нирс. НИРС магистр — копия. Цель изучение свойств, физикохимических процессов и методов производства фибробетона

• Название: Цель изучение свойств, физикохимических процессов и методов производства фибробетона
• Дата: 30.01.2020
• Размер: 141.26 Kb.
• Имя файла: НИРС магистр — копия.docx
• Тип: Реферат; #106562
• страница: 3 из 3

1.3 Дисперсное армирование

Современное строительство напрямую связано с задачами повышения эффективности строительного производства, снижению стоимости и трудоемкости технологических процессов, экономному использованию материальных и энергетических ресурсов, применению новых прогрессивных материалов.

Одним из перспективных конструкционных материалов являются дисперсно-армированные бетоны. Такие бетоны представляют собой одну из разновидностей обширного класса композиционных материалов, которые на сегодняшний день все более широко применяются в различных отраслях промышленности. Дисперсное армирование осуществляется волокнами - фибрами, равномерно рассредоточиваемыми в объеме бетонной матрицы [10].

Первый в мире патент на фибробетонную конструкцию, был получен российским ученым Некрасовым В. П. в 1909 году, а широкое развитие, исследования по разработке фибробетонов и методов расчета конструкций из них получили с 60-х годов ХХ-го века. Первое масштабное практическое применение фибробетона в России можно датировать 1976 годом, когда его впервые использовали для строительства взлетно-посадочной полосы. Но в то время данный материал не получил широко применения в нашей стране, так как технология производства фибробетона и сама фибра на тот момент были несовершенны [13].
В настоящее время интерес к применению волокон как основы строительных конструкций заметно возрос, особенно при использовании таких волокон в качестве арматуры. Такой интерес вызван стремлением специалистов существенно повысить физические показатели бетонных конструкций, к которым современное строительство предъявляет все более высокие требования. Также, учитывается непрерывное увеличение потребления природных ресурсов, повышение расхода энергии, увеличение образующихся отходов, загрязнение окружающей среды из-за роста производства. Известно, в частности, что количество энергии, требующейся для производства бетонов, оказывается минимальным по сравнению с количеством энергии, необходимой для изготовления стали, алюминия,стекла. Армирование бетонов приводит к соответствующему повышению энергоемкости материала.

Использование волокон в качестве арматуры с целью преодоления недостаточной прочности при растяжении бетонных материалов может создать предпосылки для получения бетонов нового типа, с более широкими возможностями их применения в строительстве. Как и в традиционно армированных структурах, упрочнение волокнами основывается на предположении, что материал бетонной матрицы передает волокнам приложенную нагрузку посредством касательных сил, действующих по поверхности раздела, и таким образом, основную долю напряжений воспринимают волокна.

Мировой опыт исследования и применения дисперсно-армированных бетонов показывает, что введение волокон обеспечивает:

• 
  улучшение прочностных характеристик бетонов, повышение трещиностойкости, ударо- и износостойкости, статической прочности при различных силовых воздействиях;
  
• 
  повышение эксплуатационной надежности конструкций при воздействии агрессивной среды за счет улучшения структуры бетона;
  
• 
  возможность сокращения рабочих сечений конструкций, в ряде случаев уменьшение расхода или полный отказ от использования стержневой арматуры.
  

Анализ технической литературы позволил определить эффективные области использования различных видов волокон в качестве дисперсной арматуры и выделить некоторые закономерности, которые могут считаться общепризнанными: свойства фибробетона определяются видом применяемых волокон и бетона, их количественным соотношением и во многом зависят от состояния контактов на границе раздела фаз; существенное повышение прочностных характеристик композита по сравнению с исходным бетоном с сохранением достигнутого уровня во времени обеспечивается использованием высокотехнологичных волокон, химически устойчивых по отношению к матрице и с большим, чем у нее, модулем упругости;

-вид волокон, их относительная длина и процентное содержание в смеси должны назначаться, исходя из требований к изделиям и конструкциям

С учетом принятой технологии, отступление от оптимальных значений указанных параметров в большую или меньшую сторону снижает эффективность дисперсного армирования;

-при оптимальных параметрах армирования введение волокон способствует улучшению структуры и свойств исходного бетона, повышению его стойкости и долговечности.

Отмечаются множественные преимущества фибробетона: снижение затрат на строительство при использовании фибры для армирования вместо армирующей сетки или каркаса; расход бетона с применением фибры значительно меньше; в отличие от остальных видов бетона фибробетон не теряет своих технических характеристик даже после окончания срока службы, поскольку благодаря фибре материал становится вязким; фибра может применяться как в газо-, так и в пенобетонных конструкциях [8].

Из недостатков можно подчеркнуть только одно, это высокая стоимость по сравнению с обычным бетоном. Но все это меркнет и теряет смысл если задуматься о его долговечности и износостойкости.

1.4 Виды волокон для дисперсного армирования бетона

В качестве армирующего материала в последнее время все более широко применяется дисперсное армирование волокнами. Для их изготовления используются различные материалы: металл, базальт, полипропилен, стекло. Во всем мире развитие дисперсного армирования как альтернатива стержневому происходило постепенно. И изначально оно рассматривалось в качестве помощи к традиционному [6].

В общем случае фибробетоном называют композиционный материал, состоящий их цементной матрицы (плотной или поризованной, с заполнителем или без него) с равномерным или заданным распределением по ее объему ориентированных или хаотично расположенных дискретных волокон (фибр) различного происхождения.

• 
  настоящее время для дисперсного армирования бетонов применяют металлические (чаще всего стальные) и неметаллические (минеральные, полимерные и др.) высоко- и низкомодульные волокна различной длины и по- перечного сечения. При этом стальную фибру получают резанием низкоуглеродистой проволоки, фольги или листовой стали, формированием из расплава, фрезерованием полос и слябов, а также в результате токарного процесса. Неметаллические фибры (стеклянные, базальтовые, синтетические
  

• 
  др.) представляют собой отрезки моноволокон, комплексных нитей или фибриллированных пленок, для изготовления которых в ряде случаев целесообразно использовать промышленные отходы соответствующих производств [13].
  

1.5. Физико-химические процессы при получения стекловолокна

Процесс стекловарения условно включает пять стадий: силикатообразования, стеклообразования, освещения, гомогенизация и студка[4].

Первая стадия охватывает период нагрева шихты до плавления отдельных ее компонентов. При этом происходят сложные физико-химические процессы. Борная кислота, мел, известняк, доломит начинают разлагаться с выделением воды и двуокиси углерода. Остальные оксидов В₂О₃, СаО, МgО взаимодействуют друг с другом, а также с глиноземом и песком и образуют сложные силикаты, алюмосиликаты и бораты кальция и магния. Все эти процессы заканчиваются в основном при 1200 °С, и до, конца стадии силикатообразования уже не остается отдельных компонентов шихты (борной кислоты, мела, доломита и т. Д.).

Вторая стадия начинается еще до завершения первой стадии с момента появления расплава и заканчивается при 1150-1250 °С. Образующиеся в шихте на первой стадии легкоплавкие соединения начинают плавиться и растворять, еще не вступив во взаимодействие частицы глинозема и песка. При дальнейшем повышении температуры начинают плавиться и растворяться образованные в шихте сложные бораты, силикаты, алюмосиликаты и другие соединения, происходит выравнивание концентраций компонентов стекла по всему объему. К концу стеклообразования в шихте не остается твердых (не проваренных) частиц, но стекломасса насыщена большим количеством пузырьков и свили [4].

Третья стадия заключается в выделении химически связанных газов при нагревании и взаимодействия компонентов шихты. Это в основном диоксид углерода из мела и доломита, пары воды из борной кислоты. Кроме того, в шихту и стекломассу проникают газы с печного пространства [4].
 При нагревании часть газов удаляется, а часть остается в стекломассе в виде пузырьков или в растворенном состоянии. Растворенные газы при повторном нагревании образуют «мошку» (мелкие пузырьки) и видимые газовые включения, которые необходимо удалить из стекломассы. Важно, чтобы в стекломассе образовались большие пузыри, так как мелкие увлекаются направленными вниз потоками стекломассы и не могут подняться к поверхности; крупные пузыри, которые движутся вверх со значительно большей скоростью, не могут быть захвачены потоками стекломассы в глубину. Растворенные в стекломассе газы поглощаются крупными (пузырями на всем пути их подъема и, таким образом, количество газов, которая остается в стекле, уменьшается). Для создания больших пузырей в стекломассе через нее пропускают под давлением воздуха и вводят осветители. В качестве осветителей применяют нитрат кальция [4].

Четвертая стадия стекловарения - гомогенизация, что протекает одновременно с процессом освещения. После завершения процесса стекло образования в стекломассе есть участки, обогащенные отдельными компонентами шихты, - борным ангидридом, кремнеземом, глиноземом, и так называемые свили. Эти участки имеют разную вязкость, плотность, показатель преломления света и другие свойства. Процесс гомогенизации необходим для усреднения состава стекломассы. Длительная выдержка стекломассы при высоких температурах, а также процесс освещения улучшают однородность стекла.

Пятая стадия - студка - предусматривает постепенное непрерывное охлаждение стекломассы на 200-300 °С, необходимый для достижения вязкости, при которой возможно формирование изделия.

Смесь SiO₂ + СаСО₃ при нагревании начинают взаимодействовать при 800 °C; происходит реакции образования силикатов, протекающих при 1100 - 1250 °С и заканчиваются при 1400 °С.

Применение пылевидных материалов ускоряет реакцию. Образование силикатов кальция при 1050 °С происходит более энергично в смеси SiO₂ + СаСО₃, чем в смеси SiO₂ + СаО [5]. Склонность стекла к кристаллизации называется кристаллизационной способностью.

Стекломасса при охлаждении в определенных условиях может закристаллизоваться. Появление кристаллов в стекломассе нарушает процесс выработки изделия, а попадание их в изделие приводит к появлению брака. Для каждого стекла существует определенный температурный интервал, в пределах которого стекло нельзя долго выдерживать, если хотят избежать его кристаллизации.

На рисунке 1.5 показана зависимость скорости разложения СаСО₃ в присутствии SiO₂ от температуры. Реакции между SiO₂ и СаСО₃ заметно протекает в интервале температур, при которых углекислый кальций распадается с максимальной скоростью.

Поэтому при изготовлении изделий нужно, чтобы стекломасса в процессе формирования быстро охлаждалась до температуры ниже опасной зоны кристаллизации.

Кристаллизация расплавов начинается с образования центров ( «зародышей») кристаллизации, которые потом вырастают в кристаллы.
Для стекла скорость образования зародышей и роста кристаллов меняются с температурой. Каждая из этих скоростей достигает своего наибольшего значения при определенной температуре. С понижением температуры сильно увеличивается вязкость стекла. Высокая вязкость при низких температурах препятствует - как роста кристаллов, так и образования кристаллических зародышей.

Температурный режим печи характеризуется следующими данными: температура в вручен части печи (в зоне максимальных температур) 1520-1560 °С, в виробитничий части печи 1320-1380 °С. Чрезвычайно важным условием, определяющим качество стекла, и в первую очередь его гомогенность стабильность температурного режима. Максимально допустимые колебания температур не должны превышать для варочной части печи ± 10 °С от принятого значения.

Не менее важным фактором, влияющим на качество стекломассы, особенно на количество растворенных в ней газов, является давление газов в различных зонах пламенного пространства. Постоянство режима выработки и уровня стекла в печи. Кроме указанных факторов, качество стекломассы (однородность, провар) определяется также постоянством режима выработки, характеризуется количеством стекломассы товары печью в единицу времени, а также постоянством уровня стекла. Внешне нормальный процесс варки алюмоборосиликатного стекла в ванной стекловаренной печи непрерывного действия характеризуется следующими признаками: энергичным выделением газообразных продуктов реакций (непрерывно пузырьки лягушки) по всей поверхности стекломассы в вручен части печи, занятой шихтой; чистым зеркалом стекломассы перед проливом и отсутствием пузырьков газа в выработочной части печи.

Физико-химические свойства стекла (характер изменения вязкости, поверхностное натяжение, кристаллизационная способность, однородность и др.) Определяют принципиальную возможность формирований стеклянного волокна, аппаратурное оформление процесса и показатели его производства.
Свободная струя любой жидкости, в том числе и стекломассы, сохраняет свою форму при определенных соотношениях вязкости и поверхностного натяжения. Под действием сил поверхностного натяжения свободный поток маловязкими жидкости распадается на отдельные утолщения, связанные перемычками. А потом, если вязкость жидкости остается малой, утолщение превращаются в отдельные шарообразные капли. С увеличением вязкости распад жидкой струи затрудняется, и она приобретает способность растягиваться в тонкие нити. Показателем способности жидкости к вытягиванию в волокно может служить отношение ее вязкости к поверхностному натяжению [5].

Поверхностное натяжение стекломассы в интервалах температур 1100 - 1400 ° С изменяется незначительно, поэтому способность к волокнообразования зависит от вязкости стекломассы. При малой вязкости стекломассы (высокой температуре фильерной пластины) наблюдается только капельное истечение стекломассы и процесс формирования осуществить не представляется возможным. При повышении вязкости наступает момент, когда вытягивания волокна становится осуществимым, но при этом наблюдаются «проскоки» стекла (заметные на глаз утолщение волокна). Вязкость и температура стекломассы на выходе из фильеры, соответствующие этим явлениям, рассматриваются как нижняя граница рабочего интервала вязкости и верхний предел рабочего интервала температур. При дальнейшем увеличении вязкости вместе с ростом отношения вязкости к поверхностному натяжению повышается и способность стекломассы образовывать волокна [5]. Значение вязкости температуры, характеризующие рабочие интервалы выработки волокна, определяются для стекломассы на выходе из фильеры; их величина зависит от условий охлаждения стекломассы в подфильерной зоне.

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

%

Разложения

10 20 30 40 50 60 70 80 90

Время, в минутах

1 - СаСО₃, 2 - СаСО₃ + SiO_2, 3 - СаСО₃ + 2SiO₂, 4 - СаСО₃ + 3SiO₂

Рисунок 1.5 – Скорость разложения СаСО₃ в присутствии SiO₂ при температуре 700 ˚С
Рабочий интервал температур, соответствующий рабочего интервала вязкости, должен быть сравнительно широким (50-100 ° С), так как это позволяет более тонко регулировать расход стекломассы. Температура, при которой в стекле начинают появляться видимые под микроскопом кристаллы, должна быть ниже рабочего интервала температур, по крайней мере той температуры, при которой происходит формирование волокна. В противном случае в стеклоплавильной сосуде могут образоваться кристаллы, которые вызывают обрыв волокон и снижение их прочности. Существенное влияние на процесс формирования непрерывного стеклянного волокна придает скорость твердения стекла.

Для стандартных промышленных емкостей продолжительность формирования волокна определяется главным образом диаметром фильер и расходом стекломассы. Чем круче кривая, тем больше скорость твердения и расход стекломассы для данного стекла, и для получения одинаковой по толщине нити нужен меньший диаметр фильер [6].

Заметное влияние на процесс формирования непрерывного стеклянного волокна придает поверхностное натяжение стекла величина которого определяет работу, затрачиваемую на образование новой поверхности при окончании стекломассы через фильеры и при вытягивании волокна.
Так как на образование новой поверхности при окончании стекломассы через фильеры частично расходуется работа, совершаемая статическим давлением расплава в сосуде, то и расход стекломассы в некоторой степени зависит от поверхностного натяжения стекла - он увеличивается с уменьшением поверхностного натяжения.

Поверхностное натяжение стандартного безщелочного стекла в интервале температур 1235-1310 °С составляет - 300 дин/см. При снижении температуры поверхностное натяжение медленно растет, а затем резко увеличивается, достигая при комнатной температуре - 1200 дин/см. Согласно теории смачивания жидкость растекается, если взаимодействие между частицами жидкости на поверхности капли меньше сил взаимодействия частиц жидкости и твердого тела, на котором смачивания происходит, и наоборот.

При сильном смачивании на нижнем срезе фильер не образуются капли, стекломасса ползет вверх по фильере и растекается между ними по пластине, происходит затекание под фильерной пластину стекломассы, в результате чего возрастает время, затрачиваемое оператором на заправку волокон, и усложняется обслуживание установки. Кроме того, фильера, покрытая пленкой стекла, теряет больше тепла в окружающую среду и становится холоднее чистых фильер; при этом расход стекломассы через фильеры уменьшается.

Для снижения смачиваемости в процессе формирования волокон необходимо снижать температуру стекломассы и фильерной пластины и регулировать температуру воздушной среды, окружающей фильеру и луковицу.Это достигается применением дополнительных охлаждающих устройств [6].

ВЫВОДЫ

В ходе проделанной работы и обработке литературных данных можно сделать выводы, что:

1. В современном мире изделия из фибробетона занимают важную нишу среди композитных и конструкционных материалов, все больше вытесняя классические конструкционные изделия.

2. Благодаря своим свойствам дисперно-армированные бетоны являются примером развития новых технологий, продуктом, чьи технические характеристики позволяют с успехом применять их в качестве альтернативы традиционным материалам при строительстве фундаментов, морских и портовых сооружений, а также при организации дорожного полотна и настилов автодорожных мостов.

3. Изделия из фибробетона обладают повышенной износостойскостью, более устойчивы к разрывным нагрузкам, имеют более высокий срок эксплуатации, что делает их перспективным материалом.

Список истоников

1. Баженов, Ю.М. Технология бетона / Ю.М. Баженов // Изд. 5. Общие вопросы. Москва: Издательство АСВ, 2011. 524 с.

2. Баженов, Ю.М. Технология бетонных и железобетонных изделий / Ю.М. Баженов, А.Г. Комар // Москва: Строиздат, 1984. 456 с.

3.Богданова, Е.Р. Эспериментальные исследования бетона, дисперсно-армированного синтетической полипропиленовой фиброй / Е.Р. Богданова // Вестник ТГАСУ. Санкт- Петербург, 2015. № 3. С. 8.

4. Василовская, Н.Г. Цементные композиции дисперсноармированные базальтовой фиброй / Н.Г. Василовская // Вестник ТГАСУ. Красноярск, 2011. № 3. С. 6.

5. Волков, И.В. Фибробетон состояние и перспективы применения в строительных конструкциях / И.В. Волков // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2004. № 5. С. 24-25.

6. Волков, И.В. Фибробетон. Особенности и перспективы применения в строительных конструкциях / И.В. Волков, Э.М. Газин // Стройпрофиль. 2003. № 2. С. 62-63.

7. Ерошкина, Н.А. Влияния полимерной фибры на механические свойства геополимерного раствора / Н.А. Ерошкина // Вестник МГСУ. Москва, 2014. № 5. С. 9.
8. Зерцалов, М.Г. Экспериментальное определение характеристик трещиностойкости фибробетона / М.Г. Зерцалов, Е.А. Хотеев // Москва: Вестник МГСУ № 5, 2014. С. 9.
9. Клюев, С.В. Дисперсно-армированный мелкозернистый бетон с использованием полипропиленового волокна / С.В. Клюев, Р.В. Лесовик // Бетон и железобетон. 2011. № 3. С. 24-28.

10. Клюев, А.В. Расчет процента армирования фибробетонных композитов / А.В. Клюев // Москва: Вестник МГСУ № 5, 2015. С.4.

11. Козлов, В.В. Исследование цементных композиций, наполненных полимерными волокнами / В.В. Козлов, Р.М. Ахмеднабиев // Строительство и архитектура. 1987. № 2. С. 51-55.
12. Корнеева, И.Г. К вопросу оптимального армирования мелкозернистого бетона базальтовыми волокнами / И.Г. Корнеева // Иркутск: Вестник ТГАСУ № 3. 2016. С. 7.
13. Морозов, В.И. К расчету фиброжелезобетонных конструкций, подверженных совместному воздействию кручения с изгибом / В.И. Морозов, И.В. Бахотский // Современные проблемы науки и образования. 2013. № 5. С. 109.
14. Негматуллаев, С.Х. Применение материалов на основе базальтовых волокон в строительстве / С.Х. Негматуллаев, С.П. Оснос. Москва: Композит XXI век. 2015. № 2 С. 19.