Механические свойства дисперсно-армированных цементных композитов. Армирование цемента волокном


Армирование асбестовыми волокнами композитов на основе цемента

Изделия из асбестофиброцемента (например, асбестовые трубы и листовой материал) используются достаточно широко. Несмотря на несомненную скрытую опасность для здоровья, они продолжают находить разнообразное применение.

Асбестовые волокна

Прочность на изгиб и растяжение.

Аллен изучал растяжимость семи разновидностей асбестоцемента. Его исследование заключалось в выяснении влияния пористости и содержания фибры на начальный модуль упругости и предел прочности при растяжении.

Введение 0,5—3 массовых процентов асбестоволокна приводит к значительному ухудшению удобообрабатываемости, почти или совсем не давая выигрыша в прочности. Предполагается, что этому обстоятельству способствует высокая водопотребность, вызванная большой площадью поверхности асбестового волокна. В качестве возможного решения этой проблемы предлагается наносить на волокна покрытия, чтобы сделать их гидрофобными. Зонсельд отмечает небольшой эффект от армирования бетона волокнами с короткой длиной.

Асбестовое волокно было успешно применено в серобетоне (с природной серой в качестве вяжущего). Было теоретически обосновано, что волокна становятся центрами кристаллизации жидкой серы, вызывая рост мельчайших кристаллов вдоль оси волокна при охлаждении и, таким образом, повышая прочность композитов.

При содержании фибры более 0,15% по массе работа разрыва фактически перестает повышаться. Более 95% суммарной работы разрыва уходит на выдергивание волокон, которые являются главным источником вязкости разрушения асбестоцементов.

Долговечность.

Было проведено исследование процессов коррозии асбестевых волокон, подвергнутых длительным атмосферным воздействиям. Наблюдалось два коррозионных процесса: карбонизация поверхности фибры, вызванная преимущественно адсорбцией гидроксида кальция на ее поверхности, и осаждение бруснта, Mg (OH)2, вдоль плоскостей спайности между фибрами. Отложение брусита обычно происходит, в позднем возрасте. Были идентифицированы также продукты коррозии — магнезит и низкоосновный гидросиликат кальция. Незаметно, чтобы коррозия волокон значительно сказывалась на прочность тонких листов хризотила, так как с помощью ее продуктов сохраняется целостность жгута фибры. Хризотиловые волокна обладают высокой щелочестойкостью, тогда как другие типы волокон асбеста менее устойчивы к щелочному воздействию.

Мирет обнаружил в некотором количестве пор асбестоцемента очень хорошо сформированные кристаллы эттрингита, придающие материалу микропористое строение. Он предположил, что сульфат кальция, с самого начала присутствующий в портландцементе, концентрируется в промежуточной водной фазе и особенно в пустотах или раковинах.

С помощью этого явления можно объяснить кристаллизацию эттрингита из жидкой фазы в «форме цветка» на затравках кристаллов. Известно, что образование эттрингита в определенных условиях способствует появлению трещин и бетонных материалах.

Кевларовые (полиамидные) волокна— заманчивая альтернатива другим волокнам, поскольку они обладают высокими прочностью на растяжение и модулем упругости. Их можно использовать вместо углеродных волокон для повышения прочности и жесткости. И те, и другие волокна химически неактивны в цементной матрице. Предел прочности при растяжении нормально выдержанных композитов составляет около 70% предсказываемой законами смеси. Предполагается, что эту разницу можно объяснить за счет слабого переноса напряжения или потери волокном прочности.

При воздушном хранении предел прочности образцов при растяжении может оставаться неизменным даже в том случае, если увеличится формация в процессе разрушения ударная прочность, напротив, возрастает. Водное хранение вызывает, по-видимому, уменьшение как деформации при разрушении, так и ударной прочности. Предполагается, что это происходит вследствие постепенного повышения прочности сцепления между кевларом и цементной пастой при водном хранении. Прочность на растяжение, изгиб и сопротивление удару материала, обработанного в автоклаве, составляет примерно 70% прочности контрольного материала при нормальном выдерживании.

 

Шлакопортландцементы.
КОРРОЗИЯ БЕТОНА В МОРСКОЙ ВОДЕ
Теории карбонизационной усадки бетона
УСАДКА ПРИ КАРБОНИЗАЦИИ
Механизм действия морозного разрушения бетона.
ВОЗДЕЙСТВИЕ МОРОЗА
НЕДОСТАТКИ ЦЕМЕНТОВ, СОДЕРЖАЩИХ MgO И СаО
БИОЛОГИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ БЕТОНА
Способы предупреждения щелочной коррозии.
Кремнеземистые заполнители.
ЩЕЛОЧНАЯ КОРРОЗИЯ ЗАПОЛНИТЕЛЯ
Жаростойкий бетон.
Глиноземистый цемент содержит заметное количество алюмоферрита кальция.
ГЛИНОЗЕЛНИСТЫЙ ЦЕМЕНТ
ФОСФАТНЫЕ ЦЕМЕНТЫ
Стирол
СЕРНЫЙ БЕТОН
Повторное использование бетона
Портландцементный бетон
Справедливость законов смеси применительно к прочности пропитанного бетона
Раствор и бетон пропитанный серой
Техника полимеризации
Пропитанный полимером раствор и бетон
Армирование асбестовыми волокнами композитов на основе цемента
Свойства зоны контакта проволоки и цемента
Механические свойства дисперсно-армированных цементных композитов
Основы дисперсного армирования
Высокоподвижная бетонная смесь
Свежеприготовленная бетонная смесь
Затвердевший бетон
Литая бетонная смесь
Замедлители схватывания бетона
Микроструктурные аспекты
Оценка количества хлорида
Хлорид кальция и коррозия.
Хлорид кальция и свойства бетона.
Химические добавки в бетон
Сорбция воды и модуль упругости.
Явления сорбции и изменения длины: теоретическое рассмотрение
Бетон.

845 просмотров

moimozg.ru

Дисперсное армирование бетонов

В настоящее время получает всё более широкое распространение применение специальных дисперсноармирующих волокон вместо традиционного армирования.

В конце мая 2007 года нам, Санкт-Петербургскому политехническому университету и компании «Северсталь-метиз», удалось провести научно-практическую конференцию по современным методам армирования. Присутствовало достаточно много специалистов и производителей (главным образом — стальной фибры). В кулуарах итог подвёл профессор ГАСУ Юрий Владимирович Пухаренко: «Надо более широко применять фибру в различных видах конструкций, а уж если это нам удастся, то без работы не останется ни один наш отечественный производитель».

Несмотря на значительный рост объёмов потребления стальной фибры российским строительным рынком, он по-прежнему недостаточно оценён. В Европе ежегодно производится и потребляется около 300 тыс. т фибры, тогда как в России — всего около 7 тыс. т.

При этом, к сожалению, на нашем строительном рынке применение фибры традиционно ограничено. Так, если в Европейских странах, той же соседней Финляндии, данный материал используется в разнообразных областях: в гражданском, дорожном строительстве, строительстве гидросооружений, тоннелей, аэропортов, то основная сфера применения фибры (90 %) в России — это укладка полов. Дальше, чем для использования при устройстве горизонтальных плоскостей, фибра не применяется.

Увы, но даже сейчас приходится признать, что данный вид армирования в нашей стране постоянно сталкивается с одной и той же проблемой — отсутствие достаточно внятных рекомендаций, инструкций по расчёту и применению тех или иных видов фибры, а как следствие, невозможность применения данного материала в более широких технологических схемах армирования бетонных конструкций.

Эффективность применения сталефибробетона доказывает зарубежный опыт. Это щирокий ассортимент стальной фибры и большое количество (более 25) фирм и корпораций, производящих фибру на постоянной основе. Надо заметить, что это мощные производители обычной стержневой и проволочной арматуры или металлоизделий.

Впереди — Япония, где 7 крупных фирм выпускают стальную фибру, рубленную из листа или проволоки, фрезерованную из сляба или вытянутую из расплава. Производителями предлагается фибра различных форм, профилей, размеров и прочности, в том числе из коррозионно-стойкой стали.

Уже в 1981 году Япония применила порядка 3 тыс. т стальной фибры, из которых 500 т — из нержавеющей стали. Отставание России от Японии в этой области — 25 лет.

То, что мы имеем на данный момент в России, это армирование фиброй именно бетонных полов, в частности запущенных в производство у нас аналогов производимых на Западе материалов.

Но не всё так печально. Прогресс не стоит на месте, и кому как не нам стать первыми. Тем более, что работы в данной области начинали наши учёные. Хотя ни для кого не секрет, что фибру, в частности различные виды волокон, применяли весьма давно, до того момента, когда она получила самое широкое распространение как в мире в целом и в Европе в частности.

Трудно догнать такие передовые страны как Япония и Германия. Но оценивая потенциал и перспективы наших научных разработок, мы с полной уверенностью можем сказать, что благодаря пытливому уму, незакостенелости мышления и опоре на производственный опыт мы ещё сможем занять, если уже не занимаем, одни из первых позиций в данной области. Это касается именно разработок, но увы не внедрения.

Также известно, что арматурная сетка уменьшает количество усадочных трещин только на 6 %, металлическая фибра — на 20–25 %, а полимерные волокна — на 60–90 %.

Переходя к практической части, необходимо оценить складывающуюся ситуацию по использованию данного вида армирования в строительстве.

Что и зачем?

Фибробетон — это бетон, армированный дисперсными волокнами (фибрами). Такой бетон представляет собой обычную смесь цемента, песка, крупного заполнителя и воды, дополненную определённым количеством стальных или других волокон (фибр). Иногда добавляется пластифицирующая добавка, чтобы улучшить обрабатываемость смеси. Дискретные волокна производятся из различных материалов — от полипропилена до стали, в различных конфигурациях, длинах и поперечных сечениях. (табл. 1).

В настоящее время наибольшая эффективность фибробетона как композита достигается при правильном подборе и сочетании компонентов. Самым эффективным материалом в этом плане, ввиду его относительной стоимости, является стальная арматура.

Модуль упругости арматуры в 56 раз больше аналогичного показателя бетона, однако при достаточной анкеровке в бетоне не может быть полностью использована прочность и получен наибольший вклад арматуры в работу самого материала как до, так и после образования трещин.

Если мы используем стальную фибру то проблема с анкеровкой не стоит вовсе, так как анкернение фибры достаточно высокое.

В отличие от проволочной сетки или арматуры, которая устанавливается в одной плоскости, стальная фибра одинаково распространяется по всей бетонной матрице (диспергирует). Стальная фибра выполняет множество функций в зависимости от пропорций, которые могут варьировать в пределах 15–120 кг/м3. Одна из первоначальных функций — уменьшение микро- и макротрещин. Определяя трещины на начальной стадии их появления, стальная фибра препятствует их распространению. Традиционная классическая арматура, или проволочная сетка, предназначена для того, чтобы предохранить бетон от образования самых первых усадочных трещин, а не предотвратить их распространение.

Многие производители имеют и продают компьютерные программы, которые позволяют пересчитывать и применять определённые пропорции фибры для замены арматуры или арматурной сетки. Данные программы предоставляет «Арселор» и другие импортные производители.

В дальнейшем мы более подробно рассмотрим основные технико-физические показатели на примере различных фибр, производимых как в нашей стране, так и за рубежом. Основным показателем считается вр?менное сопротивление разрыву, или, как его ещё называют, прочность на растяжение.

Основные свойства и показатели различных видов волокон приведены ниже в табл. 1.

В зависимости от вида материала и способа изготовления мы имеем различные значения параметров и, как следствие, различные дозировки и способы применения.

Волокно

Плотность, г/см3

Прочность на растяжение, МПа

Модуль упругости, МПа

Удлинение при разрыве, %

Полипропиленовое

0,90

400–700

3500–8000

10–25

Полиэтиленовое

0,95

600–720

1400–4200

10–12

Нейлоновое

1,10

770–840

4200–4500

16–20

Акриловое

1,10

210–420

2100–2150

25–45

Полиэфирное

1,40

730–780

8400–8600

11–13

Хлопковое

1,50

420–700

4900–5100

3–10

Асбестовое

2,60

910–3100

68 000–70 000

0,6–0,7

Стеклянное

2,60

1800–3850

7000–8000

1,5–3,5

Стальное

7,80

600–3150

190 000–210 000

3–4

Углеродное

2,00

2000–3500

200 000–250 000

1,0–1,6

Карбоновое

1,63

1200–4000

280 000–380 000

2,0–2,2

Полиамидное

0,90

720–750

1900–2000

24–25

Вискозное сверхпрочное

1,20

660–700

5600–5800

14–16

Базальтовое

2,60–2,70

1600–3200

7000–11 000

1,4–3,6

Таблица 1. Свойства различных видов волокон для изготовления фибры

Подробно мы остановимся на стальной, базальтовой и полипропиленовой фибрах.

Стальные фибры

Стальная фибра представляет собой отрезки стальных волокон специальной формы и длины, в определённых дозировках (от 20 кг/м3) добавляемых в бетонную матрицу для осуществления объёмного армирования.

В результате фибрового армирования создаётся композитный материал — сталефибробетон, обладающий рядом преимуществ перед неармированным бетоном и бетоном с традиционными видами армирования. Повышается:

— прочность на растяжение при изгибе — в 2–3 раза;

— прочность на сжатие — до 10–50 %;

— прочность на осевое растяжение — до 10–40 %;

— ударная прочность — в 8–12 раз;

— сопротивление истираемости — до 2 раз;

— трещиностойкость — в 2–3 раза;

— морозостойкость и водонепроницаемость — не менее чем на класс.

Использование технологии фибрового армирования позволяет существенно снизить время выполнения и трудоёмкость работ за счёт отказа от вязки арматуры и укладки сеток, а в ряде случаев — сэкономить строительные материалы за счёт достижения проектных характеристик при меньшей толщине и/или металлоёмкости конструкций.

Рассмотрим перспективные направления применения стальной фибры.

В случае применения в бетонных полах. Снижение трудоёмкости и времени выполнения работ, существенное повышение долговечности и межремонтных интервалов.

В дорожном строительстве. Повышенная устойчивость трещинообразованию, образованию ям и рытвин, более ровная поверхность, меньшее количество швов и стыков, повышенное шумопоглощение, существенная экономия на ремонте.

Взлётно-посадочные полосы. Повышение долговечности, более ровная поверхность, меньшее количество швов и стыков, повышение безопасности взлётов и посадок, понижение износа деталей шасси самолетов, устойчивость к воздействиям внешней среды и сложным условиям эксплуатации.

В мостостроении. Повышение эксплуатационной надёжности, снижение трудоёмкости за счёт частичного или полного отказа от традиционного армирования, улучшение гидроизоляционных свойств, армирование труднодоступных участков.

В гидротехнических сооружениях. Повышение прочностных характеристик, водонепроницаемости и сроков эксплуатации, снижение трудоёмкости строительства.

Изготовление свай и шпунтов. Применение свай с оголовком из сталефибробетона обеспечивает возможность забивки свай до проектной отметки без повреждений, отпадает необходимость забивки свай-дублёров.

Изготовление сборных железобетонных конструкций. Применение сталефибробетона в кольцах стеновых колодцев, водоотпускных и коллекторных трубах, плитах перекрытий позволяет увеличить срок эксплуатации изделий при существенном снижении трудозатрат и экономии материалов.

Прочие области применения: взрыво- и взломоустойчивые сооружения, элементы фундаментов, трубопроводы, тонкостенные и декоративные конструкции, ёмкости для воды и других жидкостей.

Базальтовая фибра

В настоящий момент в России существует несколько производителей базальтовой фибры.

Наиболее «узнаваемы» два типа материала: микрофибра и рубленое волокно.

Микрофибра базальтовая модифицированная (МБМ)

МБМ получается путём пропитки измельченной минеральной ваты, производимой из расплава базальтовых пород. Рекомендуемое содержание — 1,5–20 %, в зависимости от вида и назначения композиционного материала.

Для обеспыливания МБМ применяют органические вещества, перечень которых приведён ниже.

В качестве модификатора используют углеродный наномодификатор фуллероидного типа по ТУ 2166-001-13800624-2003.

Состав МБМ, в масс. %:

Вата базальтовая с органической пропиткой 99,3–99,6

Наномодификатор 0,0001–0,01

Едкий натр 0,05–0,10

Вода 0,3–0,5

Основные характеристики МБМ приведены в табл. 2.

Характеристика

Норма

Средний диаметр волокна, мкм

8–10

Средняя длина волокна, мкм

100–500

Содержание неволокнистых включений, % по массе

?10

Плотность насыпная, кг/м3

?800

Влажность, % по массе

?2

Содержание органических веществ, % по массе

?2

Цвет

От жёлтого до коричневого

Содержание наномодификатора, % по массе

0,01–0,0001

Модуль на разрыв, ГПа

18

Таблица 2. Основные характеристики МБМ

МБМ предназначена для дисперсного армирования пластмасс, бетонов, асфальтобетонов, минеральных смесей и т. д. с целью улучшения их свойств — прочность на сжатие, растяжение, изгиб, срез, водопоглощение, морозостойкость, трещиностойкость и т. п.

МБМ термоустойчива вплоть до 300 °С.

Рекомендуемое содержание микрофибры — 1,5–20% от массы цемента, в зависимости от вида, назначения и стоимости композиционного материала.

Методика введения и конкретное содержание микрофибры в композите регламентируется специализированными инструкциями.

При армировании минеральных смесей и бетонов используется смеситель принудительного действия, причём микрофибра добавляется в сухую смесь непосредственно перед добавлением жидких компонентов. Время перемешивания — не менее 10 мин.

При армировании асфальтобетонов и пластмасс МБМ добавляется в расплав материала, и принудительное перемешивание осуществляется до получения однородной массы.

 

Добавка

Нормативный документ

Вредные вещества

Битумы нефтяные строительные

Битумы нефтяные дорожные вязкие

Масла индустриальные

Масла цилиндровые тяжелые

Масло сланцевое топливное

Экстракты нефтяные

Эмульсии битумные дорожных марок ЭБА-1 и ЭБА-2

ГОСТ 6617-76

ГОСТ 22245-90

ГОСТ 20799-88

ГОСТ 6411-76

ГОСТ 4806-79

ТУ 38-101714-84

ГОСТ 18659-81

Пары углеводородов

То же

То же. Масляный туман

Пары углеводородов

То же

То же

То же

Таблица 3. Органические вещества, применяемые в качестве обеспыливающих добавок

Базальтовое рубленое волокно (чопсы).

Данная фибра производится методом рубки базальтового ровинга на волокна заданной длины.

Свойства:

— высокая прочность и долговечность;

— высокая термостойкость, абсолютная негорючесть;

— стойкость к агрессивным средам;

— экологическая чистота.

Базальтовая фибра, как и любая фибра, обеспечивает трёхмерное упрочнение (традиционная арматура — лишь двухмерное).

Имеет следующие сферы применения.

Возведение объектов гражданского строительства.

Реконструкция хранилищ и банковских сейфов.

Сооружение мостов, взлётно-посадочных полос, гидротехнических сооружений (береговых дамб и плотин, шлюзов и каналов рек).

Изготовление реакторных отделений атомных электростанций, контейнеров для захоронения радиоактивных отходов.

Укрепление и ремонт сводов шахт и тоннелей.

Создание различных видов дорожных покрытий, сборных и монолитных плит, бордюров, разделительных полос и тротуарной плитки.

Изготовление деталей объёмного промышленного оборудования — прокатные станы, молоты, гидравлические прессы и др.

Характеристика

Значение

Диаметр единичного волокна, мкм

13, 17

Длина, мм

6; 12; 18; 24

Тип замасливателя

4С*

Диапазон рабочих температур, °С

–260...+700

Массовая доля замасливателя, %

?0,3

Массовая доля влаги, %

?1,0

Гигроскопичность, %

?0,2

Таблица 4. Технические характеристики базальтовой фибры

* По согласованию с потребителем возможен выпуск ровинга с другим типом замасливателя

Длина, мм

Область применения

Количество фибры, кг/м3

6

Лёгкие бетоны

Сухие смеси

0,5–1,0

12

Тяжёлые бетоны

0,5–1,0

Таблица 5. Рекомендации к применению

Чопсы поставляются в полипропиленовых мешках весом 25 кг.

Полипропиленовое волокно

Микроармирующее волокно из полипропелена применяется в гражданском, промышленном и дорожном строительстве как компонент строительных растворов и смесей, модифицирующий структуру вяжущих веществ и предотвращающий образование и развитие внутренних дефектов цементных композиций. Материал носит наименование волокно строительное микроармирующее (ВСМ).

 

Рис. 1.

В ходе экспериментов выяснено, что добавление в бетонную смесь ВСМ приводит к изменению следующих параметров:

— уменьшение расслаивания бетонной смеси — на 25 %;

— сокращение времени первичного и окончательного твердения, то есть ускорение оборота форм — на 45 %;

— увеличение марочной прочности бетона — на 25 %; то есть при добавлении в марку бетона М300 волокна в количестве 600 г получаем марку М350.

Такое применение ВСМ позволяет повысить производительность предприятий, занимающихся производством бетонных конструкций, качество и долговечность строительных конструкций и сооружений, снизить номинальную стоимость строительного продукта.

Основные области применения микроармирующего волокна — такие же, как и у любой фибры.

Монолитное и высотное домостроение.

Наливные полы и стяжки.

Сваи забивные фундаментные.

Сухие монтажно-ремонтные смеси, штукатурные смеси, торкрет-бетон.

Монолитное дорожное покрытие, дорожные плиты, шпалы железных дорог.

Фундаменты динамического и ударного действия.

Строительство сооружений с повышенными требованиями к пожароустойчивости.

Производитель разделяет ВСМна следующие типоразмеры:

— ВСМ-II-20/18 (резка волокна длиной 18 мм) — микроармирующий компонент для жёстких и сверхжёстких бетонов, изготавливаемых с применением крупного и среднего заполнителя (песок, гравий, щебень) и применяемых для гидротехнических сооружений, дорожных покрытий, мостостроения.

— ВСМ-II-20/12 (резка волокна длиной 12 мм) — для плит перекрытия, наливных бетонных полов, гидротехнических сооружений, фундаментной и свайной продукции и других тяжёлых и лёгких бетонов.

— ВСМ-II-20/6 (резка волокна длиной 6 мм) — для применения в цементно-песчаных (кладочных, штукатурных, затирочных, монтажно-ремонтных и др.) растворах и сухих смесях на основе цемента, в пенобетонах для улучшения геометрической формы.

ВСМ способно перемешиваться в любом типе смесителей (гравитационного или принудительного действия), может вводится как непосредственно после добавления воды, так и в сухую или готовую бетонную смесь, может добавляться в бетонную смесь, транспортируемую бетоновозами (автомиксер). Подача бетононасосом смеси, содержащей ВСМ, не составляет труда.

Дозировка:

— ВСМ-II-20/18 в особо тяжёлые и тяжёлые и жёсткие бетоны — 0,9–2,0 кг/м3;

— ВСМ-II-20/12 в бетон — 0,6–1,2кг/м3;

— ВСМ-II-20/6 в строительные смеси, штукатурки и т. д. — 0,6 кг/м3.

Если бетон для работы готовится на предприятии по изготовлению сборных бетонных и железобетонных конструкций и изделий, то сухие компоненты смеси смешиваются в технологическом порядке, предусмотренном рецептом изготовления бетона и дозатором, либо необходимое количество ВСМ добавляется иным способом. Рекомендуемая продолжительность перемешивания бетонных смесей (ГОСТ 7474-94) увеличивается на 10–20 % для получения смеси бетона, в котором отдельные элементарные волокна распределены гомогенно.

ВСМ может быть добавлено в готовые (товарные) бетонные смеси. Хорошего диспергирования можно достичь в смесителях гравитационного или принудительного действия.

ВСМ может добавляться к смесям на основе цемента в смесители типа «миксер», установленном на автомобиле и доставляющем готовую бетонную смесь непосредственно на место укладки.

Так как ВСМ хорошо диспергируется в смеси, при производстве бетона или раствора, содержащего волокно, не происходит комкования ВСМ в смеси.

Несмотря на то, что при введении волокна в бетонную смесь осадка конуса несколько уменьшается, удобоукладываемость смеси даже возрастает, так как увеличивается эластичность, пластичность и гомогенность смеси. Следовательно, после введения волокна не требуется добавление воды затворения для увеличения осадки конуса.

Пенобетон.

ВСМ-II-R0,02-20/6, дозировка 0,6 кг на 1 м3 — улучшение геометрической формы изделия.

ВСМ-II-R0,02-20/12, дозировка 0,9 кг на 1 м3 — улучшение геометрической формы изделия и повышение прочности.

ВСМ-II-R0,02-20/18, дозировка 0,9 кг на 1 м3 — улучшение геометрической формы изделия, повышение прочности и адгезионной способности к наносимому материалу (при оштукатуривании стен).

Заключение

В заключении хотелось бы отметить, что данный способ армирования хорошо зарекомендовал себя при производстве работ на промышленных объектах как в Санкт-Петербурге, так и в других регионах.

Наиболее яркий пример из моей практики — это выполнение работ по устройству монолитных полов на заводе тяжёлых грузовиков «Яровит-Моторс».

Раньше здание эксплуатировалось как бетонный узел, его продукция поставлялась непосредственно на строительство Ленинградского металлического завода. Срок его эксплуатации продолжался с 1946 по 1979 год. Впоследствии цеха использовались по разному назначению. В 90-х годах, в эпоху безвременья, цех совсем обветшал и в начале XXI века был выкуплен серьёзным инвестором, для того чтобы впоследствии быть перепрофилированным под производства тяжёлых грузовиков.

Был произведён капитальный ремонт старого бетонного основания. Выполнен частичный демонтаж старого бетонного покрытия, а в тех местах, где образовались пустоты и размывы, произведена засыпка щебнем и выполнена стяжка с применением арматуры, так как эти места обладали определённой нестабильностью грунтов.

Основным материалом несущей плиты было предложено выбрать бетон армированный стальной и полипропиленовой фиброй. Исходя из предварительных данных и опираясь на зарубежный и отечественный опыт, было решено использовать фибру анкерного типа в количестве 25 кг. На 1м3 бетона полипропиленовую фибру дозировали в количестве 0,6 кг/м3. Толщина плиты составляла 200 мм. Также был применён пластификатор «FM», который позволил правильно регулировать водоцементное отношение и улучшить удобоукладываемость смеси.

Верхнее покрытие плиты было выполнено по технологии «Топ-Бетон» методом внесения сухого упрочнителя с последующей затиркой бетоноделочными машинами.

Были получены хорошие результаты, подтверждённые лабораторными испытаниями. Единственным недостатком применения полипропиленовой фибры стало появление на поверхности отдельных волокон, которые впоследствии были удалены газовой горелкой.

Очень хочется надеяться, что благодаря нашим общим усилиям по популяризации фибры, удастся расширить круг её применения.

www.allbeton.ru

Механические свойства дисперсно-армированных цементных композитов

Коэффициент армирования композита учитывает понижение значений механических свойств композита в зависимости от таких факторов, как длина фибры, ее ориентация, дефекты и «фибра-фибра» взаимодействие. Для композита с непрерывными ориентированными волокнами разрушение обычно происходит в результате разрыва волокон, а не их выдергивания. Важно учитывать, что цементные матрицы являются пористыми телами, содержащими поры диаметром от нескольких единиц до нескольких сот ангстрем. Наличие пор оказывает влияние не только на свойства материала матрицы, но также и на свойства контактной зоны» «фибра-матрица» Пористость в зоне контакта фибры и матрицы ведет к сокращению числа контактов твердого тела с твердым телом — между фиброй и матрицей. Зависимость от пористости свойств контактной зоны, например прочности зоны контакта на сдвиг […]

Композит фибра в бетоне

Коэффициент армирования композита учитывает понижение значений механических свойств композита в зависимости от таких факторов, как длина фибры, ее ориентация, дефекты и «фибра-фибра» взаимодействие. Для композита с непрерывными ориентированными волокнами разрушение обычно происходит в результате разрыва волокон, а не их выдергивания. Важно учитывать, что цементные матрицы являются пористыми телами, содержащими поры диаметром от нескольких единиц до нескольких сот ангстрем. Наличие пор оказывает влияние не только на свойства материала матрицы, но также и на свойства контактной зоны» «фибра-матрица» Пористость в зоне контакта фибры и матрицы ведет к сокращению числа контактов твердого тела с твердым телом — между фиброй и матрицей. Зависимость от пористости свойств контактной зоны, например прочности зоны контакта на сдвиг в дисперсно-армированных цементных композитах, и влияние пористости на прогнозы свойств композита не совсем понятны.

Способы разрушения.

Существует несколько возможных способов разрушения композита, к которым относится разрушение матрицы или фибры при растяжении, выдергивание волокон и разрушение вследствие их сильной дефектности.

Преобладающим механизмом разрушения в фиброцементном композите представляется выдергивание волокон. В этом случае деформация матрицы равняется деформации фибры в момент начала ее сдвига. В случае разрушения фибры композит разрушается в момент разрыва фибры. Деформация матрицы при разрешении больше, чем фибры, например для пластичных металлических матриц. Разрушение матрицы происходит, когда разрушается композит, т. е. при достижении матрицей ее деформации при разрушении.

Коэффициент армирования используется для объяснения связи между понижением прочности композита и длиной фибры, ее ориентацией, дефектами и «фибра-фибра» взаимодействием. Длина фибры. Для прерывистых волокон напряжение в фибре не является постоянным по всей ее длине. В формулах для законов смеси используется среднее напряжение в фибре. В большинства композитов фибры не являются ориентированными параллельно направлению приложенного напряжения, и эффект армирования неполный. Фибры, расположенные перпендикулярно приложенному напряжению, почти или совсем не способствуют повышению прочности композита.

Для дисперсно-армированных композитов возможны несколько видов разрушений в зависимости

1) волокна со значительным числом трещин постепенно, по мере увеличения нагрузки, разрываются на более короткие и прочные части. При достижении ими критической длины композит разрушается, так как фибры выдергиваются из матрицы;

2) для волокон с незначительным числом трещин существует вероятность, что при некотором уровне напряжения может произойти разрушение фибры (как в предыдущем случае): этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока композит не разрушится вследствие разрушения волокон;

3) для волокон без трещин их длина при конечном разрушении совпадает с начальной длиной.

Делается заключение, что при значительных дефектах волокон они могут внести не более 50% своей максимальной прочности.

Комбинированное «фибра-фибра» взаимодействие и хаотичное переплетение.

Увеличению поверхностной энергии трещины могут содействовать несколько факторов разрыва фибры: искривление фибры при вырывании, градиенты деформации в зоне контакта волокна и матрицы, вызванные трением скольжения или пластической деформацией в матрице, выдергивание фибр, растрескивание матрицы.

Выдергивание фибр, однако, оказывается наиболее важным процессом, определяющим свойства композитов на основе цемента.

По мере уменьшения разрушающей деформации фибры приобретает значение использование фибр с критическим отношением длины к диаметру. Для волокон с высокий растяжимостью (например, полипропиленовых) процессы рассеяния энергии, вызванные искривлением фибры при вырывании с вязким разрушением, нижняя часть расчетной работы разрыва. В таких случаях было предложено следующим образом предельно увеличить работу разрыва максимизируя роль искривления волокон, для этого используются очень длинные волокна, слабо связанные с матрицей, чтобы они скорее вырывались, чем разрывались;

максимизируя роль вязкого течения для этого используют волокна с очень высокой внутренней работой разрыва, хорошим сцеплением и отношением длины к диаметру, по крайней мере, в 10 раз превышающем критическое.

Влияние включений волокон на прочность цемента на сжатие не является строго закономерным. Как правило, повышение прочности колеблется от предельного до более чем 30%-ного; наблюдались также случаи понижения прочности. Механизм разрушения волокон при испытании на сжатие исследован не полностью. Предполагается, что если допустить продольный изгиб, то можно ожидать меньшей прочности на сжатие у более длинных волокон. Свейлн и Мэнгат составили график зависимости отношения прочности на сжатие армированного бетона к неармированному от расстояния между волокнами следует, что для волокон небольшой длины прочность на сжатие выше, причем оптимальное расстояние составляет примерно 4,5 мм. Расстояние между волокнами варьируется изменением их объемного содержания.

Прочность бетона на сжатие можно повысить на 60%, добавив рубленую проволоку.

Прочность на сжатие обработанного в автоклаве бетона, армированного стальным волокном, лишь незначительно улучшается с увеличением содержания волокна, кроме того случая, когда максимальный размер заполнителя превышает 40 мм. Она не более чем в 1,2 раза больше прочности неармированного обработанного в автоклаве бетона, также когда содержание волокна составляет 2% по объему.

Вязкость разрушения.

Способность армированного волокном бетона противостоять динамическим нагрузкам является, вероятно, его единственным наиболее важным свойством. Подсчитано, что более 75% общей энергии трещинообразования бетона, армированного стальным волокном, расходуется на работу выдергивания волокон.

Ползучесть.

Исследовании по ползучести армированного стальным волокном бетона было проведено немного. Волокна обычно понижают величину ползучести при сжатии и растяжении, причем стальные волокна намного интенсивнее сдерживают развитие ползучести при сжатии, чем при растяжении; причина этого, однако, не совсем ясна. Деформация ползучести при растяжении фиброармированного бетона может составлять 50—60% по сравнению с эталонным образцом, тогда как деформация ползучести при сжатии не превышает 10—20%.

Сцепление волокна и матрицы в зоне контакта — один из важных факторов, воздействующих на прочность фиброармированых цементных композитов, в связи с чем наибольшее внимание уделено рассмотрению контактной зоны цементного камня и стального волокна, а также контактной зоны волокна и матрицы для некоторых других волокон, так как основные явления сходны для всех волокон.

 

Шлакопортландцементы.
КОРРОЗИЯ БЕТОНА В МОРСКОЙ ВОДЕ
Теории карбонизационной усадки бетона
УСАДКА ПРИ КАРБОНИЗАЦИИ
Механизм действия морозного разрушения бетона.
ВОЗДЕЙСТВИЕ МОРОЗА
НЕДОСТАТКИ ЦЕМЕНТОВ, СОДЕРЖАЩИХ MgO И СаО
БИОЛОГИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ БЕТОНА
Способы предупреждения щелочной коррозии.
Кремнеземистые заполнители.
ЩЕЛОЧНАЯ КОРРОЗИЯ ЗАПОЛНИТЕЛЯ
Жаростойкий бетон.
Глиноземистый цемент содержит заметное количество алюмоферрита кальция.
ГЛИНОЗЕЛНИСТЫЙ ЦЕМЕНТ
ФОСФАТНЫЕ ЦЕМЕНТЫ
Стирол
СЕРНЫЙ БЕТОН
Повторное использование бетона
Портландцементный бетон
Справедливость законов смеси применительно к прочности пропитанного бетона
Раствор и бетон пропитанный серой
Техника полимеризации
Пропитанный полимером раствор и бетон
Армирование асбестовыми волокнами композитов на основе цемента
Свойства зоны контакта проволоки и цемента
Механические свойства дисперсно-армированных цементных композитов
Основы дисперсного армирования
Высокоподвижная бетонная смесь
Свежеприготовленная бетонная смесь
Затвердевший бетон
Литая бетонная смесь
Замедлители схватывания бетона
Микроструктурные аспекты
Оценка количества хлорида
Хлорид кальция и коррозия.
Хлорид кальция и свойства бетона.
Химические добавки в бетон
Сорбция воды и модуль упругости.
Явления сорбции и изменения длины: теоретическое рассмотрение
Бетон.

1 022 просмотров

moimozg.ru

что такое фиброволокно (фото, видео)

Оглавление: [скрыть]

  • Преимущества фибры для бетона
  • Применение фиброволокна
  • Метод перемешивания фибры
  • Современные виды фиброволокна

Фибра для бетона представляет собой специальное волокно, выполненное из синтетики. Армирование бетона — далеко не единственная сфера, где может применяться этот компонент.

Фиброволокно повышает износостойкость бетона и его устойчивость к механическим повреждениям.

Его часто используют для отделки гипсовых либо иных растворов. Чаще всего фиброволокно для бетона изготавливается из полипропилена и применяется с той целью, чтобы максимально эффективно и качественно армировать бетон.

Фиброволокно для бетона призвано повысить его устойчивость к разного рода механическим повреждениям. По этому параметру фиброволокно для бетона намного превосходит армирование с применением металлической арматуры, так как последняя обладает худшими характеристиками. Если же рассматривать обычный бетон без какого-либо армирования, то здесь цифры эластичности и вовсе стремятся к нулю.

Схема стяжки пола с фиброволокном.

Применение волокна фибры в растворах приводит к тому, что у последних заметно возрастают параметры износостойкости, стабильности и однородности, что приводит к общему повышению качества конечной продукции. Применение этого элемента в строительстве позволило избавиться от многих насущных проблем, таких как пыль и деформация после заливки бетона, слабая устойчивость к сильным морозам и механическим повреждениям, быстрый износ.

Преимущества фибры для бетона

Как уже было сказано выше, фибра с применением полипропилена используется для того, чтобы армировать бетон. Суть ее состоит в том, что распределение материала происходит равномерно по всему раствору, причем то, какого вида смесь используется, никак не влияет на общее качество осуществления процесса. Из-за негативного опыта в этой сфере армирование бетона многим представляется довольно сложным процессом, но здесь самое главное — это правильный выбор материала, а фибра является универсальным решением.

Фибра для бетона несет в себе следующие неоспоримые преимущества:

  1. Таблица видов фиброволокна.

    Повышение цифр прочности и износостойкости раствора, в результате чего после заливки бетон приобретает «монолитную» поверхность.

  2. Равномерность распределения компонента по всему раствору, в результате чего армирование осуществляется наилучшим образом.
  3. Повышение общих характеристик бетона, благодаря чему он сможет выдерживать даже колоссальные нагрузки.
  4. Отсутствие комков в готовом растворе, благодаря чему он легче заливается и быстрее застывает.
  5. Быстро распространяется по всей поверхности бетона, следовательно, осуществление всего процесса происходит намного быстрее.
  6. Эстетичность. Волокна фибры, хоть и видны на первых порах, вследствие застывания бетона они исчезают, и поверхность приобретает довольно неплохой внешний вид.
  7. Универсальность. Волокна фибры могут использоваться при армировании абсолютно всех растворов. Именно по этой причине компонент часто применяется в строительной отрасли.
  8. Снижение риска образования трещин на 90%. Многим строителям хорошо известен тот факт, что любое покрытие со временем может потрескаться, из-за чего его дальнейшее использование будет нерациональным. Волокна фибры практически полностью убирают этот неприятный фактор.
  9. Экономия денег. Волокна этого материала не являются дорогим компонентом, следовательно, они доступны каждому.
  10. Экономия времени. Волокна фибры обладают непревзойденными характеристиками, благодаря чему работа с ними проводится в считаные минуты.

Вернуться к оглавлению

Применение фиброволокна

Компоненты стяжки с фиброволокном.

Волокна фибры нашли широкое применение в современном строительстве. На этот фактор прямое влияние оказали все преимущества материала, описанные выше. Базальтовая фибра может применяться при изготовлении так называемого бетона для архитектуры, который представляет собой раствор для создания каких-либо предметов, призванных облагородить прилежащий к строению участок. В частности, это может быть ваза, урна, фонтан, статуя и аналогичные им предметы архитектуры. Помимо этого, армирующее волокно успешно используется в сфере изготовления декоративных элементов для облицовки строений.

Такой продукт применяется и при изготовлении пола. Наибольшее предпочтение отдается наливным основаниям и промышленным стяжкам, где фибра показала себя с лучшей стороны. Армирующее покрытие неплохо зарекомендовало себя в изготовлении больших и малых изделий из гипса, довольно популярных в последнее время. К ним относятся заборы и памятники из бетона, а также многие декоративные элементы, призванные облагородить жилище. Следует отметить, что армирование этим элементом нашло применение и в тротуарной плитке, водостоках, бордюрах и подобных им элементах.

Вернуться к оглавлению

Метод перемешивания фибры

Компонент к бетону фибра представляет собой универсальный элемент, который может применяться во многих различных сферах жизнедеятельности, связанных со строительством. Однако, несмотря на его универсальность, такого рода компонент попросту невозможно изготовить без соответствующих инструкций.

Фиброволокно используется при армировании стяжки, когда обустройство традиционной сетки технически невозможно.

Любое отклонение от нормы может привести к печальным последствиям, поэтому проводить процесс смешивания фибры нужно с максимальной аккуратностью. Часто осуществляется перемешивание компонента с сухими смесями, в частности со щебнем, песком, цементом, фиброволокном.

После того как все будет тщательно перемешано, необходимо добавить воду для консистенции. Ни один подобный процесс не обходится без добавления жидкости, этот — не исключение. Есть возможность использовать компоненты промышленного производства, то есть выполненные из различных химических составов. После всего вышеперечисленного производится финальное перемешивание, благодаря которому фибра вбирает в себя все необходимые для правильной кладки свойства. Общее время смешивания зависит от многих факторов и может длиться довольно долго. Этот параметр регулируется специально установленными правилами.

Не менее часто применяют фибру из полипропилена. Этот процесс обязательно должен осуществляться уже после того, как будут перемешаны все необходимые компоненты и добавлено нужное количество жидкости. Сам процесс осуществляется довольно быстро, даже если испытать его на практике, ставя под сомнение те нормы, которые описаны в специальных документах. Однако если рассматривать процесс перемешивания, то сам он будет продолжаться довольно долго, особенно если сравнивать его с общим приготовлением обычного бетона. Такой фактор имеет место лишь потому, что для перемешивания фибры требуется задействовать довольно много различных компонентов, да и сам состав этого материала предусматривает продолжительное время изготовления. Хотя и существуют методики быстрого приготовления смеси, к ним лучше не прибегать, ведь в таком случае армирование будет осуществляться очень плохо.

http://tolkobeton.ru/www.youtube.com/watch?v=pLikfIJu1w8

Перемешивание изготовленного раствора при помощи автомобильного миксера. Как бы абсурдно это ни звучало, но такой способ в современном строительстве используется достаточно часто, причем довольно успешно. Суть его проста: в то время, когда заполняется агрегат для перемешивания смеси, пакеты для разрушения влаги располагаются в смесителе автомобиля. В таком случае общее время перемешивания составит от 5 до 8 минут, что очень даже немного. Некоторые специалисты называют такой способ малоэффективным и затратным, ведь приходится закупать специальные ингредиенты и использовать специфические детали. На деле же такой способ применяется очень часто и позволяет сэкономить много средств на приобретение профессионального оборудования. Можно даже сказать, что такого рода пункт выполняется больше в бытовых условиях, так как профессиональное строительство предусматривает несколько иные подходы с использованием высококачественных установок.

Вернуться к оглавлению

Современные виды фиброволокна

Относительно недавно было изобретено совершенно новое изделие, позволяющее с еще большей отдачей производить армирование бетона. В частности, им является вещество для микроармирования, которое поставляется в специальной упаковке, разрушающейся от воздействия на нее влаги.

http://tolkobeton.ru/www.youtube.com/watch?v=ay6cdx-Kh-g

Огромным плюсом этого изобретения является экономия времени — ведь теперь не нужно вскрывать упаковку. Плюс ко всему появилась возможность грамотного дозирования вещества, чтобы было довольно затруднительно при ручном наполнении.

У многих потребителей вызывала сомнение упаковка. Ведь если она так подвержена воздействию влаги, то от механических повреждений ее ничто не спасет. На практике подтвердился тот факт, что упаковка выдерживает любые манипуляции с пакетом до помещения его в агрегат для перемешивания.

tolkobeton.ru

Синтетическое волокно для объемного армирования цементного продукта и способ его изготовления (варианты), цементный продукт, содержащий дисперсию синтетического волокна, и способ его изготовления

Изобретение относится к технологии получения синтетических волокон, которые могут быть использованы для объемного армирования цементных продуктов. Волокно выполнено коаксиальным типа ядро/оболочка. Ядро содержит термопластичный полимер. Оболочка содержит или термопластичный полимер, устойчивый к среде, имеющей рН>11, и одно или более гидрофильное и/или поверхностно-активное вещество в количестве 3-30% общей массы оболочки, или оболочка содержит термопластичный полимер, устойчивый к среде, имеющей рН>11, привитый активными или ненасыщенными мономерами, составляющими 3-25% от общей массы оболочки. В обоих случаях поверхностное натяжение оболочки составляет не менее 45 мН/м. Способ изготовления волокна включает экструзию расплава основного компонента оболочки и основного компонента ядра через концентрическую фильеру, причем в расплав оболочки во время экструзии вводят гидрофильное и/или поверхностно-активное вещество. Цементный продукт получают из бетонной смеси, строительного раствора или цементной пасты, содержащей дисперсию такого волокна. Изобретение обеспечивает получение волокон с равномерно гидрофильной поверхностью и высоким значением поверхностного натяжения, высокими прочностными показателями, что оказывает влияние на прочность и долговечность армированных цементных продуктов. 5 н. и 22 з.п. ф-лы, 3 табл.

 

Область изобретения

Настоящее изобретение относится к синтетическим волокнам, пригодным для объемного армирования цементных продуктов.

Предшествующий уровень техники

Известно, что цементные продукты обладают рядом технических и экономических преимуществ перед другими строительными материалами. Однако применение цементных продуктов во многих случаях ограничено из за их недостаточной прочности и недостаточной долговечности, которые вызваны образованием неструктурных усадочных трещин.

Возникновение неструктурных усадочных трещин в цементных продуктах связано с тем, что при изготовлении цементных продуктов из цементного раствора в них образуются трещины малых размеров (так называемые микротрещины). В дальнейшем, при приложении разовой или постоянной нагрузки к изделию из цементного продукта или под действием собственной массы такого изделия, микротрещины начинают распространяться, их количество и размеры увеличиваются, и они преобразуются в более крупные неструктурные усадочные трещины, вызывающие уменьшение прочности и разрушение изделия из цементного продукта. Предотвращая распространение микротрещин, можно увеличить эффективную прочность цементного продукта и способствовать увеличению его долговечности.

Для придания цементному продукту дополнительной физико-механической прочности используются различные армирующие компоненты, такие как металлическая арматура, минеральные элементы и синтетические волокна. При этом известно, что именно синтетические волокна могут наиболее эффективно предотвращать развитие неструктурных усадочных трещин из микротрещин, так как они являются наиболее тонкими из перечисленных типов армирующих компонентов, и их размеры сопоставимы с размерами микротрещин.

Таким образом, объемное армирование цементного продукта синтетическими волокнами позволяет компенсировать главные недостатки цементного продукта - усадочное трещинообразование, низкую прочность при растяжении и хрупкость разрушения, и, как следствие, цементный продукт с волоконным компонентом имеет более высокую прочность при сжатии, прочность при растяжении, прочность на срез, ударную и усталостную прочность, трещиностойкость, морозостойкость и водонепроницаемость по сравнению с цементным продуктом, не содержащим объемно-армирующего синтетического волокна.

Однако не все синтетические волокна одинаково пригодны для использования в цементных продуктах. Прежде всего, следует учитывать такие показатели, как прочность, деформативность, химическая стойкость армирующего материала, его адгезия к водной суспензии цементов. Предпочтительно, чтобы свойства синтетического волокна, используемого для объемного армирования были такими, чтобы их применение позволяло полностью или частично отказаться от использования металлических армирующих элементов в цементном продукте, так как применение металлической арматуры увеличивает вес цементного продукта, а также затраты на его изготовление. В частности, для полноценной работы синтетического волокна как компонента цементного продукта, эффективно предотвращающего образование микротрещин, очень важно, чтобы волокна равномерно диспергировались в объеме цементного раствора, поскольку только в таком случае образование микротрещин может предотвращаться во всем объеме цементного продукта.

В патенте РФ 2274618 описывается цементный продукт (бетон), содержащий пуццолановые компоненты и заполнитель с размером частиц не более 10 мм, армированный металлическими и синтетическими волокнами. Синтетические волокна составляют 0,1-3 об.% бетона после схватывания. Предпочтительно синтетические волокна имеют толщину менее 80 мкм, длину от 1,5 мм до 12 мм и состоят предпочтительно из полиэтилена или полипропилена.

В патенте РФ 2245858 описывается цементный продукт (бетон), содержащий органические волокна, которые могут состоять из полиэтилена, в том числе полиэтилена высокой плотности, полипропилена и других синтетических полимеров. Для усиления сцепления органических волокон в цементный раствор для приготовления указанного бетона дополнительно вводят вещество, выбранное из кремнезема, осажденного карбоната кальция, фосфата, латекса, поливинилового спирта и противовспенивающей присадки. Также указанный бетон дополнительно включает армирующие наполнители, представляющие собой металлические волокна или волокна из других неорганических материалов.

Применение полиолефиновых синтетических волокон для объемного армирования цементных продуктов согласно приведенным выше патентам не позволяет полностью отказаться от использования металлической арматуры и неорганических волокон в цементном продукте. Вследствие этого изготовление цементного продукта согласно патентам РФ 2274618 и РФ 2245858 требует достаточно больших затрат, и масса полученного продукта увеличивается за счет включения металлического армирующего компонента. Одной из причин, приводящих к необходимости использования металлической арматуры в продуктах согласно этим патентам, является то, что полноценная работа волокна во всем объеме цементного продукта невозможна, так как не происходит равномерного распределения волокна в объеме цементного раствора. Это связано с тем, что поверхностное натяжение полиэтиленового синтетического волокна, использующегося согласно этим патентам, меньше поверхностного натяжения воды, поэтому полиэтиленовые синтетические волокна не могут гомогенно диспергироваться в водной среде цементного раствора.

Лучших результатов можно достичь при использовании синтетического волокна, которое прошло обработку, увеличивающую поверхностное натяжение волокна и делающую его поверхность равномерно гидрофильной. Благодаря такой обработке синтетические волокна распределяются равномерно в массе цементного раствора.

Так, в патенте РФ 2074153, который является наиболее близким аналогом настоящего изобретения, раскрыты пучки синтетических волокон для дисперсного армирования изделий на основе цемента. Согласно данному патенту в цементный раствор вводят пучки синтетических волокон, содержащие 10-10000 элементарных волокон на пучок. Пучки синтетических волокон перед введением в цементный раствор подвергают обработке смачивающим агентом, повышающим поверхностное натяжение элементарных волокон. Для увеличения поверхностного натяжения наряду с обработкой смачивающим агентом может также использоваться обработка пучков волокон коронным разрядом. Элементарные синтетические волокна согласно данному патенту представляют собой полиолефиновые волокна, предпочтительно полиэтиленовые или полипропиленовые волокна.

Однако хотя синтетические волокна, использующиеся согласно патенту РФ 2074153, позволяют избежать применения металлической арматуры, цементные продукты, в которых используются такие волокна, все же обладают не очень высокой прочностью. Это связано с тем, что поверхностная обработка волокна гидрофилизирующими агентами не позволяет достичь одинакового поверхностного натяжения на всей поверхности волокна, и, более того, при обработке волокон в пучке, как это описывается в патенте РФ 2074153, отдельные волокна могут оставаться необработанными, что в еще большей степени ухудшает диспергирование таких волокон в цементном продукте.

Следовательно, существует необходимость улучшить показатели гидрофильности волокон, такие как величина поверхностного натяжения и равномерность распределения этого показателя по поверхности волокна.

Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание синтетического волокна для объемного армирования цементных продуктов, которое имеет равномерно гидрофильную поверхность с высоким значением поверхностного натяжения, позволяющим таким волокнам равномерно диспергироваться в объеме цементного продукта, и при этом имеет высокие прочностные показатели, такие как высокая прочность на разрыв, высокий модуль упругости и малое относительное удлинение при разрыве.

Неожиданно оказалось, что поставленную задачу можно решить созданием синтетического волокна, которое представляет собой коаксиальное волокно типа ядро/оболочка, где ядро содержит термопластичный полимер, предпочтительно полиэтилен, полипропилен, поли-4-метил-1-пентен или полиэтилентерефталат, а оболочка содержит термопластичный полимер, устойчивый к среде, имеющей рН>11, а также гидрофильные и/или поверхностно-активные вещества в количестве 3-30% от общей массы оболочки, или оболочка содержит термопластичный полимер, устойчивый к среде, имеющей рН>11, привитый активными или ненасыщенными мономерами в количестве 3-25% от общей массы оболочки, причем в обоих случаях достигается поверхностное натяжение оболочки не менее 45 мН/м.

Краткое описание изобретения

Авторами настоящего изобретения было показано, что наиболее высоких значений поверхностного натяжения и более равномерной гидрофильности как в пределах пучка волокон, так и в пределах поверхности единичного волокна можно достичь, если помимо или вместо поверхностной обработки готового волокна веществами, придающими поверхности волокна гидрофильность, включать указанные вещества непосредственно в состав расплава полимера перед экструзией волокна или прививать полимер волокна сомономерами, повышающими его гидрофильность. Однако, как было установлено авторами, как при включении в состав волокна веществ, придающих ему гидрофильность, так и при внесении в полимер волокна привитых сомономеров прочность получающегося волокна снижается до значений, слишком малых для того, чтобы такое волокно могло эффективно противостоять образованию усадочных трещин и не рвалось под действием усадочных напряжений. Это связано с тем, что вещества, придающие поверхности волокна гидрофильность, как и гидрофильные сомономеры, в большинстве своем являются достаточно крупными молекулами, сопоставимыми по размерам с мономерами основного полимера, составляющего волокно, поэтому они влияют на пространственную ориентацию молекул основного полимера, разупорядочивая ее.

Для решения этой проблемы авторами настоящего изобретения предложено изменить структуру волокон для объемного армирования. В то время как все известные в уровне техники синтетические волокна, использующиеся для объемного армирования цементных продуктов, представляют собой однокомпонентные волокна, авторы изобретения предложили использовать для объемного армирования двухкомпонентное волокно, в котором описанным выше модификациям, обеспечивающим высокую и равномерную гидрофильность и ухудшающим прочность, подвергается только оболочка, а прочность волокна обеспечивается ядром, не подвергающимся указанным модификациям. Таким образом, технический результат настоящего изобретения, заключающийся в создании волокна, сочетающего высокую и равномерную гидрофильность поверхности и как минимум удовлетворительную прочность, достигается за счет особой двухкомпонентной структуры волокна.

Таким образом, согласно настоящему изобретению предложено синтетическое волокно для объемного армирования цементного продукта, отличающееся тем, что оно представляет собой коаксиальное волокно типа ядро/оболочка, где ядро содержит термопластичный полимер, а оболочка содержит либо

а) термопластичный полимер, устойчивый к среде, имеющей рН>11, а также одно или более гидрофильное и/или поверхностно-активное вещество в количестве 3-30% общей массы оболочки, или

б) оболочка содержит термопластичный полимер, устойчивый к среде, имеющей рН>11, привитый активными или ненасыщенными мономерами, составляющими 3-25% от общей массы оболочки,

причем поверхностное натяжение оболочки составляет не менее 45 мН/м.

Также согласно изобретению предложен способ изготовления указанного синтетического волокна, включающий экструзию расплава основного компонента оболочки и основного компонента ядра через концентрическую фильеру с образованием двухкомпонентной композиции, причем основной компонент ядра и основной компонент оболочки представляют собой термопластичные полимеры, основной компонент оболочки устойчив к среде, имеющей рН>11, и в расплав основного компонента оболочки во время экструзии вводят одно или более гидрофильное и/или поверхностно-активное вещество в количестве 3-30 мас.% от общей массы оболочки.

Помимо этого, предложен способ изготовления указанного синтетического волокна, включающий экструзию расплава основного компонента оболочки и основного компонента ядра через концентрическую фильеру с образованием двухкомпонентной композиции, причем основной компонент ядра и основной компонент оболочки представляют собой термопластичные полимеры, основной компонент оболочки устойчив к среде, имеющей рН>11, и в качестве основного компонента оболочки используют термопластичный полимер, привитый активными или ненасыщенными мономерами, составляющими 3-25 мас.% от общей массы оболочки.

Далее согласно изобретению предложен цементный продукт, полученный из цементного вяжущего, такого как бетонная смесь, или строительного раствора, или цементной пасты, содержащий дисперсию синтетического волокна, отличающийся тем, что в качестве синтетического волокна в нем применяется волокно по изобретению.

Также согласно изобретению предложен способ изготовления указанного цементного продукта, включающий приготовление бетонной смеси или цементного раствора, затворенных водой, введение синтетических волокон, перемешивание приготовленной смеси или раствора и заливку ее для получения заданной конфигурации изделий, отличающийся тем, что в качестве указанных синтетических волокон используют волокна по изобретению.

Подробное описание изобретения

Согласно настоящему изобретению предложено синтетическое волокно для объемного армирования цементного продукта, отличающееся тем, что оно представляет собой коаксиальное волокно типа ядро/оболочка, где ядро содержит термопластичный полимер, а оболочка содержит термопластичный полимер, устойчивый к среде, имеющей рН>11 (значение рН, характерное для среды цементного раствора), а также гидрофильные и/или поверхностно-активные вещества в количестве 3-30% от общей массы оболочки. В качестве альтернативы оболочка может содержать термопластичный полимер, устойчивый к среде, имеющей рН>11, привитый активными или ненасыщенными мономерами в количестве 3-25 мас.% от общей массы оболочки. При этом как вследствие внесения гидрофильных и/или поверхностных веществ в оболочку, так и вследствие прививания полимера оболочки активными или ненасыщенными сомономерами, поверхностное натяжение оболочки составляет не менее 45 мН/м.

Волокно по изобретению обладает хорошими показателями прочности благодаря высокопрочному термопластичному полимеру ядра, и при этом благодаря поверхностному натяжению оболочки не менее 45 мН/м, достигающемуся вследствие описанных выше модификаций оболочки, это волокно равномерно диспергируется в объеме цементного продукта. Возможность изготовить волокно, сочетающее эти свойства, достигается благодаря тому, что гидрофильные и/или поверхностно-активные веществ вещества добавляются в оболочку и не попадают в ядро, то есть отрицательный эффект этих веществ на показатели прочности полимера в ядре предотвращается, и ядро оказывается достаточно прочным, для того чтобы обеспечить высокую прочность всего волокна.

Гидрофильные и/или поверхностно-активные вещества, которые включает оболочка волокна по изобретению, предпочтительно представляют собой гидрофильные полимеры или сополимеры. При этом наиболее предпочтительно, чтобы эти гидрофильные полимеры или сополимеры были выбраны из группы, состоящей из полигликолевого сложного эфира, полиэтоксилированного амида, этиленвинилацетата с содержанием винилацетата не менее 30 мас.%, сополимера этилена-акриловой кислоты, полиэтиленгликольалурилового простого эфира, алкил-фосфат-аминового сложного эфира, этилендиамин-полиэтиленгликоля.

Также предпочтительно указанные гидрофильные и/или поверхностно-активные вещества представляют собой эфиры или амиды жирных кислот. При этом наиболее предпочтительно, чтобы эфиры или амиды жирных кислот были выбраны из сложного глицеринового эфира стеариновой кислоты и амида стеариновой кислоты.

Также предпочтительно указанные гидрофильные и/или поверхностно-активные вещества представляют собой неионные поверхностно-активные вещества или катионные поверхностно-активные вещества.

Одним из наиболее предпочтительных примеров гидрофильного вещества, которое можно вводить в оболочку волокна по изобретению, является этиленвинилацетат (сэвилен) - продукт сополимеризации этилена и винилацетата.

Свойства этиленвинилацетата зависят, главным образом, от содержания винилацетата. С повышением содержания винилацетата уменьшаются твердость, теплостойкость, кристалличность (разрушающее напряжение при растяжении), в то время как гидрофильность и адгезивность увеличиваются. Для введения в оболочку волокна по изобретению применяют этиленвинилацетат с содержанием винилацетата более 30 мас.%, обладающий превосходными свойствами гидрофильности. При этом этиленвинилацетат с содержанием винилацетата 15 мас.% и менее, напротив, обладает малой гидрофильностью, но при этом имеет очень высокую прочность, что позволяет использовать его в качестве добавки, увеличивающей прочность ядра, как будет указано далее.

Как указывалось выше, согласно второй альтернативе волокна по изобретению оболочка содержит, а предпочтительно полностью состоит, из термопластичного полимера, устойчивого к среде, имеющей рН>11, привитого активными или ненасыщенными мономерами, количество которых составляет 3-25 мас.% от общей массы оболочки. Такая структура волокна по изобретению опять же позволяет сочетать хорошие показатели прочности волокна и необходимые гидрофильные свойства. Прививаемые активные или ненасыщенные мономеры сообщают полимеру оболочки поверхностное натяжение не менее 45 мН/м. При этом, хотя эти прививаемые мономеры, так же как упомянутые выше поверхностно-активные вещества, оказывают негативное влияние на прочность полимера оболочки, прочность целого волокна по изобретению остается достаточно высокой, поскольку оно имеет ядро, не содержащее указанных привитых мономеров.

Согласно указанной второй альтернативе волокна по изобретению предпочтительно, чтобы полимер оболочки волокна был привит активными или ненасыщенными мономерами, выбранными из группы, состоящей из изобутилена, альфа-метилстирола, винилалкиловых эфиров, изопрена, бутилакрилата, метилакрилата, метилметакрилата, бутилакрилата, бутилметакрилата, бутадиена и стирола, наиболее предпочтительно бутилакрилата и метилметакрилата.

Предпочтительно термопластичный полимер, входящий в состав ядра, выбран из группы, включающей изотактический полипропилен, полиэтилен, поли-4-метил-1-пентен и полиэтилентерефталат. Прочность этих полимеров даже без описанных выше добавок является достаточно высокой, чтобы волокна, имеющие ядро из этих материалов, могли в удовлетворительной степени противостоять действию усадочных напряжений. При этом использование этих полимеров обеспечивает невысокую себестоимость синтетического волокна благодаря снижению энергозатрат на производство, вызванному тем, что эти полимеры имеют относительно низкую температуру плавления и легко экструдируются.

Предпочтительно термопластичный полимер, входящий в состав ядра, выбран из группы, включающей изотактический полипропилен, полиэтилен и поли-4-метил-1-пентен. Помимо описанных выше преимуществ эти полимеры являются устойчивыми к среде цементного раствора, имеющей рН>11, что обуславливает их применимость в качестве компонентов оболочки.

Предпочтительно ядро волокна по изобретению содержит помимо термопластичного полимера также вещества, инициирующие появление фибриллярных кристаллов, в количестве 0,5-3 мас.% от общей массы ядра и/или высокомолекулярные полимеры и/или сополимеры в количестве 3-30 мас.% от общей массы ядра, благодаря чему могут достигаться следующие показатели прочности ядра:

прочность на разрыв ядра составляет не менее 800 МПа, модуль упругости ядра составляет не менее 8000 МПа, и относительное удлинение при разрыве ядра составляет не более 20%.

Предпочтительно указанные выше вещества, инициирующие появление фибриллярных кристаллов в ядре, представляют собой мелкодисперсные минеральные вещества, такие как оксиды, нитриды, карбиды или силикаты, средний диаметр частиц которых в 10-50 раз меньше поперечного сечения волокна (20-50 мкм).

Указанные выше высокомолекулярные полимеры предпочтительно выбраны из поливинилового спирта и этиленвинилапетата с содержанием винилацетата не более 15 мас.%.

Предпочтительно диаметр синтетического волокна составляет 10-50 мкм, наиболее предпочтительно 18-25 мкм. Такой диаметр сопоставим с размерами обычно возникающих в цементном продукте усадочных трещин, что обеспечивает лучшую работу синтетического волокна как армирующего компонента в цементном продукте.

Длина синтетического волокна зависит от типа цементного продукта, в котором будет применяться это волокно, в первую очередь от размера частиц заполнителя, используемого в цементном растворе. Предпочтительно длина волокна составляет не более 25 мм, так как большая длина может вызвать появление комков в цементном растворе. Также предпочтительно, чтобы длина волокна составляла более 3 мм, так как более короткие волокна не будут эффективно заякориваться между частицами цементного продукта.

Предпочтительно оболочка составляет 10-50 мас.% синтетического волокна, наиболее предпочтительно 10-15 мас.%. Если оболочка будет составлять менее 10 мас.% волокна, существует риск, что при прядении двухкомпонентного волокна через фильеру ядро может оказаться не полностью покрытым оболочкой. Использование оболочки в количестве более 50 мас.% волокна может привести к заметному ухудшению его требуемых механических свойств (модуль упругости, прочность на разрыв и относительное удлинение при разрыве).

Поперечное сечение синтетического волокна по изобретению предпочтительно является круглым, поскольку такая форма позволяет использовать для его производства оборудование, которое обычно применяется для получения синтетических волокон, предназначенных для производства нетканых термоскрепленных материалов.

В еще одном аспекте изобретения предложен способ изготовления описанного выше синтетического волокна типа ядро/оболочка для объемного армирования цементного продукта, включающий экструзию расплава основного компонента оболочки и основного компонента ядра через концентрическую фильеру с образованием двухкомпонентной композиции, отличающийся тем, что основной компонент ядра и основной компонент оболочки представляют собой термопластичные полимеры, причем основной компонент оболочки устойчив к среде, имеющей рН>11, и тем, что в расплав основного компонента оболочки перед экструзией вводят гидрофильные и/или поверхностно-активные вещества в количестве 3-30 мас.% от общей массы оболочки. Благодаря тому что гидрофильные и/или поверхностно-активные вещества добавляют в расплав основного компонента оболочки перед экструзией, они не попадают в ядро волокна, где они препятствовали бы достижению структурной упорядоченности молекул термопластичного полимера, необходимой для достижения требуемой прочности ядра.

Также предложен способ изготовления синтетического волокна типа ядро/оболочка для объемного армирования цементного продукта, включающий экструзию расплава основного компонента оболочки и основного компонента ядра через концентрическую фильеру с образованием двухкомпонентной композиции, при котором основной компонент ядра и основной компонент оболочки представляют собой термопластичные полимеры, причем полимер оболочки устойчив к среде, имеющей рН>11, и в качестве основного компонента волокна используют термопластичный полимер, привитый активными или ненасыщенными мономерами в количестве 3-25 мас.% от общей массы оболочки. Благодаря тому что способ по изобретению по существу исключает взаимное проникновение двух основных компонентов волокна - основного компонента оболочки, включающего модифицированный активными или ненасыщенными мономерами полимер, имеющий поверхностное натяжение не менее 45 мН/м, но не обладающий хорошими показателями прочности, и высокопрочного основного компонента ядра, вторая альтернатива способа по изобретению также позволяет изготовить волокно, обладающее сочетанием указанных выше характеристик прочности и гидрофильности.

Термины "основной компонент ядра" и "основной компонент оболочки" в контексте настоящего изобретения обозначают термопластичные полимеры, в том числе, в случае основного компонента оболочки, привитые активными и/или ненасыщенными мономерами, которые составляют наибольшую массовую долю ядра и оболочки соответственно, задают структуру двухкомпонентного волокна и, преимущественно в случае основного компонента ядра, также обеспечивают механические свойства волокна. Термопластичные полимеры, которые могут составлять основной компонент ядра и основной компонент оболочки, были подробно охарактеризованы выше при описании волокна по изобретению. Специалисту понятно, что, помимо указанных термопластичных полимеров и гидрофильных или поверхностно-активных веществ, как ядро, так и оболочка волокна по изобретению могут содержать любые другие добавки, известные в данной области техники и выполняющие различные функции. Соответственно, обе альтернативы способа по изобретению также могут включать внесение в расплав ядра и/или оболочки таких известных из уровня техники добавок.

В обоих вариантах способа по изобретению в расплав полимера ядра во время экструзии предпочтительно вводят вещества, инициирующие появление фибриллярных кристаллов, в количестве 0,5-3 мас.% от общей массы ядра и/или высокомолекулярные полимеры и/или сополимеры в количестве 3-30 мас.% от общей массы ядра.

Предпочтительно при выполнении обоих вариантов способа по изобретению проводят вытяжку готового волокна с кратностью 2,5-4,5. Это позволяет дополнительно повысить прочность волокна вследствие того, что такая вытяжка способствует дополнительному упорядочиванию пространственной организации полимеров волокна (структурной модификации волокна).

Оба варианта способа изготовления волокна по изобретению предпочтительно включают следующие стадии:

1. Прядение компонента оболочки и компонента ядра в двухкомпонентную композицию из расплава.

2. Вытяжка полученного первичного жгута.

3. Поверхностная обработка, термостабилизация, сушка и резка.

Волокна производят на двух независимых линиях: линия формования волокна и линия вытяжки и резки.

Указанные стадии более подробно описаны ниже.

1. Компоненты оболочки и ядра соответственно плавят в отдельных экструдерах, при этом указанные компоненты перемешивают таким образом, чтобы расплавы имели однородную консистенцию. Температура расплавленных компонентов в экструдерах должна быть выше соответствующих точек плавления этих компонентов и должна гарантировать определенные характеристики вязкости, благоприятные для последующего прядения волокон. При этом в расплав ядра при необходимости добавляют описанные выше компоненты, увеличивающие прочность ядра, а в расплав оболочки при выполнении способа согласно первому варианту добавляют описанные выше компоненты, увеличивающие его гидрофильность. Согласно второму варианту указанного способа в качестве основного компонента оболочки используют полимер, привитый описанными выше активными или гидрофильными мономерами.

Расплавленные компоненты оболочки и ядра через распределительную и фильтрующую системы подают на фильерную балку, и далее они проходят через фильеры. Количество фильер может быть 4-10 штук. Получение двухкомпонентных волокон из полимеров более сложно, чем получение однокомпонентных волокон, поскольку две составляющих двухкомпонентного волокна должны соответствующим образом распределяться у отверстий. Поэтому для получения двухкомпонентных волокон используют специальный тип фильер, который объединяет соответствующие потоки расплавов в заданную концентричную схему. Диаметр отверстий в фильтре зависит от диаметра получаемых двухкомпонентных волокон. Количество формирующих отверстий составляет около 1800 штук. Сформированные волокна, имеющие концентрическое сечение, попадают в охлаждающую шахту, где они охлаждаются потоком воздуха. На выходе из колодцев волокна собирают в общий жгут и проводят их предварительную вытяжку. Предварительная вытяжка (с кратностью приблизительно 1,1-1,8) предназначена для предотвращения хрупкости волокна и лучшей упаковки его в кэны (тара для перемещения жгута на линию вытяжки). Также возможна намотка волокна на шпули или бобины.

2. Жгут волокон далее вытягивают методом так называемой нелинейной вытяжки, которую осуществляют отдельно от процесса прядения. Вытяжку обычно осуществляют на оборудовании с использованием ряда горячих валов и ванн горячего раствора (либо пропаривателей), на которых одновременно вытягивают весь жгут волокон. Жгут волокон проходит сначала через один ряд валов, затем проходит через ванну с горячим раствором (пропариватель) и затем через второй ряд валов. Скорость вращения второго ряда валов больше, чем скорость вращения первого ряда валов, поэтому нагретый жгут волокна вытягивают с кратностью вытяжки, зависящей от соотношения между первой и второй скоростью. Дополнительно могут использовать вторую ванну с горячим раствором (пропариватель) и третий ряд валов (двухступенчатая вытяжка), причем третий ряд валов имеет более высокую скорость вращения, чем второй ряд. В этом случае кратность вытяжки представляет собой соотношение между скоростью вращения последнего и первого рядов валов.

Определенная кратность вытяжки способствует получению волокна с заданной прочностью на разрыв.

Синтетические волокна по изобретению вытягивают с кратностью вытяжки, составляющей примерно 2-12. Для получения требуемых значений прочности на разрыв предпочтительно осуществлять вытяжку с кратностью 2,5-4,5.

3. Предпочтительно синтетические волокна по изобретению дополнительно подвергают поверхностной обработке коронным разрядом и/или поверхностной обработке гидрофильным веществом и/или поверхностно-активным веществом, выбранным из группы, состоящей из сложных эфиров жирных кислот и глицида, амидов жирных кислот, полигликолевых сложных эфиров, полиэтоксилированных амидов, неионных поверхностно-активных веществ и катионных поверхностно-активных веществ, или смесью двух и более указанных веществ. Благодаря такой поверхностной обработке можно придать поверхности волокна еще лучшие гидрофильные свойства.

После этого волокна термофиксируют и сушат в конвейерной печи, а затем высушенный жгут подают к резаку «Режущая машина Neumag», где волокна разрезают на отрезки желаемой длины (3-25 мм).

Полученные жгуты волокон упаковывают в водорастворимые мешки или полиэтиленовые или пропиленовые мешки, которые требуют распаковки. Вес упакованного волокна - 0,6-0,9 кг.

В еще одном аспекте настоящего изобретения предложен цементный продукт, полученный из бетонной смеси, или строительного раствора, или цементной пасты, содержащий дисперсию синтетического волокна по изобретению.

Цементный продукт по изобретению представляет собой объемно-армированный цементный продукт, обладающий высокими физико-механическими свойствами, получаемый в результате смешивания, формования и твердения смеси на основе гидравлического вяжущего вещества. Смесь состоит из гидравлического вяжущего вещества, воды, заполнителей и специальных добавок и гомогенно распределенного в объеме бетонной смеси объемно-армирующего синтетического волокна. Объемно-армирующее синтетическое волокно, используемое в цементном продукте по изобретению, является волокном по изобретению.

Существует большое количество разновидностей цементных продуктов, подразделяющихся по назначению на конструкционные и специальные. По средней плотности цементные продукты подразделяются на особо тяжелые (свыше 2500 кг/см куб.), тяжелые (1200-2200), легкие (600-1200) и особо легкие (до 500 кг/см куб.) бетоны. По прочности на сжатие выделяют следующие марки цементных продуктов: тяжелый бетон - 100, 150, 200, 250, 300, 400, 500, 600, 700, 800; и легкий бетон - 25, 35, 50, 75, 100, 150, 200, 300, 400.

По виду вяжущего, структуре, виду заполнителей и области применения цементные продукты также разделяются на: торкрет-бетон, сухая смесь, гидротехнический, тяжелый, облегченный, легкий, декоративный, дорожный, литой бетон, фибробетон и др.

Область применения волокна по изобретению не ограниченна какой-либо разновидностью цементного продукта.

Предпочтительно указанный цементный продукт содержит синтетические волокна по изобретению в количестве 0,01-0,05 мас.%. Количество, большее чем 0,05 мас.%, трудно ввести в бетонную смесь без образования комков, в то же время в количестве менее 0,01 мас.% синтетические волокна не будут оказывать армирующее действие.

В еще одном аспекте настоящего изобретения предложен способ изготовления цементного продукта, включающий приготовление бетонной смеси, или строительного раствора, или цементной пасты, затворенных водой, введение синтетических волокон, перемешивание приготовленной смеси, раствора или пасты и заливку смеси или раствора для получения заданной конфигурации изделий. От известных способов способ изготовления цементного продукта по изобретению отличается тем, что волокна, которые вносят в раствор, представляют собой синтетические волокна по изобретению. Предпочтительно волокна по изобретению вносят в виде жгутов волокон.

Дополнительно в состав цементного раствора для приготовления цементного продукта по изобретению могут вводить органические поверхностно-пластифицирующие добавки, изменяющие кинетику и улучшающие реологические свойства полученного цементного продукта. Предпочтительные пластифицирующие добавки гидрофильного типа включают коммерчески доступные добавки марок С-3, СП-1, С-5, С-62, ЛСТ, «Майти 100», «Сикамет», «Изопластик», Cementol Delta («Сементол Делта»), Cementol Omega F («Сементол Омега Ф»), Addiment BV1 («Аддимент БВ-1»), «Мельмент», «Лигнопан Б-1», «Лигнопан Б-3», «Универсал П-2». Предпочтительные пластифицирующие добавки гидрофобного типа включают коммерчески доступные добавки марок: «Пента-801», «Пента-803», «Пента-804», «Пента-805», «Пента-814», «Пента-820», «Пента-830», ГКЖ, ПФМ МЛК, ГКЖ-94М, гидрофобизирующую жидкость 136-157 М, ГКЖ-10, ГКЖ-11.

Благодаря гидрофильности, которую приобретает поверхность волокон по изобретению в результате введения в оболочку гидрофильных и/или поверхностно-активных веществ или модификации полимера оболочки путем прививания активных и/или ненасыщенных мономеров, при перемешивании бетонной смеси или цементного раствора жгуты полностью распадаются на отдельные волокна, которые равномерно диспергируются в объеме бетонной смеси или цементного раствора и плотно защемляются в цементной массе после окончания твердения.

Предпочтительно жгуты волокон содержат элементарные волокна определенной длины резки. Длина резки волокна в основном зависит от фракции и типа применяемого заполнителя и обуславливается размерами ячеек структуры бетонной матрицы. При применении заполнителя типа песка (0,14-5 мм) для цементно-песчаных растворов и пескобетонов предпочтительная длина резки волокна составляет 3-8 мм. Для бетонов в зависимости от фракции заполнителя предпочтительная длина резки волокна составляет 8-25 мм. Применение волокон, имеющих длину более 25 мм, нежелательно, так как существует опасность образования комков.

Волокна по изобретению можно добавлять в готовую бетонную смесь или цементный раствор. При этом наилучшее диспергирование может быть достигнуто в смесителях гравитационного или принудительного типа.

Также можно перемешивать жгуты волокон по изобретению с сухими компонентами бетонной смеси в процессе производства готовых бетонных смесей, а также при производстве цементно-песчаных сухих смесей (цементно-песчаная монтажно-кладочная смесь, наливной пол, штукатурная и другие смеси).

Если бетон готовят на предприятии по изготовлению сборных бетонных и железобетонных конструкций и изделий, то сухие компоненты смеси смешивают в технологическом порядке, предусмотренном рецептом изготовления бетона, и дозатором или иным способом добавляют необходимое количество волокна. При этом предпочтительно увеличивать продолжительность перемешивания бетонной смеси на 10-20% относительно рекомендуемой ГОСТ 7474-94 для того, чтобы добиться наибольшей возможной гомогенности распределения волокон.

Волокна могут добавлять к смесям на основе цемента в смесителях типа «миксер», установленных на автомобиле, доставляющем готовую бетонную смесь или цементный раствор непосредственно на место укладки.

Количество волокна по изобретению, которое обеспечивает улучшение физико-механических параметров цементного продукта, находится в пределах 0,01-0,05 мас.% по отношению к цементному материалу. Количество более 0,05 мас.% трудно ввести в бетонную смесь без образования комков. Количество волокна 0,01-0,05 мас.% по отношению к цементному материалу увеличивает прочность цементного продукта, находящегося как в жидкопластичном, так и в затвердевшем состоянии. Введение волокна по изобретению оказывает действие немедленно, повышая сцепление бетонной смеси, препятствуя оседанию крупных и тяжелых частиц при уплотнении, обеспечивая пластичность смеси в жидком состоянии и облегчая подачу бетонной смеси насосом. Повышение пластичности в жидкопластичном состоянии предотвращает образование разрывов и расслаивание цементных продуктов на отдельные составляющие при формовании их из бетонной смеси или цементного раствора.

В результате введения в цементный продукт волокон по изобретению осадка конуса и расплыв конуса цементного продукта несколько уменьшаются, но удобоукладываемость смеси улучшается, поэтому после введения волокна по изобретению в бетонную смесь или цементный раствор не имеет смысла добавлять туда воду для увеличения осадки конуса.

Для того чтобы дополнительно уменьшить водопотребность волокна и увеличить удобоукладываемость, а также для того, чтобы контролировать реологию и/или скорость реакции гидравлических вяжущих с водой затворения, в состав бетонной смеси или цементного раствора для изготовления цементного продукта по изобретению могут дополнительно вводить различные органические поверхностно-активные пластифицирующие добавки, известные специалистам в области техники.

Пластифицирующие добавки гидрофильного типа включают, но не ограничиваются указанным, коммерчески доступные добавки марок С-3, СП-1, С-5, С-62, ЛСТ, «Майти 100», «Сикамет», «Изопластик», Cementol Delta («Сементол Делта»), Cementol Omega F («Сементол Омега Ф»), Addiment ВV1 («Аддимент БВ-1»), «Мельмент», «Лигнопан Б-1», «Лигнопан Б-3», «Универсал П-2».

Пластифицирующие добавки гидрофобного типа включают, но не ограничиваются указанным, коммерчески доступные добавки марок «Пента-801», «Пента-803», «Пента-804», «Пента-805», «Пента-814», «Пента-820», «Пента-830», ГКЖ, ПФМ МЛК, ГКЖ-94М, гидрофобизирующая жидкость 136-157 М, ГКЖ-10, ГКЖ-11.

Далее изобретение иллюстрируется рядом примеров, которые никак не ограничивают его объем, определяемый формулой изобретения.

Пример 1. Изготовление синтетического волокна длинной резки

Волокно изготовили, расплавив полипропилен 21020-02, сорт 1, ГОСТ 26996-86, в двух отдельных экструдерах, причем в одном из экструдеров в расплав полипропилена добавили этиленвинилацетат в количестве 20 мас.% расплава. Этот расплав использовали для образования оболочки волокна. В другой расплав, который использовали для получения ядра, дозатором вводили поливиниловый спирт, выступающий как когезионно-сшивающий агент, в количестве 7 мас.% расплава.

Затем расплавы из экструдеров по магистралям подавали в фильерную балку и распределяли по фильерам, на которых происходило формование волокна типа ядро/оболочка с концентрическим расположением ядра и оболочки. Волокна затем охлаждали потоком воздуха. Затем их подвергали обработке коронным разрядом и осуществляли предварительную вытяжку кратностью 1,2. Сформированные жгуты волокон укладывали в «кены» (тара для перемещения на линию вытяжки), после чего вытягивали волокно с кратностью вытяжки 3,5, обрабатывали раствором препарата СИНТЕЗИН 7465 и проводили термическую фиксацию. Далее волокно резали на "Режущей машине Neumag" с длиной резки 12 мм. Диаметр изготовленного таким образом волокна составлял 25 мкм, поверхностное натяжение, определенное способом измерения краевого угла смачиваемости и тестирования полимеров DIN 53364, - 53 мН/м. Прочность на разрыв составляла 584 МПа, относительное удлинение при разрыве - 38% (измерение проводили на разрывной машине Р-50 2167).

Пример 2. Приготовление синтетического волокна короткой резки

Синтетическое волокно короткой резки изготовили способом, аналогичным описанному в примере 1, с тем отличием, что волокно резали с длиной 5 мм. Диаметр изготовленного таким образом волокна составлял 25 мкм, поверхностное натяжение - 48 мН/м, относительное удлинение при разрыве - 27%.

Пример 3. Бетон для сборных железобетонных конструкций жилых и промышленных зданий

В строительстве наиболее широко используют обычный тяжелый бетон плотностью 2200-2500 кг/м3 на заполнителях (песок, гравий, щебень) из тяжелых горных пород, а также побочные продукты местной промышленности (например, дробленые и гранулированные металлургические шлаки). Для ускорения твердения бетона при изготовлении сборных железобетонных конструкций применяют тепловую обработку.

Приготовили опытный и контрольный образцы смеси для обычного тяжелого бетона, имеющие следующий состав:

вода = 140 л,

цемент = 350 кг,

щебень = 1415 кг,

песок = 590 кг.

В опытный образец смеси добавили жгуты элементарных волокон, представляющих собой волокно по примеру 1 в дозировке 0,875 кг на 350 кг цементного материала (0,0025 кг на 1 кг цемента).

В контрольный образец смеси добавили жгуты элементарных волокон, представляющих собой полипропиленовое волокно согласно патенту РФ 2074153, имеющее длину 12 мм и диаметр 20 мкм, в дозировке 1,2 кг на 1 м3 смеси согласно патенту РФ 2074153.

По прошествии 28 суток (марочный возраст бетона) измерили прочность при сжатии и ударную вязкость контрольного и опытного образцов. Прочность при сжатии опытного образца на 12,3% превосходила таковую контрольного образца, а ударная вязкость опытного образца была больше в 2,1 раза по сравнению с контрольным.

Возраст бетона, сут Состав Плотность, кг/м3 Rсж, МПа Эффективность применения волокна, %
7 контрольный 2403 25,07 27,8
с волокном по изобретению 2412 32,23
28 контрольный 2413 47,28 12,7
с волокном по изобретению 2436 53,57

Приведена прочность при раскалывании Rtt бетона контрольного состава и бетона с волокном по изобретению в возрасте 28 суток нормального твердения.

Состав Плотность, кг/м3 Rtt, МПа Эффективность применения волокна, %
контрольный 2403 2,75 26,5
с волокном по изобретению 2416 3,48

Увеличение прочностных показателей связано с улучшением адгезионных свойств волокна и увеличением его прочности на разрыв.

Пример 4. Бетон и сухие смеси для наливного пола

В бетонных промышленных полах основными расчетными параметрами являются напряжения при изгибе и при сжатии, водонепроницаемость и устойчивость к ударным и динамическим нагрузкам.

Приготовили опытный и контрольный образцы смеси для наливного пола, имеющие следующий состав:

вода = 140 л,

цемент = 510 кг,

щебень = 1250 кг,

песок = 700 кг.

В опытный образец смеси добавили жгутики элементарных волокон, представляющих собой синтетическое волокно по примеру 1. Дозировка волокна составляла 1,1 кг на 510 кг цементного материала (0,0023 кг на 1 кг цемента).

В контрольный образец смеси добавили жгутики элементарных волокон, представляющих собой полипропиленовое волокно согласно патенту РФ 2074153, имеющее длину 12 мм и диаметр 21 мкм, в дозировке 1,2 кг на м3 смеси.

Сравнение образцов бетона, приготовленных из опытной и контрольной смесей приведенного выше состава, показывают изменение следующих характеристик опытного образца по сравнению с контрольным:

- количество усадочных трещин в опытном образце, измеренное согласно ГОСТ 22690-88, было ниже на 28% по сравнению с контрольным,

- прочность на растяжение при изгибе опытного образца повышалась по сравнению с контрольным на 9,4%,

- удароустойчивость опытного образца повышалась по сравнению с контрольным в 6 раз (натурные сравнительные испытания),

- вязкость разрушения опытного образца увеличивалась в 5-7 раз по сравнению с контрольным образцом.

Пример 5. Ячеистые (пенобетоны) неавтоклавного твердения плотностью D600

Ячеистый бетон является конструкционно-теплоизоляционным материалом для возведения ограждающих конструкций.

Были приготовлены контрольный и опытный образцы смеси, имеющие следующий состав:

цемент - 450 кг,

песок с модулем крупности 1-1,5 - 500 кг,

пенообразователь - 0,7 кг,

вода - 25 кг.

Измерения проводили согласно ГОСТ 21520-89.

Контрольный Опытный с волокном по изобретению Эффективность
Прочность на сжатие, МПа 1,43 1,6 12,5%
Прочность на растяжение, МПа 0,251 0,304 21,1%
Усадка, мм/м 0,42 0,24 42%
Теплопроводность Вт/(м*С) 0,14 0,14 0

Из приведенных выше данных видно, что введение волокна по изобретению в ячеистый бетон приводит к увеличению показателей прочности, при этом теплопроводность контрольного и опытного образцов не изменяется.

Пример 6. Изготовление синтетического волокна с длиной резки 18 мм и фибриллированной структурой ядра

Коаксиальное волокно, имеющее структуру ядро/оболочка, получали путем расплавления двух полимеров при температуре 290°С.

В качестве основного компонента ядра использовали коммерчески доступный линейный полиэтилен низкого давления (ПЭНД) с М=2,45×105, а в качестве основного компонента оболочки - полипропилен 21020-02, сорт 1, ГОСТ 26996-86. Эти компоненты подавали в два отдельных экструдера, имеющих дополнительные дозирующие устройства.

В расплав полипропилена, являющегося основным компонентом оболочки, добавляли в количестве 25 мас.% по отношению к общей массе оболочки полиэтиленгликольалуриловый простой эфир с диспергированным в нем инициатором радикальной полимеризации и подвергали компоненты расплава радикальной сополимеризации с получением привитого сополимера, где полиэтиленгликольалуриловый простой эфир выступал в качестве привитого сомономера. Полученный сополимер составлял 100 мас.% оболочки волокна.

В основной компонент ядра в качестве искусственного зародышеобразователя вводили микротальк (А3-С). Введение А3-С в расплав полимера ядра приводит к образованию совершенной кристаллической структуры, поскольку он увеличивает число центров кристаллизации и тем самым уменьшает размер кристаллических образований.

Расплавы из экструдеров по магистралям подавали в фильерную балку и распределяли по фильерам, на которых происходило формование волокна типа ядро/оболочка с концентрическим расположением ядра и оболочки.

Волокно, формованное из расплава, помещали в охлаждающую камеру, где подвергали охлаждению при температуре, близкой к температуре стеклования (Т=10°С). Эти условия являются оптимальными для формирования изотропной структуры ядра волокна.

После вытягивания волокна из расплава осуществляли процесс ориентационной вытяжки на вытяжных стендах. Вытяжку осуществляли при низких скоростях растяжения (V=60 м/мин) и в три стадии с последовательным повышением температуры на каждой следующей стадии.

Первую стадию вытяжки осуществляли при температуре 110°С с кратностью вытяжки 6,25. При такой температуре появляется сегментальная подвижность в кристаллах полиэтилена, и, таким образом, создаются условия для разворачивания цепей и трансформации складчатых кристаллов в фибриллярные.

На второй и третьей стадиях температура вытяжки составляла 115 и 120°С соответственно, и кратность вытяжки составляла соответственно 5,0 и 4,6.

Структуру волокон исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа Minisem (Япония). Было установлено, что основным структурным элементом ядра волокон, полученных описанным выше способом, включающим ориентационную вытяжку, являются макрофибриллярные образования, вытянутые вдоль оси волокна. Именно при указанной выше кратности вытяжки осуществляется переход от мелкокристаллитной исходной структуры волокна к фибриллярной структуре, содержащей кристаллы с развернутыми цепями. Главным структурным элементом здесь являются нитеподобные микрофибриллы, разделенные микрополостями и вытянутые вдоль оси вытяжки. Микрофибриллы плотно уложены в макрофибриллах, а отдельные макрофибриллы соединены между собой поперечными напряженными проходными цепями, которые обеспечивают связанность элементов структуры в объеме ядра волокна.

Волокна затем охлаждали потоком воздуха и подвергали обработке коронным разрядом 2. Сформированные жгуты волокон укладывали в «кены» (тара для перемещения на линию вытяжки), после чего обрабатывали раствором препарата СИНТЕЗИН 7465 и проводили термическую фиксацию. Далее волокно резали на "Режущей машине Neumag" с длиной резки 18 мм. Диаметр изготовленного таким образом волокна составлял 27 мкм, поверхностное натяжение, определенное способом измерения краевого угла смачиваемостии и тестирования полимеров DIN 53364, - 58 мН/м.

Показатели прочности полученного волокна были следующими:

модуль упругости = 12 ГПа,

прочность при разрыве = 1,15 ГПа,

относительное удлинение при разрыве = 12%.

1. Синтетическое волокно для объемного армирования цементного продукта, отличающееся тем, что оно представляет собой коаксиальное волокно типа ядро/оболочка, где ядро содержит термопластичный полимер, а оболочка либоа) содержит термопластичный полимер, устойчивый к среде, имеющей рН>11, а также одно или более вещество, выбранное из группы, состоящей из полигликолевого сложного эфира, полиэтоксилированного амида, этиленвинилацетата с содержанием винилацетата не менее 30 мас.%, полиэтиленгликольалурилового простого эфира, алкил-фосфат-аминового сложного эфира, этилендиамин-полиэтиленгликоля, эфира или амида жирной кислоты, и катионного поверхностно-активного вещества в количестве 3-30 мас.% от общей массы оболочки, либоб) оболочка состоит из термопластичного полимера, устойчивого к среде, имеющей рН>11, привитого активными или ненасыщенными мономерами одного или более типа, составляющими 3-25 мас.% от общей массы оболочки, причем поверхностное натяжение оболочки составляет не менее 45 мН/м.

2. Волокно по п.1, отличающееся тем, что активные или ненасыщенные мономеры выбраны из группы, состоящей из изобутилена, альфа-метилстирола, винилалкиловых эфиров, изопрена, бутилакрилата, метилакрилата, метилметакрилата, бутилакрилата, бутилметакрилата, бутадиена и стирола.

3. Волокно по п.1, отличающееся тем, что эфир жирной кислоты представляет собой глицериновый эфир стеариновой кислоты.

4. Волокно по п.1, отличающееся тем, что амид жирной кислоты представляет собой амид стеариновой кислоты.

5. Волокно по п.1, отличающееся тем, что его ядро содержит одно или более вещество, инициирующие появление в ядре фибриллярных кристаллов, в количестве 0,5-3 мас.% от общей массы ядра и/или один или более высокомолекулярный полимер и/или сополимер в количестве 3-30 мас.% от общей массы ядра.

6. Волокно по п.5, отличающееся тем, что вещество, инициирующее появление в ядре фибриллярных кристаллов, представляет собой мелкодисперсное минеральное вещество, такое как оксид, нитрид, карбид или силикат, средний диаметр частиц которого в 10-50 раз меньше поперечного сечения волокна.

7. Волокно по п.5, отличающееся тем, что высокомолекулярный сополимер выбран из поливинилового спирта и этиленвинилацетата с содержанием винилацетата не более 15 мас.%.

8. Волокно по п.1, отличающееся тем, что термопластичный полимер ядра выбран из группы, включающей изотактический полипропилен, полиэтилен, поли-4-метил-1-пентен и полиэилентерефталат.

9. Волокно по п.1, отличающееся тем, что термопластичный полимер оболочки выбран из группы, включающей изотактический полипропилен, полиэтилен и поли-4-метил-1-пентен.

10. Волокно по п.1, отличающееся тем, что его диаметр составляет 10-50 мкм.

11. Волокно по п.10, отличающееся тем, что его диаметр составляет 18-25 мкм.

12. Волокно по п.1, отличающееся тем, что его длина после резки составляет 3-25 мм.

13. Волокно по п.1, отличающееся тем, что массовое соотношение ядро/оболочка в нем составляет от 50/50 до 90/10.

14. Волокно по п.13, отличающееся тем, что массовое соотношение ядро/оболочка в нем составляет от 85/15 до 90/10.

15. Способ изготовления волокна по любому из пп.1 и 3-14, включающий экструзию расплава основного компонента оболочки и основного компонента ядра через концентрическую фильеру с образованием двухкомпонентной композиции, причем основной компонент ядра и основной компонент оболочки представляют собой термопластичные полимеры, основной компонент оболочки устойчив к среде, имеющей рН>11, и в расплав основного компонента оболочки во время экструзии вводят одно или более гидрофильное и/или поверхностно-активное вещество в количестве 3-30 мас.% от общей массы оболочки.

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что в расплав основного компонента ядра до экструзии вводят одно или более вещество, инициирующее появление фибриллярных кристаллов, в количестве 0,5-3 мас.% от общей массы ядра, и/или один или более высокомолекулярный полимер и/или сополимер в количестве 3-30 мас.% от общей массы ядра.

17. Способ по п.15, отличающийся тем, что проводят вытяжку готового волокна с кратностью 2,5-4,5.

18. Способ по п.15, отличающийся тем, что готовое волокно подвергают поверхностной обработке коронным разрядом и/или поверхностной обработке гидрофильным веществом и/или поверхностно активным веществом, выбранным из группы, состоящей из сложных эфиров жирных кислот и глицида, амидов жирных кислот, полигликолевых сложных эфиров, полиэтоксилированных амидов, неионных поверхностно-активных веществ и катионных поверхностно-активных веществ, или смесью двух и более указанных веществ.

19. Способ изготовления волокна по любому из пп.1-2 и 5-14, включающий экструзию расплава основного компонента оболочки и основного компонента ядра через концентрическую фильеру с образованием двухкомпонентной композиции, причем основной компонент ядра и основной компонент оболочки представляют собой термопластичные полимеры, основной компонент оболочки устойчив к среде, имеющей рН>11, и в качестве основного компонента оболочки используют термопластичный полимер, привитый активными или ненасыщенными мономерами, составляющими 3-25 мас.% от общей массы оболочки.

20. Способ по п.19, отличающийся тем, что в расплав основного компонента ядра до экструзии вводят одно или более вещество, инициирующее появление фибриллярных кристаллов, в количестве 0,5-3% от общей массы ядра, и и/или один или более высокомолекулярный полимер и/или сополимер в количестве 3-30 мас.% от общей массы ядра.

21. Способ по п.19, отличающийся тем, что проводят вытяжку готового волокна с кратностью 2-12.

22. Способ по п.19, отличающийся тем, что готовое волокно подвергают поверхностной обработке коронным разрядом и/или поверхностной обработке гидрофильным веществом и/или поверхностно-активным веществом, выбранным из группы, состоящей из сложных эфиров жирных кислот и глицида, амидов жирных кислот, полигликолевых сложных эфиров, полиэтоксилированных амидов, неионных поверхностно-активных веществ и катионных поверхностно-активных веществ, или смесью двух и более указанных веществ.

23. Цементный продукт, полученный из бетонной смеси, или строительного раствора, или цементной пасты, содержащий дисперсию синтетического волокна, отличающийся тем, что синтетическое волокно представляет собой волокно по любому из пп.1-14, причем количество синтетического волокна составляет 0,01-0,05 мас.% по отношению к цементному материалу.

24. Способ изготовления цементного продукта, включающий приготовление бетонной смеси или строительного раствора, или цементной пасты, затворенных водой, введение синтетических волокон, перемешивание приготовленной смеси, раствора или пасты и заливку ее для получения заданной конфигурации изделий, отличающийся тем, что в качестве указанных синтетических волокон используют волокна по любому из пп.1-14.

25. Способ по п.24, отличающийся тем, что указанные волокна имеют длину не менее 3 мм, но менее 8 мм.

26. Способ по п.24, отличающийся тем, что указанные волокна имеют длину от 8 до 25 мм.

27. Способ по п.24, отличающийся тем, что указанные бетонная смесь или цементная паста дополнительно включают пластификатор, представляющий собой органическую поверхностно-активную добавку гидрофильного или гидрофобного типа.

www.findpatent.ru

Синтетическое волокно для объемного армирования цементного продукта и способ его изготовления (варианты), цементный продукт, содержащий дисперсию синтетического волокна, и способ его изготовления

Изобретение относится к технологии получения синтетических волокон, которые могут быть использованы для объемного армирования цементных продуктов. Волокно выполнено коаксиальным типа ядро/оболочка. Ядро содержит термопластичный полимер. Оболочка содержит или термопластичный полимер, устойчивый к среде, имеющей рН>11, и одно или более гидрофильное и/или поверхностно-активное вещество в количестве 3-30% общей массы оболочки, или оболочка содержит термопластичный полимер, устойчивый к среде, имеющей рН>11, привитый активными или ненасыщенными мономерами, составляющими 3-25% от общей массы оболочки. В обоих случаях поверхностное натяжение оболочки составляет не менее 45 мН/м. Способ изготовления волокна включает экструзию расплава основного компонента оболочки и основного компонента ядра через концентрическую фильеру, причем в расплав оболочки во время экструзии вводят гидрофильное и/или поверхностно-активное вещество. Цементный продукт получают из бетонной смеси, строительного раствора или цементной пасты, содержащей дисперсию такого волокна. Изобретение обеспечивает получение волокон с равномерно гидрофильной поверхностью и высоким значением поверхностного натяжения, высокими прочностными показателями, что оказывает влияние на прочность и долговечность армированных цементных продуктов. 5 н. и 22 з.п. ф-лы, 3 табл.

Область изобретения

Настоящее изобретение относится к синтетическим волокнам, пригодным для объемного армирования цементных продуктов.

Предшествующий уровень техники

Известно, что цементные продукты обладают рядом технических и экономических преимуществ перед другими строительными материалами. Однако применение цементных продуктов во многих случаях ограничено из за их недостаточной прочности и недостаточной долговечности, которые вызваны образованием неструктурных усадочных трещин.

Возникновение неструктурных усадочных трещин в цементных продуктах связано с тем, что при изготовлении цементных продуктов из цементного раствора в них образуются трещины малых размеров (так называемые микротрещины). В дальнейшем, при приложении разовой или постоянной нагрузки к изделию из цементного продукта или под действием собственной массы такого изделия, микротрещины начинают распространяться, их количество и размеры увеличиваются, и они преобразуются в более крупные неструктурные усадочные трещины, вызывающие уменьшение прочности и разрушение изделия из цементного продукта. Предотвращая распространение микротрещин, можно увеличить эффективную прочность цементного продукта и способствовать увеличению его долговечности.

Для придания цементному продукту дополнительной физико-механической прочности используются различные армирующие компоненты, такие как металлическая арматура, минеральные элементы и синтетические волокна. При этом известно, что именно синтетические волокна могут наиболее эффективно предотвращать развитие неструктурных усадочных трещин из микротрещин, так как они являются наиболее тонкими из перечисленных типов армирующих компонентов, и их размеры сопоставимы с размерами микротрещин.

Таким образом, объемное армирование цементного продукта синтетическими волокнами позволяет компенсировать главные недостатки цементного продукта - усадочное трещинообразование, низкую прочность при растяжении и хрупкость разрушения, и, как следствие, цементный продукт с волоконным компонентом имеет более высокую прочность при сжатии, прочность при растяжении, прочность на срез, ударную и усталостную прочность, трещиностойкость, морозостойкость и водонепроницаемость по сравнению с цементным продуктом, не содержащим объемно-армирующего синтетического волокна.

Однако не все синтетические волокна одинаково пригодны для использования в цементных продуктах. Прежде всего, следует учитывать такие показатели, как прочность, деформативность, химическая стойкость армирующего материала, его адгезия к водной суспензии цементов. Предпочтительно, чтобы свойства синтетического волокна, используемого для объемного армирования были такими, чтобы их применение позволяло полностью или частично отказаться от использования металлических армирующих элементов в цементном продукте, так как применение металлической арматуры увеличивает вес цементного продукта, а также затраты на его изготовление. В частности, для полноценной работы синтетического волокна как компонента цементного продукта, эффективно предотвращающего образование микротрещин, очень важно, чтобы волокна равномерно диспергировались в объеме цементного раствора, поскольку только в таком случае образование микротрещин может предотвращаться во всем объеме цементного продукта.

В патенте РФ 2274618 описывается цементный продукт (бетон), содержащий пуццолановые компоненты и заполнитель с размером частиц не более 10 мм, армированный металлическими и синтетическими волокнами. Синтетические волокна составляют 0,1-3 об.% бетона после схватывания. Предпочтительно синтетические волокна имеют толщину менее 80 мкм, длину от 1,5 мм до 12 мм и состоят предпочтительно из полиэтилена или полипропилена.

В патенте РФ 2245858 описывается цементный продукт (бетон), содержащий органические волокна, которые могут состоять из полиэтилена, в том числе полиэтилена высокой плотности, полипропилена и других синтетических полимеров. Для усиления сцепления органических волокон в цементный раствор для приготовления указанного бетона дополнительно вводят вещество, выбранное из кремнезема, осажденного карбоната кальция, фосфата, латекса, поливинилового спирта и противовспенивающей присадки. Также указанный бетон дополнительно включает армирующие наполнители, представляющие собой металлические волокна или волокна из других неорганических материалов.

Применение полиолефиновых синтетических волокон для объемного армирования цементных продуктов согласно приведенным выше патентам не позволяет полностью отказаться от использования металлической арматуры и неорганических волокон в цементном продукте. Вследствие этого изготовление цементного продукта согласно патентам РФ 2274618 и РФ 2245858 требует достаточно больших затрат, и масса полученного продукта увеличивается за счет включения металлического армирующего компонента. Одной из причин, приводящих к необходимости использования металлической арматуры в продуктах согласно этим патентам, является то, что полноценная работа волокна во всем объеме цементного продукта невозможна, так как не происходит равномерного распределения волокна в объеме цементного раствора. Это связано с тем, что поверхностное натяжение полиэтиленового синтетического волокна, использующегося согласно этим патентам, меньше поверхностного натяжения воды, поэтому полиэтиленовые синтетические волокна не могут гомогенно диспергироваться в водной среде цементного раствора.

Лучших результатов можно достичь при использовании синтетического волокна, которое прошло обработку, увеличивающую поверхностное натяжение волокна и делающую его поверхность равномерно гидрофильной. Благодаря такой обработке синтетические волокна распределяются равномерно в массе цементного раствора.

Так, в патенте РФ 2074153, который является наиболее близким аналогом настоящего изобретения, раскрыты пучки синтетических волокон для дисперсного армирования изделий на основе цемента. Согласно данному патенту в цементный раствор вводят пучки синтетических волокон, содержащие 10-10000 элементарных волокон на пучок. Пучки синтетических волокон перед введением в цементный раствор подвергают обработке смачивающим агентом, повышающим поверхностное натяжение элементарных волокон. Для увеличения поверхностного натяжения наряду с обработкой смачивающим агентом может также использоваться обработка пучков волокон коронным разрядом. Элементарные синтетические волокна согласно данному патенту представляют собой полиолефиновые волокна, предпочтительно полиэтиленовые или полипропиленовые волокна.

Однако хотя синтетические волокна, использующиеся согласно патенту РФ 2074153, позволяют избежать применения металлической арматуры, цементные продукты, в которых используются такие волокна, все же обладают не очень высокой прочностью. Это связано с тем, что поверхностная обработка волокна гидрофилизирующими агентами не позволяет достичь одинакового поверхностного натяжения на всей поверхности волокна, и, более того, при обработке волокон в пучке, как это описывается в патенте РФ 2074153, отдельные волокна могут оставаться необработанными, что в еще большей степени ухудшает диспергирование таких волокон в цементном продукте.

Следовательно, существует необходимость улучшить показатели гидрофильности волокон, такие как величина поверхностного натяжения и равномерность распределения этого показателя по поверхности волокна.

Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание синтетического волокна для объемного армирования цементных продуктов, которое имеет равномерно гидрофильную поверхность с высоким значением поверхностного натяжения, позволяющим таким волокнам равномерно диспергироваться в объеме цементного продукта, и при этом имеет высокие прочностные показатели, такие как высокая прочность на разрыв, высокий модуль упругости и малое относительное удлинение при разрыве.

Неожиданно оказалось, что поставленную задачу можно решить созданием синтетического волокна, которое представляет собой коаксиальное волокно типа ядро/оболочка, где ядро содержит термопластичный полимер, предпочтительно полиэтилен, полипропилен, поли-4-метил-1-пентен или полиэтилентерефталат, а оболочка содержит термопластичный полимер, устойчивый к среде, имеющей рН>11, а также гидрофильные и/или поверхностно-активные вещества в количестве 3-30% от общей массы оболочки, или оболочка содержит термопластичный полимер, устойчивый к среде, имеющей рН>11, привитый активными или ненасыщенными мономерами в количестве 3-25% от общей массы оболочки, причем в обоих случаях достигается поверхностное натяжение оболочки не менее 45 мН/м.

Краткое описание изобретения

Авторами настоящего изобретения было показано, что наиболее высоких значений поверхностного натяжения и более равномерной гидрофильности как в пределах пучка волокон, так и в пределах поверхности единичного волокна можно достичь, если помимо или вместо поверхностной обработки готового волокна веществами, придающими поверхности волокна гидрофильность, включать указанные вещества непосредственно в состав расплава полимера перед экструзией волокна или прививать полимер волокна сомономерами, повышающими его гидрофильность. Однако, как было установлено авторами, как при включении в состав волокна веществ, придающих ему гидрофильность, так и при внесении в полимер волокна привитых сомономеров прочность получающегося волокна снижается до значений, слишком малых для того, чтобы такое волокно могло эффективно противостоять образованию усадочных трещин и не рвалось под действием усадочных напряжений. Это связано с тем, что вещества, придающие поверхности волокна гидрофильность, как и гидрофильные сомономеры, в большинстве своем являются достаточно крупными молекулами, сопоставимыми по размерам с мономерами основного полимера, составляющего волокно, поэтому они влияют на пространственную ориентацию молекул основного полимера, разупорядочивая ее.

Для решения этой проблемы авторами настоящего изобретения предложено изменить структуру волокон для объемного армирования. В то время как все известные в уровне техники синтетические волокна, использующиеся для объемного армирования цементных продуктов, представляют собой однокомпонентные волокна, авторы изобретения предложили использовать для объемного армирования двухкомпонентное волокно, в котором описанным выше модификациям, обеспечивающим высокую и равномерную гидрофильность и ухудшающим прочность, подвергается только оболочка, а прочность волокна обеспечивается ядром, не подвергающимся указанным модификациям. Таким образом, технический результат настоящего изобретения, заключающийся в создании волокна, сочетающего высокую и равномерную гидрофильность поверхности и как минимум удовлетворительную прочность, достигается за счет особой двухкомпонентной структуры волокна.

Таким образом, согласно настоящему изобретению предложено синтетическое волокно для объемного армирования цементного продукта, отличающееся тем, что оно представляет собой коаксиальное волокно типа ядро/оболочка, где ядро содержит термопластичный полимер, а оболочка содержит либо

а) термопластичный полимер, устойчивый к среде, имеющей рН>11, а также одно или более гидрофильное и/или поверхностно-активное вещество в количестве 3-30% общей массы оболочки, или

б) оболочка содержит термопластичный полимер, устойчивый к среде, имеющей рН>11, привитый активными или ненасыщенными мономерами, составляющими 3-25% от общей массы оболочки,

причем поверхностное натяжение оболочки составляет не менее 45 мН/м.

Также согласно изобретению предложен способ изготовления указанного синтетического волокна, включающий экструзию расплава основного компонента оболочки и основного компонента ядра через концентрическую фильеру с образованием двухкомпонентной композиции, причем основной компонент ядра и основной компонент оболочки представляют собой термопластичные полимеры, основной компонент оболочки устойчив к среде, имеющей рН>11, и в расплав основного компонента оболочки во время экструзии вводят одно или более гидрофильное и/или поверхностно-активное вещество в количестве 3-30 мас.% от общей массы оболочки.

Помимо этого, предложен способ изготовления указанного синтетического волокна, включающий экструзию расплава основного компонента оболочки и основного компонента ядра через концентрическую фильеру с образованием двухкомпонентной композиции, причем основной компонент ядра и основной компонент оболочки представляют собой термопластичные полимеры, основной компонент оболочки устойчив к среде, имеющей рН>11, и в качестве основного компонента оболочки используют термопластичный полимер, привитый активными или ненасыщенными мономерами, составляющими 3-25 мас.% от общей массы оболочки.

Далее согласно изобретению предложен цементный продукт, полученный из цементного вяжущего, такого как бетонная смесь, или строительного раствора, или цементной пасты, содержащий дисперсию синтетического волокна, отличающийся тем, что в качестве синтетического волокна в нем применяется волокно по изобретению.

Также согласно изобретению предложен способ изготовления указанного цементного продукта, включающий приготовление бетонной смеси или цементного раствора, затворенных водой, введение синтетических волокон, перемешивание приготовленной смеси или раствора и заливку ее для получения заданной конфигурации изделий, отличающийся тем, что в качестве указанных синтетических волокон используют волокна по изобретению.

Подробное описание изобретения

Согласно настоящему изобретению предложено синтетическое волокно для объемного армирования цементного продукта, отличающееся тем, что оно представляет собой коаксиальное волокно типа ядро/оболочка, где ядро содержит термопластичный полимер, а оболочка содержит термопластичный полимер, устойчивый к среде, имеющей рН>11 (значение рН, характерное для среды цементного раствора), а также гидрофильные и/или поверхностно-активные вещества в количестве 3-30% от общей массы оболочки. В качестве альтернативы оболочка может содержать термопластичный полимер, устойчивый к среде, имеющей рН>11, привитый активными или ненасыщенными мономерами в количестве 3-25 мас.% от общей массы оболочки. При этом как вследствие внесения гидрофильных и/или поверхностных веществ в оболочку, так и вследствие прививания полимера оболочки активными или ненасыщенными сомономерами, поверхностное натяжение оболочки составляет не менее 45 мН/м.

Волокно по изобретению обладает хорошими показателями прочности благодаря высокопрочному термопластичному полимеру ядра, и при этом благодаря поверхностному натяжению оболочки не менее 45 мН/м, достигающемуся вследствие описанных выше модификаций оболочки, это волокно равномерно диспергируется в объеме цементного продукта. Возможность изготовить волокно, сочетающее эти свойства, достигается благодаря тому, что гидрофильные и/или поверхностно-активные веществ вещества добавляются в оболочку и не попадают в ядро, то есть отрицательный эффект этих веществ на показатели прочности полимера в ядре предотвращается, и ядро оказывается достаточно прочным, для того чтобы обеспечить высокую прочность всего волокна.

Гидрофильные и/или поверхностно-активные вещества, которые включает оболочка волокна по изобретению, предпочтительно представляют собой гидрофильные полимеры или сополимеры. При этом наиболее предпочтительно, чтобы эти гидрофильные полимеры или сополимеры были выбраны из группы, состоящей из полигликолевого сложного эфира, полиэтоксилированного амида, этиленвинилацетата с содержанием винилацетата не менее 30 мас.%, сополимера этилена-акриловой кислоты, полиэтиленгликольалурилового простого эфира, алкил-фосфат-аминового сложного эфира, этилендиамин-полиэтиленгликоля.

Также предпочтительно указанные гидрофильные и/или поверхностно-активные вещества представляют собой эфиры или амиды жирных кислот. При этом наиболее предпочтительно, чтобы эфиры или амиды жирных кислот были выбраны из сложного глицеринового эфира стеариновой кислоты и амида стеариновой кислоты.

Также предпочтительно указанные гидрофильные и/или поверхностно-активные вещества представляют собой неионные поверхностно-активные вещества или катионные поверхностно-активные вещества.

Одним из наиболее предпочтительных примеров гидрофильного вещества, которое можно вводить в оболочку волокна по изобретению, является этиленвинилацетат (сэвилен) - продукт сополимеризации этилена и винилацетата.

Свойства этиленвинилацетата зависят, главным образом, от содержания винилацетата. С повышением содержания винилацетата уменьшаются твердость, теплостойкость, кристалличность (разрушающее напряжение при растяжении), в то время как гидрофильность и адгезивность увеличиваются. Для введения в оболочку волокна по изобретению применяют этиленвинилацетат с содержанием винилацетата более 30 мас.%, обладающий превосходными свойствами гидрофильности. При этом этиленвинилацетат с содержанием винилацетата 15 мас.% и менее, напротив, обладает малой гидрофильностью, но при этом имеет очень высокую прочность, что позволяет использовать его в качестве добавки, увеличивающей прочность ядра, как будет указано далее.

Как указывалось выше, согласно второй альтернативе волокна по изобретению оболочка содержит, а предпочтительно полностью состоит, из термопластичного полимера, устойчивого к среде, имеющей рН>11, привитого активными или ненасыщенными мономерами, количество которых составляет 3-25 мас.% от общей массы оболочки. Такая структура волокна по изобретению опять же позволяет сочетать хорошие показатели прочности волокна и необходимые гидрофильные свойства. Прививаемые активные или ненасыщенные мономеры сообщают полимеру оболочки поверхностное натяжение не менее 45 мН/м. При этом, хотя эти прививаемые мономеры, так же как упомянутые выше поверхностно-активные вещества, оказывают негативное влияние на прочность полимера оболочки, прочность целого волокна по изобретению остается достаточно высокой, поскольку оно имеет ядро, не содержащее указанных привитых мономеров.

Согласно указанной второй альтернативе волокна по изобретению предпочтительно, чтобы полимер оболочки волокна был привит активными или ненасыщенными мономерами, выбранными из группы, состоящей из изобутилена, альфа-метилстирола, винилалкиловых эфиров, изопрена, бутилакрилата, метилакрилата, метилметакрилата, бутилакрилата, бутилметакрилата, бутадиена и стирола, наиболее предпочтительно бутилакрилата и метилметакрилата.

Предпочтительно термопластичный полимер, входящий в состав ядра, выбран из группы, включающей изотактический полипропилен, полиэтилен, поли-4-метил-1-пентен и полиэтилентерефталат. Прочность этих полимеров даже без описанных выше добавок является достаточно высокой, чтобы волокна, имеющие ядро из этих материалов, могли в удовлетворительной степени противостоять действию усадочных напряжений. При этом использование этих полимеров обеспечивает невысокую себестоимость синтетического волокна благодаря снижению энергозатрат на производство, вызванному тем, что эти полимеры имеют относительно низкую температуру плавления и легко экструдируются.

Предпочтительно термопластичный полимер, входящий в состав ядра, выбран из группы, включающей изотактический полипропилен, полиэтилен и поли-4-метил-1-пентен. Помимо описанных выше преимуществ эти полимеры являются устойчивыми к среде цементного раствора, имеющей рН>11, что обуславливает их применимость в качестве компонентов оболочки.

Предпочтительно ядро волокна по изобретению содержит помимо термопластичного полимера также вещества, инициирующие появление фибриллярных кристаллов, в количестве 0,5-3 мас.% от общей массы ядра и/или высокомолекулярные полимеры и/или сополимеры в количестве 3-30 мас.% от общей массы ядра, благодаря чему могут достигаться следующие показатели прочности ядра:

прочность на разрыв ядра составляет не менее 800 МПа, модуль упругости ядра составляет не менее 8000 МПа, и относительное удлинение при разрыве ядра составляет не более 20%.

Предпочтительно указанные выше вещества, инициирующие появление фибриллярных кристаллов в ядре, представляют собой мелкодисперсные минеральные вещества, такие как оксиды, нитриды, карбиды или силикаты, средний диаметр частиц которых в 10-50 раз меньше поперечного сечения волокна (20-50 мкм).

Указанные выше высокомолекулярные полимеры предпочтительно выбраны из поливинилового спирта и этиленвинилапетата с содержанием винилацетата не более 15 мас.%.

Предпочтительно диаметр синтетического волокна составляет 10-50 мкм, наиболее предпочтительно 18-25 мкм. Такой диаметр сопоставим с размерами обычно возникающих в цементном продукте усадочных трещин, что обеспечивает лучшую работу синтетического волокна как армирующего компонента в цементном продукте.

Длина синтетического волокна зависит от типа цементного продукта, в котором будет применяться это волокно, в первую очередь от размера частиц заполнителя, используемого в цементном растворе. Предпочтительно длина волокна составляет не более 25 мм, так как большая длина может вызвать появление комков в цементном растворе. Также предпочтительно, чтобы длина волокна составляла более 3 мм, так как более короткие волокна не будут эффективно заякориваться между частицами цементного продукта.

Предпочтительно оболочка составляет 10-50 мас.% синтетического волокна, наиболее предпочтительно 10-15 мас.%. Если оболочка будет составлять менее 10 мас.% волокна, существует риск, что при прядении двухкомпонентного волокна через фильеру ядро может оказаться не полностью покрытым оболочкой. Использование оболочки в количестве более 50 мас.% волокна может привести к заметному ухудшению его требуемых механических свойств (модуль упругости, прочность на разрыв и относительное удлинение при разрыве).

Поперечное сечение синтетического волокна по изобретению предпочтительно является круглым, поскольку такая форма позволяет использовать для его производства оборудование, которое обычно применяется для получения синтетических волокон, предназначенных для производства нетканых термоскрепленных материалов.

В еще одном аспекте изобретения предложен способ изготовления описанного выше синтетического волокна типа ядро/оболочка для объемного армирования цементного продукта, включающий экструзию расплава основного компонента оболочки и основного компонента ядра через концентрическую фильеру с образованием двухкомпонентной композиции, отличающийся тем, что основной компонент ядра и основной компонент оболочки представляют собой термопластичные полимеры, причем основной компонент оболочки устойчив к среде, имеющей рН>11, и тем, что в расплав основного компонента оболочки перед экструзией вводят гидрофильные и/или поверхностно-активные вещества в количестве 3-30 мас.% от общей массы оболочки. Благодаря тому что гидрофильные и/или поверхностно-активные вещества добавляют в расплав основного компонента оболочки перед экструзией, они не попадают в ядро волокна, где они препятствовали бы достижению структурной упорядоченности молекул термопластичного полимера, необходимой для достижения требуемой прочности ядра.

Также предложен способ изготовления синтетического волокна типа ядро/оболочка для объемного армирования цементного продукта, включающий экструзию расплава основного компонента оболочки и основного компонента ядра через концентрическую фильеру с образованием двухкомпонентной композиции, при котором основной компонент ядра и основной компонент оболочки представляют собой термопластичные полимеры, причем полимер оболочки устойчив к среде, имеющей рН>11, и в качестве основного компонента волокна используют термопластичный полимер, привитый активными или ненасыщенными мономерами в количестве 3-25 мас.% от общей массы оболочки. Благодаря тому что способ по изобретению по существу исключает взаимное проникновение двух основных компонентов волокна - основного компонента оболочки, включающего модифицированный активными или ненасыщенными мономерами полимер, имеющий поверхностное натяжение не менее 45 мН/м, но не обладающий хорошими показателями прочности, и высокопрочного основного компонента ядра, вторая альтернатива способа по изобретению также позволяет изготовить волокно, обладающее сочетанием указанных выше характеристик прочности и гидрофильности.

Термины "основной компонент ядра" и "основной компонент оболочки" в контексте настоящего изобретения обозначают термопластичные полимеры, в том числе, в случае основного компонента оболочки, привитые активными и/или ненасыщенными мономерами, которые составляют наибольшую массовую долю ядра и оболочки соответственно, задают структуру двухкомпонентного волокна и, преимущественно в случае основного компонента ядра, также обеспечивают механические свойства волокна. Термопластичные полимеры, которые могут составлять основной компонент ядра и основной компонент оболочки, были подробно охарактеризованы выше при описании волокна по изобретению. Специалисту понятно, что, помимо указанных термопластичных полимеров и гидрофильных или поверхностно-активных веществ, как ядро, так и оболочка волокна по изобретению могут содержать любые другие добавки, известные в данной области техники и выполняющие различные функции. Соответственно, обе альтернативы способа по изобретению также могут включать внесение в расплав ядра и/или оболочки таких известных из уровня техники добавок.

В обоих вариантах способа по изобретению в расплав полимера ядра во время экструзии предпочтительно вводят вещества, инициирующие появление фибриллярных кристаллов, в количестве 0,5-3 мас.% от общей массы ядра и/или высокомолекулярные полимеры и/или сополимеры в количестве 3-30 мас.% от общей массы ядра.

Предпочтительно при выполнении обоих вариантов способа по изобретению проводят вытяжку готового волокна с кратностью 2,5-4,5. Это позволяет дополнительно повысить прочность волокна вследствие того, что такая вытяжка способствует дополнительному упорядочиванию пространственной организации полимеров волокна (структурной модификации волокна).

Оба варианта способа изготовления волокна по изобретению предпочтительно включают следующие стадии:

1. Прядение компонента оболочки и компонента ядра в двухкомпонентную композицию из расплава.

2. Вытяжка полученного первичного жгута.

3. Поверхностная обработка, термостабилизация, сушка и резка.

Волокна производят на двух независимых линиях: линия формования волокна и линия вытяжки и резки.

Указанные стадии более подробно описаны ниже.

1. Компоненты оболочки и ядра соответственно плавят в отдельных экструдерах, при этом указанные компоненты перемешивают таким образом, чтобы расплавы имели однородную консистенцию. Температура расплавленных компонентов в экструдерах должна быть выше соответствующих точек плавления этих компонентов и должна гарантировать определенные характеристики вязкости, благоприятные для последующего прядения волокон. При этом в расплав ядра при необходимости добавляют описанные выше компоненты, увеличивающие прочность ядра, а в расплав оболочки при выполнении способа согласно первому варианту добавляют описанные выше компоненты, увеличивающие его гидрофильность. Согласно второму варианту указанного способа в качестве основного компонента оболочки используют полимер, привитый описанными выше активными или гидрофильными мономерами.

Расплавленные компоненты оболочки и ядра через распределительную и фильтрующую системы подают на фильерную балку, и далее они проходят через фильеры. Количество фильер может быть 4-10 штук. Получение двухкомпонентных волокон из полимеров более сложно, чем получение однокомпонентных волокон, поскольку две составляющих двухкомпонентного волокна должны соответствующим образом распределяться у отверстий. Поэтому для получения двухкомпонентных волокон используют специальный тип фильер, который объединяет соответствующие потоки расплавов в заданную концентричную схему. Диаметр отверстий в фильтре зависит от диаметра получаемых двухкомпонентных волокон. Количество формирующих отверстий составляет около 1800 штук. Сформированные волокна, имеющие концентрическое сечение, попадают в охлаждающую шахту, где они охлаждаются потоком воздуха. На выходе из колодцев волокна собирают в общий жгут и проводят их предварительную вытяжку. Предварительная вытяжка (с кратностью приблизительно 1,1-1,8) предназначена для предотвращения хрупкости волокна и лучшей упаковки его в кэны (тара для перемещения жгута на линию вытяжки). Также возможна намотка волокна на шпули или бобины.

2. Жгут волокон далее вытягивают методом так называемой нелинейной вытяжки, которую осуществляют отдельно от процесса прядения. Вытяжку обычно осуществляют на оборудовании с использованием ряда горячих валов и ванн горячего раствора (либо пропаривателей), на которых одновременно вытягивают весь жгут волокон. Жгут волокон проходит сначала через один ряд валов, затем проходит через ванну с горячим раствором (пропариватель) и затем через второй ряд валов. Скорость вращения второго ряда валов больше, чем скорость вращения первого ряда валов, поэтому нагретый жгут волокна вытягивают с кратностью вытяжки, зависящей от соотношения между первой и второй скоростью. Дополнительно могут использовать вторую ванну с горячим раствором (пропариватель) и третий ряд валов (двухступенчатая вытяжка), причем третий ряд валов имеет более высокую скорость вращения, чем второй ряд. В этом случае кратность вытяжки представляет собой соотношение между скоростью вращения последнего и первого рядов валов.

Определенная кратность вытяжки способствует получению волокна с заданной прочностью на разрыв.

Синтетические волокна по изобретению вытягивают с кратностью вытяжки, составляющей примерно 2-12. Для получения требуемых значений прочности на разрыв предпочтительно осуществлять вытяжку с кратностью 2,5-4,5.

3. Предпочтительно синтетические волокна по изобретению дополнительно подвергают поверхностной обработке коронным разрядом и/или поверхностной обработке гидрофильным веществом и/или поверхностно-активным веществом, выбранным из группы, состоящей из сложных эфиров жирных кислот и глицида, амидов жирных кислот, полигликолевых сложных эфиров, полиэтоксилированных амидов, неионных поверхностно-активных веществ и катионных поверхностно-активных веществ, или смесью двух и более указанных веществ. Благодаря такой поверхностной обработке можно придать поверхности волокна еще лучшие гидрофильные свойства.

После этого волокна термофиксируют и сушат в конвейерной печи, а затем высушенный жгут подают к резаку «Режущая машина Neumag», где волокна разрезают на отрезки желаемой длины (3-25 мм).

Полученные жгуты волокон упаковывают в водорастворимые мешки или полиэтиленовые или пропиленовые мешки, которые требуют распаковки. Вес упакованного волокна - 0,6-0,9 кг.

В еще одном аспекте настоящего изобретения предложен цементный продукт, полученный из бетонной смеси, или строительного раствора, или цементной пасты, содержащий дисперсию синтетического волокна по изобретению.

Цементный продукт по изобретению представляет собой объемно-армированный цементный продукт, обладающий высокими физико-механическими свойствами, получаемый в результате смешивания, формования и твердения смеси на основе гидравлического вяжущего вещества. Смесь состоит из гидравлического вяжущего вещества, воды, заполнителей и специальных добавок и гомогенно распределенного в объеме бетонной смеси объемно-армирующего синтетического волокна. Объемно-армирующее синтетическое волокно, используемое в цементном продукте по изобретению, является волокном по изобретению.

Существует большое количество разновидностей цементных продуктов, подразделяющихся по назначению на конструкционные и специальные. По средней плотности цементные продукты подразделяются на особо тяжелые (свыше 2500 кг/см куб.), тяжелые (1200-2200), легкие (600-1200) и особо легкие (до 500 кг/см куб.) бетоны. По прочности на сжатие выделяют следующие марки цементных продуктов: тяжелый бетон - 100, 150, 200, 250, 300, 400, 500, 600, 700, 800; и легкий бетон - 25, 35, 50, 75, 100, 150, 200, 300, 400.

По виду вяжущего, структуре, виду заполнителей и области применения цементные продукты также разделяются на: торкрет-бетон, сухая смесь, гидротехнический, тяжелый, облегченный, легкий, декоративный, дорожный, литой бетон, фибробетон и др.

Область применения волокна по изобретению не ограниченна какой-либо разновидностью цементного продукта.

Предпочтительно указанный цементный продукт содержит синтетические волокна по изобретению в количестве 0,01-0,05 мас.%. Количество, большее чем 0,05 мас.%, трудно ввести в бетонную смесь без образования комков, в то же время в количестве менее 0,01 мас.% синтетические волокна не будут оказывать армирующее действие.

В еще одном аспекте настоящего изобретения предложен способ изготовления цементного продукта, включающий приготовление бетонной смеси, или строительного раствора, или цементной пасты, затворенных водой, введение синтетических волокон, перемешивание приготовленной смеси, раствора или пасты и заливку смеси или раствора для получения заданной конфигурации изделий. От известных способов способ изготовления цементного продукта по изобретению отличается тем, что волокна, которые вносят в раствор, представляют собой синтетические волокна по изобретению. Предпочтительно волокна по изобретению вносят в виде жгутов волокон.

Дополнительно в состав цементного раствора для приготовления цементного продукта по изобретению могут вводить органические поверхностно-пластифицирующие добавки, изменяющие кинетику и улучшающие реологические свойства полученного цементного продукта. Предпочтительные пластифицирующие добавки гидрофильного типа включают коммерчески доступные добавки марок С-3, СП-1, С-5, С-62, ЛСТ, «Майти 100», «Сикамет», «Изопластик», Cementol Delta («Сементол Делта»), Cementol Omega F («Сементол Омега Ф»), Addiment BV1 («Аддимент БВ-1»), «Мельмент», «Лигнопан Б-1», «Лигнопан Б-3», «Универсал П-2». Предпочтительные пластифицирующие добавки гидрофобного типа включают коммерчески доступные добавки марок: «Пента-801», «Пента-803», «Пента-804», «Пента-805», «Пента-814», «Пента-820», «Пента-830», ГКЖ, ПФМ МЛК, ГКЖ-94М, гидрофобизирующую жидкость 136-157 М, ГКЖ-10, ГКЖ-11.

Благодаря гидрофильности, которую приобретает поверхность волокон по изобретению в результате введения в оболочку гидрофильных и/или поверхностно-активных веществ или модификации полимера оболочки путем прививания активных и/или ненасыщенных мономеров, при перемешивании бетонной смеси или цементного раствора жгуты полностью распадаются на отдельные волокна, которые равномерно диспергируются в объеме бетонной смеси или цементного раствора и плотно защемляются в цементной массе после окончания твердения.

Предпочтительно жгуты волокон содержат элементарные волокна определенной длины резки. Длина резки волокна в основном зависит от фракции и типа применяемого заполнителя и обуславливается размерами ячеек структуры бетонной матрицы. При применении заполнителя типа песка (0,14-5 мм) для цементно-песчаных растворов и пескобетонов предпочтительная длина резки волокна составляет 3-8 мм. Для бетонов в зависимости от фракции заполнителя предпочтительная длина резки волокна составляет 8-25 мм. Применение волокон, имеющих длину более 25 мм, нежелательно, так как существует опасность образования комков.

Волокна по изобретению можно добавлять в готовую бетонную смесь или цементный раствор. При этом наилучшее диспергирование может быть достигнуто в смесителях гравитационного или принудительного типа.

Также можно перемешивать жгуты волокон по изобретению с сухими компонентами бетонной смеси в процессе производства готовых бетонных смесей, а также при производстве цементно-песчаных сухих смесей (цементно-песчаная монтажно-кладочная смесь, наливной пол, штукатурная и другие смеси).

Если бетон готовят на предприятии по изготовлению сборных бетонных и железобетонных конструкций и изделий, то сухие компоненты смеси смешивают в технологическом порядке, предусмотренном рецептом изготовления бетона, и дозатором или иным способом добавляют необходимое количество волокна. При этом предпочтительно увеличивать продолжительность перемешивания бетонной смеси на 10-20% относительно рекомендуемой ГОСТ 7474-94 для того, чтобы добиться наибольшей возможной гомогенности распределения волокон.

Волокна могут добавлять к смесям на основе цемента в смесителях типа «миксер», установленных на автомобиле, доставляющем готовую бетонную смесь или цементный раствор непосредственно на место укладки.

Количество волокна по изобретению, которое обеспечивает улучшение физико-механических параметров цементного продукта, находится в пределах 0,01-0,05 мас.% по отношению к цементному материалу. Количество более 0,05 мас.% трудно ввести в бетонную смесь без образования комков. Количество волокна 0,01-0,05 мас.% по отношению к цементному материалу увеличивает прочность цементного продукта, находящегося как в жидкопластичном, так и в затвердевшем состоянии. Введение волокна по изобретению оказывает действие немедленно, повышая сцепление бетонной смеси, препятствуя оседанию крупных и тяжелых частиц при уплотнении, обеспечивая пластичность смеси в жидком состоянии и облегчая подачу бетонной смеси насосом. Повышение пластичности в жидкопластичном состоянии предотвращает образование разрывов и расслаивание цементных продуктов на отдельные составляющие при формовании их из бетонной смеси или цементного раствора.

В результате введения в цементный продукт волокон по изобретению осадка конуса и расплыв конуса цементного продукта несколько уменьшаются, но удобоукладываемость смеси улучшается, поэтому после введения волокна по изобретению в бетонную смесь или цементный раствор не имеет смысла добавлять туда воду для увеличения осадки конуса.

Для того чтобы дополнительно уменьшить водопотребность волокна и увеличить удобоукладываемость, а также для того, чтобы контролировать реологию и/или скорость реакции гидравлических вяжущих с водой затворения, в состав бетонной смеси или цементного раствора для изготовления цементного продукта по изобретению могут дополнительно вводить различные органические поверхностно-активные пластифицирующие добавки, известные специалистам в области техники.

Пластифицирующие добавки гидрофильного типа включают, но не ограничиваются указанным, коммерчески доступные добавки марок С-3, СП-1, С-5, С-62, ЛСТ, «Майти 100», «Сикамет», «Изопластик», Cementol Delta («Сементол Делта»), Cementol Omega F («Сементол Омега Ф»), Addiment ВV1 («Аддимент БВ-1»), «Мельмент», «Лигнопан Б-1», «Лигнопан Б-3», «Универсал П-2».

Пластифицирующие добавки гидрофобного типа включают, но не ограничиваются указанным, коммерчески доступные добавки марок «Пента-801», «Пента-803», «Пента-804», «Пента-805», «Пента-814», «Пента-820», «Пента-830», ГКЖ, ПФМ МЛК, ГКЖ-94М, гидрофобизирующая жидкость 136-157 М, ГКЖ-10, ГКЖ-11.

Далее изобретение иллюстрируется рядом примеров, которые никак не ограничивают его объем, определяемый формулой изобретения.

Пример 1. Изготовление синтетического волокна длинной резки

Волокно изготовили, расплавив полипропилен 21020-02, сорт 1, ГОСТ 26996-86, в двух отдельных экструдерах, причем в одном из экструдеров в расплав полипропилена добавили этиленвинилацетат в количестве 20 мас.% расплава. Этот расплав использовали для образования оболочки волокна. В другой расплав, который использовали для получения ядра, дозатором вводили поливиниловый спирт, выступающий как когезионно-сшивающий агент, в количестве 7 мас.% расплава.

Затем расплавы из экструдеров по магистралям подавали в фильерную балку и распределяли по фильерам, на которых происходило формование волокна типа ядро/оболочка с концентрическим расположением ядра и оболочки. Волокна затем охлаждали потоком воздуха. Затем их подвергали обработке коронным разрядом и осуществляли предварительную вытяжку кратностью 1,2. Сформированные жгуты волокон укладывали в «кены» (тара для перемещения на линию вытяжки), после чего вытягивали волокно с кратностью вытяжки 3,5, обрабатывали раствором препарата СИНТЕЗИН 7465 и проводили термическую фиксацию. Далее волокно резали на "Режущей машине Neumag" с длиной резки 12 мм. Диаметр изготовленного таким образом волокна составлял 25 мкм, поверхностное натяжение, определенное способом измерения краевого угла смачиваемости и тестирования полимеров DIN 53364, - 53 мН/м. Прочность на разрыв составляла 584 МПа, относительное удлинение при разрыве - 38% (измерение проводили на разрывной машине Р-50 2167).

Пример 2. Приготовление синтетического волокна короткой резки

Синтетическое волокно короткой резки изготовили способом, аналогичным описанному в примере 1, с тем отличием, что волокно резали с длиной 5 мм. Диаметр изготовленного таким образом волокна составлял 25 мкм, поверхностное натяжение - 48 мН/м, относительное удлинение при разрыве - 27%.

Пример 3. Бетон для сборных железобетонных конструкций жилых и промышленных зданий

В строительстве наиболее широко используют обычный тяжелый бетон плотностью 2200-2500 кг/м3 на заполнителях (песок, гравий, щебень) из тяжелых горных пород, а также побочные продукты местной промышленности (например, дробленые и гранулированные металлургические шлаки). Для ускорения твердения бетона при изготовлении сборных железобетонных конструкций применяют тепловую обработку.

Приготовили опытный и контрольный образцы смеси для обычного тяжелого бетона, имеющие следующий состав:

вода = 140 л,

цемент = 350 кг,

щебень = 1415 кг,

песок = 590 кг.

В опытный образец смеси добавили жгуты элементарных волокон, представляющих собой волокно по примеру 1 в дозировке 0,875 кг на 350 кг цементного материала (0,0025 кг на 1 кг цемента).

В контрольный образец смеси добавили жгуты элементарных волокон, представляющих собой полипропиленовое волокно согласно патенту РФ 2074153, имеющее длину 12 мм и диаметр 20 мкм, в дозировке 1,2 кг на 1 м3 смеси согласно патенту РФ 2074153.

По прошествии 28 суток (марочный возраст бетона) измерили прочность при сжатии и ударную вязкость контрольного и опытного образцов. Прочность при сжатии опытного образца на 12,3% превосходила таковую контрольного образца, а ударная вязкость опытного образца была больше в 2,1 раза по сравнению с контрольным.

Возраст бетона, сут Состав Плотность, кг/м3 Rсж, МПа Эффективность применения волокна, %
7 контрольный 2403 25,07 27,8
с волокном по изобретению 2412 32,23
28 контрольный 2413 47,28 12,7
с волокном по изобретению 2436 53,57

Приведена прочность при раскалывании Rtt бетона контрольного состава и бетона с волокном по изобретению в возрасте 28 суток нормального твердения.

Состав Плотность, кг/м3 Rtt, МПа Эффективность применения волокна, %
контрольный 2403 2,75 26,5
с волокном по изобретению 2416 3,48

Увеличение прочностных показателей связано с улучшением адгезионных свойств волокна и увеличением его прочности на разрыв.

Пример 4. Бетон и сухие смеси для наливного пола

В бетонных промышленных полах основными расчетными параметрами являются напряжения при изгибе и при сжатии, водонепроницаемость и устойчивость к ударным и динамическим нагрузкам.

Приготовили опытный и контрольный образцы смеси для наливного пола, имеющие следующий состав:

вода = 140 л,

цемент = 510 кг,

щебень = 1250 кг,

песок = 700 кг.

В опытный образец смеси добавили жгутики элементарных волокон, представляющих собой синтетическое волокно по примеру 1. Дозировка волокна составляла 1,1 кг на 510 кг цементного материала (0,0023 кг на 1 кг цемента).

В контрольный образец смеси добавили жгутики элементарных волокон, представляющих собой полипропиленовое волокно согласно патенту РФ 2074153, имеющее длину 12 мм и диаметр 21 мкм, в дозировке 1,2 кг на м3 смеси.

Сравнение образцов бетона, приготовленных из опытной и контрольной смесей приведенного выше состава, показывают изменение следующих характеристик опытного образца по сравнению с контрольным:

- количество усадочных трещин в опытном образце, измеренное согласно ГОСТ 22690-88, было ниже на 28% по сравнению с контрольным,

- прочность на растяжение при изгибе опытного образца повышалась по сравнению с контрольным на 9,4%,

- удароустойчивость опытного образца повышалась по сравнению с контрольным в 6 раз (натурные сравнительные испытания),

- вязкость разрушения опытного образца увеличивалась в 5-7 раз по сравнению с контрольным образцом.

Пример 5. Ячеистые (пенобетоны) неавтоклавного твердения плотностью D600

Ячеистый бетон является конструкционно-теплоизоляционным материалом для возведения ограждающих конструкций.

Были приготовлены контрольный и опытный образцы смеси, имеющие следующий состав:

цемент - 450 кг,

песок с модулем крупности 1-1,5 - 500 кг,

пенообразователь - 0,7 кг,

вода - 25 кг.

Измерения проводили согласно ГОСТ 21520-89.

Контрольный Опытный с волокном по изобретению Эффективность
Прочность на сжатие, МПа 1,43 1,6 12,5%
Прочность на растяжение, МПа 0,251 0,304 21,1%
Усадка, мм/м 0,42 0,24 42%
Теплопроводность Вт/(м*С) 0,14 0,14 0

Из приведенных выше данных видно, что введение волокна по изобретению в ячеистый бетон приводит к увеличению показателей прочности, при этом теплопроводность контрольного и опытного образцов не изменяется.

Пример 6. Изготовление синтетического волокна с длиной резки 18 мм и фибриллированной структурой ядра

Коаксиальное волокно, имеющее структуру ядро/оболочка, получали путем расплавления двух полимеров при температуре 290°С.

В качестве основного компонента ядра использовали коммерчески доступный линейный полиэтилен низкого давления (ПЭНД) с М=2,45×105, а в качестве основного компонента оболочки - полипропилен 21020-02, сорт 1, ГОСТ 26996-86. Эти компоненты подавали в два отдельных экструдера, имеющих дополнительные дозирующие устройства.

В расплав полипропилена, являющегося основным компонентом оболочки, добавляли в количестве 25 мас.% по отношению к общей массе оболочки полиэтиленгликольалуриловый простой эфир с диспергированным в нем инициатором радикальной полимеризации и подвергали компоненты расплава радикальной сополимеризации с получением привитого сополимера, где полиэтиленгликольалуриловый простой эфир выступал в качестве привитого сомономера. Полученный сополимер составлял 100 мас.% оболочки волокна.

В основной компонент ядра в качестве искусственного зародышеобразователя вводили микротальк (А3-С). Введение А3-С в расплав полимера ядра приводит к образованию совершенной кристаллической структуры, поскольку он увеличивает число центров кристаллизации и тем самым уменьшает размер кристаллических образований.

Расплавы из экструдеров по магистралям подавали в фильерную балку и распределяли по фильерам, на которых происходило формование волокна типа ядро/оболочка с концентрическим расположением ядра и оболочки.

Волокно, формованное из расплава, помещали в охлаждающую камеру, где подвергали охлаждению при температуре, близкой к температуре стеклования (Т=10°С). Эти условия являются оптимальными для формирования изотропной структуры ядра волокна.

После вытягивания волокна из расплава осуществляли процесс ориентационной вытяжки на вытяжных стендах. Вытяжку осуществляли при низких скоростях растяжения (V=60 м/мин) и в три стадии с последовательным повышением температуры на каждой следующей стадии.

Первую стадию вытяжки осуществляли при температуре 110°С с кратностью вытяжки 6,25. При такой температуре появляется сегментальная подвижность в кристаллах полиэтилена, и, таким образом, создаются условия для разворачивания цепей и трансформации складчатых кристаллов в фибриллярные.

На второй и третьей стадиях температура вытяжки составляла 115 и 120°С соответственно, и кратность вытяжки составляла соответственно 5,0 и 4,6.

Структуру волокон исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа Minisem (Япония). Было установлено, что основным структурным элементом ядра волокон, полученных описанным выше способом, включающим ориентационную вытяжку, являются макрофибриллярные образования, вытянутые вдоль оси волокна. Именно при указанной выше кратности вытяжки осуществляется переход от мелкокристаллитной исходной структуры волокна к фибриллярной структуре, содержащей кристаллы с развернутыми цепями. Главным структурным элементом здесь являются нитеподобные микрофибриллы, разделенные микрополостями и вытянутые вдоль оси вытяжки. Микрофибриллы плотно уложены в макрофибриллах, а отдельные макрофибриллы соединены между собой поперечными напряженными проходными цепями, которые обеспечивают связанность элементов структуры в объеме ядра волокна.

Волокна затем охлаждали потоком воздуха и подвергали обработке коронным разрядом 2. Сформированные жгуты волокон укладывали в «кены» (тара для перемещения на линию вытяжки), после чего обрабатывали раствором препарата СИНТЕЗИН 7465 и проводили термическую фиксацию. Далее волокно резали на "Режущей машине Neumag" с длиной резки 18 мм. Диаметр изготовленного таким образом волокна составлял 27 мкм, поверхностное натяжение, определенное способом измерения краевого угла смачиваемостии и тестирования полимеров DIN 53364, - 58 мН/м.

Показатели прочности полученного волокна были следующими:

модуль упругости = 12 ГПа,

прочность при разрыве = 1,15 ГПа,

относительное удлинение при разрыве = 12%.

bankpatentov.ru


Смотрите также