5.14 Базальтова фібра

Широко застосовуються два типи матеріалу: мікро фібра базальтова модифікована (МБМ) і рублене волокно.

5.14.1 Мікрофібра базальтова модифікована (мбм)

МБМ виходить шляхом просочення подрібненої мінеральної вати, вироблюваної з розплаву базальтових порід. Зміст, що рекомендується, — 1,5–20 %, залежно від вигляду і призначення композиційного матеріалу.

Склад МБМ, в мас. %:

Вата базальтова з органічним просоченням 99,3–99,6

Наномодифікатор 0,0001–0,01

Їдкий натр 0,05–0,10

Вода 0,3–0,5

Основні характеристики МБМ приведені в табл. 1.4.

Таблиця 5.4- Основні характеристики МБМ

Характеристика	Норма
Середній діаметр волокна, мкм	8–10
Середня довжина волокна, мкм	100–500
Зміст неволокнистих включень % по масі	10
Щільність насипна, кг/м3	800
Вологість % по масі	2
Вміст органічних речовин % по масі	2
Колір	Від жовтого до коричневого
Вміст наномодифікатора % по масі	0,01–0,0001
Модуль на розрив, ГПа	18

МБМ призначена для дисперсного армування пластмас, бетонів, асфальтобетону, мінеральних сумішей і т.д. з метою поліпшення їх властивостей — міцність на стиснення, розтягування, вигин, зріз, водопоглинання, морозостійкість, тріщиностійкість і т.п.

МБМ термовитривале до 300 °С.

Вміст мікрофібри, що рекомендується, — 1,5–20% від маси цементу, залежно від вигляду, призначення і вартості композиційного матеріалу.

Методика введення і конкретний вміст мікрофібри в композиті регламентується спеціалізованими інструкціями.

При армуванні мінеральних сумішей і бетонів використовується змішувач примусової дії, причому мікрофібра додається в суху суміш безпосередньо перед додаванням рідких компонентів. Час перемішування — не менше 10 мин.

5.14.2 Базальтове рубане волокно (чопси)

Дана фібра проводиться методом рубки базальтового ровінгу на волокна заданої довжини.

Властивості:

— висока міцність і довговічність;

— висока термостійкість, абсолютна негорючість;

— стійкість до агресивних середовищ;

— екологічна чистота.

Базальтова фібра, як і будь-яка фібра, забезпечує тривимірне зміцнення (традиційна арматура — лише двомірне).

Має наступні сфери застосування.

Зведення об'єктів цивільного будівництва.

Реконструкція сховищ і банківських сейфів.

Споруда мостів, злітно-посадочних смуг, гідротехнічних споруд (берегових гребель і дамб, шлюзів і каналів річок).

Виготовлення реакторних відділень атомних електростанцій, контейнерів для поховання радіоактивних відходів.

Зміцнення і ремонт зведень шахт і тунелів.

Створення різних видів дорожніх покриттів, збірних і монолітних плит, бордюрів, розділових смуг і тротуарної плитки.

Виготовлення деталей об'ємного промислового устаткування — прокатні стани, мелені, гідравлічні преси і ін.

Таблиця 5.5 - Технічні характеристики базальтової фібри

Характеристика	Значення
Діаметр одиничного волокна, мкм	13, 17
Довжина, мм	6; 12; 18; 24
Тип заоліювання	4С*
Діапазон робочих температур °С	–260...+700
Масова частка заоліювателя, %	0,3
Масова частка вологи %	1,0
Гігроскопічність %	0,2

* За узгодженням із споживачем можливий випуск ровінгу з іншим типом заоліювателя

Таблиця 5.6 - Рекомендації до застосування

Довжина, мм	Галузь застосування	Кількість фібри, кг/м3
6	Легкі бетони Сухі суміші	0,5–1,0
12	Важкі бетони	0,5–1,0

Чопси поставляються в полипропиленових мішках вагою 25 кг

6 РОЗРОБКА СКЛАДІВ НІЗДРЮВАТОГО ФІБРОБЕТОНУ НЕАВТОКЛАВНОГО ТВЕРДНЕННЯ В ЛАБОРАТОРНИХ УМОВАХ, ВИЗНАЧЕННЯ ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК БЕТОНУ ТА ОПТИМАЛЬНИХ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ ВИРОБНИЦТВА НІЗДРЮВАТОГО ФІБРОБЕТОНУ

В попередньому етапі були визначені волокна, що можуть використовуватись в неавтоклавному ніздрюватому фібробетоні. Це волокна:

• з синтетичних полімерів: поліпропіленові, поліетиленові, нейлонові, поліефірні;

• з мінеральної сировини: базальтові, скляні (лужностійкі);

• з рослинної сировини : хлопові, віскозні, целюлозні.

Проведений аналіз сукупних характеристик волокон (місце виробництва, ціна, фізико-механічні характеристики, технологічність введення в ніздрювато- бетонну суміш), що визначені для використання при виробництві неавтоклавного ніздрюватого фібробетону, дозволив визначити найбільш ефективне волокно, яким є поліпропіленове волокно.

Таким чином розробка складів ніздрюватого фібробетону неавтоклавного тверднення в лабораторних умовах проводилось з використанням волокна армуючого поліпропіленового, що виробляється вітчизняним виробником ТОВ «Дііф», м. Дніпропетровськ згідно з ТУ У 24.7 32781078.001-2006 «Волокно армуюче пропіленове (ВАП)».

Волокно має такі характеристики :

- лінійна щільність - 2-3 dtex;

- діаметр 18-20мкм;

- довжина 2,4,6,12,18 мм;

- щільність 0,91 т/м³;

- модуль Юнга 3000Н/мм²;

- міцність на розрив 300 Н/мм²;

- температура розмягчення 160С;

- колір – прозоро білий;

- хімічна стійкість добра до кислот, лугів та розчинників.

В лабораторних умовах були проведені дослідження з підбору оптимальних складів та визначення оптимальних технологічних параметрів виготовлення ніздрюватого фібробетону неавтоклавного тверднення та визначено фізико-технічні характеристики бетону.

Було апробовано два варіанти складів ніздрюватобетонної суміші. В першому варіанті в бетонній суміші використовувались такі основні компоненти: волокно поліпропіленове, шлак доменний гранульованний, портландцемент, пісок кварцовий. В другому варіанті - волокно поліпропіленове, портландцемент, зола сухого видалення та вапно кальцієве мелене негашене.

Ці склади були вибрані виходячи з результатів попередніх робіт та техніко-економічних прорахунків (гранульований шлак та зола сухого видалення в достатній кількості виробляється підприємствами України як вторинна сировина техногенного походження). Гранульований шлак в ніздрюватобетонній суміші використовується в якості в`яжучого матеріалу та наповнювача. А зола сухого видалення - в якості активного аморфного тонкодисперсного наповнювача, що не потребує попередньої підготовки.

Доменний гранульований шлак (граншлак) може являти собою цінний компонент для виробництва ніздрюватобетонних виробів. Кількість шлаку, який можуть гранулювати на металургійних виробництвах, при необхідності, може складати кілька мільйонів тонн на рік, що забезпечить зростаючий попит виробництва ніздрюватобетонних виробів якісною сировиною, що є відходом промисловості, та покращить екологічний стан довкілля.

Тонкодисперсний гранульований шлак в ряді гідравлічної та пуцоланової активності розташовується після мікрокремнезему та метакаоліну. По ефективності впливу на довгострокову міцність та хімічну стійкість ефект його вводу може перевищувати інші добавки.

Доменний гранульований шлак отримується при виплаві чавуну в результаті взаємодії залізної руди, коксу та флюсів – вапняку, доломітів та інших. В ході доменного процесу із руди, що вміщує кремнієву кислоту та глинозем, з вапном та домішками коксової золи утворюється доменний шлак в рідкому стані. Виходячи з домни, розплави шлаків схильні до кристалізації та тверднення в залежності від хімічного складу та інтенсивності охолодження. При цьому шлак не розпадається на окремі фази, хоча згодом це явище може спостерігатися.

Перехід до твердого стану характеризується показниками в`язкості, що визначаються терміном температурного інтервалу переходу з пластичного становища в тверде. Найбільш важливим при цьому є склад рідкої фази, що формує склад та структуру охолоджених шлаків, що розділяються на кислі SiO<sub>2</sub> та основні CaO, MgO, Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>, MnO. Оксиди в загальній формулі шлаків зв`язані співвідношенням nRO/SiO₂. Ступінь кислотності доменних шлаків визначається співвідношенням суми кислотних та основних оксидів.

Доменні шлаки Дніпровсько-Криворіжського регіону України відрізняються високим вмістом найбільш активного оксиду СаО – до 47-50% від загальної маси. Кислотний оксид також займає в загальній масі вагоме місце – 39-42% .

Гідравлічна активність доменного шлаку, крім мінерального складу, залежить в значній мірі від ступеню закристалізованності структури, форми та розмірів кристалів, просторового співвідношення кристалічної та аморфної фаз. Основний спосіб диспергування та придбання шлаками в вогненно-рідкому становищі активних гідравлічних властивостей – грануляція. Її суть в швидкому охолодженні з температури 1500С до 800С.

Прийнято рахувати, що швидке охолодження не дозволяє кремнекислоті зв`язуватися з основними оксидами СаО та Al<sub>2</sub>О<sub>3</sub> в кристалічні з`єднання, що залишаються в аморфному реакційноздатному стані, тому що теплова енергія не витрачається на утворення кристалів - гідравлічно не активних з`єднань. Швидко охолоджений шлак - це переохолоджена рідина скловидної структури, що знаходиться в термодінамічно активному нестійкому та нерівноважному стані. Скрита теплота плавлення зберігається у вигляді потенціальної енергії. Крім того, активні SiO<sub>2</sub> та Al<sub>2</sub>О<sub>3</sub> як і СаО визначають реакційну здатність і, тим самим, гідравлічну активність шлаків. Проява гідравлічної та пуцоланової активності при зв`язуванні Са(ОН)₂, що утворюється при гідратації, обумовлює значне підвищення хімічної стійкості бетонів та позитивно сприяє на властивості бетонів.

Державні нормативні документи та вимоги до доменного шлаку як домішки в бетон ще не розроблені.

Ефективність використання гранульованого шлаку в бетоні залежить в великій мірі від його хіміко-мінералогічного складу, дисперсності та розподіленню часток за розмірами.

Вибір та визначення фізико-технічних властивостей сировини для виробництва ніздрюватого бетону проведено згідно з вимогами таких нормативних документів:

- ДСТУ Б В.2.7-45-96 “Будівельні матеріали. Бетони ніздрюваті. Технічні умови”;

- СН 277-80 “Инструкция по изготовлению изделий из ячеистого бетона”;

- ДСТУ Б В.2.7-46-96 “Будівельні матеріали. Цементи загальнобудівельного призначення. Технічні умови”;

- Дсту б в.2.7-90-99 “Будівельні матеріали. Вапно будівельне. Технічні умови ”;

- Дсту б в.2.7-32 “Будівельні матеріали. Пісок щільний природний для будівельних матеріалів, виробів, конструкцій і робіт. Технічні умови”;

• ГОСТ 5494-71 “Пудра алюминиевая пигментная”;

• ГОСТ 5382-91 “Цементы и материалы цементного производства. Методы химического анализа”

Для проведення аналізу придатності шлаку доменного гранульованого виробництва ВАТ «Дніпропетровський металургійний завод ім. Петровського» щодо використання в складі ніздрюватого бетону неавтоклавного тверднення визначено його хімічний склад, який представлено в табл. 2.1.

Таблиця 6.1 - Вміст оксидів в доменному гранульованому шлаку ВАТ «Дніпропетровський металургійний завод ім. Петровського»

SiO2	Al2O3	Fe заг.	TiO2	CaO	MgO	S	МпO	Р2O5
38,9	5,4	5,92	0,15	48,1	1,55	1,52	0,4	0,025

Були визначені модуль активності та модуль основності згідно вимог СН 277-80 «Инструкция по изготовлению изделий из ячеистого бетона».

%Al₂O₃ 5,4

Модуль активності = ------------- = -------- = 0,14;

%SiO₂ 38,9

%CaO+ %MgO 49,65

Модуль основності = --------------------- = -------- = 1,12

%SiO₂ +%Al₂O₃ 44,3

Характеристика шлаку за модулями активності та основності не відображає ролі окремих оксидів в прояві активності шлаку.

Оцінка гідравлічних властивостей за вмістом окремих оксидів в більш повній мірі відображає коефіцієнт якості, який регламентується в ГОСТ 3476, що передбачає використання шлаку в якості компоненту при виробництві цементу.

Спираючись на те, що нормативні документи на доменні гранульовані шлаки, як домішки до бетону ще не розроблені, така оцінка активності являється більш точною на даний час.

Коефіцієнт якості визначається за формулою, в котрій в чисельнику стоїть кількість оксидів, що підвищують гідравлічну активність, а в знаменнику - що знижують її.

Коефіцієнт якості доменного гранульованого шлаку ВАТ «Дніпропетровський металургійний завод ім. Петровського» (при вмісті MgO до 10%) дорівнює:

% СаО + %Аl₂O₃ + %MgO 48,1 + 5,4+1,55

K = ------------------------------------ = --------------------- = 1,4

% SiO₂ + % TiO₂ 38,9 + 0,15

Оцінка якості доменного гранульованого шлаку за гідравлічною активністю згідно вимог ГОСТ 3476 та СН 277-80 представлена в табл.6.2

Таблиця 6.2 - Оцінка якості доменного гранульованого шлаку ВАТ «Дніпропетровський металургійний завод ім. Петровського» за ГОСТ 3476 та СН 277-80

Найменування показників	Вимоги за СН 277-80 як до в`яжучого	Вимоги до сортів за ГОСТ 3476 як компоненту шихти при виробництві цементу			Фактичне значення
		1-го	2-го	3-го
Коефіціент якості, не менше	-	1,65	1,45	1,20	1,4
Вміст окису алюмінію (Al2O3), % не менше	-	8,0	7,5	Не норму-ється	5,4
Вміст окису магнію (MgO), % не більше	-	15,0	15,0	15,0	1,55
Вміст окису тітану (TiO2), % не більше	-	4,0	4,0	4,0	0,15
Вміст закису марганцю (МgO), % не більше	-	2,0	3,0	4,0	0,4
Модуль активності, не менше	0,4	-	-	-	0,14
Модуль основності, не менше	0,9	-	-	-	1,12

Насипна щільність шлаку - 854 кг/м³.

Склади та фізико-механічні характеристики (щільність в сухому стані та міцність на стиск у віці 28 діб) ніздрюватого фібробетону неавтоклавного тверднення наведені в таблиці 6.3.

При формовці ніздрювато-бетонних зразків 10х10х10см фібробетону неавтоклавного тверднення в лабораторних умовах використовували доменний гранульований шлак ВАТ «Дніпропетровський металургійний завод ім. Петровського»

Домений гранульованний шлак піддавався попередній підготовці.

Доменний гранульованний шлак висушувався до 2% вологості, а потім

піддавався помелу в лабораторному кульовому млині. Питома поверхня молотого шлаку складала 2500 –3000 см²/г.

В якості газоутворювача використовувалась алюмінієва пудра в кількості, яка залежить від проектуємої щільності бетону.

З метою поліпшення формувальних властивостей суміші та підвищення міцності бетону в склад ніздрюватобетонної суміші вводилася хімічна добавка.

Кількість води в ніздрюватобетонній суміші складало 48-52%.

Оптимальна кількість поліпропіленового волокна, що вводилась в ніздрювато бетонну суміш була підібрана експериментально і складала 550-650г/м³.

В ході формовок ніздрюватобетонних зразків в лабораторних умовах були відпрацьовані оптимальні технологічні параметри їх отримання:

• температура води затворювання в інтервалі 50С;

• час перемішування ніздрюватобетонної суміші – 5 хв.

В ході лабораторних досліджень у складах, що не вміщували поліпропіленового волокна, було зафіксовано осідання ніздрювато-бетонної суміші після закінчення газо утворювання – під час набору пластичної міцності бетону. А в складах з вмістом поліпропіленогового волокна осадки бетону не було.

Було отримано бетон за середньою щільністю 500кг/м³ та 600кг/м³.

Фізико-механічні характеристики отриманих зразків (щільність в сухому стані та міцність на стиск) були визначені після 28 діб їх тверднення в нормальних умовах.

Склади ніздрюватого фібробетону неавтоклавного тверднення (з використанням шлаків доменних гранульованих), які будуть використані при випуску при дослідних зразків в лабораторних умовах та при випуску дослідно-промислової партії в умовах діючого підприємства в таблиці 1.2.4 під номером 7 та 20.

В другому варіанті складів ніздрюватого фібробетону використовувались - волокно поліпропіленове, портландцемент, зола сухого видалення та вапно кальцієве мелене негашене.

Перелік місцезнаходжень кремнеземистих матеріалів техногенного походження - золи сухого видалення українських ДРЕС та їх хімічний склад наведено в таблиці 6.3.

Зола сухого видалення утворюються при спалення вугілля на теплоелектростанціях. При отриманні лабораторних зразків ніздрюватого фібробетону неавтоклавного тверднення була використана зола Ладижинської ДРЕС, Вінницької обл.

Компоненти ніздрювато-бетонної суміші в цьому випадку не потребували попередньої підготовки.

В якості газоутворювача використовувалась алюмінієва пудра в кількості, яка залежить від проектуємої щільності бетону.

З метою поліпшення формувальних властивостей суміші та підвищення міцності бетону в склад ніздрюватобетонної суміші вводилася хімічна добавка.

Кількість води в ніздрюватобетонній суміші складало 48-52%.

Оптимальна кількість поліпропіленового волокна, що вводилась в ніздрювато бетонну суміш була підібрана експериментально і складала 550-650г/м³.

В ході формовок ніздрюватобетонних зразків в лабораторних умовах були відпрацьовані оптимальні технологічні параметри їх отримання:

• температура води затворювання в інтервалі 50С;

• час перемішування ніздрюватобетонної суміші – 5 хв.

В ході лабораторних досліджень у складах, що не вміщували поліпропіленового волокна, було зафіксовано осідання ніздрювато-бетонної суміші після закінчення газо утворювання – під час набору пластичної міцності бетону. А в складах з вмістом поліпропіленогового волокна осадки бетону не було.

Було отримано бетон за середньою щільністю 500кг/м³ та 600кг/м³.

Фізико-механічні характеристики отриманих зразків (щільність в сухому стані та міцність на стиск) були визначені після 28 діб їх тверднення в нормальних умовах.

Склади ніздрюватого фібробетону неавтоклавного тверднення (з використанням золи сухого видалення), які будуть використані при випуску дослідних зразків в лабораторних умовах та при випуску дослідно-промислової партії в умовах діючого підприємства в таблиці 6.4 під номером 31 та 44.

Таблиця 6.3 - Перелік місцезнаходжень кремнеземистих матеріалів техногенного походження - золи сухого видалення ДРЕС, хімічний склад

Найменування підприємства	SiO2	Al2O3	Fe2O3	ТіО2	CaO	MgO	SO3	K2O	Na2O	в.п.п.
1.Бурштинська ДРЕС, Івано-Франківської обл.	49,6	22,72	18,50	0,98	3,45	1,95	0,15	1,87	0,40	0,20
2. Ладижинська ДРЕС, Вінницької обл.	58,28	22,04	10,37	0,95	2,46	2,61	0,10	2,52	0,70	0,06
3. Кураховська ДРЕС, Донецької обл.	50,0	18,6	12,0	-	2,8	1,5	0,5	K2O+ Na2O 2,5		-

Таблиця 6.4 - Склади ніздрюватого бетону та його фізико-технічні показники

Номер складу		Склади ніздрюватого бетону, кг /м3													Фізико-технічні показники ніздрюватого бетону
		Цемент	Шлак			Зола сухого видалення	Добавка			В/Т	Поліпро-піленове волокно			Алюмі-нієва пудра	Щільність, кг/м3			Міцність на стиск у віці 28 діб, кг/см2
контр	190			350		-		2		0,48		-	0,5			655		27,2
	190			350		-		2		0,48		0,550	0,5			605		25,0
	190			350		-		2		0,48		0,600	0,5			615		26,6
	190			350		-		2		0,48		0,650	0,5			625		27,0
контр	190			350	-			2	0,50			-	0,5			640	27,0
	190			350	-			2	0,50			0,550	0,5			590	25,4
	190			350	-			2	0,50			0,600	0,5			600	26,3
	190			350	-			2	0,50			0,650	0,5			620	26,7
контр	190			350	-			2	0,52			-	0,5			620	23,2
	190			350	-			2	0,52			0,550	0,5			580	22,8
	190			350	-			2	0,52			0,600	0,5			585	22,5
	190			350	-			2	0,52			0,650	0,5			600	23,0

продовження таблиці 6.4

Номер складу	Склади ніздрюватого бетону, кг /м3							Фізико-технічні показники ніздрюватого бетону
	Цемент	Шлак	Зола сухого видалення	Добавка	В/Т	Поліпро-піленове волокно	Алюмі-нієва пудра	Щільність, кг/м3	Міцність на стиск у віці 28 діб, кг/см2
	140	310	-	2	0,50	-	0,6	540	24,1
	140	310	-	2	0,50	0,550	0,6	520	23,2
	140	310	-	2	0,50	0,600	0,6	515	23,0
	140	310	-	2	0,50	0,650	0,6	515	23,8
	140	310	-	2	0,52	-	0,6	525	23,2
	140	310	-	2	0,52	0,550	0,6	510	23,0
	140	310	-	2	0,52	0,600	0,6	485	22,9
	140	310	-	2	0,52	0,650	0,6	480	23,8
	140	310	-	2	0,54	-	0,6	505	21,0
	140	310	-	2	0,54	0,550	0,6	495	22,0
	140	310	-	2	0,54	0,600	0,6	480	21,5
	140	310	-	2	0,54	0,650	0,6	470	21,1

продовження таблиці 6.4

Но-мер скла-ду	Склади ніздрюватого бетону, кг /м3								Фізико-технічні показники ніздрюватого бетону
	Цемент	Шлак	Зола сухого видалення	Известь молотая	Добавка	В/Т	Поліпро-піленове волокно	Алюмі-нієва пудра	Щільність, кг/м3	Міцність на стиск у віці 28 діб, кг/см2
контр	270	-	290	10	2,4	0,32	-	0,5	660	27,0
	270	-	290	10	2,4	0,32	0,550	0,5	650	25,5
	270	-	290	10	2,4	0,32	0,600	0,5	610	26,0
	270	-	290	10	2,4	0,32	0,650	0,5	625	26,5
контр	270	-	290	10	2,4	0,34	-	0,5	640	26,5
	270	-	290	10	2,4	0,34	0,550	0,5	595	25,7
	270	-	290	10	2,4	0,34	0,600	0,5	610	26,5
	270	-	290	10	2,4	0,34	0,650	0,5	620	26,7
контр	270	-	290	10	2,4	0,36	-	0,5	630	24,5
	270	-	290	10	2,4	0,36	0,550	0,5	590	23,5
	270	-	290	10	2,4	0,36	0,600	0,5	580	24,5
	270	-	290	10	2,4	0,36	0,650	0,5	600	23,0

закінчення таблиці 6.4

Но-мер скла-ду	Склади ніздрюватого бетону, кг /м3									Фізико-технічні показники ніздрюватого бетону
	Цемент	Шлак	Зола сухого видалення	Известь молотая	Добавка	В/Т	Поліпро-піленове волокно	Алюмі-нієва пудра		Щільність, кг/м3	Міцність на стиск у віці 28 діб, кг/см2
	230	-	225	10	2,4	0,34	-	0,6		545	23,5
	230	-	225	10	2,4	0,34	0,550	0,6		525	22,7
	230	-	225	10	2,4	0,34	0,600	0,6		510	22,4
	230	-	225	10	2,4	0,34	0,650	0,6		510	23,6
	230	-	225	10	2,4	0,36	-	0,6		520	23,0
	230	-	225	10	2,4	0,36	0,550	0,6		520	22,7
	230	-	225	10	2,4	0,36	0,600	0,6		500	22,5
	230	-	225	10	2,4	0,36	0,650	0,6		490	22,7
	230	-	225	10	2,4	0,38	-	0,6		500	21,1
	230	-	225	10	2,4	0,38	0,550	0,6		490	21,5
	230	-	225	10	2,4	0,38	0,600	0,6		470	21,3
	230	-	225	10	2,4	0,38	0,650	0,6	460		20,9