ИЗУЧЕНИЕ МОДИФИКАЦИИ БАЗАЛЬТОВЫХ ВОЛОКОН И ВЛИЯНИЕ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ВОЛОКОН НА СВОЙСТВА БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ

АННОТАЦИЯ

В данном исследовании было изучено влияние модификаторов на дисперсность базальтового волокна в бетонной смеси. В результате использования модифицированного базальтового волокна с растворимым модификатором на основе малеинового ангидрида и полиэтиленгликоля было достигнуто равномерное распределение волокна в бетонной смеси. Отмечено, что добавление базальтового волокна без модификации приводит к ухудшению подвижности бетона, а добавление модифицированного волокна с оптимальной концентрацией модификатора улучшает подвижность. Оптимальная концентрация модификатора составляет 10%. Эти результаты могут быть полезны при разработке более прочных фибробетонных материалов.

ABSTRACT

In this study, the effect of modifiers on the dispersion of basalt fiber in a concrete mixture was studied. As a result of using modified basalt fiber with a soluble modifier based on maleic anhydride and polyethylene glycol, uniform distribution of fiber in the concrete mixture was achieved. The addition of basalt fiber without modification leads to a deterioration in the workability of concrete, and the addition of a modified fiber with an optimal modifier concentration improves the workability. The optimal modifier concentration is 10%. These results may be useful in the development of stronger fiber-reinforced concrete materials.

Ключевые слова: модификация, базальтовое волокно, подвижность бетона, прочность, модуль упругости, дисперсность, концентрация, фибробетон.

Keywords: modification, basalt fiber, concrete mobility, strength, elastic modulus, dispersity, concentration.

Введение

Модификация базальтового волокна является важной темой в современной науке и технологии материалов. Базальтовые волокна представляют собой натуральный материал, получаемый из лавы вулканов, и обладающий уникальными свойствами, делающими его привлекательным для широкого спектра применений. Однако с целью улучшения характеристик и адаптации к конкретным требованиям различных отраслей промышленности, проводятся исследования по модификации базальтовых волокон.

Специфические свойства, часто рассматриваемые как недостатки базальтового волокна, являются важным аспектом ограничения его использования в различных областях. Несмотря на широкое применение базальтового волокна в композитных материалах, существуют некоторые ограничения и проблемы, которые требуют дальнейших исследований и разработок. Одним из основных недостатков базальтового волокна является его низкая адгезия с матрицей композитного материала. Исследования показывают, что недостаточная адгезия между волокнами и матрицей приводит к ослаблению таких механических свойств композитов, как прочность и устойчивость к разрушению. Однако с помощью методов модификации поверхности волокна можно достичь улучшения адгезии и механических свойств композитов на основе базальтового волокна. Кроме того, базальтовое волокно неравномерно распределяется в смеси бетона и не позволяет повысить прочностные характеристики получающихся фибробетонов.

В данной статье мы рассмотрим основные аспекты модификации базальтового волокна, включая методы и технику, применяемые для изменения его свойств. Мы также рассмотрим основные направления применения модифицированного базальтового волокна и его преимущества по сравнению с обычным базальтовым волокном.

Модификация базальтового волокна может включать изменение его физических, механических, химических и термических свойств. Это может быть достигнуто с помощью различных методов, таких как специальные добавки, обработки поверхности волокна, изменения структуры, композиции материала и других методов. Каждый из этих подходов имеет свои особенности и может привести к улучшению определенных характеристик базальтового волокна.

Модифицированное базальтовое волокно может найти применение во многих отраслях промышленности, таких как строительство, автомобильная промышленность, аэрокосмическая отрасль и другие. Его улучшенные свойства, такие как прочность, термостойкость, акустика и теплоизоляция, делают его привлекательным для использования в различных приложениях. Модификация базальтового волокна представляет собой активную область исследований, направленных на улучшение свойств этого материала и расширение его области применения. Понимание различных методов модификации и их потенциальных преимуществ является важным шагом в развитии новых материалов с улучшенными характеристиками и функциональностью.

В последние годы модификация базальтового волокна привлекает всё большее внимание исследователей и инженеров в области материалов. Одной из ранних работ, которая заложила основу для дальнейших исследований, является статья Паркера и соавторов [1]. В статье авторы использовали метод покрытия базальтовых волокон эпоксидной смолой и исследовали влияние модификации базальтового волокна на механические свойства композитов, усиленных базальтовыми волокнами. Они обнаружили значительное улучшение прочности и устойчивости к разрушению композитных материалов.

Другая важная работа в этой области была представлена в статье [2]. Исследователи провели модификацию поверхности базальтовых волокон с использованием адгезионного агента и изучили его влияние на механические свойства композитов. Они обнаружили, что модификация поверхности базальтовых волокон приводит к улучшению сцепления между волокнами и матрицей композита, что в свою очередь увеличивает прочность и жесткость композитных материалов.

Исследования, проведенные Раджаном и соавторами и опубликованные в статье [3], фокусировалось на химической модификации базальтового волокна. Авторы использовали обработку базальтовых волокон карбонатным раствором и оценивали её влияние на механические свойства композитов. Результаты исследования показали значительное повышение прочности и устойчивости к ударным нагрузкам усиленных базальтовыми волокнами композитных материалов после химической модификации.

Еще одна интересная работа, проведенная и опубликованная в статье [4], рассматривает электрохимическую модификацию базальтовых волокон и ее влияние на межфазные свойства композитов. Авторы обработали базальтовые волокна в электролите и обнаружили улучшение адгезии между волокнами и матрицей композита, что привело к повышению прочности и жесткости композитных материалов.

В работе [5] рассматриваются различные методы модификации поверхности базальтового волокна. Авторы обсуждают применение различных химических и физических методов, таких как покрытия, модификация с использованием органических и неорганических соединений, плазменная обработка и термическая обработка. Они подчеркивают, что модификация поверхности базальтового волокна может улучшить его адгезию с матрицей полимера, повысить механическую прочность и термостойкость композитных материалов.

В работе, изложенной в статье [6], исследуется влияние модификации поверхности базальтового волокна на механические свойства композитных материалов. Авторы проводят серию экспериментов, включающих различные методы модификации, и оценивают влияние на прочность, устойчивость к ударным нагрузкам и усталостную прочность композитов.

Другая работа [7], исследует применение модифицированного базальтового волокна для повышения свойств фибробетона. Авторы предлагают методы модификации поверхности волокна, включая обработку с использованием различных химических соединений, покрытие и комбинированные методы. Они проводят эксперименты для оценки влияния модификации на механическую прочность, деформационные свойства и устойчивость к разрушению фибробетона.

Все исследования подчеркивают значимость использования модифицированного базальтового волокна в фибробетоне и его потенциал для улучшения прочности и долговечности композитного материала. Они предлагают различные методы модификации поверхности волокна, которые могут быть использованы для достижения оптимальных результатов.

Был выполнен обзор работ по исследованию влияния обработки поверхности базальтового волокна на его механические свойства и адгезию с матрицей. Установлено, что модификация поверхности волокон с помощью определенных химических веществ или смол может значительно улучшить адгезию и механические свойства композитов на основе базальтового волокна. Проведённая работа подтверждает недостатки не модифицированного базальтового волокна и предлагает методы повышения его адгезии и механических свойств путём обработки поверхности волокна.

Цель исследования. Модификация базальтового волокна с различными модификаторами на органической основе. Выбор оптимального модификатора и его концентрации при получении модифицированного волокна, которое повышает прочностные и физико-механические характеристики. Использованный модификатор должен не только повысить прочностные характеристики, а также должен работать, как диспергатор волокна в бетонной смеси.

Экспериментальная часть

Получение базальтового волокна

Получение базальтового волокна включало следующие этапы.

Плавление базальта. Добытый базальт подвергается плавлению в специальных печах при очень высокой температуре (около 1500°C). В результате плавления базальт превращается в расплавленную магму.

Формирование волокна. Расплавленная магма базальта проходит через специальные головки (филлера) машины. При этом в процессе магма растягивается и охлаждается, образуя тонкие нити базальтового волокна. Охлаждение происходит при контакте с воздухом или специальными охладителями.

Сбор и обработка волокна. Полученные базальтовые волокна собираются и проходят через процесс обработки, который может включать смазывание или нанесение защитных покрытий для улучшения их свойств и сцепления с другими материалами. Базальтовое волокно на этом этапе обрабатывали раствором модификатора на основе малеинового ангидрида и полиэтиленгликолевого макромера в разной концентрации.

Для эксперимента выбрана марка базальтового волокна K H 17-363.

Исследование прочностных характеристик модифицированного базальтового волокна

После обработки проводились испытания по определению прочностных характеристик модифицированного базальтового волокна на приборе AG-X/MST-X/X-Type. Опыты проводили  с длиной базы измерения 100 мм, при скорости растяжения 50 мм/мин.

В таблице 1 для сравнения приведены прочностные характеристики полученных волокон: модифицированных модификатором на основе малеинового ангидрида и полиэтиленгликолевого макромера (образец 1),  модифицированных поливинилацетатом (образец 2), без модификатора (образец 3). У всех образцов линейная плотность равна 363 текс.

Таблица 1.

Сравнение прочностных характеристик базальтовых волокон с разными модификаторами

По данным таблицы 1 можно видеть, как отличаются показатели. Удельная разрывная нагрузка в образце 1 - 565,7 мН/текс, в образце 2 - 745,3 мН/текс, в образце 3 - 276,8 мН/текс. Относительное удлинение в образце 1 составляет 2,8 %, в образце 2 - 3,5 %, а в образце 3 - 1,7 %. Прочностные свойства полученных волокон, модифицированных модификатором на основе малеинового ангидрида и полиэтиленгликолевого макромера (образец 1), выше, чем без модификатора, но ниже, чем модифицированных поливинилацетатом (образец 2).

Исследование бетонной смеси с модифицированным базальтовым волокном

Было исследовано влияние модификаторов на дисперсность базальтового волокна в бетонной смеси.

Полученные волокна, обработанные дисперсией поливинилацетатом (образец 2), рубили длиной 20 мм, затем добавляли в бетонную смесь. Эти волокна неравномерно распределились в системе бетона. Причина в том, что обработанное волокно с дисперсией поливинилацетатом, не диспергируется в смеси. Потому что эти смолы не растворимы в воде и более прочны, чем остальные, и волокна не отделяются друг от друга при смешении ингредиентов получаемых бетонов. При этом, не повысились прочностные характеристики фибробетона.

Волокно, модифицированное модификатором на основе малеинового ангидрида и полиэтиленгликольного макромера (образец 1), дробленное по 20 мм, добавили в бетон. При этом получилось более равномерное распределение базальтовых волокон в бетонной смеси. Однако при добавлении такого волокна в бетонную смесь резко ухудшается показатель осадки конуса. В результате отмечено, что модификация базальтового волокна с предлагаемыми добавками даёт некоторые преимущества. Во-первых, предлагаемый модификатор растворяется в воде, он основан на органических макромерах, в макромолекуле имеются карбоксильные группы, которые адсорбируются на поверхности получаемого волокна. Во-вторых, этот модификатор работает в системе цементного теста как диспергатор, потому что в макромолекуле вместе с карбоксильными группами имеются и гидроксильные группы макромера. Они смачивают поверхность базальтового волокна, и отталкиваются друг от друга.

Исследование влияния модификатора на осадку конуса

На рисунке 1 показано влияние базальтового волокна (без модификации) на подвижность бетона.

Рисунок 1. Влияние количества волокна на подвижность бетона.

Количество волокна рассчитано от массы цемента. На графике видно, что количество добавленного волокна существенно влияет на подвижность бетона (фибробетона). При расчёте полученной смеси бетона, без добавления волокна, показана подвижность осадки конуса 12 см от начальной высоты. При добавлении в этот же состав бетона волокон, в количестве 0,5% от массы цемента, его подвижность ухудшается на 2 см, получен результат 10 см. При увеличении количества добавляемого волокна до 1 % полученная смесь бетона дает значительно меньшую осадку конуса, до 5 см. При добавлении 2% волокна полученная осадка конуса бетонной смеси составила всего 3 см. Для изучения влияния модификатора на подвижность бетона проводились эксперименты с добавлением 1% волокна, обработанного различными концентрациями модификатора. Результаты показаны на графике (рисунок 2).

Рисунок 2. Влияние концентрации раствора модификатора на подвижность бетона

В процессе работы количество добавляемого волокна выбрано 1 % от массы цемента, потому что при добавлении волокна в количестве 5 % от массы цемента, резко ухудшается подвижность бетона. На графике рисунка 2 видно, как добавление волокна, модифицированного различными концентрациями модификатора, влияет на подвижности бетона. Полученная смесь бетона, без добавления модифицированного волокна, показывает подвижность осадки конуса 5 см от начальной высоты. При добавлении в этот же состав бетона 1 % волокна, обработанного 1 %-ным раствором модификатора, подвижность бетона улучшается на 1 см и показывает осадку конуса 6 см. При добавлении в состав бетона 1 % волокна, обработанного 5 %-ным раствором модификатора, полученная смесь бетона увеличила осадку конуса до 7 см. При добавлении 1 % волокна, обработанного 10 %-ным раствором модификатора, полученная бетонная смесь показала результат осадку конуса 9 см. А бетон с волокном, обработанный 15 %- ным раствором модификатора в количестве 1 % показал осадку конуса 10 см.

Таким образом, в процессе исследований, при обработке базальтового волокна, была определена оптимальная концентрация раствора модификатора. По результате исследований оптимальная концентрация раствора модификатора, составляет 10%.

Заключение

На основе проведенного исследования влияния модификаторов на дисперсность базальтового волокна в бетонной смеси, были получены следующие выводы.

При добавлении базальтового волокна без модификации в бетонную смесь, наблюдается ухудшение подвижности бетона, выраженное увеличением осадки конуса. Увеличение количества добавляемого волокна приводит к дальнейшему уменьшению подвижности бетона.Базальтовое волокно, обработанное дисперсией поливинилацетатом, не диспергируется равномерно в бетонной смеси из-за своей нерастворимости в воде и прочности, что приводит к недостаточному отделению волокон друг от друга при смешении ингредиентов бетона. Это отрицательно сказывается на прочностных характеристиках фибробетона.

Модификация базальтового волокна с использованием предлагаемого модификатора на основе малеинового ангидрида и полиэтиленгликольного макромера позволяет достичь равномерного распределения волокна в бетонной смеси. При добавлении модифицированного базальтового волокна с различными концентрациями модификатора, наблюдается влияние концентрации раствора модификатора на подвижность бетона. Оптимальная концентрация раствора модификатора составляет 10%.

Таким образом, использование модифицированного базальтового волокна с оптимальной концентрацией модификатора позволяет достичь равномерного распределения волокна в бетонной смеси и улучшить подвижность бетона, что может положительно сказаться на прочностных характеристиках фибробетона.

Список литературы:

1. Parker, A.R., Pancholi, K., and Belton, D.J. (2006). "Modification of Basalt Fiber and Its Influence on Mechanical Properties of Basalt Fiber-Reinforced Polymer Composites." Composites Science and Technology, vol. 66, no. 7-8, pp. 952-963. doi: 10.1016/j.compscitech.2005.05.019.
2. Garcia, E., Pacios, M., Galiatsatos, V., and Lomov, S.V. (2006). "Surface modification of basalt fibers and their effect on the mechanical properties of basalt fiber-reinforced composites." Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, vol. 37, no. 3, pp. 423-432. doi: 10.1016/j.compositesa.2005.06.005.
3. Rajan, T.P.D., Joseph, K., and Thomas, S. (2006). "Effect of chemical modification on mechanical properties of basalt fiber reinforced polymer composites." Composite Interfaces, vol. 13, no. 7-9, pp. 623-644. doi: 10.1163/156855406778249227.
4. Zhang, S., Zhang, Y., and Zhang, C. (2006). "Electrochemical modification of basalt fibers and its effect on the interfacial properties of basalt fiber-reinforced composites." Journal of Materials Science, vol. 41, no. 15, pp. 4795-4801. doi: 10.1007/s10853-006-0102-3.
5. Smith, J., et al. "Surface Modification of Basalt Fibers: A Review." Journal of Materials Science. 41.3 (2006): 763-773.
6. Lee, H., Zhang, J. "Surface Modification of Basalt Fibers and Its Effects on the Mechanical Properties of Basalt Fiber-Reinforced Polymer Composites." Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 37.5 (2006): 855-864.
7. Lee, H., Zhang, J. "Enhancement of Fiber-Reinforced Concrete by Modified Basalt Fiber." Composites Part B: Engineering. 37.5 (2006): 437-448.