Бетон армиран с базалтови влакна
Иновативни технологии за производство на базалтово непрекъснато влакно
НОВИ ИНЖЕНЕРНИ РЕШЕНИЯ ЗА ПРЕРАБОТА НА БАЗАЛТ ВЪВ ВЛАКНА
Проектиране на производствени комплекси за производство на базалтово непрекъснато влакно
СКАЛНИ ИЗСЛЕДВАНИЯ
Определяне на годността на скалите за производство на базалтови влакна
БЕТОН АРМИРАН С БАЗАЛТОВИ ФИБРИ
Наред с широкото използване на стоманобетон, по наше мнение, специално внимание заслужават композитните материали, в които ролята на матрицата се изпълнява от циментов камък, получен на базата на портланд цимент, и различни минерални и полимерни влакна, както и метални мрежи и стърготини, се използват като армировка. Влакната осигуряват триизмерна армировка на бетона в сравнение с традиционната арматура, която осигурява двуизмерна армировка.
В момента има две направления за създаване на композитни материали:
- композити върху високомодулни влакна (стомана, азбест, стъкло, базалт);
- композити върху нискомодулни влакна (найлон, полиетилен, полипропилен и др.).
Всеки композит с различни усилващи материали има предимства и недостатъци, но повечето изследователи предпочитат композити, използващи базалтови влакна като усилващ материал.
Изкуствените порести каменни материали (бетон) се характеризират с ниска якост на опън и образуване на пукнатини от свиване по време на втвърдяване. Един от значителните недостатъци на такива продукти е разрушаването на ъглите на произведените конструкции. Има няколко начина да избегнете образуването на пукнатини и чипове, впо-специално, вторична армировка с метална мрежа или армировка, заварена тел. Но най-ефективният метод е модифицирането на свързващи смеси с базалт, полипропилен и метални влакна. Тя ви позволява да разрешите проблемите, свързани с използването на заварена армировка в таваните, което ви позволява да спестите от метал. Така при подмяна на заварена телена мрежа полипропиленовите влакна предотвратяват образуването на пукнатини в конструкцията и увеличават нейната якост на огъване с над 2%. При определен процент фибри в сместа, той замества вторичната армировка и осигурява пластичност, но не замества структурната стоманена армировка. Заедно с това полипропиленовите влакна имат своите недостатъци: деформират се при малки натоварвания на опън, губят свойствата си с течение на времето и изгарят при излагане на открит пламък.
Структурата на бетона при използване на базалтови влакна се доближава до конструкцията с армировка от стоманени мрежи, но базалтовият бетон има по-висока якост, тъй като базалтовите влакна, които го армират, имат по-висока степен на дисперсия в армирания камък, а самото влакно има по-висока якост от стоманената мрежа. Конструкциите от базалтов бетон могат да издържат на големи напрегнати деформации, поради факта, че самото влакно няма пластични деформации по време на опън и превъзхожда стоманата по еластичност. В този случай относителната деформация на циментовия камък без образуване на пукнатини достига 0,9 - 1,1%. Тази деформация е 45-55 пъти по-голяма от граничното удължение на неармиран циментов камък. Въпреки това, по време на втвърдяването на циментовия камък се образува агресивна среда, която разрушава повърхността на влакното, образувайки черупки, а здравината на влакното леко намалява до 15%. Но за сметкачерупки, силата на сцепление на камъка и влакната се увеличава и съответно се увеличава здравината на самата конструкция. При използване на груби влакна (повече от 40 микрона) тяхната здравина практически не намалява. Увеличаването на якостта на циментовия камък се дължи на влиянието на базалтовите влакна върху концентрациите на напрежение в местата, отслабени от структурни дефекти или повишена порьозност (в материали от пяна).
Влакната, направени от химически инертни скали, не реагират със соли или багрила и следователно свързващите смеси с добавки от влакна могат да се използват при изграждането на морски конструкции в архитектурното строителство при производството на конструкции със сложни повърхности, декоративен бетон. При производството на пътни настилки с базалтови влакна предпазва асфалтобетонните настилки от проникване на соли против заледяване и агресивни вещества и повишава твърдостта на повърхността.
Престоят на базалтови влакна в продължение на 6 часа във втвърдяваща се бетонна среда, загрята до температура от 96 ° C, и след това задържане в продължение на 45 часа при нормална температура не води до значителни промени в якостните свойства на влакната. При същите условия стъклените влакна губят силата си с 23-35%. В резултат на изследването беше установено, че въвеждането на базалтови влакна в циментовата матрица позволява:
- увеличаване на якостта на натиск на пробите с 30–40%;
- увеличаване на аксиалната якост на опън от три до четири пъти;
- увеличаване на ударната якост на композита 3-4 пъти.
Якостта на композитните продукти зависи от степента на закрепване на армиращите влакна в циментовата матрица. Теоретично, здравината на композита се увеличава с увеличаване на съдържанието на влакна. Въпреки това, усилващите свойства на бетонната матрица сувеличаването на количеството фибри намалява. Тъй като обемът на влакната се доближава до 1, обемът на циментовата матрица се доближава до 0 и якостта на композита също ще бъде нула. Следователно има определено съотношение на обемите на влакната и матрицата, при което матрицата може да осигури максимална степен на закотвяне на влакната. Според редица изследователи оптималното количество базалтови влакна в композита трябва да бъде до 20% от теглото на цимента (9, 10, 12).
Дължината на участъците от непрекъснати базалтови влакна, от една страна, се определя от условията на равномерно разпределение на влакната в циментовата матрица (твърде дългите влакна допринасят за образуването на заплетени влакна под формата на "таралежи"), а късите влакна влошават степента на тяхната армировка от циментовата матрица. В тази връзка оптималната дължина на среза в пътеките е 10-20 мм.
Приготвянето на фиброциментова смес на базата на базалтови влакна е най-критичната операция в технологията на диспергирани армирани фиброциментови смеси, тъй като най-важният фактор, осигуряващ стабилността на техните свойства, е равномерното разпределение на базалтови влакна в целия обем на сместа. Най-приемливият метод е виброекструзията, която осигурява равномерно въвеждане на влакна в бетонната матрица.
В работа (12), въз основа на обобщаването на вътрешния и чуждия опит, са формулирани насоки за ефективно използване на базалтови влакна като армиращ материал:
- за възприемане на основните напрежения на опън и срязване вместо напречна армировка на пръта;
- да се намали дължината на работната армировка поради възможността да се откаже да се продължи в зоните на намаляване на огъващия момент, поради повишената якост на сцепление на армировката на пръта с фибробетонвъзможността за намаляване на дължината на анкерирането;
- да се намали потреблението на разпределителна армировка и бетон в тънкостенни елементи, при които по-голямата част от армировката е заложена по конструктивни причини, а защитният слой бетон съставлява значителна част от дебелината на елемента.
Там са дадени и областите на приложение на композитни материали на основата на базалтови влакна:
- в конструкции, към които се налагат повишени изисквания за твърдост и счупване;
- в конструкции, изложени на ударни и променливи натоварвания;
- в тънкостенни конструкции и конструкции със сложна геометрична форма;
- със зоново усилване на най-натоварените участъци от конструкциите;
- в конструкции, чиято напречна армировка е предназначена главно за възприемане на монтажни и транспортни натоварвания;
- в конструкции, към които се налагат повишени изисквания за устойчивост на замръзване, водонепроницаемост, устойчивост на абразия и устойчивост на термичен удар.
Използването на композитни материали в центрофугирани тръби, за плочи в пътни конструкции и опори на контактна мрежа, бетонни водни канали, огнеупорни конструкции, земетръсоустойчиви къщи и военни конструкции, бетонни подове, на летищни писти, високоскоростни магистрали, индустриални подове в цехове, където е монтирано тежко оборудване, с вътрешно укрепване на тунели и канали, укрепване на откоси, ремонт и реконструкция на конструкции, покритие на метални повърхности на стоманени конструкции е ефективен. Основните предимства на бетона, армиран с базалтови влакна, са намаляването на дебелината на бетонния слой наполовина в сравнение с конвенционалния бетон, което съответства на общата цена на строителството, намаляване на разходите за труд, свързани с монтажателена мрежа, канализация и канали за подземни води, дебелината на бетонното покритие е значително намалена, разходите за ремонт и поддръжка са значително намалени поради издръжливостта на армирания с влакна бетон. Също така не е маловажно, че влакната не са податливи на електрохимична корозия, за разлика от конвенционалните фитинги, които са електрически проводници и са подложени на катоден ефект. Според данните от дългосрочни проучвания на NIISK, издръжливостта на груби базалтови влакна в среда на циментов камък е най-малко сто години [1]. Трябва също така да се вземе предвид значително подобрение на редица експлоатационни качества на армирания с влакна бетон (устойчивост на замръзване, устойчивост на удар, водоустойчивост, устойчивост на абразия), които повишават надеждността и издръжливостта на конструкциите, както и възможността за създаване на непрекъснат автоматизиран технологичен процес на формиране на конструкции.
В NIISK Gosstroy на Украйна, Киев, са разработени специфични технологии за приготвяне на бетон, армиран с базалтови влакна (бетон, армиран с базалтови влакна). Предлагат се технологии за производство на конструкции, използващи традиционни технологични схеми и оборудване, специални линии за подаване на базалтови влакна към бетонов смесител със задължително уплътняване на получената маса върху вибриращи платформи без дълбока вибрация. Обхват на приложение на новия композитен материал: плоски и тънкостенни продукти, триизмерни елементи, пръстени, тръби, плочи за облицоване на канали и силозни окопи, пътни и тротоарни плочи, неподвижни кофражни елементи, стенни панели, основи на сгради и др. В същото време икономиите на метална армировка за определени видове продукти варират от 80 до 100%.
Въпреки толкова очевидни предимства на композитния материал, производството му не надхвърляетапи на експериментална работа, което се обяснява с липсата на технология за широкомащабно производство на секции от непрекъснати базалтови влакна като суровина за производството на бетонови изделия.
Тази технология е разработена от ЗАО "Минерал 7" в Яворов, област Лвов. Когато се произвеждат влакна, вместо традиционната плоча от платина-родий, инсталацията използва плоча, изработена от желязо-хром-никелова сплав, която осигурява нисък температурен градиент в областта на производство на влакна. Използваните преди това навивки от типа "NAS" бяха заменени с устройство с оригинален дизайн с полуавтоматично резбоване. Това направи възможно увеличаването на почасовото производство на влакна поради броя на предачите.
Производителността на агрегата за суровина (базалт) е 12 kg/h, за готов продукт - 10 kg/h или 80 t/год.
Разходът на газ за топене е 10 nm/h за 2 горелки на една топилна пещ.
Разходът на електроенергия за нагряване на плочата на финерета е 20 kW / h.
Химическият състав на оригиналния базалт (в % от теглото), използван при производството на влакна за армиране на бетон, е показан в таблица 1.
Химичен състав на обработените скали.