Строительство и архитектура/4. Современные строительные материалы

Аспирант Федоров В.И.

Д.т.н., профессор Местников А.Е.

Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова, Россия

Дисперсно-армированный пенобетон на основе магнезиального цемента и целлюлозных фибр

Разработка энергосберегающих строительных материалов является приоритетным направлением в строительной индустрии РФ. Именно от свойств того или иного материала зависит надежность и долговечность строительных конструкций в целом. Одним из перспективных материалов, эксплуатируемых в суровых климатических условиях, является пенобетон.

Для улучшения эксплуатационных характеристик пенобетона следует решить противоречивую задачу, суть которой заключается в следующем: для повышения прочностных показателей увеличивают плотность, что приводит к повышению коэффициента теплопроводности, а при понижении плотности снижаются коэффициент теплопроводности и соответственно прочность.

Для решения вышерассмотренной задачи, следует изучить механику разрушения строительного композита. Разрушение любого строительного материала начинается с так называемого «слабого места». Другими словами, в местах, где концентрируются внутренние напряжения и в последующем появляются микротрещины, которые при дальнейшем нагружении расширяются и постепенно начинается процесс разрушения материала [1]. Трещина, в свою очередь, расширяется под воздействием растягивающих напряжений внутри пенобетона. Из-за наличия таких дефектных мест, пенобетон полностью не использует свою несущую способность. Таким образом, следует равномерно распределить внутренние напряжения по всему объему материала для предотвращения концентрации напряжений. Наиболее рациональным способом является введение фибр, который позволяет получить эффект пространственного армирования [1]. Данный технологический прием позволяет передать растягивающую нагрузку от матрицы композита к фибре. Получаемый эффект передачи напряжений позволяет замедлить процесс образования и раскрытия трещин тем самым повышая механические характеристики пенобетона.

Нами в работе использованы не традиционные виды фибр, а целлюлозные фибры, полученные переработкой обыкновенной макулатуры. На практике обычно применяют стальные, базальтовые, стеклянные и полимерные виды фибр. Но из-за гидрофобности (несмачиваемости) и ровности их поверхности у них низкое сцепление с минеральной матрицей бетона. У фибр на основе переработанной макулатуры поверхность гидрофильная, шереховатая и пористая, что приводит к высокому сцеплению фибры с минеральной матрицей.

Для получения целлюлозной фибры из макулатуры, ее подвергают диспергированию в сухом состоянии [3]. Другими словами макулатура измельчается до образования отдельных волокон-фибр в ножевой дробилке. На основе такой фибры нами изучен неавтоклавный пенобетон, дисперсно-армированный целлюлозными фибрами. В качестве связующего использовано магнезиальное вяжущее, затворителем - раствор хлорида магния, а в качестве порообразователя – пенообразователь марки «ПБ-Люкс».

Необходимо отметить, что при неправильном подборе соотношения МgO:MgCl₂ изделия растрескиваются [2, 4], что значительно снижает механические характеристики пенобетона. Исходя из этого, составлены десять составов магнезиального вяжущего с различной концентрацией хлорида магния. На основе каждого состава изготовлены образцы-балочки размером 40х40х160 мм, которые были испытаны после достижения 7 суток твердения в воздушно-сухих условиях, результаты испытаний приведены на рис. 1.

Из рис. 1а видно, что оптимальная концентрация раствора хлорида магния достигается при 35%. На основе полученных данных изготовлены образцы пенобетона с различной концентрацией целлюлозных фибр. После достижения 28 суток твердения в воздушно-сухих условиях, образцы испытаны на прочность при сжатии, результаты испытаний приведены на рис. 1б.

Рисунок 1 – Изменение прочности на сжатие от концентрации раствора хлорида магния

Как и предполагалось, введение целлюлозных фибр повышает прочность на сжатие пенобетона. Из рис. 2 видно, что оптимальная концентрация целлюлозных фибр составляет 1%, так как при этом значении достигается максимальная прочность на сжатие. Дальнейшее увеличение концентрации приводит к постепенному снижению прочности. Данный эффект объясняется тем, что при излишнем количестве волокон, структура пенобетона разрыхляется, тем самым нарушается однородность стенок пор.

Рисунок 2 – Влияние концентрации целлюлозных фибр на прочность при сжатии

При оптимальном содержании целлюлозных фибр прочность на сжатие пенобетона увеличивается на 18,7% относительно пенобетона без содержания фибр. Исходя из всего вышерассмотренного, пенобетоны с применением целлюлозной фибры являются перспективным строительным материалом. За счет повышения прочности при сохранении плотности возможно снижение толщины ограждающей конструкции на его основе с сохранением основных физико-механических и теплотехнических свойств.

Литература:

1. Рабинович Ф.Н. Композиты на основе дисперсно-армированных бетонов: Монография. М.: Издательство АСВ, 2004. С. 560.

2. Лукаш Е.В., Кузьменков М.И. Неавтоклавный пенобетон на основе магнезиального цемента // Строительные материалы. 2012. №11. С. 33-35.

3. Ванчаков М.В., Кулешов А.В., Коновалова Г.Н. Технология и оборудование для переработки макулатуры: Учеб. пособие. СПбГТУРП. СПб., 2011. Ч. I. С. 99.

4. Волженский А.В., Буров Ю.С., Колокольников В.С. Минеральные вяжущие вещества: Учебник. М.: Стройиздат, 1979. С. 476.