Влияния полимерной фибры на механические свойства геополимерного раствора

Ключевые слова: геополимер, полипропиленовая фибра, дисперсное армирование, прочность при сжатии, прочность при изгибе, ударная прочность, стойкость в щелочной среде.

Быстрый рост производства портландцемента за два последних десятилетия привел к тому, что этот материал лидирует по объемам производства. Цементные заводы занимают первое место среди отраслей промышленности по выбросам в атмосферу углекислого газа. На высокотемпературный обжиг и измельчение в цементной отрасли затрачиваются значительные энергетические ресурсы.

Разработка и применение геополимерных вяжущих и бетонов на сегодня рассматривается в качестве наиболее перспективного направления поиска ресурсосберегающей и экологически оптимальной альтернативы портландцементу [1, 2]. Основу таких вяжущих составляют термически обработанные алюмосиликатные горные породы, промышленные отходы - золы и шлаки, твердение которых активируется щелочными соединениями или кислотами [1].

Установлено, что многие осадочные, магматические, метаморфические горные породы, достаточные запасы которых имеются в различных регионах России, обладают большим потенциалом в качестве сырья для геополимерных вяжущих [3-5].

Кроме преимуществ, геополимерные строительные материалы, имеют и некоторые недостатки, к числу которых относятся повышенная усадка, хрупкость, низкая прочность на изгиб [6,7]. Эффективным способом устранения отмеченных недостатков является использование дисперсного армирования. Исследования различных видов фибры показывают, что полипропиленовая фибра относится к числу наиболее эффективных материалов для дисперсного армирования [8-10]. Однако имеются противоречивые данные [6-9] о влиянии этого вида фибры на прочностные характеристики геополимерных материалов. Отмечается [9], что одной из причин снижения прочности бетона на сжатие при использовании такой фибры может являться ее неравномерное распределение, повышение объема вовлеченного воздуха. Некоторые авторы [6-9] считают, что эффективная дозировка полипропиленовой фибры находится в пределах от 0,3 до 2% по объему.

В настоящей работе проводились сравнительные исследования влияния полипропиленовой фибры на прочностные характеристики растворов на основе геополимерных вяжущих - прочность при сжатии и изгибе, ударную прочность, а также на плотность.

Для изготовления геополимерного вяжущего использовались измельченный гранит Павловского месторождения дисперсностью 350 м²/кг, доменный гранулированный шлак Новолипецкого металлургического комбината с дисперсностью 380 м²/кг в соотношении 3:1. Для активации твердения вяжущего использовался раствор жидкого стекла с силикатным модулем 1,1, полученный при смешивании гидроксида натрия, жидкого стекла и воды. Соотношение вяжущее:мелкий заполнитель=1:2. В качестве мелкого заполнителя использовался Сурский кварцевый песок с Мк=1,6. Содержание жидкости к твердому веществу вяжущего в растворных смесях составляло 0,55. Жидкость затворения состояла на 53% по весу из активатора твердения и на 47% - из воды. В качестве модифицирующей добавки применялась предварительно распушенная полипропиленовая фибра марки ВСМ-II-6 длиной 6 мм.

Фибра вводилась в приготовленную растворную смесь в дозировке 0,22, 0,44 и 0,66% по объему.

Для исследования прочности при сжатии (R_cж) и изгибе (R_из) были изготовлены образцы размером 40Ч40Ч160 мм, для ударной прочности - образцы цилиндры диаметром (d) и высотой (h) 36 мм. Геополимерные образцы твердели в нормальных условиях в течение 28 суток. Прочности при сжатии и изгибе определялись по методикам принятым для цементных образцов по ГОСТ 310.4-81.

Оценка ударной прочности по показателю энергии разрушения производилась на копре КИ. Энергия разрушения (Е_р) определялась как отношение суммарной работы, отнесенной к площади разрушения образца (h·d).

Таблица Свойства геополимерных растворов с различным содержанием полипропиленовой фибры

Исследования показали, что фибра несколько ухудшает консистенцию смеси - расплыв на встряхивающем столике при объемном содержании добавки 0,66 % уменьшается до 135 мм, в то время как у контрольного бездобавочного состава этот показатель составлял 162 мм. Это обусловлено более высокой вязкостью вяжущего теста с дисперсным волокном и увеличением объема вовлеченного воздуха, что подтверждается данными по плотности составов в таблице.

Как видно из результатов в таблице добавка фибры повышает прочность при изгибе во все сроки твердения, а прочность при сжатии повышается только в начальные сроки твердения.

Для ускоренной оценки возможного снижения прочностных характеристик смесей с добавкой фибры в результате ее частичного разрушения под действием щелочной среды геополимерного камня было исследовано влияние выдержки образцов во влажных условиях при повышенной температуре (60 °С) в течение 36 и 72 часов. Результаты определения прочности показали, что изменение прочностных характеристик при такой выдержке не зависит от дозировки фибры, что свидетельствует о высокой стойкости фибры к воздействию щелочи.

Анализ значений энергии разрушения геополимерного раствора (см. таблицу) показал, что введение фибры позволяет повысить эту характеристику более чем в 2,5 раза. Геополимерные образцы в отличие от цементных обладают меньшей хрупкостью, что делает их более стойкими к действию переменных и постоянных нагрузок.

Исследованиями установлено, что механические свойства геополимерных растворов - прочность при изгибе, энергию разрушения можно повысить за счет введения в состав полипропиленовых волокон, которые сдерживают разрушение материала. Установленные зависимости прочности при сжатии, изгибе, энергии разрушения и плотности от дозировки фибры в различные сроки твердения могут учитываться при проектировании конструкций из геополимерного бетона.

дозировка дисперсный армирование раствор

1. Davidovits J. Geopolymer Chemistry and Applications. 4th ed. Saint Quentin: Geopolymer Institute, 2015. 644 p.

2. Mackenzie K., Welter M. Geopolymer (aluminosilicate) composites: synthesis, properties and applications // Advances in Ceramic Matrix Composites. 2014. pp. 445-470.

3. Калашников В.И., Нестеров В.Ю., Гаврилова Ю.В., Кузнецов Ю.С. Теоретические и технологические основы получения высокопрочного силицитового геополимерного камня // Строительные материалы. 2006. № 5. С. 60-63.

4. Eroshkina N., Korovkin M. The Effect of the Mixture Composition and Curing Conditions on the Properties of the Geopolymer Binder Based on Dust Crushing of the Granite // Procedia Engineering. 2016. Vol. 150. pp. 1605-1609.

5. Ерошкина Н.А., Коровкин М.О. Кинетика твердения геополимерного вяжущего на основе горных пород // Инженерный вестник Дона, 2016, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2016/3864.

6. Ranjbar N., Talebian S., Mehrali M. et al. Mechanisms of interfacial bond in steel and polypropylene fiber reinforced geopolymer composites // Composites Science and Technology. 2016. No.122. pp. 73-81.

7. Pan Z., Sanjayan J.G., Rangan B.V. Fracture properties of geopolymer paste and concrete // Magazine of concrete research. 2011. Vol. 63, No. 10. pp. 763-771.

8. Страданченко С.Г., Плешко М.С., Армейсков В.Н. Разработка эффективных составов фибробетона для подземного строительства // Инженерный вестник Дона, 2013, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/1995.

9. Richardson A.E. Compressive strength of concrete with polypropylene fibre additions // Structural survey. 2006. Vol. 24, No. 2. pp. 138-153.

10. Клюев С.В., Лесовик. Р.В. Дисперсно-армированный мелкозернистый бетон с использованием полипропиленового волокна // Бетон и железобетон. 2011. № 3. С.7-9.

References