Belgorod, Belgorod, Russian Federation
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
Russian Federation
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
Reinforcement of concrete with fiberglass improves the performance properties of concrete. The object of the study is fiberglass concrete, where Portland cement or alumina cement is used as a binder, and silica fiberglass is used as a filler. The chemical and phase compositions of Portland cement and alumina cement have been studied. The influence of the products of hydration of Portland cement and alumina cement on the chemical resistance of glass fiber has been investigated. The phase composition of Portland cement and alumina cement after hydration is studied using X-ray phase analysis. It is revealed that the following phases are present in alumina cement: CaОAl2O3, MgОAl2O3, 12CaO•7Al2O3, 2CaO•Al2O3•SiO, the phase composition of Portland cement is Ca6Al2(SO4)3(OH)12•12H2O, Ca2,25(Si3O7,5(OH)1,5)•(H2O), Ca(OH)2, CaCO3. It has been found that when hydrated, Portland cement has a negative effect on fiberglass due to the presence of Ca(OH)2 in it. The phase composition of the alumina cement after hydration shows the absence of Ca(OH)2. The chemical composition of fiberglass is investigated using X-ray fluorescence analysis. The use of alumina cement when using non-alkali-resistant fiberglass in a composite material is substantiated. The study of the stability of fiberglass in the environment of cement drawing has been carried out. Studies have shown that KV-11 grade fiberglass interacted less with hydration products of alumina cement than with hydration products of Portland cement.
fiberglass, hydration, cement extraction, fiber concrete, alkali resistance, alumina cement, Portland cement.
Введение. В настоящее время армирование бетонов различными волокнами является наиболее перспективным и применяемым в строительной отрасли [1–3]. Обычный бетон при высыхании даёт усадку, что является причиной образования трещин и, как следствие, происходит снижение его прочностных характеристик. Улучшить свойства бетонов можно за счёт введения в его состав оптимального количества волокон различного назначения и их равномерного распределения [4–7]. Армирование стекловолокном позволяет улучшить эксплуатационные характеристики бетонов. Кроме того, благодаря применению стекловолокна как армирующего материала бетонов расширился спектр его применения [8, 9]. Иногда армирование стекловолокном является безальтернативным методом улучшения характеристик изделий [10]. Стеклофибра увеличивает прочностные характеристики при значительно меньших дозировках, чем стальная и полипропиленовая фибры, поэтому популярность её использования постоянно возрастает.
Однако на сегодняшний день недостаточно изучена стойкость волокон в цементно-щелочной среде, что является препятствием для массового внедрения стеклофибробетона. Для бетонов с матрицей на основе портландцемента можно использовать только щелочестойкое стекловолокно, а для глинозёмистых обычное алюмоборосиликатное стекловолокно, так как при твердении в нём отсутствует свободная известь, которая вызывает коррозию стекловолокна.
Материалы и методы. Для проведения экспериментальных исследований были использованы следующие сырьевые материалы: портландцемент марки ЦЕМ I 42,5Н производства ЗАО «Белгородский цемент» (ГОСТ 10178–85); глинозёмистый цемент марки ВГЦ-1-35 производства ОАО «Пашийский металлургическо-цементный завод» (ГОСТ 969–2019); песок Корочанского месторождения (ГОСТ 8736–2014); стекловолокно марки КВ-11 производства АО «НПО Стеклопластик» (ГОСТ Р 56212–2014); вода (ГОСТ 23732–2011).
Количественный химический состав стеклошариков, из которых было произведено стекловолокно, определяли с помощью спектрометра АРL 9900 «Thermo scientific» рентгенофлуоресцентным методом. Устойчивость стекловолокна к цементной вытяжке определяли по стандартной методике согласно ГОСТ 473.2–81. Для исследования была задействована лабораторная водяная баня.
Фазовый состав портландцемента и глинозёмистого цемента до и после гидратации определяли на дифрактометре марки ARL X’TRA. Для экспериментальных исследований фазового состава гидратированного цемента его затворяли водой и полученную смесь укладывали в формы. После гидратации и твердения портландцемента в течение 28 суток, а также гидратации и твердения глинозёмистого цемента в течение 3 суток образцы извлекали из форм и исследовали с помощью рентгенофазового анализа.
Основная часть. Среди композиционных материалов важное место занимают стеклоцементные композиции, обладающие высокой прочностью, трещиностойкостью, малой плотностъю, негорючестью, нетоксичностью [11]. Использование их вместо железобетона позволяет снизить: стоимость конструкций в 2–3, массу – в 8–10, расход цемента – в 2–4 раза.
Одним из направлений исследований в области стеклоцементных композиций является разработка специальных составов стекловолокон, стойких против действия среды твердеющего цемента [8]. Используемое в работе кремнезёмное волокно получают путём кислотной обработки срезов стекловолокна, изготовленных из комплексной стеклянной нити, выработанной из стекла на водоэмульсионном замасливателе. Варку стекла проводят в варочном бассейне газоэлектрической стекловаренной печи, затем идёт формование стеклошариков (рис. 1) на формующей машине АСШ, из которых вырабатывается стекловолокно марки КВ-11 [12].
С помощью рентгенофлуоресцентного анализа был определён химический состав стеклошариков, который представлен в таблице 1.
Рис. 1. Стеклошарики, из которых получают стекловолокно марки КВ-11
Таблица 1
Химический состав стеклошариков
|
Содержание оксидов, мас. % |
|||||
|
SiO2 |
Na2O |
Al2O3 |
MgO |
CaO |
Прочее |
|
71,81 |
21,15 |
4,05 |
0,16 |
0,10 |
2,73 |
С использованием рентгенофазового анализа исследован фазовый состав исходного портландцемента (рис. 2). Из исследований видно, что основными фазами являлся двухкальциевый и трёхкальциевый силикаты.
Рис. 2. Порошковая рентгеновская дифрактограмма портландцемента
Также исследованию подвергался гидратированный портланцемент. Выявлено, что основные гидратные фазы портландцемента – эттрингит Ca6Al2(SO4)3(OH)12·12H2O и тоберморит Ca2,25(Si3O7,5(OH)1,5)·(H2O) (рис. 3). Обнаружено значительное количество гидроксида кальция Ca(OH)2 и незначительное – вторичного карбоната кальция CaCO3.
Рис. 3. Порошковая рентгеновская дифрактограмма гидратированного портландцемента
Глинозёмистый цемент производится комплексной плавкой в доменной печи, высокие прочностные показатели которого обуславливаются наличием в нём однокальциевого алюмината. Также в нем могут присутствовать следующие фазы – это однокальциевый диалюминат CaОAl2O3 и майенит 12CaО7Al2O3. Если есть присутствие оксидов кремния и железа, то в конечном продукте возможно присутствие алюмосиликатов, ферритов и алюмоферритов Ca. Высокую прочность и огнеупорность глинозёмистому цементу придаёт CaОAl2O3. В шлаках от переработки кобальт-молибденового катализатора может присутствовать диалюминат кальция, β-Al2O3 и геленит, относящийся к инертным минералам, а также шпинели и другие минералы [13–15]. Фазовый состав глинозёмистого цемента исследовали рентгенофазовым методом (рис. 4).
Рис. 4. Порошковая рентгеновская дифрактограмма глинозёмистого цемента
Фазовый состав глинозёмистого цемента представлен моноалюминатом кальция CaОAl2O3, магнезиальной шпинелью MgОAl2O3, майенитом 12CaO·7Al2O3 и геленитом 2CaO·Al2O3·SiO2. Моноалюминат кальция является вяжущей фазой, магнезиальная шпинель и геленит – инертные примеси.
На дифрактограмме гидратированного глиноземистого цемента основная гидратная фаза представлена гидроалюминатом кальция CaОAl2O3∙10H2O (рис. 5). Это основная цементная составляющая в гидратированном глинозёмистом цементе, которая является метастабильным продуктом гидратации СА. Помимо неё могут образовываться другие метастабильные продукты гидратации – это С2АН8 и С4АН13, которые в итоге переходят в стабильный кубический С3АН6.
Рис. 5. Порошковая рентгеновская дифрактограмма гидратированного глинозёмистого цемента
Твердение портландцемента – сложный комплекс взаимосвязанных химических и физико-химических процессов, которые оказывают влияние на состояние армирующих наполнителей и композиционного материала в целом. Выбор вяжущего вещества – это главный момент при изготовлении стеклофибробетона [16–18]. Иногда целесообразно применение глинозёмистого цемента, так как он интенсивно кристаллизуется, сохраняет прочность стеклофибробетона и повышает его водонепроницаемость. Традиционно применяемый портландцемент, реагируя с водой, надежно защищает металлическую арматуру, но отрицательно воздействует на стекловолокно.
Чтобы сделать заключение о возможности использования стекловолокна данного состава в качестве армирующих элементов бетона было проведено исследование устойчивости стекловолокна в среде цементной вытяжки. Испытания проводили аналогично определению щелочестойкости по ГОСТ 473.2–81.
Была приготовлена цементная вытяжка на основе портландцемента и цементная вытяжка на основе глинозёмистого цемента. Кипячение стекловолокна на водяной бане происходило в течение 1 часа.
Устойчивость стекла к цементной вытяжке (Ц) вычисляли по формуле, %:
, (1)
где m – масса стекловолокна до испытания, г;
m1 – масса стекловолокна после испытания, г.
За окончательный результат принимали среднее арифметическое результатов двух параллельных определений, расхождение между которыми не должно превышать 0,5 % (таблица 2, 3).
Таблица 2
Результаты исследования устойчивости стекловолокна к цементной вытяжке на основе портландцемента
|
№ пробы |
Масса навески стекловолокна, г |
Устойчивость стекловолокна к цементной вытяжке, % |
||
|
m |
m1 |
Отдельной пробы |
Средняя |
|
|
1 |
1,007 |
0,9217 |
91,53 |
88,36 |
|
2 |
1,006 |
0,8533 |
85,19 |
|
Таблица 3
Результаты исследования устойчивости стекловолокна к цементной вытяжке на основе глиноземистого цемента
|
№ пробы |
Масса навески стекловолокна, г |
Устойчивость стекловолокна к цементной вытяжке, % |
||
|
m |
m1 |
Отдельной пробы |
Средняя |
|
|
1 |
1,002 |
0,9869 |
98,49 |
97,26 |
|
2 |
1,003 |
0,9632 |
96,03 |
|
Исследования показали, что стекловолокно марки КВ-11 с продуктами гидратации глинозёмистого цемента менее взаимодействовало, чем с продуктами гидратации портландцемента. В растворе портландцемента присутствует гидроксид кальция, который способствует разрушению стеклянных волокон. Поэтому, выбирая в качестве вяжущего для стеклофибробетона портландцемент, нужно использовать устойчивую к щелочам фибру.
Выводы. Исследование фазового состава глинозёмистого цемента после гидратации показало отсутствие в нём Ca(OH)2, который вызывает щелочную коррозию стекловолокна. Проведённый эксперимент показал, что портландцемент, реагируя с водой, отрицательно воздействует на кремнезёмистое стекловолокно, а именно, стойкость стекловолокон в образующей щелочной среде уменьшается.
1. Klyuev S.V., Klyuev A.V., Shorstova E.S. Fiber concrete for 3-d additive technologies [Fibrobeton dlya 3-d additivnyh tekhnologij]. Construction Materials and Products. 2019. Vol. 2. No 4. Pp. 14-20. (rus)
2. Hezhev T.A., Zhurtov A.V., Tsipinov A.S., Klyuev S.V. Fire resistant fibre reinforced vermiculite concrete with volcanic application. Magazine of Civil Engineering. 2018. No. 4. Pp. 181-194. DOI:https://doi.org/10.18720/MCE.80.16.
3. Klyuyev S.V., Lesovik V.S., Klyuev A.V., Bondarenko D.O. The question of several species fiber for fiber concrete [K voprosu primeneniya neskol'kih vidov fibr dlya dispersno-armirovannyh betonov]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2012. No. 4. Pp. 81-83. (rus)
4. Volodchenko A.A. Influence of artificial calcium hydrosilicates on the hardening processes and properties of non-autoclave silicate materials based on unconventional aluminosilicate raw materials [Vliyanie iskusstvennyh gidrosilikatov kal'ciya na processy tverdeniya i svojstva neavtoklavnyh silikatnyh materialov na osnove netradicionnogo alyumosilikatnogo syr'ya]. Construction Materials and Products. 2020. Vol. 3. No. 2. Pp. 19-28. DOI:https://doi.org/10.34031/2618-7183-2020-3-2-19-28. (rus)
5. Klyuev S.V., Bratanovskiy S.N., Trukhanov S.V., Manukyan H.A. Strengthening of concrete structures with composite based on carbon fiber. Journal of Computational and Theoretical Nanoscience. 2019. Vol. 16. No 7. Pp. 2810-2814. DOI:https://doi.org/10.1166/jctn.2019.8132.
6. Klyuev S.V., Klyuev A.V., Khezhev T.A., Pukharenko Y.V. Fiber concrete for industrial and civil construction. Materials Science Forum. 2018. Vol. 945. Pp. 120-124. DOI:https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.945.120.
7. Lesovik V.S., Bessonov I.V., Bulgakov B.I., Larsen O.A., Puchka O.V., Vaysera S.S. Approach on improving the performance of thermal insulating and acoustic glass composites. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 463. Article number 042030. DOI:https://doi.org/10.1088/1757-899X/463/4/042030.
8. Gutnikov S.I., Lazoryak B.I., Seleznev A.N. Glass fibers [Steklyannye volokna]. Moscow: MSU, 2010. 53 p. (rus)
9. Erofeev V.T., Bazhenov Yu.M., Balatkhanova E.M., Mitina E.A., Emel’yanov D.V., Rodin A.I., Karpushin S.N. Obtaining and physical mechanical properties of cement composites with the use of fillers and mixing water from the Chechen Republic fields [Poluchenie i fiziko-mekhanicheskie svoystva tsementnykh kompozitov s primeneniem napolniteley i vody zatvoreniya mestorozhdeniy Chechenskoy Respubliki]. Vestnik MGSU. 2014. No. 12. Pp. 141-151. (rus)
10. Klyuev S.V., Lesovik R.V. Dispersed-reinforced fine-grained concrete with fiberglass [Dispersno-armirovannyj melkozernistyj beton steklovoloknom]. Beton i zhelezobeton. 2011. No. 6. Pp. 4-6. (rus)
11. Erofeyev V.T., Fedortsov A.P., Fedortsov V.A. The increasing of corrosive resistance of cement composites by active additives [Povyshenie korrozionnoj stojkosti cementnyh kompozitov aktivnymi dobavkami]. Building and reconstruction. 2020. No. 2 (88). Pp. 51-60. DOI:https://doi.org/10.33979/2073-7416-2020-88-2-51-60. (rus)
12. Kanovich M.Z., Trofimov N.N. Resistance of composite materials [Soprotivlenie kompozicionnyh materialov]. Moscow: Mir, 2003. 504 p. (rus)
13. Ramachandran V.S. Application of differential thermal analysis in cement chemistry [Primenenie differencial'nogo termicheskogo analiza v himii cementov]. Moscow: Stroyizdat, 1977. 408 p. (rus)
14. Bondarenko N.I., Bessmertniy V.S., Borisov I.N., Tymoshenko T.I., Slabinskaya I.A., Bondarenko D.O., Makarov A.V. Research of kinetics of dehydration of aluminous cement in the conditions of not isothermal heating [Issledovanie kinetiki degidratacii glinozyomistogo cementa v usloviyah neizotermicheskogo nagreva]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2016. No. 6. Pp. 155-160. (rus)
15. Erofeev V.T., Fedortsov A.P., Bogatov A.D., Fedortsov V.A. Assessment and forecasting of physical and chemical resistance of glass alkali composites and methods of his increase [Ocenka i prognozirovanie fiziko-himicheskogo soprotivleniya stekloshchelochnyh kompozitov i metody ego povysheniya]. News of higher educational institutions. Construction. 2017. No. 6 (702). Pp. 5-14. (rus)
16. Kluyev S.V. Composite binders use for the production of fiber-concretes [Primenenie kompozicionnyh vyazhushchih dlya proizvodstva fibrobetonov]. Concrete Technologies. 2012. No. 1-2 (66-67). Pp. 56-57. (rus)
17. Loganina V.I., Zhernovskiy I.V., Zhegera K.V.Pattern formation of cement stone in the presence of additive based on amorphous aluminum silicates [Strukturoobrazovanie cementnogo kamnya v prisutstvii dobavki na osnove amorfnyh alyumosilikatov]. Bulletin of Civil Engineers. 2016. No. 3 (56). Pp. 142-148. (rus)
18. Amran M., Fediuk R., Vatin N., Yeong H.L., Gunasekaran M., Togay O., Klyuev S., Alabduljabber H. Fibre-reinforced foamed concretes: a review. Materials. 2020. Vol. 13. No. 19. Article number 4323. DOIhttps://doi.org/10.3390/ma13194323.
