Введение к работе
Актуальность проблемы. Одной из важнейших задач строительства является снижение металлоемкости изделий. Решение отого вопроса может быть достигнуто заменой стальной арматуры на неметаллическую волокнистую, в тех случаях, когда это возможно'по технико-эксплуатационным условиям.
В последнее время, в нашеР стране и па рубежом начинает широко применяться стеклофибробетон, полученный путем армирования мелкозернистого бетона отрезками стекловолокна длиной 20+G0 мм, получаемых резкой стеклоровинга.
Для армирования бетонних конструкций находит применение и стеклоарматура, получаемая путем пропитки стеклоровинга синтетическими смолами и формования »в него стержней различного диаметра.
.Применение ие непосредственно стеклоровшггя, как арматуры для.тонкостенных элементов не изучалось.
В связи о этим, актуальной становится задача изучения технологии обработки стеклоровинга с целью применения его для армирований тонкостенных изделий, из мелкозорниатого ботока.
Цель работы; Разработка технологии обработки стеклоровинга используемого для армирования тонкостенных изделий.' ' .
Дія достижения поставленной цели регаалиоь следующие задачи: '
изучалась эффективность использования прочностных свойств стеклоровип. 'а в зависимости от различные методов фэрмовапия od-разцов; ,; . - . .*
исследовалось влютше предварительноrt пропитки армирующего ровинга на эффективность йспольоовшіия стекловолокнаj
определялись оптимальные пропиточные составы}
разрабатывались устройства для механизации процесса про-
питки отеклорошнга;
отрабатывалаоь технология получения тонкостенных элементов, 'армированных стеклоровинго"м;
изучалось влияние таких технологических факторов, как, подотилающий слой и расстояние между ровингами, на прочность еди-HKV'toro" ровинга; ' . .
разрабатывалась технология изготовления тонкостенных изделий на примере укрупненной цементно-пеочаной черепицы;
-"определялась экономическая эффективность использования армирования телочестойким стеклоровингом мелкозернистого бетона при производстве укрупненной цементно-пеочаной черепицы.
Научная новизна работы:
Предложен опособ армирования щелочестойким стеклоровингом тонкоствшшх изделий из мелкозернистого бетона, заключающийся в предварительной пропитке стеклоровинга, укладке его на подстилающий слой бетона и последующем бетонировании.
Разработано устройство позволяющее механизировать процесс пропитки ровинга. і
Разработаны пропиточные составы позволяющие аффективно использовать прочностные свойства стеклоровинга.
Предложен метод повышения долговечности стеклоровинга, заключающийся во введении добавок ингибиторов, непосредственно' р пропиточный состав. ~ . '
Предложена технология изготовления укрупненной цементно-посчаной черепицы, армированной .стеклоровингом.
На зашиту выносятся:
Способ ар-.аірования тонкостенных бетонных изделий щелочестойким стеклоровингом. ф .
Результаты экспериментальных исследований по разработке
оптимальных пропиточных составов для отеклоровинга.
Способы повышения долговечности щелочеотойкого" стоклоро-винта.
Технология изготовления изделий из мелкозернистого бетона, армированного щелочестойким стеклоровингом.
Практическая ценность работы;
Разработаны "Рекомендации по технологии' обработки отеклоровинга для армирования тонкостенных изделий из мелкозернистого бетона". . .
Разработана' технология изготовления укрупненной цементно-песчаной черепицы, армированной-щелочастойким стеклоровингом.
Изготовлена и испытана, укрупненная цементно-пеочаная черепица,, армированная щелочестойким стеклоровингом,
Изучена долговечность"отеклоровинга.- различными пропиточными составами в течение года, рекомендованы пропиточные составы обеспечивающие сохранность отеклоровиш'а в процеоое' эксплуатации.
Аігообапия шботы.
Материалы исследований докладывались и обсуждались на:
- 49 научно-технической конференции ЛИСИ Санкт-Петербург,
1992 ; .
'; - Научно-технической конференции "Прогрессивные строительные материалы и изделия на основе использования природного и техногенного сырья (Санкт-11отербург,1992);
50 научно-технической конференции ЛИСИ .(Санкт-Петербург, 1993); .'
Научно-технической конференции ?Тесурсосборегшацие технологии и охрана окружающей среды" (Санкт-Петербург, 1993)*.
Публикации. По результатам исследований опубликовано пять публикаций.
Объем работы. Работа состоит иа введения, четырех глав, общих выводов, описка литературы и Приложений, Содержание работы изложено на ZOO отранвдах машинописного текста., включая 53 рисунка, 24 таблицы, Н приложения,
' СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ .''
Во Введении изложены актуальнооть исследуемой проблемы, цель и задачи исследовании, а также научно-практическая ценность диссертационной работы.
.1) главе I отмечается, что высокая эффективность стекло-цементных изделий и конструкций достигается за счет снижения металлоемкости, энергоемкости, снижения толщины и, как следствие, снижения материалоемкости и себестоимости изделий,, а также уменьшения стоимости объекта в целом за счет укрупнения габаритов изделий, сокращения расходов на транспорт, погрузо-разгруночные работы, монтаж и заделку стыков. '
И строительстве находит применение отеклофибровая и отек-лопластиковая арматура, ' -
Применение же непосредственно стеклоровиига, являющегося исходным-сырьем-для отеклофибры и отеклоарматуры, для арми-, рования тонкостенных элементов не изучалось.
Анализируются условия образования контактной зоны "стекловолокно-матрица" и пути ее .регулирования. Отмечается, что для полного использования прочностных свойств стеклоарматуры исключения в совместную работу всех элементарных волокон. необходимо осуществлять предварительную пропитку о одновременной раздвижкой элементарных итекловолокон, о целью обмазки
каждого1 из них связующим.
Излагается причины разрушения стекловолокна в щелочной среде твердеющего цемента, анализируются способи защита и уве- * личения долговечности стеклоцементных иэделил. На основе анализа- выделяются основные направления обеспечения долговременной прочности элементов.
В главе 2 изложены результаты исследована;', но применению щелочестойкого стеклоровинга для армирования мелкозернистого бетона.
Исследования проводились- й' несколько этялоз:
-
Онредел:шісь технологические приема, обеспечивающие включение в совместную работу всех элементарных волокон, позволяющие полностью кспоЛезовй.тіі' нрочностиыо свойства стоклоровкига,
-
Оценивалось-влияние шага армирокг';пя на прочность на растяжение при изгибе стеюгабетона.
3.- Изучалось''влияние пропиточного состана стеклоровинга на йрочнбеть на растякение при изгибе образцов из мелкозернистого бетона.-
4.- Проводилась оценка технологических свойств отеклоровшта й; пропиточного состава.
-
Разрабатывались методы механизированной проплткп сток-лоровідаа.
-
Оценивалась треиеностойкость мелкозернистого Сетона, армирование-о щелочестойкнм стеклоровингом.
При проведении экспериментов использовались'следующие материалы: портландцемент М 400 Еолоховского завода; носок с максимальной-круш-юстыо зерен 5 мм и М„р- 2.6S ; ровкпг щвлочестой-КИй РЦР (ЇУ 21-38-257-90.}, ....
Для экспериментов использовалась бетонная смесь Ц:П =1:2
по весу; Зі/Д " 0,4; расплнв конуса 13,5 см по Еотряхивавдему - столику, кестхость по вискозиметру її - 5+10 сек.
' Но аналогии с армоцементом эксперименты проводились на образцах сечением 20 х 20 ш.
Ла перлом этапе для предварительной оценки технологических факторов проводились поисковые эксперименты. Сначало были отформованы образца, сухим ровингом. Осмотр нишей поверхности показал, что элементарные волокна не пропитались ца-мегтшм К/іоьм, а прочность на растяжение при изгибе била лишь на 2'г'. ваше, чом у поармирошннкх образцоэ.
Ко дали ощутимого эффекта и такие технологические приемы, как: увеличение нодшжьос?*: бетонкой смеси для лучшей пропитки стоплонолокаа, иаменоние режима уплотнения, смачивание етекла-ровинга водой,
'ісланл образом, эксперименты показала, что применение стзклс-роышга требует специальных технологических приемов по его предварительной оо'раоотке, аналогично пропитке'стекловолокна в .производство стеклопластиков.
Поэтому ь следующих сериях экспериментов осуществлялась предьарптйшиш пропитки стеклоровшвга цементным тестом с раз-личтал Б/ц и ш^етифицирук'ікмк добавками. Испытания на растя--кение при изгибе показали, что прирост прочности составил 80.
Как показали эксперимента, при укладке ровиига на дно формы, под действием вибрации не происходит затекания бетонной смеси под уложенный ровикг. Поэтому было предложено, устраивать под-стклаюсп-Ш едоіт бетонной смеси- толщиной 2-3 мм, на которий укладывается ровинг. Создание такого слоя обеспечивает наряду о механической защитой элементарных волокон, включение в работу
нижней поверхности ровкига, обращенной к формо. Эксперимента показали, что несмотря на уменьшение робочого сечоидя образца, за счет поднятия ровияга, приведенная прочность ка растяжение при изгибе увеличилась на 30$, по сравпашвд о образцами баз подстилающего слоя.
На втором этапе бил»; нроводенн коследонаж.л \-.о онопко шгая-нкя шага-армирована к проценте рл&тровакгл і<л прочность на растяжение при изгибе.
Для этого, закрепив такие технологически" О-агл-орн, крц.
состав бетонной смеси, пропитка ровиигп тхччггсшим составе;.'.,
решш ушюткения, условия тяердония, варьировали количеством
армирующих ровингов. Результаты испытании предстакчена графиком
на рис. I. *
На графике видно, что'наибольшая піні гл'.ыюсть когюльиода-иия стекловолокна соответствует і> аржрувдім ропглич ..-.; при ют о 12 да или 0,22>. армирования по объо;.;у,
11а осноьглши полученных опытных ззишоггн/' для графиков (рис.1, 2, 3, 4., 5, 6, 7, S3, 9) бшіа школнени подпиОг./.-.пльная регрессия по методе' напг.іеньшкх кнадратол. Последняя сккчлі^чїПіа-вт нахондениб коэффициентов полинома:
G помощью данного полинома виисиишиа апироксишцил таблично задаїг"і функции -шог^.
Крог.ад того, для определения расчетного соиротииления одиничного рониага, чроисьедилок расчет ію i;oj. і<я". группе, ирсдель-нкх состоянии яля стеркневой арматура, аналогично расчету принятому для келоооботоіншх копструкцні' прямоугольного оочения. По этим данным построен граііик (ркс. 2), кз которого видно,
')
0 1 2 3 4 S 6 7 8' 9 10 11 12 Л.ШТ
0,43
f"
' - - --- J- ' - AL. - і J^-'4--^
Ріп). 1. Башіскмость прочности на растяжение при изгибе материала от процента армирования.
п.. шт "ч а.,мм
1,5
зо іа i2 в
Рио.2. Расчетное сопротивление единичного ровинга в зависимости от шага армирования.
что максимальная эффективность использования единичного стек-лоровинга соответствует шагу армирования 12 мм в свету.
На третьем этапе были проведены исследования по оценке влияния пропиточного состава на прочность на растяжение при изгибе.
Оценка осуществлялась по определению прироста прочности при изменении содержания сунертластификатора в пропиточном составе. Было установлено, что при содержании супоршюсткйикато-ра более <$ от массы цемента (б пересчете на сухое вещество) , дальнейшего прироста прочности не наблюдается (рис. 3).
В следующей серии экспериментов изучалась возможность увеличения силы сцепления элементарных волокон между собой и ровинга с матрицей за счет'введения в ироішточішМ состав латекса. Для этой цели использовали цементі іе тесто с различным содержанием полимера СКС-65-ГЛ..Оказалось, что введение латекса в пропиточный состав не эффективно. Прирост прочности был на Ь&% ниже, чем у образцов с пропиточным составом модифицированным С-3. Причем, стоимость латекса расходуемого при этом намного превышает стоимость суперпластч-икатора '
Результаты экспериментов приведены в таблице I. ' . . Отмечается, что вне зависимости от процентного содержания латекса в пропиточном составе, расчетное сопротивление единичного ровинга изменилось незначительно. ' '.
На четвертом этапе исследовались технологические свойства
стеклоровинга пропитанного цементным клеем, модарїщироваинш
добавками. ,
Определялось влияние на прочность на растяжение при изгибе сроков выдеркки пропитанного ровинга перед укладкой в изделие.
apu,
да a
17.
, , , -,—, —„ r— іичтт
І *
—О——fcwwl. »|1--і.-і*-.ц.іі—-и—.і 1-ій —, і...
5 яіД
Рис.З. Зависимость прочности на растяжение при изгибе
материала от содержания С-3 в пропиточном составе.
МЯа 19
- 16 15 14 13 12. 11. 1Q
0 20 . 40 60 ; 80 100 Т,мин. Рис«4. Оптимальные сроки укладки пропитанного ровинга.
Таблица І ВЛИЯНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ЛАТЕКСА СКС-65-ГП В ПРОПИТОЧНОЙ СОСТАВЕ НА ПРОЧНОСТЬ ОБРАЗЦОВ
Неарми рован-ные
образцы
I. Приведенная прочность на растяжение при изгибе,Ша
4,9
2. Прирос? прочности, %
210 212 214 202 * Ї34
Для этого, оставляя без изменения технологи» формования и применяя базовый пропиточодй состав, предварительно пропитанные отрезки стёклоровинга оставляли на воздухе нрк і ~- 20С и относительной влажности' воздуха 75$ на определенное прост. Результаты испытаний приведены на графике (рис. 4), Выло.установлено, что' пропитанный ровннг должен быть уложен в Форму з течспко не более чем чероз 20'минут.после пропитки. Кроме того, определялась жизнеспособность пропиточного состава. Для этого пропиточный состав после приготовления оставляли не перомшщпая на определенные отрезки времени-по'истечение которых состав перемешивался и осуществлялась пропитка ровинга к формование образцов, испытания показали, что время выдеркки пропиточного состава, незначительно сказывается на прочностных показателях материала. Результаты испытаний приведеш в таблице 2.
На пятом этапе разрабатывался метод механизированной пропитки стёклоровинга, а также устройство для его пропитки.
Устройство состоит из пропиточной ванны цилиндрической формы, размоточного приспособления в виде барабана, ліайкон-
Таблица 2 J- ВДШШЕ СРОКОВ ВДЕРЖИ ПРОПИТОЧНОГО СОСТАВА ПЕРЕЦ ПРОПИТКОЙ ПА ПРОЧНОСТЬ ОБРАЗЦОВ
ного радиальными лопастями и установленного в полости ванны, а' такие устройства для раздвижки волокон, которое представлено гибкой даафрагшл в днище ванны. К диафрагме прикреплен пневмо-вибратор.
Такое конструктивное выполнение ванны и размоточного устройст
ва обеспечивает перемешивание'всего объема пропиточной смеси, что
предотвращает еэ расслоение и оседание в процессе протяжки пучка
волокон. ' , '
При этом в полости барабана возникают турбулентные потоки смеси, что в совокупности с колебаниями диафрагмы, создаваемыми пневматическим вибратором, обеспечивает качественную пропитку ровинга. Кроме того .определялись оптимальные режимы пропитки, такие как: скорость протянки стеклоровинга через ванну со связуїо^ щим, частота и амплитуда колебания гибкой диафрагмы. Было установлено, что наиболее качественная пропитка получается при еле- -дукщих параметрам: скорость пропитки 7*8 ц/мин., частота колеба-і;Ий 40-70 Гц и амплитуда О і3*0,5 мм.
. Па іаестом этапе оценивалось наиршенно-деформированное сое-
тояние и трещеноотойкооть мелкозернистого бетона, армированного щелочестойким стеклоровингом.
Эксперименты показали, что момент трещенообразования для образцов, армированных стеклоровингом практически не отличаетоя от разрушающего момента у неармированных образцов. Характерной особенностью является высокий предел упругой работы конструкций, вплоть до разрушения. Подтверждение этому, является значительная протяженность линейных участков на графиках М - кривизна (рис. 5,6,7). Все образцы в процессе испытаний при разгрузке обнаружили возврат к начальному состоянию, включая стада» о трещинами.
За предельно допустимое раскрытие трещин была условно' принята величина 0,05 мм, согласно СНиП Р.,03.03.85 "Армоцемевтные конструкции". Нагрузки, при которых раскрытие трещин не превышало предельно допустимого, вдвое превышали разрушащгю нагрузку для неармированных образцов. Следовательно, эксплуатационные нагрузки соответственно могут быть увеличены вдвое, либо может быть в два раза увеличен' пролет. , .
В главе 3 излагаются результаты исследований долговечности щелочестойхого стеклоровинга с различными пропиточными составами в среде мелкозернистого бетона. В связи о тем, что в литературе приводятся противоречивые данные о долговечности щелочестой-кого.стекловолокна в среде твердеющего бетона, были'проведены испытания образцов армированных стеклоровингом с базовым прожиточным составом в возрасте 6 месяцев, хранившихся в натурных условиях. Испытания показали, что прочность образцов снизилась на ЗО"/. Следовательно щелочестойкий стеклоровинг, применяемый в
качество арматуры мелкозернистого бетона все зке разрушается в
"і
0 25 80-75 100 12S Vp О ЮО 200 300 400 Vp О ЮО 200 300 40О SOO Vp
Рис.5. Зависимость М-1/р образ- Рис.6. Зависимость М-1Д> образ- Рис.7. Завискчость М-1/р образ
ца, армированного стеклоровин- ца, армированного стеклоровин- ца, армированного стеклоровин-
гом, пропитанным цементным .тес- гом, пропитанным цементным тес- гом, пропитанным базовым сос
той с добавкой асбеста. том с добавкой золы. тавом. '
щелочной среде твердеющего цемента.
Поэтому*, с целью снижения агрессивного воздействия на стекловолокно щелочной среды твердеющего цемента, было предложено вводить активные добавки, снижающие щелочность среды, не в бетонную смесь, а только в пропиточный состав.
В качестве добавок снижающих щелочность, применялись микрокремнезем, зола, асбест. Щелочность пропиточного состава составила с микрокремнеземом ; рН = 9+10; с золой и асбестом : рН = 7+8.
Образцы с базовым составом и добавкой микрокремнезема, помещались на крышную станцию. Изучались как образцы естественного твердения, так и прошедшие термообработку. Испытания проводились в возрасте 28 суток, 6 месяцев, 9 месяцев, I год. Результаты испытаний представлены графиками (рио. 8,9). ,
Из графиков видно, что более ин-аенсивное падение прочности наблюдается у пропаренных образцов. Прочность образцов в возрасте 28 суток также выше при естественном твердении, по сравнению с пропаренными. Это обусловлено тем, что активность и агрессивность щелочей при нагреве увеличивается во много раз. В возрасте I год, снижение прочности у образцов с базовым составом составило 30$, а с добавкой микрокремнезема лишь 3$..' Иаиболез интенсивное падение прочности, как и по литературным данным происходит в течение 6 месяцев, после, .чего практически стабилизируется.
Глубина карбонизации в возрасте I год составила 2-3 мм сверху и I мм в нианей части образца, Это обусловлено тем, что в верхней .части на структуру бетона сказалось водоотделение. .:..'.'
С цель1* изучения степени обеспечения долговременной прочности отеклоровинга пролитанного составами о золой и асбестом осуществлялось ускоренное старение образцов. Была применена мето-
0 3 ; 6 9 12 Т.мес.
Рио.8, Долговечность образцов, армированных щелоче-стойким стеклоровингом, пропитанным базовым составом. 1-ест.твердение; 2-термообработка.
« f
МПа 19
О 3 6,9 12 Т.мес Рис.9. Долговечность образцов, армированных щалоче-' стойким стеклоровингом, пропитанным составом с добавкой микрокремнезема. 1-ест.твердение; 2-термсобработка.
дика ускоренного старения образцов, разработанная в Киевском политехническом институте для стеклоцемента. Образцы помещали .в термостат о влажной, средой, который предварительно разогре-,. валя до рабочей температуры ?0С.
Время ускоренного старения стаклоровинга тождественное времени эксплуатации в естественных условиях вычисляли по .формуле; _
'і0 , где
% - время тешювдажностной обработки стеклоцементной, композиций, Ч&С} %~ выбранное эремя эксплуатации стеклоцементной композиции
в естественных условиях, час; tf.v заданная температура тепловлажиостной обработка стекло-'
цементной композиции, С; S- выбранная температура эксплуатации стеклоцементной композиции, С. Температурный коэффициент скорости взаимодействия между стекловолокном ж средой твердеющего цемента для щелочестойкого волокна равэн 2,63« Результаты испытаний на растяжение при изгибе.представлены диаграммами (рис' 10),
В четвертой главе была определена рациональная область применения мелкозернистого бетона, армированного щолоче'стойким стекдороэингом, рассмотрены вопросы практического применения результатов исследований и выполнена их технико-экономическая . оценка.
Бкла-разработана технология изготовления укрупненной цв-ментно-песчаной черепицы, армированной щелочестойким стеклоро-вингш, изготовлена и испытана укрупненная черепица по длине
^ри' МПа
j&4.
л&д
Ряс.ХО.. Сводная диаграмма долговечности образцов' прошедших ускоренное старение.
-
- цементное твого + С-3;
-
- цементное теото + 0-3 + s яа;
-
- цементное їєсїо + С-3 + асбест; -. 28 оуток;
У//Х - б мес. ускоренного старения; 6 мео. натурного старения.
вдвое превышающая традиционную.
Применение укрупненной цементко-пеочаной черепицы позволяет снизить массу кровли в 1,4 раза по сровнению о традиционной ,. пазовой черепицей, вдвое сократить трудозатраты и расход материала на устройство обрешетки. На 50$ сокращается протяженность поперечных стыков и соответственно возрастает надежность кровли.
Составляющие экономического аффекта приведены в таблице 3.
Таблица-3 ЗКОНОШИЕСКИЙ ШШ В-ШУР-ШНЪК ПОКАЗАТЕЛЯХ на 100 иг кровли
$д. Норма расхода
Я Наименование нам. Тпадвдщ- прёдла=" Экономия
Полный ?кокомичесиий эффект при уотройотве кровли из укрупненной иемеитно-пвсчаной черепицы составил 19038,08 руб., на
100 м6 (є денах на март 1993 года). . ' , :
ОСНОВНЫЕ вывода НО РАБОТЕ
-
Показана возможность применения в качестве арматуры для тонкостенных чзделий щелочестойкого стеклоровинга прошедшего предварительную технологическую обработку.
-
С цепью использования стеклоровинга в качестве арматуры необходимо осуществлять его предварительную пропитку цегэнт-ным клеем, модифицированным добавками.
-
Максимальное использование прочностных свойств стеглоро-винга обеспечивается лри создании подстилающего слоя бетона, толщиной 2-3 мм, и выдерживания шага армирования в пределах 9-12 мм в свету.
-
Выявлено,что предварительно пропитанный ровинг необходимо уложить в изделие в течение не более 20 минут, пропиточный состав можно исполбзовать в течение 1,5 часов после времени,' соответствующего началу схватывания цемента.
-
Для увеличения долговечности стеклоровинга предложено модифицировать добавками, снижающими щелочность среды,- только пропиточный состав, а не всю матрицу.
6.. Показана возможность применения щелочестойкого стеклоровинга'для создания укрупненной цементда-песчаной черегицы. Экономический эффект от использования в строительстве укрупнен.-, ной цеыенткймсчаной черепицы составил 19 038,08 руб. на 100 м2 кровли;, (ш'ценах на март 1993 года).
