Широкому внедрению композиций со стеклянными волокнами препятствует их недостаточная долговечность, обусловленная интенсивной коррозией и разрушением стекловолокна в цементном камне.

Причинами разрушения стекловолокна в цементной матрице могут быть кристаллизационное давление, создаваемое в процессе твердения цементного камня ростом гидратных новообразований в устьях трещин и микродефектах поверхности волокон, а также выщелачивание и разрушение кремнекислородного каркаса в поверхностных слоях волокна щелочесодержащей фазой цемента. Причем, эти причины могут иметь место одновременно, но в зависимости от условий один из процессов может преобладать.

К настоящему времени получение долговечных стеклоцементных композиций идет по нескольким направлениям, а именно:

• создание специальных щелочестойких стекловолокон;
• разработка эффективных защитных покрытий для стекловолокна;
• обработка стеклоцементных конструкций различными составами и способами;
• создание новых видов малощелочных вяжущих, неагрессивных по отношению к стекловолокну, или модифицирование известных вяжущих с помощью различных добавок для снижения агрессивного воздействия на волокна,

Одним из наиболее перспективных направлений по созданию долговечных стеклоцементных композиций является применение неагрессивных по отношению к стекловолокну вяжущих.

Первостепенную роль в создании композиционных материалов армированием волокнами играет правильный выбор волокон и вяжущего» В связи с этим при выборе необходимо учитывать не только технологичность, прочность, экономичность, но и долговечность, которая тесно связана со стойкостью волокон в матрице и их адгезией к ней.

Основным условием этого являются применение вяжущих систем с таким показателем рН, при котором в первые сроки твердения может проявляться гидравлическая активность волокон, а в последующем создаются условия пассивации волокон, что обеспечивается понижением рН.

Этим условиям в наибольшей степени отвечают смешанные гипсовые вяжущие: гипсоцементно-пуццолановые, композиционные гипсовые вяжущие низкой водопотребности, характеризующиеся достаточной водостойкостью, быстротой твердения, возможностью регулирования концентрации гидроксида кальция, а значит и показателя рН в разные периоды твердения.

Смешанные гипсовые вяжущие, содержащие кроме гипсового вяжущего, портландцемент и аморфный кремнезем (ГЦПВ. ФГЦПВ, КГБ), наиболее удобны для получения волокно-содержащих композиций, т. к меняя соотношения между компонентами и подбирая исходные компоненты, можно получить вяжущие, характеризующиеся различной концентрацией гидроксида кальция, разным значением рН среды, определенные сроки твердения.

Значения рН и величина концентрации гидроксида кальция зависят от содержания портландцемента и кремнеземистой добавки и ее активности. От этих же факторов в значительной степени зависят прочность и водостойкость затвердевшего вяжущего.

Исходя из этого, композиционные гипсовые вяжущие низкой водопотребности (КГБ) являются наиболее перспективными для получения композиций на основе минеральных волокон. Это обусловлено тем, что КГБ содержат небольшое количество цемента (10 - 15%), различные по активности кремнеземистые добавки, позволяющие регулировать концентрацию гидроксида кальция и рН среды в нужных пределах. С этих же позиций достаточно привлекательным является фосфогипсоцементно-пуццолановое вяжущее (ФГЦПВ).

Были проведены исследования по установлению концентрации СаО и щелочности среды при твердении различных вяжущих.

Полученные результаты свидетельствуют, что в отличие от портландцемента значения концентрации СаО и рН в твердеющих системах ФГЦПВ и КГБ значительно ниже с очевидной тенденцией к снижению в процессе длительного твердения. Уже к 28 суткам твердения значения рН в среде ФГЦПВ и КГБ близки к значениям водородного показателя многих волокон. Определение рН водных вытяжек некоторых волокон показали, что алюмоборосиликатное стекловолокно имеет рН, равный 6,75, щелочное — 8Д минераловатное — 8,5...8,8. Таким образом, матрицы на основе ГЦПВ и КГБ являются значительно менее агрессивными по отношению к минеральным волокнам, чем цементная матрица.

Известно, что минеральные волокна при определенных условиях могут проявлять химическую активность, т. е. взаимодействовать с гидроксидом кальция. Для выяснения этого явления были проведены соответствующие эксперименты. Гидравлическую активность оценивали по изменению прочности при сжатии на образцах, приготовленных из смеси исследуемого вяжущего с добавкой молотого волокна и водо-твердом отношении, равном 0,55.

Результаты этих исследований подтвердили, что все виды волокон обладают гидравлической активностью. Причем активность повышается с увеличением удельной поверхности молотого волокна.

Таким образом, выполненные исследования доказывают, что на основе смешанных водостойких вяжущих и минеральных волокон можно получать прочные и долговечные композиты, управляя процессами твердения, регулируя щелочность среды твердеющего вяжущего в зависимости от видов применяемых волокон и компонентов.

Для выяснения поведения волокон в различных матрицах были выполнены исследования.

В матрицы помещали алюмоборосиликатное стекловолокно в виде стеклянной нити марки БС-10, щелочное — в виде стеклонитей марки С-7А-7 и минеральной ваты в виде волокна диаметром 6.. .8 мкм и длиной до 50 мм, полученного центробежно-фильерно-дутьевым методом с Мк, равным 1,25. Снижение прочности определялось по сравнению с прочностью волокон, находящихся в матрице в течение 28 сут., твердевших в нормальных условиях.

Полученные результаты показали, что в составах, содержащих большее количество клинкерной части наблюдается более заметное снижение прочности волокон. Это объясняется тем, что в начальные сроки твердения рассматриваемых матриц имеет место повышенная концентрация гидроксида кальция и повышенное значение рН среды, что и приводит к интенсивному химическому взаимодействию волокна со средой матрицы. Для снижения концентрации гидроксида кальция и рН среды необходимо снизить содержание портландцемента в смешанном вяжущем. Это легко достигается в КГБ, т. к. со держание в нем цемента может приниматься в количестве от 5 до 15 %. Кроме того, для интенсивного связывания извести в состав КГБ вводится аморфный кремнезем в виде микрокремнезема в сочетании с менее активными кремнеземистыми добавками.

На основе полученных данных установлено, что стойкость волокон значительно снижается в матрицах, имеющих рН среды выше 10. Значение рН ниже 10 достигается в составах ФГЦПВ, содержащих значительное количество пуццолановой добавки (выше минимально необходимого по ТУ 21-31 -62-89) и в матрицах из композиционного гипсового вяжущего.

Результаты исследований показывают, что на основе ФГЦП вяжущих и КГБ можно получать матрицы, которые являются достаточно инертными по отношению к некоторым видам минеральных волокон.

Для установления стойкости наиболее распространенных видов волокон в среде этих вяжущих проведены специальные исследования.

Стойкость волокон оценивали по изменению прочности и массы образцов в процессе ускоренных и длительных испытаний. Результаты испытаний позволяют отметить, что матрица из КГБ обеспечивает наилучшую сохранность волокна всех видов. По степени снижения прочности волокна наиболее стойким является минеральная вата и щелочное стекловолокно. В портландцементной матрице все изученные волокна имеют недостаточную стойкость и не могут применяться для создания волокна со держащих композиций.

Матрицы на основе КГБ, ГЦПВ и ФГЦПВ могут быть рекомендованы для создания волокно содержащих композиций

Изучали также влияние дисперсного армирования различными волокнами на свойства композиций. В качестве основного критерия для оценки эффективности композиций принят предел прочности на растяжение при изгибе. Поскольку этот показатель наиболее полно реагирует на дисперсное армирование, на сохранность волокон, на адгезию волокна к матрице и другие факторы.

Для исследований были приняты составы КГБ и ФГЦПВ, на которых изучали стойкость волокон.

Лучшие результаты по прочности на изгиб обеспечивает состав на щелочном стекловолокне. Прочность на изгиб изученных вяжущих путем их армирования стекловолокном может быть повышена в 2...3 раза по сравнению с неармированным камнем.

Для оценки стойкости разработанных композиций во времени образцы, изготовленные из ФГЦПВ, КГБ и портландцемента с использованием стекловолокон БС и Щ, испытывали в различные сроки твердения

Ударную прочность образцов с дисперсным армированием стекловолокном оценивали по результатам испытаний образцов-балочек длиной 160 мм и сечением 20x40 мм на маятниковом копре.

Результаты испытаний показали, что ударная прочность образцов из КГБ возрастает линейно. При увеличении содержания волокна с 0,2 до 0,75 % ударная прочность возрастает в среднем в 2,8 раза. Длина волокна в пределах 7... 12 мм на ударную прочность не влияет.

Достаточно показательным является коэффициент трещиностойкости (Кт), вычисляемый как отношение прочности при изгибе к прочности на сжатие. Так для КГБ, армированного стекловолокном, этот коэффициент увеличивается с 0,25 до 0,8 при степени армирования от 0 до 0,8 %.

В настоящее время армирование стекловолокном гипсовых материалов и изделий применяется достаточно редко ввиду появления на рынке других волокон, характеризующихся не только достаточной долговечностью, но и технологичностью. И все же опыт применения стеклогипса показывает его высокую эффективность, возможность использования дисперсного и направленного армирования. Особенно эффективно использование стеклогипса в отделочных и декоративных материалах. Изготовляются сухие строительные смеси, содержащие стекловолокно, выпускаются плиты облицовочные декоративные для стен, подвесных потолков, стеклогипс применяется при изготовлении архитектурных и декоративных деталей для интерьеров и фасадов. Перспективы применения гипсовых изделий, армированных дисперсными волокнами, в т.ч. стеклянными, достаточно очевидны. Это отделочные, декоративные материалы и изделия, пеногипсовые изделия, несъемная опалубка, коробы для вентиляционных систем, огнезащитные составы и др.

Источник: Сборник технической информации, вып. 1, 2005 г., 52 с. ГУП НИИМосcтрой

C текущей ситуацией и прогнозом развития российского рынка добавок для бетонов, цемента, ССС можно познакомиться в отчетах Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Рынок добавок для бетонов, цемента и сухих строительных смесей в России».

Коровяков В.Ф., д.т.н., 1-й заместитель директора ГУП «НИИМосстрой» по научной работе

Раздел – стройхимия