепластики (карбопластики) – КПМ, состоящие из углеродных волокон и синтетического полимера (ГОСТ 27939). Это высокопрочные, жесткие, термически и химически устойчивые материалы, малотепло- и электропроводные, с низким коэффициентом линейного расширения. Углепластики применяют при строительстве защитных экранов от электромагнитного излучения. Текстолиты – материалы, состоящие из слоев ткани, пропитанной термореактивным синтетическим полимером (ГОСТ 28787, ГОСТ 2910, ГОСТ 10316). Эти материалы характеризуются высокой прочностью, малой чувствительностью к колебаниям температур. В зависимости от вида ткани (армирующего компонента) различают: - стеклотекстолиты (на основе стеклоткани); - асбестотекстолиты (на основе асбестовой ткани); - органотекстолиты (на основе синтетических тканей); - карботекстолиты (на основе угольных тканей). Текстолиты применяют в качестве изоляционных или конструкционноизоляционных и отделочных материалов. Из них изготавливают трехслойные панели (рисунок 2), оболочки, волокнистую кровлю и другие изделия сложной формы (например, из стеклотекстолита - корпуса судов, из асботекстолита - элементы теплозащиты вращающихся печей. 1 – обшивка; 2 – клеевая пленка; 3 – сотовая панель Рисунок 2 – Трехслойные панели с поперечным (а) и параллельным (б) расположением сотопласта Текстолиты выпускают в виде листов длиной 2400 мм, шириной 800…1200 мм и толщиной 9…35 мм. Плотность текстолитов зависит от типа армирующей ткани: например, плотность стеклотекстолита 1850 кг/м3; асботекстолита – около 2000 кг/м3; органотекстолита – 1450 кг/м3. Предел прочности при растяжении может достигать 300 МПа, при сжатии – 100 МПа, при изгибе – 150 МПа. Гетинакс – материал, состоящий из бумаги, пропитанной термореактивным синтетическим полимером (ГОСТ 2718). Гетинакс характеризуется высокой прочностью и хорошими электроизоляционными свойствами. Плиты и скорлупы из него успешно применяются при строительстве объектов электро- и радиотехнического назначения, при защите строительных конструкций от коррозии и отделке интерьеров. Декоративные бумажно-слоистые пластики – отделочные листовые материалы, изготавливаемые методом горячего прессования пакета из нескольких слоев бумаги, предварительно пропитанного синтетическим полимером (ГОСТ 9590). Верхний слой такого пластика изготавливается из бумаги с рисунком: имитация ценных пород древесины, орнамент или жанровое изобретение. Размеры 16 листов бумажно-слоистого пластика: длина – 400…3000 мм, ширина – 400…1600 мм, толщина 1…3 мм. Предел прочности при изгибе – не менее 100 МПа, плотность 1400 кг/м3. Эти материалы широко применяют в отделке интерьеров и при изготовлении мебели. Металлопласты – материалы, получаемые путем напыления порошкообразного полимера (полиэтилена, фторопласта, поливинилхлорида и др.) на тонкий металлический лист. Металлопласты эффективно эксплуатируются в интервале температур от -40 0С до +65 0С. Их можно штамповать и сваривать электродуговой сваркой без удаления полимерного покрытия. Металлопласты широко применяются в строительстве в качестве кровельных и отделочных материалов. Смеси – группа полимерных композиционных материалов, структура которых состоит из двух непрерывных фаз (взаимопроникающих сеток) материалов матрицы и армирующего компонента. Номенклатура этой группы КПМ быстро увеличивается. В нее входят смеси, где оба компонента имеют полимерную основу, либо матрица полимерная, а армирующий компонент минеральный. Совмещать компоненты смесей можно в твердом и жидкотекучем состоянии. На основе смесей можно получить материалы с уникальными свойствами. Например, при введении полиуретанового армирующего компонента в матрицу из полиамида, существенно улучшаются его пластические свойства. Свойства смесей некоторых конструкционных термопластов приведены в таблице 5. Таблица 5 – Физико-механические свойства смесей Показатель Предел прочности, МПа, при: —растяжении —сжатии —изгибе Модуль упругости, МПа Средняя плотность, кг/м3 Ударная вязкость, кДж/м2 Составы Эпоксидно- Эпоксидно- Эпоксидно- Эпоксидно- Эпоксидноокситерпе- полиамид- полиэфир- фурановый трихлординовый ный ный К-115 ЭФК-1 фенильный ЭКР-22 ЭКТ-1 14...20 80...110 30...40 17...30 80...90 60...80 16...25 80...120 43...45 12...17 60...90 30...40 15 110 47 11000 — 15000 — — 2000 2000 2000 — 2000 6000 12000 17 8000 4000... ...6000 — Продолжение таблицы 5 1 2 Водопоглощение 0,28...0,45 за 30 сут., % Относительное удлинение при раз0,28...2,0 рыве, % Химическая cтойкость, % концентрации реагента: — соляная к-та 15 — серная к-та 50 — азотная к-та 5 — фосфорная к-та 25 — едкий натр 25 — ацетон Нестоек — бензин Нестоек — масло Нестоек 3 4 1 0,35...0,5 3,7 30 30 20 Нестоек 30 Нестоек Стоек Нестоек 0,275 30 30 1 Нестоек 5 Нестоек Стоек Стоек 5 6 — 0,3 2,25 — 30 50 5 5 40 Нестоек Стоек — 30 70 Нестоек 70 30 Стоек Нестоек Нестоек Полимерцемент – одна из самых известных смесей применяемых в строительстве. В качестве органического компонента в смесях применяют водные дисперсии поливинилацетата, натуральный и синтетический латексы, водорастворимые эпоксидные, полиэфирные, фурановые и карбамидные полимеры. В качестве неорганического компонента используют портландцемент и его разновидности, глиноземистый и магнезиальный цементы, жидкое стекло и строительный гипс. Полимерные компоненты обеспечивают коррозионную стойкость в агрессивных средах, высокую ударную вязкость КПМ, однако снижают модуль упругости. Полимерцементы применяют при устройстве гидро- и маслоизоляции, при изготовлении железобетонных конструкций, работающих в условиях растяжения; для устройства полов в цехах промышленных зданий. Плотность полимерцемента составляет 1700…2000 кг/м3, прочность при растяжении – 15-30 МПа, при сжатии 30…100 МПа, при изгибе – 30…80 МПа. 1.4 Композиционные материалы на основе неорганической матрицы Неорганические матрицы различают по следующим видам: - цементные (на основе портландцемента и его разновидностей); - цементно-песчанные; 18 - керамические (на основе оксидной и безоксидной керамики); - углеродные. Неорганические матрицы армируют металлическими, природными, синтетическими и минеральными волокнами, нитевидными кристаллами, сетками и пленками. Требования к эксплуатационным свойствам композиционного материала влияют на выбор типа армирующего компонента. На цементной матрице изготавливают следующие виды композиционных материалов: - асбестоцемент; - армоцемент; - стеклоцемент; - арболит и цементностружечные, цементоволокнистые материалы. Асбестоцемент – композиционный строительный материал, представляющий собой затвердевший цементный камень, армированный волокнами асбеста. Асбест – природный минерал волокнистой структуры, способный при механической обработке расщепляться на отдельные волокна. Для изготовления композиционных материалов применяют асбест 3, 4, 5, 6 сортов с длиной армирующего волокна от 0,3 до 10 мм. Асбест несгораем, малотепло- и электропроводен. Степень насыщения цементной матрицы армирующим компонентом зависит от назначения материала. В материалах для листовых изделий количество асбеста составляет 10…18% по массе; для труб, коробов, швеллеров – 15…21%. Листовые изделия выпускают в виде плиток, плоских и профилированных листов толщиной от 4 до 10 мм методом прессования по мокрому или сухому способу. Методом экструзии изготавливают асбестоцементные изделия сложного профиля – стеновые панели, швеллеры, панели перегородок. На основе асбестоцемента изготавливаются напорные трубы с рабочим давлением 0,3..1,2 МПа, а также короба вентиляционные с толщиной стенок от 7 до 43.5 мм. Средняя плотность асбестоцементных изделий – 1550…2000 кг/м3, прочность на растяжение – 14…25 МПа, морозостойкость – 50…100 циклов. На рисунках 3-6 представлены различные изделия на основе асбестоцемента. 19 1 – гнутый асбестоцементный лист; 2 – алюминиевые заклепки; 3 – торцевая заглушка из асбестоцемента; 4 – минеральный войлок, наклеенный на битум; 5 – деревянная бобышка Рисунок 3 – Асбестоцементная рядовая АП (а) и краевая АПК (б) – полые плиты 1 – асбестоцементный плоский лист; 2 – обрамление из деревянных брусков; 3 – пенопласт ФРП-1 Рисунок 4 – Фрагмент стеновой панели типа «сэндвич» 1 – угловые; 2 – переходные; 3 – перегородки Рисунок 5 – Асбестоцементные экструзионные панели 20 Рисунок 6 – Асбестоцементные вентиляционные короба Армоцемент – композиционный строительный материал, представляющий собой затвердевший цементно-песчаный камень, равномерно армированный по объему металлическими волокнами в виде сеток или хаотично расположенных отрезков, длина которых составляет 80…120 их диаметров. Металлические волокна в сечении могут иметь форму круга, овала или многоугольника, площадь их поперечного сечения не более 1 мм2. Модуль упругости при растяжении – (180…220)∙103 МПа, прочность на растяжение – 800…3100 МПа, удлинение при разрыве – 3…4%, плотность – 7,8 г/см3. При изготовлении армоцементных композиционных материалов применяется цемент с маркой не ниже 500, а максимальный размер частиц песка зависит от параметров армирования и определяется по формуле Dmax h 1 2 2 2 0,3 , где h – расстояние между сетками. Армоцемент применяют для изготовления тонкостенных несущих и ограждающих строительных конструкций зданий и сооружений, при строительстве резервуаров, в судостроении, аэродромостроении. Толщина стенок таких конструкций – 15…30 мм. Они отличаются повышенными требованиями по водонепроницаемости, вязкости разрушения, ударной вязкости и морозостойкости. Стеклоцемент – композиционный строительный материал представляющий собой затвердевший цементный камень, армированный стеклянными волокнами хаотично или в виде сеток, тканей. Стеклянное волокно для армирования 21 цементной матрицы применяют трех типов – А, Е, С. Тип А синтезирован на основе оксидов натрия и кальция, содержит щелочей более 10% по массе. Тип Е – бесщелочное боросиликатное волокно. Тип С – малощелочное волокно с повышенной химической стойкостью по отношению к цементу. Плотность стекловолокон составляет 2,20…2,50 г/см3, модуль упругости – (70…90)∙103 МПа, прочность при растяжении – 3400…5000 МПа, температура плавления – 1300…1650 0 С, удлинение при разрыве – 3…4%. Для изготовления матрицы используют малощелочные гидравлические вя- жущие вещества – глиноземистый цемент и его разновидности. Наличие стекловолокна в цементной матрице композиционного материала существенно (на 18…50%) снижает его прочность при сжатии, однако прочность при растяжении возрастает в 2…2,5 раза при насыщении цементной матрицы армирующим стеклянным волокном в количестве до 10% по массе. Стеклоцемент текстолитовый получают путем пропитки стеклоткани водоцементной или водополимерцементной суспензией. Свойства такого материала: - негорючесть; - водонепроницаемость; - малое водопоглощение (не более 20%); - прочность при изгибе более 15 МПа; - морозостойкость не менее 40 циклов; - масса 1м2 от 1,6 до 2,5 кг. Из стеклоцементных материалов изготовляют конструкции оболочек, коробчатые и гофрированные панели, гидроизоляцию резервуаров, профили типа уголков, швеллеров, товаров. Арболит – композиционный строительный материал, представляющий собой затвердевший цементный камень, хаотично армированный природными органическими волокнами (ГОСТ 19222). По плотности арболит различают: - теплоизоляционный – с плотностью менее 500 кг/м3; - конструкционный – с плотностью 500…850 кг/м3. Среднюю плотность и показатель теплопроводности арболита предопределяет тип армирующего компонента (таблицы 6,7). 22 Таблица 6 – Средняя плотность арболита в зависимости от вида заполнителя Арболит Класс по прочности при сжатии Теплоизоляционный Конструкционный В 0,35 В 0,75 В 1,0 В 1,5 В 2,0 В 2,5 В 3,5 Марка по прочности при осевом сжатии М5 М 10 М 15 — М 25 М 35 М 50 Средняя плотность, кг/м3, арболита на измель- костре льна, ченной дробленых древесистеблях не хлопчатника 400...500 400...500 450...500 450...500 500 500 500...600 550...650 500...700 600...700 600...750 700...800 700...850 — костре дроблеконопли ной рисовой соломе 400...500 500 450...500 — 500 — 550...650 600...700 600...700 — — — — — Таблица 7 – Теплопроводность арболита в зависимости от вида заполнителя Теплопроводность арболита, Вт/(м∙0С), Вид заполнителя при ср. плотности (кг/м3) 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 Измельченная 0,08 0,09 0,095 0,105 0,12 0,13 0,14 0,15 0,16 0,17 древесина Дробленые стебли хлопчатника и рисовой соло- 0,07 0,075 0,08 0,095 0,105 0,11 0,12 — — — мы, костры льна и конопли Механические свойства арболита ухудшаются с увеличением его влажности, особенно интенсивно в диапазоне от 0 до 25% по массе. Сорбционное увлажнение арболита зависит от его средней плотности и вида заполнителя. При относительной влажности среды 40…90% сорбционная влажность составляет 4…12%, т.е. арболит негигроскопичен, биостоек и при плотности более 400 кг/м3 негорюч. Строительные конструкции из арболита обязательно должны защищаться от атмосферных воздействий и офактуриваться слоем цементно-песчаного раствора 23 изнутри толщиной не менее 20 мм. Арболит применяют в строительстве в качестве перегородочного и стенового материала (рисунок 7) самонесущих конструкций жилых и общественных зданий, как плиты покрытия в совмещенных кровлях преимущественно сельских зданий различного назначения. а – общий вид панели; б – анкеровка закладных деталей; в – панель однослойная рядовая; г – однослойная панель-перемычка; д – трехслойная панель; 1 – подъемные петли; 2 – закладные детали крепления оконных переплетов; 3 – закладные детали крепления панелей к каркасу здания; 4 – цементно-песчаный раствор М100; 5 – арболит; 6 – монтажная арматура; 7 – рабочая арматура; 8 – бетон В2; 9 – арболит В1 Рисунок 7 – Стеновые панели для промышленных и сельскохозяйственных каркасных зданий Цементностружечные плиты – композиционный строительный материал, представляющий собой затвердевший цементный камень, хаотично армированный дробленой стружкой, толщина которой 0,2..0,3 мм, а длина – 10…30 мм (ГОСТ 26816). Цементностружечные плиты не воспламеняются, атмосфероустойчивы, не подвержены воздействию термитов и грибков, хорошо склеиваются с древесиной, 24 полимерами, металлами, пилятся, фрезеруются и сверлятся. При средней плотности 1100…1200 кг/м3 их модуль упругости при сжатии и изгибе составляет 2500 МПа, при сдвиге – 1200 МПа. Прочность при соответствующих видах нагрузок составляет 8…12% от модуля упругости, сорбционная влажность составляет 10…20% по массе, теплопроводность в состоянии равновесной влажности – 0,33…0,44 Вт/(м∙0С), паропроницаемость – 0,23 мг/ (м∙ч∙Па). В воде цементностружечные плиты набухают. Цементностружечные плиты относятся к трудно сгораемым материалам. Их чаще всего применяют в качестве обшивки ограждающих конструкций (плит покрытий и перекрытий стен и перегородок) взамен традиционных листовых материалов – асбестоцемента, фанеры, древесноволокнистых плит. Фибролит - композиционный строительный материал, представляющий собой затвердевший цементный камень, хаотично армированный минерализованной древесной стружкой длиной около 500 мм (ГОСТ 8928). Стружку готовят из древесины хвойных пород в соответствии с ГОСТ 5244. Портландцемент должен соответствовать ГОСТ 10178 и быть не ниже марки 400. Фибролит трудно сгораемый и биостойкий материал плотностью 300, 400, 500 кг/м 3, выпускаемый в виде плит толщиной 24, 32, 50, 75, 100 мм, длиной 2000, 2400, 3000 мм шириной 500, 550, 1150 мм. По назначению фибролитовые плиты подразделяются на теплоизоляционные (плотностью 300 и 350 кг/м3), конструкционные (плотностью 400, 500 кг/м3) и акустические (толщиной 35 мм). Модуль упругости фибролита составляет 300…500 МПа, сорбционная влажность – до 20% по массе, теплопроводность в сухом состоянии – 0,07…0,1 Вт/(м∙0С), водопоглощение – до 45% по массе, прочность – 0,2…0,3% от модуля упругости. Фибролитовые плиты используют в жилищном строительстве для звукоизоляции лестничных клеток, вестибюлей, холлов, междуэтажных перекрытий, теплоизоляции ограждающих конструкций жилых, производственных и общественных зданий (рисунок 8). 25 1 – рулонное покрытие кровли; 2 – железобетонные кровельные плиты; 3 – дополнительный слой цементного фибролита шириной 25 см; 4 – стропильная балка; 5 – цементнофибролитовые плиты в два слоя; 6 – дополнительное утепление стены цементным фибролитом; 7 – колонна; 8 – ригель; 9 – железобетонный настил перекрытия Рисунок 8 – Утепление кровли жилого дома цементным фибролитом Ксилолит - композиционный строительный материал, представляющий собой затвердевший цементный камень магнезиально-каустического цемента, хаотично армированный опилками, стружками и другими природными органическими волокнами. В зависимости от технологии изготовления различают ксилолит прессованный плотностью 1550 кг/м3 и свободноформованный плотностью 100…1200 кг/м3. Физико-механические свойства этих материалов приведены в таблице 8. Таблица 8 – Физико-механические показатели монолитного и прессованного ксилолита Показатель Средняя плотность, кг/м5 Сопротивление, МПа: — при сжатии — при растяжении — при изгибе Теплопроводность, Вт/(м∙°С) Водопоглощение через 12ч, % То же, через 9 сут, % 1550 Ксилолит свободноформованный, монолитный 1000... 1200 85,4 25,4 48,9 0,45...0,48 2,1 3,8 20...35 3...5 — 0,16...0,4 — — Ксилолит прессованный 26 Ксилолит несгораем, обладает высокой ударной вязкостью и механической прочностью, не скользит, устойчив к минеральным и растительным маслам, что делает этот материал чрезвычайно практичным для полов промышленных сельскохозяйственных и общественных зданий. Ксилолитовые полы применяются во взрывоопасных помещениях и медицинских учреждениях, где необходимо иметь неэлектропроводные и не искрящие полы. Ксилолит конкурирует по показателю истираемости с такими природными материалами, как базальт и гранит. Фибропенобетон – композиционный строительный материал, представляющий собой затвердевший цементный бетон ячеистой структуры, хаотично армированный отрезками синтетических волокон (ТУ 5830-017-0269111-96 и ТУ5767-033-02069119-2003). Сырьем для фибробетона служат: - портландцемент и его разновидности марок не ниже 400 (ГОСТ 10178), за исключением сульфатостойкого и пластифицированного; - мелкий заполнитель – песок или топливные шлаки с размером частиц не более 2,5 мм; зола уноса ТЭС, полые микросферы, шлам – отходы химводоочистки, мягкий мел; - волокна синтетические (полиамидные, полиэфирные, полипропиленовые) длиной не более 100 мм и диаметром не более 0,05 мм; - пенообразователи – клееканифольный, смолосапониновый и др.; - вода водопроводная. Физико-механические свойства фибропенобетона представлены в таблице 9. Таблица 9 – Физико-механические свойства фибропенобетона Плотность, Прочность Прочность на рас- Морозостой- Теплопроводкг/м3 при сжатии, тяжение при из- кость, циклы ность, МПа гибе, МПа Вт/(м°С) 200 0,5 0,2...0,3 Не норм. 0,05 300 0,7...0,9 0,2...0,5 Не норм. 0,07 400 1,0...1,2 0,5...0,8 Не норм. 0,10 500 1,5...2,0 0,7...1,0 30...50 0,12 600 2,0...2,5 0,9...1,3 50...80 0,14 700 2,5...3,5 1,1...1,8 80...120 0,18 800 3,5...5,0 1,5...2,8 100...150 0,21 900 4,0...7,5 2,0...3,5 100...150 0,24 1000 5,0...10,0 2,5...4,5 100...150 0,29 27 Прочность фибропенобетона на растяжение при изгибе составляет 35…60% от прочности на сжатие, поэтому строительные конструкции из него обладают улучшенными технико-экономическими свойствами и большей долговечностью, чем конструкции из традиционных материалов. Применение фибропенобетона в ограждающих конструкциях позволяет существенно снизить расходы на устройство фундаментов и повысить устойчивость зданий к воздействию вибрационных, сейсмических и взрывных нагрузок. Фибропенобетон применяют в монолитном строительстве для устройства стен и перегородок, тепло- и звукоизоляции перекрытий, а также для изготовления штучных изделий (рисунок 9). Рисунок 9 – Принципиальная конструкция фибропенобетонного блока Точность размеров изготавливаемых изделий составляет ± 1 мм. По этой причине можно отказаться от оштукатуривания поверхности стен, ограничившись шпатлевкой и окраской. Фибропенобетон прекрасно клеится строительными клеями для бетонов, гвоздится и пилится. Его огнестойкость аналогична огнестойкости традиционных ячеистых бетонов. Фибропенобетон эффективен при изготовлении следующей номенклатуры изделий заводского изготовления: - стеновых и перегородочных блоков и панелей; - легких плит перекрытий и покрытий; - малотеплопроводных перемычек; - вандалоустойчивых «малых форм» общественного назначения (садовых цветочных ваз, опор садовых скамеек, урн и т.п.); - скорлуп для теплоизоляции и коррозионной защиты трубопроводов с температурой теплоносителя до +6000С; - канализационных колец повышенной долговечности. 28 2 КОМПОЗИТЫ НА ОСНОВЕ ДИСПЕРСНО АРМИРОВАННЫХ БЕТОНОВ 2.1 Характеристика дисперсно армированных бетонов Дисперсно армированные бетоны в настоящее время являются одним из перспективных конструкционных материалов. Такие бетоны представляют собой одну из разновидностей обширного класса композиционных материалов, широко применяемых в различных отраслях промышленности. Дисперсное армирование осуществляется волокнами-фибрами, равномерно рассредоточиваемыми в объеме бетонной матрицы. Для этого используются различные виды металлических и неметаллических волокон минерального или органического происхождения. Отсюда следует широко распространенное в технической литературе название – фиброармированный бетон или в зависимости от вида используемых волокон – сталефибробетон, стеклофибробетон и т.д. Номенклатура искусственных волокон весьма обширна: от чрезвычайно дефицитных, например из карбида или нитрида кремния, бора, углерода, сапфира, вольфрама, до сравнительно доступных для применения в массовом строительстве – стальных, стеклянных, базальтовых, полимерных. В качестве армирующих элементов для бетонов могут использоваться и природные волокна: древесные (целлюлозные), сизалевые, бамбуковые, тростниковые, джутовые и др. Однако в конструкционном отношении они уступают искусственным волокнам. Понятие «дисперсно армированные бетоны» достаточно широкое. Имеются предпосылки для создания разнообразных типов таких бетонов с различными сочетаниями как самих волокон, так и различных видов неорганических матриц не только на основе цемента и гипса, но и с применением, в частности фосфатных связок, керамических и других материалов. Чем можно объяснить значительный интерес к дисперсному армированию бетонов, который проявляется в настоящее время, как в нашей стране, так и за рубежом. С одной стороны, это естественное стремление специалистов существенно повысить прочность на растяжение, трещиностойкость и ударную вязкость бетонных материалов, а с другой – рост заинтересованности строительных органи- 29 заций в получении эффективных армированных бетонных конструкций, к которым современное строительство предъявляет все более высокие требования. Следует также учитывать связанное с развитием техники ужесточение условий эксплуатации конструкций, которое обусловливает необходимость дальнейшего совершенствования номенклатуры конструкционных материалов, улучшения их качества, повышения универсальности. Необходимо учесть и то, что рост производства промышленной продукции приводит к неправильному увеличению потребления природных ресурсов, повышению расхода энергии, увеличению образующихся отходов, загрязнению окружающей среды. Поэтому выбор материалов для строительства требует строгого учета всех этих факторов. Важными в настоящее время являются вопросы экономии энергии, необходимой для производства различных строительных материалов. Известно, что количество энергии, требующейся для производства бетонов, оказывается минимальным по сравнению с количеством энергии (приведенной к единому эквиваленту), необходимой для изготовления стали, алюминия, стекла, кирпича, пластмасс. Производство бетонных материалов помимо этого требует меньшего, по сравнению с производством стали расхода воды и в меньшей степени влияет на загрязнение окружающей среды. Армирование бетонов приводит к соответствующему повышению энергоемкости материала. Так как применение армированных сталью бетонов осуществляется в широких масштабах, становится существенной проблема максимального сокращения расхода металла и наиболее рационального его использования в бетоне. Например, во многих случаях армирование бетонов стальной арматурой осуществляется только исходя из действующих на конструкцию усилий во время транспортирования или монтажа. При этом толщина конструктивных элементов устанавливается, как правило, не менее 60-80 мм (поскольку необходимо предусматривать достаточную толщину бетонного защитного слоя для предохранения арматуры от коррозии). Вполне очевидно, что указанная толщина элементов с точки зрения прочности может оказаться неоправданной. Это приводит к неизбежному перерасходу конструкционных материалов, в том числе арматуры, которая при эксплуатации конструкций практически не вы30 полняет своего прямого назначения. Кроме того, значительное количество стали в железобетонных конструкциях расходуется на монтажную, поперечную и распределительную арматуру. Коэффициент использования арматуры колеблется от 1,3 до 4,5. Как видно, имеются потенциальные возможности снижения расхода арматуры в конструкциях. Поэтому дальнейшее совершенствование бетонных материалов должно предусматривать не только улучшение их механических характеристик, но и изыскание путей наиболее рационального использования металлической арматуры, а также создание новых эффективных армирующих материалов. В настоящее время достигнуты значительные успехи в области повышения активности минеральных вяжущих веществ – цемента и гипса, используемых для изготовления различных видов бетонов. Это позволило разработать составы бетона с пределом прочности на сжатие до 80-100 и более МПа, а гипсовых отливок до 50 МПа. Однако прочность бетонов и растворов при растяжении остается во много раз ниже прочности на сжатие. В связи с этим использование волокон в качестве арматуры с целью преодоления недостаточной прочности при растяжении бетонных материалов может создать предпосылки для получения бетонов нового типа, с более широкими возможностями их применения в строительстве. Как и в традиционно армированных структурах, упрочнение волокнами основывается на предположении, что материал бетонной матрицы передает волокнам приложенную нагрузку посредством касательных сил, действующих по поверхности раздела, и, если модуль упругости волокна больше модуля матрицы, то основную долю приложенных напряжений воспринимают волокна, а общая прочность композиции пропорциональна их объемному содержанию. Принципы построения композитов лежат в основе организации структуры многих природных материалов. Например, легкий и прочный бамбук является характерным композиционным материалом, в котором мягкая целлюлозная составляющая упрочнена вытянутыми в нитку кристаллами оксида кремния. Совершенную композицию представляют собой кости. Дисперсное распределение кристаллов извести в кости, их сцепление и ориентация в коллагене обеспечивает не только высокую прочность, но и трещиностойкость композита. Трещины, которые могли бы развиться в кости под нагрузкой благодаря прочной связи кристаллов извести с пластичным коллагеном, блокируются, при 31 этом значительно снижается "чувствительность" материала к внешним воздействиям. Вместе с тем материал, подобный кости, не мог бы являться эффективной арматурой для бетона, так как модуль упругости костной ткани (21000 МПа) практически не превышает модуля упругости рядового бетона. Тем не менее соотношения между модулями костей и биологических тканей (для которых кости являются армирующим материалом) изменяются в пределах 35…100, т.е. значительно превышают те же соотношения между модулями бетона и арматурной стали. Работы, связанные с дисперсным упрочнением бетонных материалов, ведутся в двух направлениях. Одно из направлений – это применение специальных затравок, интенсифицирующих процессы твердения бетона и улучшающих его физико-механические показатели. В качестве таких затравок используются нитевидные кристаллы гидросиликатов кальция, достаточно близкие по своим физическим и физикохимическим параметрам к новообразованиям, возникающим при гидратации цементных вяжущих. Данный метод позволяет повысить прочность бетона на изгиб до 2-4 раз. Второе направление основано на применении для повышения прочности бетонной матрицы армирующих волокон, отличающихся по своему составу от материала матрицы и способных в процессе работы композиции воспринимать более высокие по сравнению с матрицей растягивающие напряжения. Получаемый эффект упрочнения в значительной мере зависит от вида используемых волокон, характера их сцепления и ориентации в объеме бетона, химической устойчивости по отношению к продуктам гидратации цементных вяжущих. В качестве исходных армирующих материалов для бетона используются металлические, минеральные и органические волокна в виде непрерывных нитей (сеток, тканей и других подобных рулонных материалов) или в виде коротких отрезков волокон-фибр (рисунок 10). 32 Рисунок 10 – Классификация дисперсно армированных бетонов 33 Методами дисперсного армирования предусматриваются возможности получения направленной и произвольной (свободной) ориентации волокон в объеме бетона. Направленная ориентация реализуется главным образом при использовании непрерывных нитей, жгутов, различного рода тканых и нетканых сеток, разреженных тканей и других аналогичных материалов. Подобный вид ориентации может быть также осуществлен при армировании бетона короткими волокнами, в частности стальными фибрами при формовании изделий, например в магнитном поле. Произвольная ориентация осуществляется, как правило, короткими волокнами, однако в этом случае могут использоваться и рулонные материалы в виде холстов, матов и вуалей, в которых волокна не имеют организованного переплетения. На практике в конструкциях могут реализовываться различные виды произвольной ориентации. Плоско-произвольная ориентация характеризуется равновероятным и неограниченным (свободным и хаотичным) распределением волокон в плоскости (в двухмерном пространстве). Дисперсное армирование в этом случае реализуется главным образом в тонкостенных изделиях в виде плоских листов, плит, а также в элементах, обладающих криволинейной формой. Толщина изделий в этом случае меньше, как правило, длины используемых волокон, при этом углы наклона волокна по отношению к поверхности изделий сравнительно небольшие. Объемно-произвольная ориентация характеризуется равновероятным и неограниченным (свободным и хаотичным) распределением коротких армирующих волокон во всем объеме бетона (в трехмерном пространстве). Углы наклона волокон по отношению к поверхности изделий от 0 до 90 0С, размеры изделий во всех направлениях значительно превышают длину волокон. Стестненно-произвольная ориентация имеет место, когда по меньшей мере два геометрических параметра элементов конструкций, например их высота и ширина, ограничены в размерах, что стесняет свободу произвольной ориентации армирующих волокон в объеме бетона. Подобная ситуация наблюдается при дисперсном армировании балок, ребер плит, различного рода перемычек. Чем меньше размеры поперечного сечения изделий, тем в большей мере ограничены возможности свободной ориентации армирующих волокон. Анализ показывает, что эффект стеснения ориентации волокон проявляется в основном в тех случаях, ко34 гда соответствующие размеры превышают длину армирующих волокон не более чем в 5 раз. При более значительных размерах поперечного сечения изделий эффект стеснения заметно снижается, параметры ориентации волокон в бетонной матрице в этом случае приближаются к параметрам плоско- или объемнопроизвольного армирования. По своему характеру дисперсное армирование может осуществляться одним видом фибр или смесью различных фибр (разной длины и разного состава). Значительный интерес представляет применение дисперсной арматуры для традиционно армированных железобетонных конструкций, в которых часть стержневой арматуры заменяется на фибровую (комбинированное армирование). Вполне очевидно, что технологические методы изготовления таких конструкций зависят в значительной мере от вида используемых для них армирующих материалов. Принципы технологии и приемы дисперсного армирования зависят во многом от вида используемых бетонных матриц. Для изготовления дисперсно армированных конструкций используются обычный тяжелый бетон с ограниченной величиной зерен крупного заполнителя, цементно-песчаный раствор, а так же цементный или гипсовый камень. В ряде случаев целесообразно использование легких бетонов. Вид бетона определяет характер рационального для него вида дисперсного армирования и оптимальные значения геометрических параметров дисперсной арматуры. При решении вопросов дисперсного армирования бетонных материалов необходимо учитывать, что не все искусственные волокна способны противостоять воздействиям среды гидратирующихся цементов. Например, стеклянные волокна обычного состава подвергаются интенсивной коррозии в твердеющем бетоне на портландцементе и практически не вступают в химическое взаимодействие с продуктами гидратации гипсовых вяжущих. Стальные волокна заметно корродируют в композициях на основе гипса, но надежно защищаются от процессов коррозии в гидратирующейся среде цементных вяжущих. Эти обстоятельства должны учитываться при назначении оптимальных составов композиции "бетон-волокно". Дисперсное армирование обеспечивает повышение прочности сечений сжатых, растянутых и изгибаемых элементов конструкций, увеличивает их трещиностойкость, ударную вязкость, термическое сопротивление и другие физикомеханические показатели. Дисперсно армированные бетоны уже успешно применяются в конструкциях различного назначения: стеновых панелях, плитах покрытий, сваях, трубах, 35 днищах резервуаров, полах промышленных зданий, коммуникационных каналов, дорожных и аэродромных покрытиях, несъемной опалубке для возведения монолитных конструкций, в трубах, лотках, ограждениях лоджий и балконов, банковских хранилищах. В настоящее время разработаны, испытаны и применены складчатые панели покрытий безрулонной кровли для жилых и сельскохозяйственных зданий, складских помещений, навесов для пассажирских платформ, стоянок автотранспорта и других целей. С применением тонкостенных складчатых панелей могут быть возведены различные помещения для складирования и укрытия техники. Эффективным примером является разработанная ЛенЗНИИЭП при участии НИИЖБ конструкция здания универсального назначения с пролетом 12 м и длиной 36 м. Конструкция здания состоит из трехшарнирных рам, собираемых из однотипных тонкостенных сталефибробетонных складчатых панелей. В жестких узлах рамы панели соединяются сваркой закладных деталей. В Ленинградской области построено несколько таких зданий. Представляет интерес применение сталефибробетона в трубах и кольцах водопроводных и канализационных сетей. Применение сталефибробетонных стеновых колец смотровых колодцев позволяет резко снизить трудозатраты и материалоемкость конструкций, улучшить их качество и почти полностью устранить производственный брак. За последние годы очень эффективным оказалось строительство индустриальных полов из сталефибробетона. При этом снижаются материало- и трудоемкость строительства, объемы земляных работ, стоимость строительства, при этом повышается качество, эксплуатационная надежность и увеличивается межремонтный ресурс конструкций пола. В мире уже построены миллионы квадратных метров фибробетонных индустриальных полов и несколько тысяч квадратных метров – в России. Достаточно сказать, что сейчас в Германии более 25% всех промышленных полов выполняется из сталефибробетона. В России были выполнены исследования и разработаны составы сталефибробетона для защитных ограждающих конструкций различного класса взломоустойчивости – от V до X по ГОСТ Р50862 (при максимальном XIII классе) с соответствующей сертификацией качества. Наиболее интересным объектом с применением сталефибробетонных защитных конструкций является задание ГРКЦГУ Центрального банка России в 36 г.Москве. В конструкциях пола, стен, колонн и перекрытий применялся сталефибробетон класса В45. Использовалась фибра отечественного производства. По разработкам и при участии НИИЖБ были построены стеклофибробетонные тонкостенные параболические оболочки размером 12х24 м, возводимые набрызгом на надувную опалубку (г.Воронеж); тонкие элементы несъемной опалубки для оград, обделки тоннелей, плит облицовки фасадов (г. Москва), стеновые панели (г.Ереван), кольца смотровых колодцев толщиной 20 мм (г. Вангажи). Наиболее перспективным для создания высокоэффективных фибробетонов нового поколения является применение модифицированных бетонов на основе комплексных органо-минеральных модификаторов типа МБ-01 и наиболее эффективной стальной фибры (типа «Драмикс»), щелочестойкой стеклянной (типа «CemFil») или полипропиленовой фибры оптимального агрегатного состояния. В этом сочетании высокая плотность бетона-матрицы обеспечивает защиту фибры от коррозионных процессов по ее поверхности, препятствуя их прохождению, при одновременной возможности получения фибробетонных смесей с высокой удобоукладываемостью. Наличие современных эффективных видов фибры позволяет упростить ее введение и перемешивание в бетонной смеси, что в свою очередь разрешает в большей степени использовать технологическое оборудование, применяемое для обычных бетонов. В таблице 10 представлено сопоставление некоторых основных характеристик тяжелого бетона и фибробетонов. Таблица 10 – Физико-механические характеристики фибробетона в сравнении с аналогами для обычного бетона Значения характеристик Прочность на осевое растяжение, МПа Прочность на сжатие, МПа Прочность на срез, 10-5 МПа Коэффициент температурного расширения, 10-6 см/0С Ударная прочность, кг/м Индекс усталостной прочности (предельные отношения) Индекс сопротивления растрескиванию (по испытаниям на жаропрочность) Индекс вязкости разрушения 37 Обычный бетон 1,5-4,0 2,1-35,0 2,0-4,5 9,9-10,8 Фибробетон 4,0-30,0 35,0-80,0 4,5-8,5 8,4-11,1 4,8 0,50-0,55 13,8 0,80-0,95 1 7 1 10-20 2.2 Материалы для дисперсно армированных бетонов Матричные материалы. Матрица обеспечивает монолитность композита, фиксирует форму изделия и взаимное расположение армирующих волокон, распределяет действующие напряжения по объему материала, обеспечивая равномерную нагрузку на волокна и ее перераспределение при разрушении частиц волокон. Материал матрицы определяет метод изготовления изделий, возможность выполнения конструкций заданных габаритов и формы, а также параметры технических процессов и т.д. Требования, предъявляемые к матрицам, можно разделить на эксплуатационные и технологические. К эксплуатационным относятся требования, связанные с механическими и физико-химическими свойствами материала матрицы, обеспечивающими работоспособность композиции при действии различных эксплуатационных факторов. Технологические требования определяются процессами получения композита, т.е. совмещения армирующих волокон с матрицей и окончательного формования изделия. Целью технологических операций является обеспечение равномерного распределения волокон в матрице (без касания между собой) при заданном их объемном содержании; максимально возможное сохранение свойств волокон, главное – прочности; создание достаточно надежного взаимодействия на границе волокно-матрица. В качестве матричных материалов для дисперсно армированных бетонов применяют неорганические и органические вяжущие. И те и другие обладают определенными клеющими способностями и их функции состоят в склеивании в единое целое отдельных зерен, частиц, волокон, образуя конгломерат. Поэтому все вяжущие можно считать клеями. Склеивание определяется двумя факторами: адгезией – прочностью сцепления клея и материала и когезией – прочностью самого клея. Нарушение склеивания может произойти по причине слабой адгезии или когезии (или же самого склеиваемого материала). В местах склейки возникает контактный слой, толщина которого у полимерных клеев равняется долям микрона, а у минеральных – 20-50 мк. Адгезия может быть специфической и механической. Специфическая адгезия объясняется различными видами физико-химических связей; механическая – шероховатостью поверхности, усадочными напряжениями, защемлением, вызы38 вающим трение и др. Адгезия в чистом виде выявляется при нормальной отрывающей силе, вызывающей нормальные напряжения. Высокая адгезия возможна только при совершенном контакте клея со склеиваемыми поверхностями. При этом большое значение имеет чистота поверхности, хорошая ее смачиваемость, шероховатость – что увеличивает площадь контакта. У минеральных клеев наилучшими адгезионными свойствами обладают растворимое стекло, магнезиальный цемент, затем портландцемент и глиноземистый цемент; худшими – пуццолановый и шлакопортландцемент, строительный гипс и известь. В полимерных клеях адгезионные качества определяются функциональными группами, входящими в состав молекул: например, гидроксильная – ОН, карбоксильная – СООН, нитрильная – СN и др. Немаловажную роль играет режим полимеризации, ряд физико-химических и технологических факторов и их различные сочетания (повышенное давление, температура, горячее прессование и т.п.). Высокими адгезионными свойствами обладают эпоксидные, полиэфирные, кремнийорганические и другие смолы. Кроме цемента, извести, гипса, битума, полимеров матрицей могут быть и более сложные материалы, уже являющиеся композитами: строительный раствор, бетон, где матрица – цементный камень, упрочняющий компонент – мелкий и крупный заполнитель. При армировании этих композитов получают как бы новые композиты – армоцемент и железобетон соответственно. Этот композит имеет двойное и тройное упрочнение, т.е. система с несколькими структурными уровнями. Необходимо отметить некоторые характерные особенности матричных материалов. Например, среда гидратирующихся портландских цементов является активной щелочной средой (рН=13 и более). Это определяет влияние такой среды на армирующие волокна. Продукты гидратации портландских цементов надежно предохраняют от коррозии металлическую арматуру, но оказываются достаточно агрессивными к любым видам минеральных (стеклянных, базальтовых) волокон. С химической точки зрения основным компонентом жидкой фазы твердеющего портландцемента, определяющим в основном ее влияние на формирующие волокна, является гидроксид кальция, активно взаимодействующий с компонен39 тами стекла (армирующих волокон). В результате происходит коррозионное разрушение стеклянных волокон вследствие выщелачивания и разрушения их кремнекислородного каркаса при длительном контакте с этой средой. Кроме того, при решении вопросов применения портландцементов для дисперсно армированных бетонов важное значение имеет определение оптимальных соотношений между фазами алита (3СаО∙SiO2) и белита (2СаО∙SiO2) в цементном вяжущем. Повышенное содержание алита обычно является положительным фактором с точки зрения защиты от коррозии металлической арматуры и соответственно стальных фибр. В то же время снижение содержания алита и повышение количества белита уменьшает интенсивность агрессивного влияния среды гидратации цемента по отношению к стеклянным волокнам. Если использовать в качестве матричного материала глиноземистый цемент, то можно отметить несколько моментов: объемы промышленного производства и применения в строительстве такого цемента ниже, чем портландских; стоимость глиноземистого цемента значительно выше стоимости портландцемента; глиноземистый цемент обладает быстрым ростом прочности в процессе твердения; бетоны на глиноземистом цементе более плотны и водонепроницаемы. Затвердевший глиноземистый цемент оказывается в ряде случаев более стойким ко многим агрессивным средам, а также более инертным в химическом отношении и менее агрессивным ко всем видам минеральных волокон, чем обычный портландцемент. В связи с этим применение глиноземистого цемента может оказаться в ряде случаев технически оправданным и экономически обоснованным, например при небольшом его расходе в тонкостенных стеклоармированных конструкциях, а также при реконструкции, восстановительных работах и т.д. Стоимость глиноземистого цемента значительно ниже стоимости всех видов полимерных материалов, получающих применение в конструкционных стеклопластиках. При получении стеклоармированных композиций на основе глиноземистого цемента важно учитывать, что прочность бетона с течением времени может измениться как в сторону повышения, так и заметного снижения. Большое значение имеют температурные условия, при которых осуществляется процесс гидратации цемента. 40 Температура твердения бетонов на глиноземистом цементе не должна превышать 20-25 0С. Что касается гипсовых вяжущих, то стальная арматура в изделиях на их основе подвергается интенсивной коррозии. Это связано главным образом с нейтральностью 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 материалом 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 теплопроводностью. Циклы изготовления конструкций с применением гипса имеют, как правило, небольшую продолжительность, что обеспечивает высокую производительность 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 применение рекомендуется в помещениях с относительной влажностью воздуха не более 75%. В данном случае ведутся работы, направленные на повышение стеклоармированных гипсовых конструкций, что позволит значительно расширить область их применения. Определенный интерес представляет применение в дисперсно армированных конструкциях бетонов на основе гипсоцементнопуццолановых вяжущих (ГЦПВ), которые включают 50-80% гипсового вяжущего, 15-20% портландцемента 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 новые композиционные гипсополимерные вяжущие (КГПВ), у которых в качестве полимерного связующего используются отверждающиеся полимеры (карбамидные и меламиновые смолы, акриловые сополимеры). Отверждающееся полимерное связующее, вводимое в гипсовое тесто в больших количествах, служит связующим материалом в дополнение к минеральному вяжущему веществу. При со41 вмещении этих столь различных веществ образуются материалы со сложной органоминеральной структурой и специфическими свойствами, присущими как гипсу, так и полимеру. Свойства материалов, полученных таким образом, в первую очередь определяются 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. Если же кроме прочности требуется более высокая водостойкость, то необходимо применять меламиновые смолы. Если композиционный материал будет подвергаться различным деформациям в процессе эксплуатации, то здесь не обойтись без акриловых полимеров, т.к. отвержденные и высохшие продукты этих полимеров обладают высокой прочностью, эластичностью и водостойкостью. Гипсополимерные вяжущие вещества в строительной практике используются для производства различных бетонов, в том числе и дисперсно армированных. Фиброгипсополимер (название дисперсно армированного материала на основе КГПВ) имеет плотность, равную 1700 кг/м3, прочность при сжатии – 40 МПа, изгибе – 20 МПа, водопоглощение – 2%, коэффициент размягчения – 0,85, морозостойкость – 250 циклов. Применяется для облицовки фасадов (плиты, архитектурные изделия), для изделий малых архитектурных форм и садовопарковой архитектуры. Исследования по расширению применения данных материалов 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 армирующего 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 промышленностью 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. 42 В настоящее время используются в достаточно широких масштабах три вида армирующих волокнистых материалов: волокна (фибры) в виде коротких отрезков тонкой стальной проволоки, стеклянные волокна и волокна на основе полипропилена. Эти материалы различаются по своим свойствам, поэтому к решению вопросов их применения в качестве арматуры необходимо подходить дифференцированно. Наиболее эффективной в конструкционном отношении является стальная фибровая арматура, модуль упругости которой примерно в 6 раз превышает модуль 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 стекловолокнистых 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 повышенной 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 применение дает возможность решить вопросы, связанные прежде всего с дополнительным (конструктивным) армированием: предотвращения повреждений и выколов в бетоне при транспортировании и монтаже изделий, частичного повышения ударной прочности, сопротивления истиранию и т.д. Таким образом, как и при традиционном армировании эффективность работы волокон в конструкциях в значительной мере должна определяться степенью их деформативности. Поэтому предложено разделять волокна на 2 типа: низкомодульные (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 использованы 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 43 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 арматуры, изготавливаются различными способами: механическим, электромеханическим, формованием из расплава. Получившие наибольшее распространение механические 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 небольших 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 назначения (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 явля44 ется расширение производства плоских фибр, получаемых из листовых материалов (тонколистового проката) или из стальных массивных заготовок. В таблице 11 приведены показатели стоимости фибр, %. Таблица 11 – Показатели стоимости стальных фибр Вид волокон и технологические приемы их получения Круглые в поперечном сечении, получаемые резкой стальной проволоки Квадратной или прямоугольной формы в поперечном сечении, получаемые резкой листовой стали Треугольной формы в поперечном сечении или в виде тонких пластин, получаемых резкой стальных заготовок Серповидной формы, получаемые извлечением из расплава Расходы, % на на обработку на прочие итого Недостатки производства сырье сырья и по- (упаковка, лучение во- транспортилокон рование и др.) Высокая 67 13 20 100 стоимость исходного сырья Сравнительно 33 17 20 70 небольшой срок службы режущего инструмента То же 21 13 17 20 17 20 58 50 Трудности в подборе долговеченых 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 (после завершения или нормативных сроков эксплуатации, например, в шахтах, канатных 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 45 (отношение длины к диаметру фибр). Эти параметры влияют не только на степень заанкеривания фибр в бетоне, но и на технологические процессы получения однородных составов армированной бетонной смеси. Могут наблюдаться три различных состояния, зависящие от длины фибр и от состояния массы фибровой арматуры. Длина фибр l≤50 d . В этом случае масса фибр обладает сыпучестью, и каких-либо проблем, связанных с получением однородного состава армированной бетонной смеси при перемешивании в стандартных бетоносмесителях, не возникает. Однако применение коротких фибр невыгодно, т.к. их длина недостаточна для заанкеривания в бетоне. Соответственно прочность стали в конструкциях используется неполностью. Длина фибр l=80-120 d. Увеличение длины фибр приводит к тому, что масса их приобретает связность. Однако пучки сцепившихся друг с другом фибр при встряхивании постепенно рассыпаются. Получение однородной бетонной смеси в данном случае возможно при постепенном введении фибр в смесь в процессе ее перемешивания. При использовании 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 бетоносмесителях практически невозможно. Здесь требуются другие технологические приемы совмещения бетона с фибрами, например, основывающиеся на методах роторного набрызга. Наиболее приемлемыми, как показала практика, можно признать соотношение l/d=100. На эффективность работы армированных волокнами бетонов большое влияние оказывают характеристики сцепления фибр с бетоном. Для увеличения сцепления между стальной арматурой и бетоном рекомендуются проволоки периодического профиля с рельефной и деформированной поверхностью, проволоки прямоугольного и квадратного сечений, с переменным по длине сечением, переходящим от круглой к прямоугольной форме, а также гнутые фибры, фибры с отгибами 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. 46 Таблица 12 – Влияние обработки проволоки на прочность ее сцепления с цементным камнем Способ обработки проволоки Химический Очистка в трихлорэтилене Травление: в разбавленной азотной кислоте в концентрированной азотной кислоте в щавелевой кислоте в растворе фосфата Окисление: при температуре 350 С При температуре 600 С образование небольшого количества ржавчины Нанесение полимерных покрытий: из эпоксидной смолы из эпоксидной смолы и цемента на основе поливинилацетата Нанесение покрытий, содержащих металлы: горячее цинкование электролитическое цинкование горячее цинкование и обработка раствором хромата электролитическое цинкование и обработка раствором хрома Механический Обработка наждаком (шкуркой): в направлении, параллельном оси проволоки в радиальном направлении Раздавливание в тисках Нанесение зазубрин Скручивание Наплавление небольших шарообразных выступов Расплющивание концов отрезков Загибание: концов отрезков петель на концах отрезков зигзагообразное загибание отрезков загибание отрезков вокруг круглого стержня 47 Прочность сцепления проволоки с цементным камнемусилие выдергивания (усредненные данные), Н Индекс, характеризующий повышение прочности сцепления с цементным камнем обработанной проволоки по сравнению с необработанной 29 1,5 29 32 21 24 1,5 1,5 1 1,2 39 93 40 2 4,7 2 61 112 40 3,1 5,7 2 149 102 74 7,8 5,2 3,7 82 4,2 28 35 67 74 31 128 175 1,4 1,8 3,4 3,7 1,6 6,5 8,9 109 212 92 82 5,5 10,8 4,7 4,2 Как видно из таблицы, наиболее эффективные способы обработки проволоки – окисление при температуре 600 0С, нанесение на поверхность проволоки эпоксидной смолы и цемента, а также горячее и электролитическое цинкование. При механической обработке наибольший эффект дает загибание петель на концах 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. Сейчас этот сырьевой резерв тем более актуален, что огромное внимание во всем мире 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 расщеплению на отдельные проволоки-фибры. Для использования этих фибр важное значение имеет определение их оптимальных геометрических параметров, которые зависят от технологических возможностей производства, а также от конструктивных 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 прядей и устанавливается в соответствии с техническими возможностями их расщепления 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 обработке, например, путем его отжига или электротермического нагрева. Смазка с поверхности удаляется, а содержащийся в канате органический (пеньковый) сердечник отжигается. После термической обработки канат охлаждают, режут на отрезки, а отрезки расщепляют путем перетирки. Недостатком данной технологии является высокая энергоемкость технологического процесса и частичное снижение прочности в проволоках, подвергаемых термической обработке при достаточно высокой температуре. 48 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 горячей водой при 70…100 0С. В пар или воду вводят поверхностно-активные вещества. Еще одна новая технология по очистке поверхности канатов (фибр) – обработка сухим горячим воздухом под определенным давлением. Стеклянные (минеральные) волокна. Разнообразие типов стекол обусловливает 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, алюмоборосиликатные, натрийкальцевосиликатные, цирконийсиликатные, алюмосиликатные и др. Развивается производство шлаковых волокон и волокон, получаемых из плавленых 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 способов их получения и химического состава стекла. По своему химическому составу промышленные стекла и стекловолокна подразделяются на две основные группы: бесщелочные (содержание не более 1…2% щелочных оксидов) и щелочные (содержащие 10…15% щелочных оксидов). В настоящее время налажено производство непрерывных стеклянных волокон в виде одиночных нитей большой длины (сотни и тысячи метров) и штапельных – сравнительно коротких отрезков (до 60 см) одиночных волокон. Непрерывные стекловолокна диаметрами от 3 до 100 мкм получают путем вытягивания из 49 расплавленной стекломассы на специальных установках из стеклоплавильных сосудов 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 бабину. 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 раздува или центрифугально–фильерно-дутьевым методом. В качестве дисперсной арматуры для бетонных матриц используются непрерывные стеклонити, получаемые из жгута, а также нарезаемые из него короткие 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 50 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 активным средам, диэлектрические, оптические и другие свойства. Современные физические концепции представляют стекло как твердое тело в виде переохлажденной жидкости с фиксированной микронеоднородной структурой. В процессе формования подобных структур при охлаждении и расплаве стекла возникает система, состоящая из микроструктурных образований, строение которых в центральной части аналогично недеформированной кристаллической решетке, но при удалении от центра к периферии эти образования деформируются и соответствующие участки периферийной области приобретают аморфное строение. Химические 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 колец. Вместе с тем в отличие от правильной кристаллической сетки структурная сетка стекла является неправильной и принцип ее построения иной, чем кристаллической 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 арматуры. Например, прочность при растяжении образцов массивного стекла колеблется 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 упругости. Эта характеристика в полной мере зависит от диаметра волокон (таблица 13). Таблица 13 – Зависимость модуля упругости стеклянных волокон от их диаметра Диаметр волокон, мкм 10-20 Модуль упругости, МПа 73500 – 74500 Упругое удлинение, % 2,7 – 1,5 46-60 76000 – 77000 1,3 – 1 80-100 78000 – 79000 0,75 – 0,5 51 При применении стеклянных волокон в качестве армирующего материала для цементных и гипсовых растворов и бетонов перспективными оказались волокна 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 высоким уровнем коррозионной устойчивости к воздействиям среды гидратирующегося цемента. Наиболее активным и агрессивным по отношению к стеклам компонентом жидкой фазы гидратирующихся портландцементов является Са(ОН)2. Использование вяжущих, не выделяющих в процессе гидратации Са(ОН)2, например, глиноземистого и гипсоглиноземистого цементов, существенно замедляет процессы разрушения стеклянных волокон, но не прекращает эти процессы полностью. 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 волокон органического происхождения. Несмотря на более низкие значения упругих характеристик органических волокон (по сравнению со стальными и стеклянными), интерес к их исследованиям и применению в качестве армирующей добавки для бетонов сохраняется до сих пор. Попытки использовать в качестве арматуры органические волокна растительного или животного происхождения были известны с давних пор. Исследовались возможности применения джутовых, сизалевых, кокосовых, целлюлозных и других волокнистых материалов. Однако волокна этого типа из-за большого водопоглощения 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 волокна: нейлоновые, полиэтиленовые, полипропиленовые и др., которые не поддаются коррозии под воздействием среды гидратирующихся цементов. 52 Нейлоновое волокно было первым синтетическим материалом, рекомендованным для армирования бетона в конструкциях, подвергаемых главным образом действию динамических нагрузок. Однако нейлоновые волокна в виде элементарных 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. Указанные волокна имеют более надежное сцепление с бетоном и дешевле, чем нейлоновые. Все синтетические волокна имеют плохую смачиваемость, при этом их сцепление 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 бетонной матрице. Армирование бетона синтетическими волокнами не обеспечивает скольконибудь заметного повышения прочности при статических нагрузках. Однако сопротивление композиции «бетон-синтетическое волокно» при воздействии ударных нагрузок оказывается более высоким по сравнению с неармированным бетоном. В этом случае работа, которую необходимо затратить для полного разрушения композиции, значительно возрастает за счет, главным образом, сил трения, которые необходимо преодолеть при выдерживании волокон в процессе разрушения материала. Значительный интерес в настоящее время представляет применение в качестве арматуры синтетических волокнистых материалов, которые являются отходами 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 53 волокон, используемых при изготовлении шинного корда, приведены в таблице 14. Таблица 14 – Технические характеристики волокон для шинного корда Волокно Полиамидное Вискозное сверхпрочное Число Разрывная элементарных нагрузка, волокон в Н нити Удлинение, % 140 130 24 Прочность на растяжение, МПа 720 800-1000 165 14 660 Модуль Юнга, МПа 5600 1900 Работы по расширению класса применяемых синтетических волокон продолжаются. 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 равномерности 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 технологических 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 значительную 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; 54 - 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 содержанию и сложности осуществления технологических мероприятий. Технология изготовления бетонов, армированных стальными фибрами, слагается 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 заданной длины, их расщеплением и очисткой от смазки; - из стальной полосы заданной ширины с поперечной или продольной резкой 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 термообработке в сушильной печи и затем после твердения клея разрезаются на пакты (блоки) с образованием на их концах отгибов для повышения анкерующей способности каждой фибры (рисунок 13). 1 – бухты проволоки, 2…5 – направляющие ролики, 6 – емкость для клея, 7 – обтирочное приспособление, 8 – сушильная печь, 9 – фрикционные ролики, 10 - нож Рисунок 13 – Схема технологии получения пакетов фибр «Драмикс» фирмы Бекарт 55 Применение пакетов фибр снижает транспортные расходы, повышает качество технологического процесса смешивания фибр с компонентами бетонной смеси. На рисунках 14…17 показаны схемы станков для получения фибр из стальной проволоки, из листовой рулонной стали, из обработанных канатов, из расплава. 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 56 1 - камера; 2 - диск-кристаллизатор; 3 - плавильная индукционная печь; 4 - привод подъема плавильной печи; 5 - устройство загрузки шихтовых материалов; 6 - 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 распределения. При традиционных методах перемешивания в растворе и бетоне при введении волокнистого заполнителя наблюдается образование характерных скоплений волокон в виде комков и клубков, препятствующих дальнейшему их распределению в объеме материала. Это наблюдается при использовании практически всех видов волокон независимо от применяемого вяжущего. Поэтому могут возникнуть ситуации, при которых содержание волокон и степень их рассредоточения в растворе (бетоне) будут неодинаковыми и недостаточными для создания оптимального (критического) уровня. Это может привести к тому, что статические испытания 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 заполнителя, 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. 57 В настоящее время применяются несколько технологий изготовления фибромированной бетонной смеси. Первая технология заключается в том, что сначала перемешивают всухую песок с заполнителем и затем вводят требуемое количество предварительно просеянных через сито фибр. После этого в смесь добавляют цемент и воду или сначала цемент, а затем воду с добавками и продолжают перемешивание до получения однородной бетонной смеси. Вторая технология предусматривает введение волокон к заполнителю, предварительно перемешанному с водой, и после этого введение цемента и недостающей воды. Третья технология относится к изготовлению растворной смеси, в которой отсутствует крупный заполнитель. В этом случае волокна вводят в самую последнюю очередь (после песка, воды и цемента). Четвертая технология рекомендует осуществлять подачу фибр в бетоносмеситель с помощью установленного над ним специального устройства, представляющего 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 58 В барабан помещается навеска фибр на замес смесителя. В процессе вращения барабана фибры под действием центробежных сил постепенно и равномерно подаются в смеситель во время перемешивания в нем компонентов бетонной смеси. Пятая технология состоит в том, что в зоне над бетоносмесителем устанавливают устройство для получения фибр из исходной заготовки (стальной проволоки). Устройство работает одновременно (синхронно) с работой бетоносмсителя. 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 поступают на вибросито, где осуществляется их расщепление, затем они подаются на конвейер, после чего вдуваются сжатым воздухом в бетономешалку с предварительно загруженными в нее исходными компонентами. Седьмая технология предусматривает введение в бетонную смесь пакетов фибр, склеенных водорастворимым клеем. При введении в бетонную смесь пакеты хорошо распределяются в ее объеме и в процессе растворения клея при перемешивании смеси распадаются на отдельные фибры с последующим их равномерным распределением в смеси. Для приготовления фиброармированных бетонных смесей могут использоваться обычные смесители периодического действия, но более эффективными являются смесители принудительного действия, а также специальные смесители, например спирально-вихревые, турбулентные и др. Получение фиброармированной бетонной смеси может осуществляться на бетоносмесительных узлах действующих заводов. При этом в зависимости от условий производства могут быть различные компоновки дополнительных технологических устройств с действующим оборудованием. На рисунке 19 приведена схема узла приготовления сталефибробетонной смеси на строительстве завода кожизделий в г. Рязани. 59 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 технологиям: - стендовой; - поточно-агрегатной; - конвейерной. При стендовой технологии формы (стенды) не перемещаются, остаются неподвижными, 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 поста к посту с различными интервалами времени, зависящими от продолжительности той или иной операции, от нескольких минут (смазка форм) до нескольких часов (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. 60 Особый интерес представляет использование при изготовлении дисперсно армированных бетонов и конструкций на их основе специальных технологических мероприятий, позволяющих улучшить качество готовой продукции. Большие возможности открываются при использовании таких методов формования изделий как вибропрокат, вибропрессование, вибровакуумирование, центрифугирование, формование под давлением (с пригрузом). Эти методы способствуют удалению из бетонной смеси избыточной воды, создают условия для ориентации фибр и получению более плотной структуры армированного материала. Ориентация стальных фибр в формуемом изделии может быть достигнута за счет создания в зоне формования магнитного поля. Время виброобработки при формовании изделий оказывает существенное влияние на равномерность распределения фибр в объеме бетона. Превышение времени вибрации бетона сверх установленного может привести к расслоению армированной смеси. В данном случае вследствие разницы в плотностях бетона и стали под действием сил гравитации фибры в процессе вибрации смеси стремятся опуститься вниз (к поддону). Иногда это свойство используется для обеспечения зонного армирования, когда по расчету в какой-либо части (зоне) изделия требуется более высокий уровень армирования. Особый интерес представляет технология торкретирования сталефибробетонной смеси, предложенная норвежской фирмой «Робокон». С помощью автоматизированной установки – агрегата можно выполнять большой объем работ например, по торкретированию* подземных тоннелей, резервуаров для нефти и других сооружений. *Торкретирование – нанесение торкретбетона на поверхность бетонируемой конструкции (или в форму) с помощью цемент-пушки (сжатым воздухом). Свойства дисперсно армированных бетонов расширяют возможности изготовления изделий со сложным геометрическим очертанием, с разным качеством и фактурой поверхности. Для этих целей используются различного рода шаблоны, катки, пуансоны, традиционные и пневматические виды опалубок, форма не только с жесткими, но и гибкими поддонами с плоской и рельефной поверхностью. Фибры, пронизывая объем бетона, образуют в нем своеобразный «каркас», обеспечивающий устойчивость тонкого слоя свежеотформованного фибробетона даже при перемещении его вместе с поддоном в вертикальное положение. Это свойство использовано для получения изделий дуго- и П-образной формы в поперечном сечении из свежеотформованной фибробетонной плоской заготовки мето61 дом гнутья. Одна из модификаций установок для осуществления этого способа при изготовлении фибробетонных лотков показана на рисунке 20. 1 – рама; 2 – поддон; 3 – средняя съемная секция поддона; 4 – крайняя секция поддона; 5 – Г-образный кронштейн; 6 – силовой цилиндр; 7 – шток; 8 – шарнир; 9 – замок борта; 10 – продольный борт; 11 – формуемое изделие; 12 – замок поддона; 13 – формообразующая накладка; 14 – верхняя секция борта; 15 – нижняя секция борта Рисунок 20 – Установка для формования сталефибробетонных изделий (лотков) методом гнутья свежеотформованной плоской заготовки Определенный интерес приобретают безвибрационные технологии изготовления сталефибробетонных изделий, базирующиеся на методах ротационносилового уплотнения. Безвибрационный способ изготовления изделий методом силового набрызга бетонной смеси (ротационная технология) обеспечивает высокую производительность технологического процесса (40…60 м3/час и более), повышает прочность бетона, его водонепроницаемость, морозостойкость, коррозионную устойчивость. В соответствии с принятыми принципами процесс приготовления сталефибробетонной смеси по ротационной технологии (рисунок 21) предусматривает подачу потока бетонной смеси от расходного бункера и потока фибр от механизма их нарезки на ленточный транспортер (или какой-либо другой питатель), обеспечивающий равномерную и дозированную подачу этих компонентов смеси в рабочую зону вращающихся навстречу друг другу роторов, которые в свою очередь снабжены лопастями. Рассматриваемая технология предусматривает использование стальных фибр, нарезанных из непрерывной рулонной заготовки (стальной ленты) с учетом того, что механизм нарезки фибр работает синхронно с работой роторной установки. Компоненты бетонной смеси и фибры, попадая с конвейерной ленты в зону вращающихся лопастей роторов захватываются ими и под действием центробежных сил приобретают поступательное движение в зону формования изделия. В данном случае достигается высокая степень уплотнения используемых компонентов во всем объеме изделия (осуществляется 62 принцип безвибрационной технологии). Рассматриваемая технология обеспечивает не только высокую надежность уплотнения формуемых изделий, но и создает предпосылки для более широкого варьирования параметрами исходных компонентов, в том числе для существенного увеличения (в сравнении с обычной технологией) объемного содержания фибр в смеси и их относительной длины, что весьма важно для соответствующего повышения прочности сталефибробетона. 1 _ ленточный конвейер; 2 — расходный бункер-питатель; 3 — бетонная смесь; 4 —бухта-лента из тонколистового проката; 5—станок для нарезки из листа фибр; 6—поток фибр; 7—большой и малый лопастной роторы; 8 — поддон; 9 — формуемое изделие Рисунок 21 – Схема формования сталефибробетонных изделий по безвибрационной (ротационной технологии) Бетоны, армированные неметаллическими волокнами Технологические методы изготовления композиций с применением неметаллических волокон (стеклянных, синтетических) связаны в основном с решением тех же задач, что и при использовании стальной фибровой арматуры. Основное отличие в том, что в этих композициях ограничены возможности применения крупного заполнителя, и для практических целей рекомендуются матрицы главным образом на основе цементного (гипсового) камня (подобно асбестоцементу) или мелкозернистого бетона (цементно-песчаного раствора). Вопросы армирования строительных конструкций стеклянными волокнами были впервые исследованы еще в предвоенные годы. Были созданы эффективные конструкционные стеклопластики. Работы по освоению технологии изготовления стеклоармированных композиций на основе цементных растворов и бетонов были начаты в начале 60-х годов. Наибольший интерес к этому направлению проявля63 ется в последние годы в связи с разработкой щелочестойких стекловолокон, способных противостоять воздействиям продуктов гидратации цементных вяжущих, а также с наличием значительных отходов синтетических волокон в химической промышленности, которые целесообразно использовать, в частности, в строительстве. Стеклянные и синтетические волокна имеют несколько меньшую тенденцию к комкованию при перемешивании по сравнению с металлическими волокнами, поэтому перед введением в бетонную смесь не требуется их просеивания через сито. Однако при заводском изготовлении (с целью обеспечения равномерности подачи) введение подобных волокон в бетоносмеситель лучше осуществлять вдуванием незадолго до окончания перемешивания смеси. Для получения стеклоармированных композиций хорошие результаты были получены при использовании прутково-шнековых смесителей, обеспечивающих достаточную однородность распределения волокон в бетоне. Для повышения качества смеси предлагаются различные дополнительные мероприятия: введение со стекловолокном некоторого количества измельченного асбестового волокна, наполнители в виде мраморной пыли, тонкоизмельченной обожженной глины, минеральной ваты. Распространенным и эффективным технологическим методом получения стеклоармированных композиций является набрызг (напыление) раствора под давлением (подобно торкретированию) с одновременной подачей волокна на большой скорости, как, например, в ряде случаев это осуществляется при изготовлении стеклопластиков. Метод напыления удобен при изготовлении тонкостенных элементов с хаотичной двухмерной укладкой стекловолокна при соблюдении точной дозировки используемых компонентов. Наиболее эффективным является способ механизированного напыления, обеспечивающий синхронную подачу в форму цементного связующего и рубленного стекловолокна. Процесс изготовления в этом случае включает следующие операции. С помощью инжекционного сопла (рисунок 22) раствор (цементная суспензия) под давлением наносится на поддон с формуемым изделием. Одновременно при помощи пневматического пистолета-напылителя (рисунок 23) осуществляется рубка непрерывного стекловолокна (стеклоровинго) на отрезки заданной длины. Под действием сжатого воздуха стекловолокно подается в струю цементной суспензии. Смесь при напылении (торкретировании) мо64 жет наносится не только на горизонтальную, но и на наклонные и вертикальные поверхности. 1 – корпус; 2- штуцер для подвода сжатого воздуха; 3 – подвод цементной суспензии Рисунок 22 – Инжекционное сопло для подачи цементной суспензии 1 - пневмопривод; 2 — штуцер для подвода сжатого воздуха; 3 — отвод сжатого воздуха в диффузор; 4 - панель крепления диффузора и механизма резки стеклоровинга; 5 - диффузор; 6 - вырез в диффузоре, в который подается рубленый стеклоровинг; 7 - нож для резки стеклоровинга; 8 - барабан с ножами; 9 — резиновый бандаж Рисунок 23 - Пневматический пистолет-напылитель стекловолокна В другом случае агрегат для напыления смонтирован в створе технологической линии для изготовления стеклофиброцементных плит. Формы для изготовления плит перемещаются по роликовому конвейеру конвейерной линии. В форсунку механизма напылителя по шлангам от компрессора подается сжатый воздух и одновременно от растворосмесителя поступает цементный раствор (тесто), а из узла рубки – стекловолокно. На выходе напыляющих сопел образуется факел, состоящий из цементного теста и отрезков волокон. При этом механизм – напылитель совершает возвратно-поступательное (челночное) движение относительно продольной оси конвейера. В результате при согласованном с работой напылителя движении форм по конвейеру осуществляется формование плит. Процесс равномерного заполнения формы при изготовлении плит размером 1,8х1,5 м и толщиной 2 см длится примерно 3 мин. 65 Предельные значения объемного содержания стеклянных волокон, которые удается ввести в цементный раствор при хаотичном армировании, колеблются в пределах 3…5% по объему, а при направленном армировании указанные значения могут быть доведены до 10-12%. Диапазон длины стеклянных волокон, вводимых в раствор, при их свободной ориентации принимают в пределах 1…5 см. Таким образом, можно выделить различные по своему характеру технологические приемы, которые применяются при изготовлении бетонных смесей, включающих арматуру в виде волокон. При использовании сравнительно коротких волокон для армирования бетонов (дискретное армирование) наибольшей популярностью пользуются непосредственное перемешивание волокон с бетонной смесью либо напыление (торкретирование). При этом формование и обработка бетонной смеси могут производиться в сочетании с прессованием, вакуумированием либо с центрифугированием, способствующим удалению из бетона избыточной воды, созданию более плотной структуры материала. Остальные технологические приемы относятся к армированию бетонов сравнительно длинными волокнами: пучками нитей, лентами, сетками, тканями, холстами, матами. Подобное армирование осуществляется, как правило, с направленной ориентацией волокон по отношению к действующим усилиям. При армировании бетонов непрерывными волокнами используется либо метод контактного формования, предусматривающий последовательную укладку в форму бетонной смеси и армирующих волокон, либо метод погружения волокон в бетонную матрицу. В ряде случаев нити (ленты) наматываются на сердечник параллельными рядами с одновременным (или последовательным) набрызгом цементного раствора. Анализ работ в области технологии показывает, что в этом направлении еще не все вопросы получили окончательное решение. Многие технологические методы находятся в стадии развития. Вместе с тем освоение существующих технологий наряду с их совершенствованием будет способствовать более широкому внедрению дисперсно армированных бетонов в практику строительства. 2.4 Области применения дисперсно армированных бетонов Мировая практика строительства выявила фибробетоны как один из перспективных строительных материалов XXI века. По мнению специалистов использование дисперсно армированных бетонов перспективно как в сборных, так и в монолитных конструкциях: дорожных и аэродромных покрытиях, пролетных строениях мостов, полах промышленных зданий, ирригационных каналах, резервуарах и нефтехранилищах, взрыво- и взломо66 устойчивых конструкциях, тюбингах и обкладках тоннелей и морских пирсов, подпорных стенах, футеровочных покрытиях, покрытиях в виде дисперсно армированных торкретных слоев для шахтного и горного строительства, огнезащитных облицовках и т.д. В числе сборных конструкций выделяют также различного рода объемные блоки и трубы, огнеупорные изделия, элементы и облицовки стен сложной конфигурации, лестничные марши, стеновые и кровельные панели, черепица, модули плавающих доков, морские сооружения, сваи, обогревательные элементы, уличная фурнитура, элементы пространственных покрытий и сооружений, карнизные элементы мостов, железнодорожные шпалы. Опыт таких стран как США, Великобритания, Япония, Германия, Италия, Франция, Австрия, а также Россия показал технико-экономическую эффективность применения фибробетона в перечисленных конструкциях и областях строительства. Все более широко применяется фибробетон с использованием широкого ассортимента фибры: стальной, стеклянной, базальтовой, углеродной, полипропиленовой и др. (таблица 15). Таблица 15 – Свойства различных видов волокон для изготовления фибры Волокно 1 Полипропиленовое Полиэтиленовое 1 Нейлоновое Акриловое Полиэфирное Хлопковое Асбестовое Стеклянное Стальное Углеродное Карбоновое Полиамидное Вискозное сверхпрочное Базальтовое Плот- Прочность Модуль Удлинение ность, на упругости, при 3 г/см растяжение, МПа разрыве, МПа % 2 3 4 5 0,90 400-770 3500-8000 10-25 0,95 600-720 1400-4200 10-12 2 3 4 5 1,10 770-840 4200-4500 16-20 1,10 210-420 2100-2150 25-45 1,40 730-780 8400-8600 11-13 1,50 420-700 4900-5100 3-10 2,60 910-3100 68 000-70 000 0,6-0,7 2,60 1800-3850 7000-8000 1,5-3,5 7,80 600-3150 190 000-210 000 3-4 2,00 2000-3500 200 000-250 000 1-1,6 1,63 1200-4000 280 000-380 000 2,0-2,2 0,90 720-750 1900-2000 24-25 1,20 660-700 2,6-2,7 1600-3200 67 5600-5800 7000-11000 14-16 1,4-3,6 Исследования и практика строительства показали, что для производства и возведения фибробетонных конструкций в основном может быть использовано технологическое оборудование, применяемое для традиционного бетона и железобетона. Дополнительно для некоторых видов фибры нужны механические диспергаторы, которые уже разработаны. При изготовлении и возведении традиционных конструкций из железобетона наиболее трудоемкими являются арматурные работы. Изготовление сеток, каркасов, установка арматуры и ее закрепление в проектное положение, необходимость увеличения толщины конструкции для обеспечения толщины защитного слоя бетона, сложность соблюдения его величины при бетонировании приводят к значительным затратам труда. В ряде конструкций, особенно в инженерных сооружениях со сложным геометрическим очертанием (например, конической, бункерной или другой подобной формы), во многих пространственных элементах, круглых плитах не всегда могут быть использованы стандартные сетки. Армирование подобных конструкций осуществляется, как правило, индивидуально и часто отдельными стержнями, что существенно повышает не только трудоемкость работ, но и приводит к перерасходу дефицитной стали. Применение дисперсно армированных бетонов дает возможность исключить из конструкций значительную часть традиционной стержневой арматуры и заменить ее фибровой, вводимой в бетон при его изготовлении в бетоносмесителе. Это позволяет значительно снизить трудоемкость работ при изготовлении сборных элементов на заводах ЖБК, а также непосредственно на строительных площадках при возведении монолитных конструкций. Применение дисперсно армированных бетонов позволяет в ряде случаев обеспечить снижение расхода бетона и стали. Первый положительный опыт практического применения сталефибробетона в емкостных сооружениях был получен еще в 1979 г при устройстве монолитного днища прямоугольного резервуара технической воды размером 12х18 м (в плане) на Северной водопроводной станции в Ленинграде. Расход фибр в днище составлял 120 кг/м3 бетона (1,5 % по объему). За счет сокращения арматурных работ трудозатраты при возведении фибробетонного днища были уменьшены на 30% по сравнению с трудозатратами при возведении 68 днища из железобетона. На рисунке 24 представлено монолитное днище резервуара технической воды, выполненное из железобетона и сталефибробетона. Рисунок 24 - Монолитное днище резервуара технической воды из железобетона (а) и фибробетона (б) и резервуар в разрезе (в) В дальнейшем были разработаны конструктивные решения монолитных днищ из сталефибробетона для емкостных сооружений широкой номенклатуры, включая прямоугольные резервуары чистой воды вместимостью до 20 тыс.м 3 с сеткой колонн 6х6 м, размером в плане48х108 м, цилиндрические канализационные первичные и вторичные вертикальные отстойники диаметром 4, 5, 6 и 9 м. (днища бункерного типа), радиальные отстойники диаметром 18, 24, 30 и 40 м (днища плоские), а также сборные изделия для сооружений водопровода и канализации, включая панели перегородок, элементы лотков, изделия круглых колодцев. На рисунке 25 представлены монолитные днища с применением сталефибробетона в канализационных отстойниках. 69 а – вертикальный отстойник с коническим днищем, б, в – радиальные отстойники с плоскими днищами; 1 – сталефибробетонное днище, 2 – бетонная подготовка, 3 – железобетон Рисунок 25 – Монолитные днища с применением сталефибробетона в канализационных отстойниках Технико-экономический анализ показал, что замена в канализационных отстойниках только 10% традиционных железобетонных днищ днищами из сталефибробетона обеспечивает ежегодное снижение расхода бетона в конструкциях на 1600 м3, стали на 70 т, затрат труда на стройплощадке на 18 тыс. человеко-дней и уменьшает стоимость строительства. Представляет интерес применение сталефибробетона в сборных конструкциях емкостных сооружений. Для резервуаров с сеткой колонн 3х6 м разработаны сталефибробетонные панели перегородок толщиной 40 мм вместо 80 мм в типовых конструкциях из железобетона. Применение сталефибробетона в перегородках позволяет вдвое снизить расход бетона и на 8% - расход стали. Несомненный интерес представляет также применение сталефибробетона для изготовления лотков для водопровода и канализации. Лотки изготавливаются методом гнутья свежеотформованного слоя фибробетонной смеси. Вначале фор70 муют заготовку на гибком поддоне, состоящем из трех жестких листов, соединенных друг с другом гибкими связями. После укладки фибробетонной смеси на поддон и ее виброуплотнения виброкатком осуществляют подъем бортов поддона вместе с отформованными стенками лотка в вертикальное положение (рисунок 26). а – конструкция, б – схема изготовления методом гнутья, 1 – жесткие элементы, 2 – гибкие элементы, 3 – отформованный слой фибробетона, 4 – окаймляющие уголки Рисунок 26 – Тонкостенный лоток из фибробетона Применение фибробетона в лотках позволяет снизить более чем в два раза расход бетона, до 13% стали, вдвое трудозатраты на стройплощадке. Ответственными и достаточно трудоемкими при бесканальной прокладке металлических трубопроводов являются работы по изоляции их от внешних воздействий. Широко распространенный тип изоляции включает теплозащитный слой 80…100 мм из пенобетона, который ввиду его малой прочности армируется пространственными каркасами, гидроизоляцию, состоящую из двух слоев бризола на резинобитумной мастике, и наружную защитную корку толщиной 15…20 мм из цементной штукатурки на металлической сетке. В качестве наружной защитной корки для изоляции трубопроводов могут быть эффективно использованы тонкие сталефибробетонные оболочки в виде незамкнутых цилиндров. Благодаря высокому уровню водонепроницаемости они могут выполнять также функции гидроизоляции (рисунок 27). 71 1 - гидроизоляция; 2 - сетка; 3 - раствор; 4 - труба; 5 - каркас; 6 - теплоизоляция; 7- лента из гидроизола; 8 - сталефибробетонная оболочка Рисунок 27 - Изоляция трубопровода для типового решения (а) и с применением сталефибробетонной оболочки (б) В данном случае теплоизоляционный слой выполняют из пенобетона, но без арматурного каркаса. Пенобетон заливают внутрь оболочки и вместе с ней он проходит автоклавную обработку. Изоляция с применением сталефибробетонных оболочек позволяет исключить из теплозащитного слоя арматурные каркасы, отпадает необходимость в стальных формах для изготовления пенобетонного слоя, сокращается расход бризола и битума, исключаются трудоемкие работы по креплению стальной сетки по штукатурке. На многих строительных объектах важной проблемой является забивка свай до проектной отметки. Применение фибр для армирования голов резко повышает их ударостойкость, в результате чего сокращается число недобитых свай, повышается производительность сваебойного оборудования. На рисунке 28 показаны типы свай с применением сталефибробетона 72 а — цельная сплошная квадратного сечения с ненапрягаемой арматурой с головой и наконечником из сталефибробетона; б – составная сплошного квадратного сечения с ненапрягаемой арматурой с головой, наконечником и элементами сварного стыка из сталефибробетона; в - цельная сплошного квадратного сечения с напрягаемой арматурой, с головой и наконечником из стеклофибробетона; г - сборно-составная из сталефибробетонных элементов швеллерного сечения; 1 - голова- 2 - железобетонный ствол; 3 - наконечник сплошного сечения- 4 - каркас ствола; 5 спираль; 6 - анкерная петля для головы и наконечника; 7 - элемент сварного стыка; 8 - анкерная петля стыка составной сваи; 9 - уголок; 10 - преднапряженная арматура; 11 - элемент торца (головы) с пазами (сечение 1-1 в двух вариантах: с пазами внутри и снаружи элемента); 12 - наконечник с пазами; 13 - элемент верхнего звена швеллерного сечения; 14 - вертикальный стык между элементами; 15 — горизонтальный стык между звеньями Рисунок 28-Типы свай В качестве примера успешного применения сталефибробетона для изготовления свай можно привести опыт объектов Санкт-Петербурга и Ленинградской области, где забито более 3000 свай различной конструкции, что обеспечило экономию средств в размере 30%. 73 Отечественные и зарубежные данные свидетельствуют также о перспективности использования фибробетона в трубах малых и средних диаметров, особенно в низконапорных трубах больших диаметров, например для канализационных коллекторов. Это обусловлено повышенной трещино- и коррозионной стойкостью фибробетона. Есть положительный опыт изготовления труб диаметром 1,6м с толщиной стенки 120 мм для коллекторных канализационных тоннелей с использованием технологии навивки свежеотформованной плоской заготовки из сталефибробетона на сердечник соответствующего размера Разработана номенклатура фибробетонных тонкостенных элементов несъемной опалубки. Опалубочные листы толщиной 15…20 мм используются при возведении монолитных фундаментов под колонны. Применение фибробетонной несъемной опалубки вместо инвентарной щитовой позволяет снизить трудозатраты на площадке примерно на 25%,а также сократить сроки строительства объектов. Определенный интерес представляет применение в строительстве фиброармированных конструкций складчатого типа, таврового сечения, плит с ребрами различной конфигурации. К этим конструкциям относятся, в частности, ребристые плиты покрытий и перекрытий (массового производства) для промышленного строительства. Плиты могут быть с различными уровнями их несущей способности. В этих плитах сохранена преднапряженная арматура, размещаемая в продольных ребрах, а также стержневая арматура в поперечных ребрах, вся остальная арматура (конструктивная и поперечная) заменена на фибровую. Подобные ребристые плиты размером 3×6 (предназначенные под расчетную нагрузку 7,3 кН/м) по прочности, жесткости, трещиностойкости удовлетворяют требованиям норм. Толщину полок в плитах покрытий можно уменьшить с 3 до 2 см, а в плитах перекрытий с 5 до 4 см, это позволяет сократить расход бетона на 8…10%, трудоемкость работ при изготовлении на 20…25%. В настоящее время широкое распространение получают многослойные конструкции типа «сэндвич» в сочетании с другими материалами: сотопластами, пенопластами, пенобетоном, пеностеклом, фибролитом и др. Такие «сэндвичи» (рисунок 29) в виде крупноразмерных плит могут быть использованы в качестве ограждающих конструкций (покрытий, подвесных потолков, перегородок, воздуховодов и т.д.) в зданиях различного назначения 74 Рисунок – 29 Многослойные изделия типа «сэндвич» с внешними стеклоармированными слоями и внутренним слоем из сотопласта, пеностекла, фибролита, пенопласта На рисунке 30 показан один из вариантов конструкции ограждения - плита пролетом 3м с внутренним слоем из сотопласта. Внешние стеклоармированные слои в подобных плитах при изгибе воспринимают в основном нормальные сжимающие и растягивающие усилия, внутренний слой - сдвигающие (касательные) напряжения. Плиты могут быть выполнены с контурным обрамлением и без него. 1, 2 - верхний и нижний стеклоармированные слои; 3 - сотопласт; 4 - контурное обрамление Рисунок 30 - Конструкция плиты ограждения В связи с расширением статически неопределимых преднапряженных конструкций и тонкостенных элементов с использованием бетонов повышенной 75 прочности наблюдаются случаи их взрывоопасного разрушения при пожарах. Существенный эффект в повышении взрывоустойчивости конструкции могут обеспечить неметаллические волокна: стеклянные и синтетические. Армирование бетона подобными волокнами препятствует спонтанному развитию неравновесных трещин под действием сжимающих и растягивающих напряжений, возникающих в материале при огневых воздействиях. Представляет интерес применение фиброармированных бетонов для изготовления воздуховодов различного назначения зданий. Основным материалом для устройства воздуховодов систем вентиляции является металл. Применение фиброармированных материалов для производства воздуховодов позволяет снизить трудозатраты на строительной площадке и значительно уменьшить расход листовой стали. Особое место в строительстве приобретают работы, связанные с устройством на поверхности различных конструкций и сооружений (например, на стенах резервуаров) защитных покрытий, выполняемых в виде торкретных слоев, уплотняющих стяжек, обмазочных изоляций, повышающих герметичность и непроницаемость сооружений, защищающих арматуру от коррозии. Резервуары для хранения мазута, воды, а также емкости, входящие в состав очистных сооружений – аэротенки, метантенки, биофильтры, радиальные первичные и вторичные отстойники, - возводятся по соответствующим типовым проектам для предприятий пищевой, легкой, текстильной промышленности. Применение армированных волокнами цементных растворов в резервуарах вместо обычного торкретирования, позволило значительно улучшить качество изоляционных работ, производить их быстрее и с меньшими трудозатратами. Представляет интерес применение стеклоармированных композиций для изготовления несъемных опалубочных изделии для монолитных конструкций со сложной конфигурацией. Подобные конструкции довольно часто встречаются в условиях промышленного строительства (конструкции нулевого цикла, спецфундаменты для технологического оборудования и др.). Применение несъемной стеклоармированной опалубки в данном случае достаточно перспективно, так как позволяет получить экономию пиломатериалов, металла и одновременно сократить трудозатраты на строительной площадке. 76 Определенный интерес представляет применение синтетических волокон для армирования защитных покрытий откосов набережных, полотна железных дорог, а также для изготовления различного рода экранов, декоративных элементов, облицовочных плит. Весьма эффективным может оказаться применение фибробетона в узлах и конструкциях многоэтажных и высотных зданий, особенно в зданиях и сооружениях, возводимых в сейсмических районах. Это объясняется тем, что дисперсное армирование обеспечивает диссипацию энергии в объеме конструкции, (диссипация – от лат. dissipatio – рассеяние, разрушение) узла или зоны за счет многократно большей энергии деформирования и разрушения по сравнению с обычным бетоном при дискретном армировании. В данном разделе рассмотрены лишь некоторые аспекты применения фибробетонов. Очевидно, что применение дисперсно армированных бетонов в строительстве создает предпосылки для значительного сокращения объемов традиционных арматурных работ, расширяет технологические возможности получения конструкций различного профиля с более высоким уровнем их трещиностойкости, сопротивлением к различным видам силовых воздействий, в том числе к динамическим. Применение дисперсно армированных бетонов может обеспечить во многих случаях значительный экономический эффект: возможность уменьшения в ряде случаев сечения конструкций, соответствующее снижение их стоимости, а также расход бетона и стали. Наряду с этим сохраняют актуальность вопросы дальнейшего углубления теоретических представлений в области дисперсно армированных бетонов, совершенствования технологии их изготовления, накопления практического опыта применения в различных условиях строительства и эксплуатации. Кроме того, также актуальны вопросы расширения видов дисперсно армированных бетонов. В настоящее время достаточно изучены и прошли производственную проверку следующие разновидности фибробетонов: бетон, армированный стальными волокнами различной длины и поперечного сечения (сталефибробетон; легкий бетон на пористых заполнителях, армированный стальными или синтетическими волокнами; плотный или поризованный цементно-песчаный бетон, армированный 77 синтетическими высоко - или низкомодульными волокнами; ячеистый фибробетон, армированный синтетическими волокнами. Проведенные исследования позволили определить области рационального использования названных разновидностей фибробетонов. Поиски в этом направлении продолжаются. Очевидно, что широкое применение фибробетонов в строительстве может быть достигнуто только в результате совместного взаимодействия научных и проектных организаций в согласии с организациями – заказчиками объектов, эксплуатирующими их в дальнейшем. Для этого необходимо разработать соответствующую методику оценки экономической эффективности фибробетонных конструкций, учитывая его более высокие физико-механические свойства, долговечность, технологичность, большой межремонтный ресурс и т.п. по сравнению с железобетоном. 78 3 ИННОВАЦИОННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ НАНОТЕХНОЛОГИЙ В ПРОИЗВОДСТВЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ 3.1 Характеристика нанотехнологий Производство строительных материалов, отвечающих требованиям времени, в условиях жесточайшей конкуренции возможно только на основе современных технологий с учетом ранее достигнутых результатов. Когда мы говорим о технологии, то следует помнить, что это не только совокупность методов обработки и изготовления продукции, это еще и наука, изучающая физико-химические, механические и другие закономерности с целью изменения потребительских свойств продукции, поиска наиболее эффективных и экономичных производственных процессов. В последние годы не только в специальной научной литературе, но и в популярной, обращается внимание на развитие и перспективы нанотехнологий в различных отраслях промышленности в частности, в производстве строительных материалов, в которых компоненты имеют нанометрические масштабы. Нанотехнологии в строительстве - это новый виток, новый уровень развития научных достижений, опирающихся и на достижения прошлых лет. Сегодня практике нужны материалы и изделия многофункционального назначения или такие, которые бы намного превосходили по своим свойствам уже известные. Для этого нужны «прорывные» технологии-технологии завтрашнего дня. На повестку дня поставлены нанотехнологии, позволяющие с меньшими человеко- и энергозатратами получать материалы и изделия не просто с улучшенными свойствами, а с намного превосходящими существующих, иногда и с непредсказуемыми. Сегодняшний девиз: «Получить то, что нужно». Выполнить такую задачу можно только с помощью нанотехнологий. Термин «нанотехнология» - впервые употребил японский ученый Норио Танигут еще в 1974году. Термин «НАНО» происходит от греческого слова «nanos», означающего карлик; нанотехнология - это технология объектов, размеры которых порядка 10-9 м, т.е размеры атомов и молекул, следовательно, нанотехнология - это технология работ с отдельными атомами и молекулами и сборка из них чего-то нового. 79 Нанотехнология – это область прикладной науки, которая занимается созданием принципиально новых инструментов и материалов сверхмалых размеров, а также изучает свойства различных веществ на атомном и молекулярном уровне. Говоря о нанотехнологии как таковой, подразумевается такая тонкая технология, которая позволяет управлять процессами получения материала на атомномолекулярном уровне, т.е. с помощью атомно-молекулярного воздействия. А это означает, что уже можно говорить о «направленном» материаловедении, в том числе строительном материаловедении. Для строителя-технолога, владеющего основами химической технологии, освоение приемов нанотехнологии не представляет особых трудностей. Получение наносистем и нанообъектов возможно несколькими способами. Один из таких способов заключается в целенаправленном ведении того или иного технологического процесса путем управления атомно-молекулярными процессами с целью получения компонентов системы не только в пределах наночастиц, но и в заданном сочетании их как по объему, так и по массе (числу). Имеющие достижения в физико-химии, коллоидной химии, знания в области высокодисперсных систем и пленок, поразительных эффектов поверхностноактивных веществ, механико-химической активации твердых частиц и воды уже позволяют получать свойства материалов, ранее казалось бы невероятные. Следует отметить, что нанотехнологии использовались еще в древней Греции и Египте при создании различных красителей. Ярким и давно известным подтверждением эффекта нанотехнологии является получение булата, когда удается получить сталь, сочетающую высокую твердость, остроту лезвия, вязкость внутренних слоев изделия и высокую упругость. Еще русский изобретатель П.П. Аносов (1797-1851г.г) получил «русский булат» путем точных пропорций, качества материала и режимов технологических операций. Как он сам отмечал, основные свойства булатной стали напрямую зависят от химического состава, структуры, характера обработки, размера и формы кристаллов. Все эти рекомендации в полной мере применимы в технологии строительных материалов. 80 3.2.Перспективные нанотехнологии для производства строительных материалов Среди перспективных нанотехнологии, пригодных для производства строительных материалов, наибольший интерес представляют нанотехнологии, обеспечивающие: -активирование (структурирование) воды; -измельчение исходных материалов и сырья; -изготовление нанодисперсной арматуры 3.2.1 Нанотехнология активирования (структурирования) воды. Структурированная вода, как показывают результаты экспериментальных исследований, существенно влияет на различные свойства строительных материалов. Структура воды и ее свойства определяются взаимосвязями и формой кластеров*, в которые объединяются атомы воды под влиянием внешних активирующих воздействий. Кластеры* - группы атомов. По размерам атома (~ 0,3 нм) и кластеров воды (несколько нм) технологии производства и использования структурированной воды следует отнести к классу нанотехнологий. Исследования последних лет показывают, что вода представляет собой сложнейший объект, состояние которого не является строго детерминированным, а зависит от целого ряда внешних физических факторов. Под их воздействием вода способна проявлять такие уникальные кооперативные свойства, как трансформация и накопление рассеянной энергии в виде ее высокоэнергетических форм (химической, электромагнитной, магнитной, электрической и других),испускание и поглощение когерентных* электромагнитных волн нетепловой интенсивности, трансляция энергии возбуждения по координатной сетке водородных связей и другие. Когерентность* - согласованное протекание во времени нескольких колебательных или волновых процессов. Все эти свойства воды могут проявляться тогда, когда структура воды представляет собой гетерогенную систему, имеющую в своем составе жидкокристаллические образования (ион-кристаллические ассоциаты), обладающие свойствами сверхпроводников, и гексагонально - клатратные ассоциаты, позволяющие транс81 портировать энергетическое возбуждение по водородным связям структурного каркаса свободной воды. Знание физических процессов, протекающих в водных структурах при воздействии внешних физических факторов, позволяет определить пути и технологии управления энергетическим состоянием водных систем, т.е. их активизацией. В настоящее время разработаны методы и средства для изменения физикохимических свойств воды и других жидкостных систем путем безреагентного (нехимического) воздействия, в том числе на основе: - кавитационных* процессов в вихревых потоках жидкости (созданы вихревые гидрокавитационные преобразователи энергии). Кавитация* - от латинского cavitas - пустота-образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков или каверн), заполненных газом, паром или их смесью; -мембранного электроосмоса (электрохимически активизированная вода); -электромагнитных излучений - генераторов сложнополяризованных (продольных) электромагнитных волн и ряда других процессов. Процесс активации воды осуществляется последовательно-параллельным воздействием электрического, магнитного и электромагнитного полей и/или полем продольных электромагнитных волн, а также кавитации воды, излучения монополярного генератора или каким-либо иным методом. Обобщение результатов поисковых экспериментов по влиянию активированной воды, например на прочность бетонов, свидетельствует о возможности повышения прочности при сжатии на 20-30% по сравнению с бетонами, изготовленными на неактивированной воде. Кроме того, использование структурированной воды ведет к сокращению набора бетоном распалубочной прочности. Это открывает широкие перспективы для сокращения сроков, уменьшения энергозатрат и стоимости строительства особенно при монолитном домостроении в зимних условиях. Предлагаемые инновации обеспечат снижение масс строящихся домов и нагрузок на фундаменты на 10-20% и примерно такое же уменьшение стоимости строительства. Работы, связанные с активацией (структурированием) воды продолжаются. 82 3.2.2 Нанотехнология измельчения исходных материалов Нанотехнология измельчения исходных материалов реализуется в роторнопульсационных аппаратах (РПА) и обеспечивает повышение дисперсности обрабатываемых материалов при существенно меньших энергозатратах. РПА представляют собой устройства для приготовления высокодисперсных жидких эмульсий и суспензий, многокомпонентных вязкопластичных составов (в том числе и трудносмешиваемых жидкостей) путем пульсационных, кавитационных и других гидродинамических воздействий. РПА сочетает в себе принцип работы дисмембраторов, дезинтеграторов, коллоидных мельниц и центробежных насосов. Диспергирование сырьевых материалов в РПА до долей микрона и тонкости измельчения 8000 см2/г и более значительно повышает эффективность многих современных технологий, снижает энергопотребление, улучшает технологические и изменяет физико-химические свойства материалов. Компоновочные схемы и аппаратурное оформление технологических процессов диспергирования с заданными модификациями РПА просты, высокопроизводительны, легко встраиваются в автоматизированные системы. Одной из модификаций РПА является вихревая гидрокавитационная установка (ВГКУ), сферой применения которой является кавитационная активация цемента в роторных аппаратах с модуляцией потока. Производство мелкодисперсных составов и смеси обеспечивает в данном случае повышение свойств изготавливаемых из них материалов и изделий в среднем на 20-30%. Другой весьма перспективной сферой применения ВГКУ является энергосбережение. Здесь использование ВГКУ для приготовления водомазутных эмульсий (ВМЭ) обеспечивает повышение КПД котлов в среднем на 5%, надежное распыление и горение ВМЭ при низких температурах (до -67 0 C), устойчивое горение мазутов с влагосодержанием до 30%,снижение токсичности дымовых газов до 50…80% и хранения ВМЭ более года. В производстве строительных материалов широкое применение находят технологические процессы приготовления высокодисперсных систем - различных эмульсий, суспензий (пасты, мастики), шликерных масс в керамической промышленности, известкового молока и теста, пигментных паст для окрашивания бетона, покрасочных составов с замесом дефицитных компонентов, активированных 83 водных суспензий цемента (АВСЦ) для создания высокоэффективных технологий изготовления бетонов и др. Так, кратковременная обработка на роторно-пульсационном аппарате АВСЦ, используемом для растворов, бетонов и других цементосодержащих композиций, обеспечивает сокращение в 3 раза срока твердения бетонов в естественных условиях, снижение на 30…35% длительности термообработки изделий, уменьшение расхода цемента до 25% или повышение прочности бетона, достижение высокой пластичности смесей. Использование АВСЦ во всех цементосодержащих композициях (фибробетоне, стеновых блоках на минеральных или органических заполнителях) обеспечивает высокие физико-механические и специфические свойства изделий. Применение РПА для производства известкового молока и теста позволяет резко сократить сроки приготовления, увеличить стабильность суспензий и в 1,5…2 раза повысить физико-механические показатели композиций, использующих известковые компоненты. Активированные суспензии глины (АСГ) в производстве шликерных масс позволяют сохранить текучесть шликера при снижении его влажности на 2…5%, что влечет за собой значительное сокращение производственного процесса, снижение трудозатрат. Использование РПА при создании суспензий глин позволит увеличить прочность кирпича и черепицы в 1,5…2 раза, снизить себестоимость, увеличить экономию времени и материалов на всем технологическом цикле. Тонкий помол на РПА осажденной в золофильтрах обогащенной (содержащей до 15…25% клинкерных минералов и до 10…20% свободной СаО) золы до 5000 см2/г обеспечивает получение ТЭЦ - цемента, который может быть использован в качестве местного вяжущего в производстве строительных изделий широкого назначения. 3.2.3 Нанотехнологии изготовления и применения нанодисперсной арматуры Армирование бетонных изделий и конструкций прошло огромный путь от применения отдельных стержней, сеток, плоских и пространственных каркасов, пучков проволоки и канатов, выполненных из арматурной стали через неметалли- 84 ческую арматуру из стеклянных и органических волокон до дисперсного армирования в виде фибр названными материалами. Новый шаг в армировании материалов на основе вяжущих веществ - применение нанодисперсной арматуры. В качестве нанодисперсной арматуры могут использоваться природные минералы, а также синтетические углеродные нанотрубки, имеющие трубчатую структуру и нанометровые диаметры. Одним из природных минералов используемых в качестве нанодисперсной арматуры, является галлуазит. Это глинистый слоистый силикат с характерной трубчатой текстурой с твердостью, равной по шкале Мооса 1…2, с истинной плотностью 2…2,6 г/см3. Галлуазит в настоящее время является сырьем для керамической промышленности. Другим природным минералом для нанодисперсной арматуры служит хризотил-асбест. Это тонковолокнистый минерал класса силикатов, образующий агрегаты, сложенные тончайшими гибкими волокнами. Твердость по шкале Мооса 2…2,5, истинная плотность 2,5 г/см3. Волокна хризотил-асбеста обладают высокой гибкостью, высокой прочностью на разрыв (около 300 кг∙с/мм2), высокой огнестойкостью (tпл=1500 0С), малой теплопроводностью (0,055…0,075 Вт/(м∙0С)), высокой электроизоляционной способностью. Хризотил – асбест легко расщепляется на тонкие волокна (до 0,0005 мм). В настоящее время - это основное сырье для асбестоцементных материалов и изделий (шифера, плит покрытий промышленных зданий, стеновых панелей, труб и т.д.). И галлуазит и хризотил-асбест являются предметом изучения их в новом качестве - нанодисперсной арматуры для армирования бетонов и растворов различного назначения. Что касается синтетических углеродных нанотрубок, то известно, что они были открыты в Японии в 1991 году. Их прочность на разрыв почти в 100 раз превосходит прочность стали, а по размерам они в 50000 раз тоньше человеческого волоса. Эти трубки устойчивы к коррозии. Применение нанотрубок в качестве нанофибр значительно увеличивает прочность бетона. Например, введение в состав цементной смеси для изготовления пенобетона синтетических углеродных нанотрубок диаметром 40…60 нм с плотностью 0,086 г/см3 в количестве 0,05% от массы исходной смеси обеспечива85 ет увеличение прочности при сжатии данного бетона в 1,7 раза, снижение теплопроводности на 20%, снижение средней плотности и стабилизацию размеров пор. Углеродные нанотрубки производятся в Японии и других странах. Существует несколько методов создания этих материалов. Японские фирмы производят углеродные нанотрубки новейшим методом - химическим осаждением из газовой среды - методом самым перспективным на данный момент в том числе и для коммерческого производства продукта(от 140 до 250 грамм трубок за час). Углеродные нанотрубки - это свернутые в цилиндр листы, которые состоят из атомов углерода. Углеродные нанотрубки (крошечные трубочки) имеют исключительные физические свойства, поэтому уже сейчас их начинают использовать все шире и шире для создания композиционных материалов различного назначения. Особый интерес представляет совместное использование перечисленных нанотехнологий, которое за счет нелинейности технологических процессов может обеспечить скачкообразное, непрогнозируемое улучшение свойств и появление принципиально новых строительных материалов с качественно новыми свойствами. 3.2.4 Нанотехнологии использования модифицирующих добавок Одним из широко применяемых сегодня приемов нанотехнологии в производстве многих строительных материалов (бетонов, растворов, паст) на основе минеральных вяжущих веществ является использование различных модифицирующих добавок в том числе и поверхностно – активных (ПАВ). Они во многом предопределяют заранее заданные свойства, а иногда и непредсказуемые. Действие модифицирующих добавок проявляется через химические процессы на поверхности твердой, жидкой и газообразной фаз. Адсорбционные слои модификаторов на поверхности твердой частицы выполняют важные и разносторонние задачи: -задерживают рост кристаллов; -влияют на форму кристаллов; -изменяют модификацию кристаллов; -влияют на габитус (размеры) кристаллов; -изменяют поверхностное натяжение жидкой фазы; 86 -влияют на степень смачиваемости дисперсных частиц. Все это осуществляется на наноуровне. Задача состоит в том, чтобы расширить спектр применяемых добавок-модификаторов, а также довести их размеры до наноуровня с целью получения еще большего эффекта их применения в виде получения новых высоких свойств материалов. Сочетание модификаторов различной природы (органических и неорганических) может привести к неожиданным результатам. В России еще в IX-X в.в при возведении кирпичных стен церквей, храмов, монастырей с успехом применяли в качестве модифицирующей добавки в известковые растворы белки куриных яиц. Это позволяло резко повысить прочность и атмосферостойкость этих сооружений. Белки куриных яиц - это высокомолекулярные органические вещества, построенные из 20 аминокислот (мономерных звеньев), содержащих карбоксильные (-СООН) и аминогруппы (-NН2) и обладающие свойствами кислот и оснований. Карбоксильная группа (-CООН) - одновалентная атомная группа, состоящая из карбонильной (=СО) и гидроксильной (-ОН) частей, и обладающая свойствами кислот. Аминогруппа (-NН2) тоже одновалентная атомная группа, входящая в состав аминокислот и амидов органических и неорганических кислот, например, RСОNН2, (RО)2 Р(O)NH2, где R - органический радикал. Известно, что живые организмы «конструируют» необходимые продукты из белков, которые в свою очередь могут формировать регулярные наноструктуры в виде кристаллических решеток. В рассматриваемом случае органические вещества (белки) оказываются совместимыми с неорганическим веществом (известковым раствором) в создании прочного и долговечного скрепляющего слоя кладки. Этот и аналогичный примеры наталкивают ученых на мысль о конструировании из белков и неорганических соединений таких структур, которых нет в природе. В этом плане человечество ждут сюрпризы. Модифицирующие наноразмерные добавки внесли свою лепту в усовершенствование долговечности бетона. Инженеры из американского Национального института стандартов и технологий (NISI) запатентовали метод, который, как ожидается, сможет сделать бетон более долговечным. В основу метода положено использование наноразмерных 87 добавок, которые замедляют процессы проникновения вглубь материала ионов сульфатов и хлоридов - химических компонентов дорожной соли, морской воды и почвы. Уменьшение ионного транспорта в бетоне означает, главным образом, снижение эксплутационных затрат и вероятности обрушения бетонных конструкций в результате несчастного случая. Новая технология поможет спасти много человеческих жизней и сэкономить миллионы долларов. Инфраструктура современных государств в очень большой степени основана на использовании бетона. Разрушение инфраструктуры непосредственно отражается на благосостоянии большего числа граждан: Американское общество гражданских инженеров оценивает ежегодные затраты на устранение повреждений, причинами которых становится ветхая дорожная инфраструктура, в 54 млрд. долларов. Идея добавок была продиктована хитростями пищевой индустрии, где довольно популярным методом придания густой текстуры различным соусам, майонезам и мороженому является использования загустителя. Дальнейшие поиски ученых нацелены на оптимизацию метода - уменьшение концентрации и стоимости добавки эксплутационного срока бетона. Российский Научно-Технический Центр Прикладных Нанотехнологий разработал ряд добавок, применяемых в качестве гиперпластифицирующих, водоредуцирующих и противоморозных добавок к бетонным и растворным смесям, предназначенным для изготовления бетонных и железобетонных изделий и конструкций, в том числе питьевого водоснабжения. Гиперпластификаторы серии «Астрофлекс ГП-1» предназначены для использования в составе товарного, гидротехнического, дорожного, самоуплотняющегося нанобетона, в том числе железобетона заводского изготовления и цементно –песчаных смесей. Основной эффект от действия добавки: -снижение водопотребности бетонных смесей; -повышение прочности бетонов; -повышение времени сохраняемости смесей до 5 часов при малых количествах гиперпластификаторов; -увеличение подвижности бетонной смеси с П1 до П5; -снижение водопроницаемости. 88 Кроме того, Научно-Техническим Центром Прикладных Нанотехнологий создана модифицированная базальтовая микрофибра (МБМ) - идеальный новый дешевый материал для дисперсного армирования бетонных и полимерных композитов и это идеальный новый материал для теплоизоляции. Основные параметры: -средний диаметр волокна 8…10 микрон; -средняя длина волокна 100…500 микрон; -насыпная плотность не более 800 кг/м3 -влажность не более 2%; Параметры бетона улучшенного, МБМ: -трещиностойкость; -ударостойкость; -морозостойкость; -прочность. Внедрение элементов нанотехнологий, и в целом нанотехнологий в строительной индустрии, по всей вероятности, будет сопровождаться переходом от парадигмы* (парадигма - от греческого paradeigma - пример, образец - исходная концептуальная схема, модель постановки проблем и их решения, смена парадигмы представляет собой научную революцию) исследования получаемых материалов путем различной комбинации отдельных компонентов в изучаемой системе к целенаправленной инженерии требуемых молекул, новообразований, наноструктур, т.е. переходом от микромира в наномир. Развитие нанотехнологий - это не только прорыв в технике, экономике и безопасности, это еще и путь интеграции в систему промышленной цивилизации. Как сказал один из ученых, что тот, кто освоит нанотехнологии, будет лидировать в отрасли. 89 4 ИННОВАЦИОННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ БИОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬНОЙ ИНДУСТРИИ 4.1 Характеристика биотехнологий Мы являемся свидетелями быстрого прогресса строительного материаловедения и строительной индустрии. Это возможно на базе современных наукоемких и высоких технологий, в которых использованы последние достижения физики, химии, биологии. Такие технологии должны обеспечить: -высокое качество продукции; -эффективное использование сырья и, следовательно, экономию ресурсов; -экологическую безопасность продукции. Всем этим требованиям отвечает новая наука под названием «Строительная биология», которая разрабатывает биотехнологии для различных строительных материалов. Строительная биология оформилась как наука с начала 90-х годов 20 века. В настоящее время биотехнологии применяются в производстве: -экологически чистых древесных композитов; -природных клеев; -модификаторов бетонов; -биоцидных бетонов и растворов. Кроме того, биотехнологии применяются в обработке сырьевых материалов для улучшения их качеств. Суть биотехнологий заключается в том, что привлекаются живые организмы, участвующие в создании того или иного материала или изменяющие первоначальные свойства сырья и сырьевых смесей или защищающие материалы от неблагоприятных воздействий окружающей среды. 4.2 Применение биотехнологий в производстве древесных композитов Древесные композиты - большой класс строительных материалов, вырабатываемых из органического сырья (в основном в виде отходов деревообработки) и связующего (органического или минерального происхождения). 90 К древесным композитам на органическом (синтетическом) связующем относятся древесностружечные и древесноволокнистые плиты различного назначения. К древесным композитам на минеральном связующем относятся древесноцементные композиты: фибролит и арболит. В производстве древесных композитов на синтетических связующих актуальной задачей является улучшение их санитарно-гигиенических свойств, поскольку эти материалы экологически небезопасны. Древесно-стружечные плиты (ДСП) изготовляют путем горячего прессования специально приготовленных древесных стружек с термореактивными жидкими полимерами (карбамидными или фенолформальдегидными). Расход полимера составляет 8…12% (по массе). Стружку получают на специальных стружечных станках, используя сырье в виде отходов деревообработки, фанерного и мебельного производства, а также неделовую древесину. Средний слой трехслойных плит состоит из относительно толстых стружек (толщина до 1 мм), наружные слои выполняют из тонких стружек (толщина до 0,2 мм), которые повышают прочность изделий. В качестве декоративной отделки, защищающей плиты от увлажнения и истирания, применяют полимерные пленочные материалы, бумагу, пропитанную смолами. Нередко поверхность плит (предварительно отшлифованную) покрывают водостойкими фенольными или эпоксидными лаками. Выпускают древесностружечные плиты с различной плотностью (г/см3): очень высокой - 0,81…1,0; высокой - 0,66…0,8; средней - 0,51…0,65; малой 0,36…0,5; очень малой - 0,35. Плиты с высокой плотностью применяют как конструкционный и отделочный материал. Плиты с малой плотностью служат теплои звукоизоляционным материалом. Для придания плитам биостойкости в полимерно-стружечную массу добавляют антисептики (фторид и кремнефторид натрия, буру и другое). В качестве антипиренов используют добавку сульфата аммония и диаммонийфосфат. С целью уменьшения набухания плит во влажном воздухе в исходную массу вводят гидрофобизующие вещества (парафиновую эмульсию, раствор кремнийорганического полимера и др.). Размеры плит: длина 1800…3500 мм, ширина 1220…1750 мм, толщина 4…100 мм. 91 Древесноволокнистые плиты изготовляют путем горячего прессования волокнистой массы, состоящей из древесных волокон, воды, наполнителей, полимера и специальных добавок (антисептиков, антипиренов, гидрофобизующих веществ). Древесные волокна получают из отходов деревообрабатывающих производств и неделовой древесины. Древесину на рубильных машинах перерабатывают в щепу, которую проваривают в 1…2 %-ном растворе едкого натра для нейтрализации смолистых и сахаристых веществ. Затем щепу размельчают в дефибраторах до состояния тонких волокон. После дополнительной обработки паром при температуре 150 0С и давлении 0,6…1 МПа волокна смешивают с водой и указанными добавками. При изготовлении сверхтвердых плит в смесь вводят фенолформальдегидный полимер. Приготовленная масса передается на отливочную машину, имеющую бесконечную металлическую сетку и вакуумную установку. Здесь масса обезвоживается, уплотняется, разрезается на плиты, которые направляются в роликовую сушилку, если формуются высокопористые плиты. Для получения твердых плит массу прессуют на гидравлических прессах при температуре 150… 165 0С под давлением 1…5 МПа. Горячее прессование ускоряет отвердение полимерного связующего. Изменяя давление прессования, можно получить плиты разной плотности и с различными физико-механическими свойствами. Выпускают плиты пяти видов: сверхтвердые плотностью более 950 кг/м3 с пределом прочности при изгибе более 50 МПа; твердые - более 850 кг/м3 и более 40 МПа; полутвердые - более 400 кг/м3 и более 15 МПа; изоляционно-отделочные – 950…350 кг/м3 и более 2 МПа; изоляционные - до 250 кг/м3 и более 1,2 МПа. Плиты имеют длину 1200…3600 мм, ширину 1000…1800 мм. Твердые плиты имеют толщину 3…8 мм, изоляционные – 8…25 мм. Твердые плиты применяют для устройства перегородок, подшивки потолков, настилки полов, для изготовления дверных полотен и встроенной мебели. Отделочные плиты облицовывают синтетической пленкой с прокладкой текстурной бумаги под цвет и текстуру древесины ценных пород. Их также выпускают с матовой поверхностью, окрашенной водоэмульсионными поливинилацетатными красками. Плиты, окрашенные эмалями, имеют глянцевую поверхность и они более водостойки. Эти плиты применяют для облицовки стен и потолков в медицинских учреждениях, продуктовых магазинах. 92 Крупноразмерность, красивый внешний вид и невысокая стоимость предопределяют высокую технико-экономическую эффективность плит. Изоляционные древесноволокнистые плиты находят широкое применение в виде тепло- и звукоизоляционного материала. Производство древесностружечных и древесноволокнистых плит быстро увеличивается, чему способствуют обширные ресурсы разнообразного органического сырья в виде отходов деревообработки, неделовой древесины и др. Но в эксплуатации таких изделий синтетическое связующее выделяет в окружающую среду вредные для здоровья людей вещества. Кардинальное решение этой проблемы видится в использовании природных клеящих веществ, которые можно взять в самом древесном сырье, применяя для ее обработки биотехнологию. Древесина и другие растительные остатки представляют собой комплекс сложных органических веществ. Основные компоненты, присутствующие в клетке древесины всех видов, - это три структурных полимера: целлюлоза, лигнин, гемицеллюлоза. Конструкционно лигнин выполняет функции клея, целлюлоза армирующего компонента. В клеточной стенке целлюлоза и лигнин связаны между собой в основном через гемицеллюлозу. Лигнина как клеящего вещества в лиственных породах содержится до 30%, в хвойных до 50%. Для получения древесных композитов без применения синтетических вяжущих материалов необходимо предварительно гидролизовать гемицеллюлозу и освободить из клетки лигнин. Для осуществления этих целей предложены дереворазрушающие грибыксилотрофы, которые интенсивно синтезируют гидролитические и окислительные ферменты и освобождают лигнин. Освобожденный лигнин благодаря своей биостойкости экранизирует полисахариды и не позволяет лигнинразрушающим грибам удалить их из растительного сырья. Таким образом, в древесном сырье после воздействия лигнинразрушающих грибов создаются все условия для образования пластика без применения синтетических вяжущих. Один из дереворазрушающих грибов - базидиальный гриб, представитель рода «Рanus»-«полилистник тигровый». 93 Базидиальные грибы – базиомицеты - класс высших грибов с особыми органами размножения - базидиями. К таким грибам относятся белый гриб, груздь, мухомор, бледная поганка и др. Чистая культура этого гриба – белый слегка пушистый налет. Сама биотехнология обработки древесного сырья представляет собой следующие этапы: - в емкости готовится питательная среда для гриба; - после стерилизации в автоклаве она подается в ферментор, где осуществляется засев среды нужного штамма и культивируется микроорганизм; - готовую культивированную жидкость перемешивают с измельченной стружкой или древесным волокном в смесителе и ведут биообработку до достижения заданной степени модификации биополимера; - после просушивания обработанное сырье смешивают с основной массой древесного сырья и прессуют (либо формуют другим способом) изделия при температуре 180 0С. Исходную культурную жидкость можно использовать многократно, что обеспечивает замкнутость технологического цикла и безопасность производства. Получаемые изделия (ДСП, ДВП) представляют собой экологически безопасные продукты, вносимые свой вклад в охрану окружающей среды благодаря применению инновационной технологии. Древесноцементные композиты, к коим относятся фибролит и арболит, широко используются в строительной практике. Фибролит - плитный материал из древесной шерсти и неорганического вяжущего вещества. Древесную шерсть (стружку длиной 200…500 мм, шириной 2 5 мм, толщиной 0,3…0,5 мм) получают на специальных станках, используя короткие бревна ели, липы, осины, сосны. Вяжущим чаще всего служит портландцемент и раствор минерализатора - хлористого кальция. Формы с массой последовательно проходят камеру начеса, прессовочный вал, пост разделки на плиты, камеру твердения и сушки. Плиты выпускают плотностью 300…350 кг/м3, теплопроводностью 0,1…0,15 Вт/(м∙0С), с пределом прочности при изгибе 0,4…1,2 МПа. Толщина плит - 25, 50, 75, 100 мм. Плиты применяют для теплоизоляции ограждающих конструкций, для устройства перегородок, каркасных стен и пере- 94 крытий в сухих условиях. Фибролит хорошо обрабатывается - его можно пилить, сверлить, в него можно вбивать гвозди. Арболитовые изделия изготовляют из портландцемента и органического коротковолокнистого сырья (древесных опилок, дробленой станочной стружки или щепы, сечки соломы или камыша, костры и др.), обработанного раствором минерализатора. Химическими добавками служат: хлористый кальций, растворимое стекло, сернокислый глинозем. Применяют теплоизоляционный арболит плотностью до 500 кг/м3 в стенах, перегородках, покрытиях зданий различного назначения. Конструкционно-теплоизоляционный арболит плотностью до 700 кг/м3 используют для возведения навесных и самонесущих стен и перегородок. Древесноцементные композиты отличаются низким качеством из-за наличия в растительном сырье углеводов. Углеводы лигноцеллюлозного сырья подразделяются на несколько групп: - первая группа - свободные моно, -ди, -трисахариды. Это редуцирующие вещества: сахароза, глюкоза, фруктоза. Редуцирующие вещества (редуценты) это вещества, разлагающие органическое вещество и превращающее его в неорганическое; они могут усваивать другие органические вещества; - вторая группа - растворимые в воде коллойдные полисахариды: декстрины, инулин, слизи, танниды, пектиновые вещества ( некоторая часть): - третья группа - пектиновые вещества (в большом количестве) и гемицеллюлоза; - четвертая группа- крахмал, некоторое количество гемицеллюлозы, прочно удерживающееся в составе целлюлозы. Первые три группы углеводов – это так называемые «цементные яды», которые ухудшают свойства древесноцементных композитов. С целью уменьшения отрицательного влияния этих веществ разработана технология удаления сахаров из растительного сырья лигноразрушающими грибами. Технология заключается в том, что производят ферментацию сырья в подготовленной структуре лигноразрушающего гриба в течении трех суток, затем сырье отмывают в проточной воде. В результате такой обработки количество сахаров в водной вытяжке уменьшается в 35…60 раз, а древесноцементные компо- 95 зиты имеют прочность при сжатии в 4 раза выше чем композиты из необработанного сырья. 4.3 Биотехнологии в производстве модификаторов для строительных материалов В производстве строительных материалов для улучшения их свойств находят широкое применение различные модификаторы, в частности поверхностноактивные вещества (ПАВ). Они используются как пластификаторы, гидрофобизаторы, ускорители или замедлители твердения, а также как гидравлические добавки, пенообразователи и в других качествах. Все эти материалы синтетические, экологически опасные, вызывающие аллергические реакции у человека, а в ряде случаев являются канцерогенами. Поэтому сейчас стратегической задачей является замена синтетических ПАВ на биологические ПАВ. Био-ПАВ являются экономически более выгодными в силу их меньшей стоимости и количественной нормы применения в материалах, экологически безвредными и высокоэффективными для свойств материалов. В настоящее время известны пять классов БИО-ПАВ. На их основе синтезированы гликолипиды, липопротеины, липополисахариды. Они опробованы в качестве пластификаторов бетонов и растворов. Эти БИО-ПАВ оказались эффективнее широко известного суперпластификатора С-3- продукта, получаемого на основе натриевых солей конденсацией нафталинсульфокислоты и формальдегида. Количество БИО-ПАВ, необходимое для пластификации растворных и бетонных смесей, в три раза меньше, чем С-3,а эффект пластификации выше. На основе БИО-ПАВ был разработан эффективный пенообразователь для производства ячеистых бетонов. Ячеистый бетон получают в результате затвердевания предварительно вспученной смеси вяжущего вещества, кремнеземистого компонента и воды. Структура такого бетона характеризуется наличием большого количества порячеек диаметром от десятых долей до нескольких миллиметров. Такую структуру называют ячеистой. Благодаря большой пористости ячеистый бетон обладает малой теплопроводностью. Это делает его эффективным материалом для ограждающих конструкций. 96 Ячеистая структура пенобетона образуется при механическом смешивании теста вяжущего с устойчивой пеной. Пену получают энергичным взбиванием водного раствора поверхностно-активных веществ, понижающих поверхностное натяжение воды. Качество пены оценивают кратностью, прочностью, устойчивостью во времени. Кратность пены – это отношение ее объема к объему водного раствора пенообразователя. Чем выше кратность пены, тем больший объем ячеистой массы может быть получен из данного количества пенообразователя. Прочность и устойчивость (стабильность) пены определяются ее способностью не осаждаться и не расслаиваться, по крайней мере, в начальный период схватывания ячеистобетонной массы. Для получения пены применяют в основном синтетические пенообразователи, например сульфанол. Пенообразователь на основе БИО-ПАВ имеет кратность пены не ниже 15 (синтетический – 5…10), устойчивость не менее 24 ч (это намного больше применяемых сейчас пенообразователей). Исследования в этой области продолжаются. 4.4 Применение биотехнологий в производстве биоцидных растворов и бетонов Микроскопические организмы, выполняющие позитивные функции в биологических процессах получения строительных материалов, подвергают биокоррозии строительные изделия и конструкции, работающие в различных условиях, в составе: - гидротехнических сооружений; - животноводческих и птицеводческих помещений; - предприятий мясомолочной и рыбной промышленностей; - овощехранилищ; - хлебозаводов; - плавательных бассейнов; - библиотек; - архивов; - музеев; 97 - ритуальных залов; - медицинских учреждений (лабораторий, хирургических отделений). Практически все строительные материалы имеют ограниченное сопротивление биологическим воздействиям, в результате чего поверхность конструкций покрывается пигментными пятнами, в материале накапливаются биоповреждения, приводящие к его деградации, в зданиях и сооружениях ухудшается санитарноэкологический климат. Многочисленными исследованиями было установлено, что не только декоративные качества материала ухудшаются, но и «съедается» цементный камень в бетонах, а это значит, что встает вопрос о работоспособности конструкций в зданиях и сооружениях. Выявлено вредное влияние биокоррозии на здоровье людей, работающих в зараженных помещениях или проживающих в них. Выявлены некоторые продукты коррозии, относящиеся к токсинам. Биокоррозия наблюдается у стен и перекрытий жилых домов, особенно в плохо вентилируемых подвальных помещениях (многие из них сейчас реконструируются под офисы, развлекательные центры и рестораны). Поскольку бетон и железобетон – это основной ведущий материал 21 века, то именно ему уделено особое внимание в изучении биокоррозии. Оказалось, что бетонные и железобетонные конструкции поражаются микроскопическими плесневелыми грибами, которые насчитывают 40 рядов. Поскольку это в основном мицелевые грибы, то они своими мицелиями – тонкими ветвящимися нитями – гифами проникают с поверхности внутрь конструкции по порам, трещинам, пустотам. Строительные конструкции обрастают грибами в большей степени, если на их поверхностях имеются загрязнения. Оптимальная температура развития грибов – 20…25 0С. Некоторые грибы могут существовать и развиваться в пределах температур от -200С до +800С. Материал конструкции подвергается разрушительному действию метаболитов грибов. Метаболиты – это промежуточные продукты обмена в живых клетках. Наиболее распространен грибок Gladosporium – коричневого, оливкового или черного цвета. 98 Грибки, проникая в поры бетонов и растворов, выделяют кислоты. Одни из них выделяют уксусную и муравьиную кислоту, другие – лимонную, молочную, яблочную. Кислоты взаимодействуют со щелочами цементного камня, с гидросиликатами и гидроалюминатами, образуя соли, не обладающие вяжущими свойствами. Цементный камень перерождается и теряет свои строительно-технические свойства. Замечено, что грибки, изменяют рН среды и создают оптимальную для себя кислотность. Рост биомассы грибков приводит к тому, что, например, штукатурный или кладочный раствор превращается в сухую осыпающуюся массу. Установлено, что грибки нормально живут и при нормальной и при повышенной влажности (даже если нет капельно-жидкой влаги). Споры плесневых грибков имеют размеры 1…10 мкм и, следовательно, хорошо проникают при капиллярном всасывании воды бетоном. Следовательно, чем плотнее бетоны, тем меньше спор попадает в него. Плотные бетоны разрушаются грибками медленно, но за 30…50 лет эксплуатации происходит серьезное разрушение поверхностного слоя и внутренних слоев. Споры грибков переносятся не только водой, но и воздухом, поэтому они есть везде, в любой среде. Воздействовать на биокоррозию бетонов и растворов можно разными путями. Разработаны три группы методов защиты от поражающего действия грибков: - эксплуатационно-профилактические; - конструктивные; - строительно-технологические. Эксплуатационно-профилактические меры сводятся к дезинфекции поверхности конструкции, регулированию тепло-влажностного режима в помещении, вентиляции помещения. Конструктивные меры – это придания конструкциям формы, при которой снижается увлажнение и накопление пыли. Строительно-технологические меры – это использование материалов, стойких к действию грибков. Практика показала, что третья мера оказалась самой действенной. Она заключается во введении в состав материалов фунгицидных добавок. 99 Фунгициды – от латинских слов fungus – гриб и caedo – убиваю – это химические препараты для уничтожения или предупреждения развития патогенных грибов. Фунгициды влияют на метаболизм грибов, угнетают их дыхание, нарушают их клеточные структуры. Фунгицидные препараты называются биоцидами. Сейчас разработаны составы бетонов и растворов с добавлением биоцидов. Для биоцидных бетонов и растворов разработана биоцидная добавка под названием катапин – бактерицид. Она экологически безопасна, эффективно подавляет развитие грибов, не ухудшает строительно-технологических свойств цементных материалов. Исследования по вопросам биокоррозии бетонов, растворов и других материалов продолжаются. Микологическими исследованиями занимается НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды имени А.Н. Сысина. 4.5 Применение биотехнологий в обработке сырьевых материалов Основными элементами технологий любых строительных материалов являются сырье, энергия, оборудование. Они тесно связаны между собой и обуславливаются экономикой, состоянием и уровнем научно-технического прогресса. Одной из наиболее емких по сырью является керамическая промышленность, основу сырьевой базы которой составляют пластичные материалы – глины. Глины представляют собой осадочные горные породы тонкоземлистого строения, которые независимо от их минерального и химического состава способны при смешивании с водой образовывать пластичное тесто, переходящее после обжига в водостойкое и прочное камневидное тело. Образовавшись в результате выветривания главным образом полевошпатовых пород, глины состоят из плотной смеси различных глинистых минералов, представляющих собой алюмосиликаты со слоистой кристаллической структурой. Наиболее распространенными из них являются каолинитовые (каолинит Al2O3 ∙2SiO2∙2H2O и галлуазит Al2O3 ∙2SiO2∙4H2O), монтмориллонитовые (монтмориллонит Al2O3 ∙4SiO2∙nH2O) и гидрослюдистые (в основном продукты разной степени гидратации слюд). Качество керамических изделий во многом зависит от состава и свойств глинистых материалов. Все глинообразующие минералы в составе глин находятся 100 в метастабильном состоянии. Кристаллическая решетка таких минералов может радикально изменяться под действием температуры, среды, давления и других факторов. Для улучшения однородности и качества глинистых материалов и повышения эффективности технологического процесса в керамической промышленности традиционно применяют несложные приемы: - естественную обработку (вылеживание, промораживание); - усиленную механическую обработку (на бегунах, вальцах, глиномялках); - вылеживание механически обработанной глины; - обработку глины паром. Самым перспективным методом воздействия на глинистое сырье является микробиологическая обработка активным реагентом – живой культурой силикатных бактерий, способных в процессе жизнедеятельности разрушать силикаты и алюмосиликаты и, следовательно, значительно изменять природную текстуру и свойства глинистых минералов. Для микробиологической обработки глин применялись силикатные бактерии Bacillus mucilaginosus, на основе которых изготавливались жидкие препараты с различным содержанием бактериальных клеток (150, 100, 75 млн. шт. в 1 мл препарата). Наиболее благоприятное влияние силикатные бактерии оказывают при введении их в жидкотекучие системы (керамические шликеры) с влажностью 38…50%, поскольку наибольшая вязкость системы и ее малая пластическая прочность создают оптимальные условия для жизнедеятельности бактерий, усиливая их проникающую способность, а также способствуют более свободной миграции органических продуктов, выделяемых в процессе жизнедеятельности бактерий. В результате диспергации глинистой составляющей шликера увеличивается количество частиц в единице объема и соответственно число их контактов, прочность которых ниже, чем в необработанном бактериями шликере. Это связано с действием продуктов жизнедеятельности бактерий, адсорбирующихся на частицах массы и ослабляющих прочность контактов, что вызывает увеличение подвижности частиц. В результате образуется более развитая структура, приближающаяся к коагуляционной. Таким образом, улучшаются реологические свойства шликеров, 101 они становятся более агрегативно устойчивыми, разжижаются при меньшем количестве электролитов. Шликер используют непосредственно для изготовления изделий (способ литья) или для приготовления пресспорошка, высушивая его в распылительных башенных сушилках. Использование микробиологической обработки глин способствует увеличению содержания частиц размером менее 1 мкм, повышению пластичности, предела прочности в воздушно-сухом состоянии материалов – полуфабрикатов. Высокая прочность полуфабрикатов в воздушно-сухом состоянии обеспечивается действием коллоидных соединений кремнезема, гидрооксидов железа, алюминия, полисахаридов, кремний- и металлоорганических продуктов, образующихся в процессе жизнедеятельности бактерий и обладающих клеящими свойствами. Обжиг изделий на основе обработанных глин позволяет снизить температуру на 30…50 0С, что ведет к экономии топливно-энергетических ресурсов. Кроме того, повышаются качественные характеристики изделий. 102 ЛИТЕРАТУРА 1. Микульский В.Г. и др. Строительные материалы. – М.: АСВ, 2007. – 519 с. 2. Строительные материалы. Учебно-справочное пособие. /Под ред. Г.В. Несветаева. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2005. – 598 с. 3. Железобетон в XXI веке. – М.: Готика, 2001. – 683 с. 4. Волков И.В. Фибробетон – состояние и перспективы применения в строительных конструкциях. //Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века, 2004, № 5. 5. Рабинович Ф.Н. Дисперсно-армированные бетоны. – М.: Стройиздат, 1989. – 174 с. 6. Волков И.В. Проблемы применения фибробетона в отечественном строительстве. //Строительные материалы, 2004, № 6. 7. Баранов И.М. Композиционные гипсополимерные материалы. //Строительные материалы, 2008,№ 8. 8. Рабинович Ф.М. Композиты на основе дисперсно-армированных бетонов. Вопросы теории и проектирования, технология, конструкции. – М.: АСВ, 2004. – 560 с. 9. Вахмистров А.И., Морозов В.И., Пухаренко Ю.В., Дмитриев А.Н., Магдеев У.Х. Эффективные фиброармированные материалы и изделия для строительства. //Промышленное и гражданское строительство, 2007, № 10. 10. Современные строительные материалы и товары. – М.: Эксмо, 2007. – 576 с. , 2004,№ 6. 11.Рабинович Ф.Н., Баев С.М, Эффективность применения полимерных фибр для дисперсного армирования бетона. //Промышленное и гражданское строительство, 2009, № 8. 12.Бетоны. Материалы. Технологии. Оборудование. – М.: Стройинформ, Ростов-на-Дону: Феникс, 2006. – 424 с. 13.Родионов Р.Б. Инновационный потенциал нанотехнологий в производстве строительных материалов. //Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2006,№ 8. 14.Чистов Ю.Д., Тарасов А.С. Элементы нанотехнологии в производстве бетонов на основе минеральных вяжущих веществ. //Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2007,№ 3. 103 15.Какошко Е.С., Дятлова Е.М., Бирюк В.А., Заяц Н.И. Исследование влияния микробиологичесокй обработки на технологические свойства глин различного минералогического состава. //Стекло и керамика, 2005,№ 6. 16.Какошко Е.С. Повышение качества керамического кирпича путем микробиологической обработки сырьевых материалов. //Строительные материалы, 2007,№ 2. 17.Смоликов А.А. Бетон, армированный нановолокнами. //Бетон и железобетон, 2009, № 4. 18.Фаликман В.Р. Наноматериалы и нанотехнологии в строительстве: сегодня и завтра. //Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века, 2009, № 1. 19.Родионов Б.Н. Достижения нанотехнологий в производстве строительных материалов. //Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века, 2009, № 3. 20.Сухова Т.Н., Духовный Г.С., Хоружая Н.В. Инновационная технология в производстве битумных эмульсий. //Строительные материалы, 2010, № 2. 21.Войтович В.А., Хряпченкова И.Н., Яворский А.А. Нанотехнологии в производстве силикатного кирпича. //Строительные материалы, 2010, № 2. 104
