ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ БАЗАЛЬТОФИБРОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ РЕСУРСОВ КАРАКАЛПАКСТАНА

АННОТАЦИЯ

Для успешного применения базальтофибробетонов в монолитном строительстве необходимо разработать эффективную технологию для часто используемых составов таких бетонов. В статье представлены результаты исследований и рекомендации по внедрению эффективной технологии производства базальтофибробетона.

Исследования показали, что добавление базальтовых волокон в состав тяжелого бетона по предложенной технологии позволяет увеличить предел прочности при сжатии на 15% по сравнению с бетоном без микроармирования, при этом обеспечивается экономия цемента до 10% и более.

ABSTRACT

For the successful application of basalt fiber-reinforced concrete in monolithic construction, it is necessary to develop an effective technology for the frequently used compositions of such concrete. The article presents research results and recommendations for implementing an effective technology for producing basalt fiber-reinforced concrete.

Studies have shown that adding basalt fibers to the composition of heavy concrete according to the proposed technology allows for a 15% increase in compressive strength compared to concrete without micro-reinforcement, while ensuring cement savings of up to 10% or more.

Ключевые слова: базальтфибробетон, базальт, фибра, испытание прочности, технология состав.

Keywords: basalt fiber-reinforced concrete, basalt, fiber, strength testing, technology, composition.

ВВЕДЕНИЕ. Согласно данным многочисленных теоретических и экспериментальных исследований многих ученых, установлено, что разрушение бетона под воздействием нагрузки начинается с образования трещин в зонах контакта между цементным камнем и крупным заполнителем. Эти трещины преимущественно развиваются по направлению действия сжимающих усилий, однако могут иметь отклонения из-за поперечных деформаций растяжени[1,с.42-45,].  Процесс разрушения сжатого бетонного образца обусловлен развитием трещин в поперечном направлении: изначально появляются микротрещины отрыва, которые по мере увеличения нагрузки соединяются между собой, формируя видимые трещины и приводя к окончательному разрушению конструкции.

Для эффективного расщепления пучков базальтовых волокон на отдельные элементы и их равномерного распределения в объёме бетонной смеси требуется усовершенствованная технология приготовления, предусматривающая изменение последовательности операций. Существенное влияние на качество и прочность фибробетона оказывает корректный подбор соотношения его компонентов[5,с.287-289,6,с. 91-92]. Рекомендуется использовать принудительные бетоносмесители с двухстадийным перемешиванием: на первом этапе сухие компоненты смешиваются в течение не менее трёх минут, затем после добавления воды — ещё не менее трёх минут, так как такая схема способствует эффективному расщеплению базальтовых волокон и их равномерному распределению.

Применение базальтового волокна по данной технологии и при оптимальном содержании позволяет повысить прочность бетона на растяжение при изгибе на 70% и более по сравнению с бетоном без дисперсного армирования[2].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ

В рамках настоящего исследования для проведения экспериментальных работ использован портландцемент марки М400, производства ООО «Каракалпак Цемент», отвечающий требованиям стандарта ГОСТ 10178-85 «Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия». Согласно технической документации производителя, нормальная густота цементного теста составляет 27%, удельная поверхность — 3500 см²/г, а прочность на сжатие к моменту испытаний достигает 38,5 МПа.

крупного заполнителя в составе бетонной смеси применён гранитный щебень фракции 5–20 мм, добытый на Шейхжалиском карьере. Данный материал соответствует требованиям ГОСТ 10260[7,с.31]. Мелким заполнителем служил кварцевый речной песок, также добытый на Шейхжалиском карьере, характеристики которого удовлетворяют требованиям ГОСТ 8736[8,с 31].

Дисперсное армирование бетона осуществлялось с использованием базальтовой фибры, представляющей собой коротко нарезанные комплексные базальтовые волокна, находящиеся в сыпучем состоянии в виде отдельных монофиламентов. Применённая фибра произведена ООО «BASFIBER TRADE» и обладает следующими характеристиками: цвет — бронзовый; плотность материала — 2,8 г/см³; диаметр одного элемента волокна варьируется в пределах 13–17 мкм; длина отрезков составляет 3,2 мм, 6,4 мм, 12,7 мм и 15,9 мм; температурный диапазон эксплуатации — от -260 до +650 °C; температура плавления материала — 1420 °C; предел прочности на разрыв — в пределах 45–55 гс/текс. Кроме того, волокно устойчиво к воздействию агрессивных сред, включая кислоты и щелочи, что подтверждает его применимость при производстве бетонов с повышенной стойкостью к коррозионным воздействиям.

Введение базальтовых волокон в состав бетонной смеси осуществляется на стадии перемешивания, где фибра выполняет функцию дисперсного армирования. Благодаря высокой совместимости с различными химическими добавками, базальтовые волокна равномерно распределяются по всему объему бетонной смеси, минимизируя риск образования сгустков или комков. Подобная технология способствует улучшению структуры цементного камня, повышая трещиностойкость и долговечность композиционного материала, а также его стойкость к воздействию агрессивных сред.

В то же время, несмотря на широкое практическое применение базальтовой фибры, механизм расщепления волокон из начальных пучков на отдельные монофиламенты в процессе смешивания до настоящего времени окончательно не изучен[3,с.156, 4, с.233-237].   

Как показывают результаты наблюдений (рис. 1), для эффективного расщепления пучков базальтовых волокон на отдельные монофиламенты требуется механическое либо иное внешнее воздействие. При этом степень расщепления волокон должна составлять не менее 70–80%, что обеспечит равномерное распределение армирующего материала в объёме бетонной смеси без ухудшения физико-механических характеристик самой фибры. Можно предположить, что при таких условиях поверхность и геометрия отдельных волокон сохранят свою целостность, что будет способствовать их эффективному взаимодействию с цементным тестом, повышая прочность сцепления в цементно-песчаной матрице.

Рисунок 1. Базальтовые волокна, использованные в экспериментах

Анализ существующих технологических решений, применяемых при производстве базальтофибробетонов, позволяет сформулировать следующие выводы. Наиболее целесообразным является использование принудительных бетоносмесителей, поскольку они обеспечивают интенсивное перемешивание компонентов и способствуют лучшему распределению базальтовых волокон в смеси. Однако при этом отсутствует возможность непосредственного контроля степени расщепления волоконных пучков, которые, в большинстве случаев, сохраняются в исходной структуре и представляют собой самостоятельный компонент бетонной смеси.

На основании вышеизложенного анализа можно сделать вывод, что оптимизация состава базальтофибробетона должна начинаться с корректировки гранулометрического состава заполнителей. В первую очередь рекомендуется уменьшить расход крупного заполнителя с одновременным увеличением доли мелкого заполнителя (песка). Для этой цели при расчёте состава базальтофибробетона, аналогично расчётам для тяжёлых бетонов, вводится понижающий коэффициент 0,85 на содержание крупного заполнителя. Объём, высвобождаемый за счёт снижения доли щебня, компенсируется увеличением содержания песка с применением повышающего коэффициента 1,2 к расчётным значениям расхода мелкого заполнителя.

Предложенная структура базальтофибробетона, отличающаяся от традиционных тяжёлых бетонов, обеспечивает более полное использование межзернового пространства крупного заполнителя для равномерного размещения базальтовых волокон. При этом эффективность работы композиции определяется правильным подбором зернового состава заполнителей, обеспечивающего минимизацию пористости бетонной структуры за счёт плотного расположения армирующих волокон в цементно-песчаной матрице.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

При подборе состава бетона учитывались две основные гипотезы, связанные с особенностями структуры тяжёлых бетонов на основе портландцемента. Первая заключается в необходимости обеспечения максимальной прочности цементно-песчаного раствора при минимально возможном расходе крупного заполнителя.

Во втором случае базальтовую фибру загружают в смеситель после внесения 50% щебня и песка, затем перемешивают в течение не менее 3 минут. После этого добавляют оставшиеся порции заполнителей, воду и цемент, продолжая перемешивание до получения однородной консистенции (5–7 минут). Такой двухэтапный процесс способствует эффективной модификации базальтовых волокон. Состояние смесей, приготовленных по данной технологии, представлено на рис. 2. 

Рисунок 2. Вид базальтофибрабетонной смеси после выгрузки из смесителя

Из подготовленных смесей изготавливались кубы размером 10×10×10 см, которые после распалубки испытывались на сжатие на гидравлическом прессе МИГ-1000.

Таблица 2.

Составы бетона на 1 м³

При изготовлении кубов дефекты не выявлены. Результаты испытаний приведены на рис. 3. Как видно из данных, во всех сравниваемых условиях прочность базальтофибробетона в среднем выше на 15% по сравнению с бетоном без волокон. Повышение прочности связано с введением базальтовых волокон, способствующих улучшению структуры бетона в процессе гидратации и твердения.

Рисунок 3. Прочность базальтофиброцементных композиций при сжатии

Разработаны технологические рекомендации для совершенствования составов и организации производства базальтофибробетонов с использованием местных материалов. В целях подтверждения лабораторных данных проводятся испытания в производственных условиях.

ВЫВОДЫ

Для улучшения прочностных и стойкостных характеристик бетонов применяется введение базальтовых волокон. Базальтофибробетоны на цементных вяжущих имеют ограниченное применение в несущих конструкциях, несмотря на их преимущества.

• Разработаны составы и технологии, улучшающие характеристики бетонов за счёт более равномерного распределения волокон.
• Подбор состава базальтофибробетонов основывается на расчётно-экспериментальном методе, с уменьшением расхода крупного заполнителя и корректировкой расхода песка, который не должен превышать расход крупного заполнителя.
• Эффективная технология включает расщепление базальтовых волокон при смешивании с крупным заполнителем или смесью песка и крупного заполнителя для равномерного распределения волокон.
• Прочность образцов базальтофибробетона с 1% базальтового волокна на сжатие увеличивается на 15% по сравнению с обычным бетоном.
• Преимущества базальтофибробетона подтверждают необходимость продолжения исследований для его использования в армировании несущих конструкций.

Список литературы:

1. Акрамов Х.А., Юсупов Р.Р.. Эргашов Ж.Д. //Особенности технологии и свойств бетонов с использованием неметаллических фиброволокон. Журнал “Проблемқ архитектуры и строительства”. №1, 2023, 42-45 с.
2. Зулфия Ходжаева., Мирибай Танбаев. // Рассчитать влияние климатических условий на структуру изгибаемого железобетона. Том 3244, (2024). Межд. Нау. Конф.  https://doi.org/10.1063/5.0242184
3. Танбаев М.А., Ходжаева З.Ш., Ходжаев А.А. // Определение термических напряжений в железобетонных конструкциях с использованием компьютерных технологий. Телематика, 22 (01), 1-6. (2023 г.)М.А.Ахмедов, Т.А.Атакузиев. Фосфогипс., Ташкент, ФАН, 1980. 156 с
4. Боровских И.В., Хозин В.Г. Изменение длин базальтовых волокон при его распределении в композиционном вяжущем высокопрочных базальтофибробетонов // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2009. № 2 (12). С. 233–237.
5. Баранов А.С. Влияния уплотнения прессования армирования на прочность бетона при растяжении. // Наука и образование транспорту. – 2014 с. 287-290.
6. Кондрашов Г.М., Гольдштейн Б.М. Базальтофибробетон – технология будущего. Вести Волгоградского государственного университета. Серия 10, Инновационная деятельность. Вып. 7, 2012, с. 91-92.
7. ГОСТ 10260-80. Щебень из гравия для строительных работ. Технические условия. Издательство стандартов, Москва, 2018, 31 стр.
8. ГОСТ10180-2012. Бетоны. Методы определенияконтрольным образцам Стандартинформ, Москва, 2018, 31 с.