Армированные волокнами
вяжущие композиционные материалы:
Вклад полиамидных волокон.

Резюме:

   Рассматривались разные области применения и в том числе жидкие системы (разжиженные самоуплотняющиеся стяжки на основе безводного гипса иa-полугидрата), торкретбетон (сухой процесс), готовые бетонные смеси и сборный железобетон. Для каждой области применения мы старались указать обычно учитываемые основные требования и фокусировались на преимуществах, которые можно ожидать за счет использования полиамидных волокон.

1. Введение:

   Из-за того, что материалы на основе портландцемента являются хрупкими и имеют низкую прочность на растяжение, для них требуется применение какого-либо армирования и в течение нескольких десятилетий для этой цели широко используются органические и неорганические волокна. Из числа наиболее широко применяемых волокон мы можем упомянуть стальные, стеклянные, полипропиленовые, натуральные волокна (такие, как целлюлоза, сизаль, джут и т.п.) и некоторые другие полимерные волокна, такие, как углеродное, кевларовое, и т.п.

   Цель данного доклада заключается в том, чтобы предоставить некоторую общую информацию, относящуюся к применению полиамидных волокон (PA 6.6) в вяжущей среде. Вообще говоря, волокна PA 6.6 уже использовались в большей части упомянутых выше областей применения для вспомогательного армирования, а не специально в качестве вклада в улучшение механических характеристик, вместо обычно используемых решений. В качестве примера можно привести торкретбетон (сухой процесс), где некоторые полиамидные волокна использовались для увеличения конструкционной прочности.

2. Общие соображения:

   Полиамид получается в результате полимеризации двухосновной кислоты и диамина. Термин "нейлон" относится к группе полиамидных смол, которые представляют собой длинноцепные полимерные амиды, в которых амидная группа образует неотъемлемую часть основной полимерной цепи. Все нейлоны славятся своей высокой устойчивостью к щелочным средам (а также к обычным растворителям). Они обладают хорошим сопротивлением истиранию в сочетании с очень низким коэффициентом трения. Их высокая температура плавления (250°C) делает их особенно пригодными для различных областей применения, где специально требуется определенный уровень огнестойкости.

   Полиамид также известен, благодаря своим гидрофильным свойствам - это качество обеспечивает прекрасную способность к повторному диспергированию в различных минеральных средах (см. Рис. 1 и 2, на которых сравниваются стекловолокно и полиамидное волокно).

Рис. 1 : Полученная на растровом электронном микроскопе микрофотография материала, армированного стекловолокном

Рис. 2 : Полученная на растровом электронном микроскопе микрофотография материала, армированного волокном PA 6.6

   Полиамидные волокна являются прочными, жесткими и эластичными, что делает их особенно пригодными для армирования тонких элементов на основе минеральных вяжущих веществ.

   В Таблице 1, взятые из литературы, приводятся некоторые основные характеристики нейлона и других материалов, обычно используемых в области производства армированных волокнами вяжущих композиционных материалов.

3. Области применения:

   С использованием бетононасоса была изготовлена бетонная плита с площадью поверхности ~110 м2 на основе бетона, армированного полипропиленовыми и полиамидными волокнами (разделенная на две равные части).

   На строительной площадке было изготовлено несколько бетонных призм размером 7 x 7 x 28 см3 и плит размером 50 x 50 x 5 см3. Они использовались в лаборатории для механических испытаний (испытания прочности на изгиб и ударной вязкости), а также нескольких замеров водопроницаемости. Результаты испытаний прочности на изгиб представлены на Рис. 3 :

Рис. 3а : Механические испытания призм размером 7x7x28 см3 по окончании 1 - 7 и 28 дней гидратации.

   Приготовленная в лаборатории на основе 400 кг обычного портландцемента марки OPC CEM I 52.5 композиция бетона с гранулометрическим составом 0/10 также была использована для сравнения полипропиленовых волокон (20 мм) и полиамидных волокон (18 мм). Волокна использовались в количестве 1,5 кг/м3. Водоцементное отношение составляло примерно 0,47. Полученные результаты показаны на Рис. 3 б.

Рис. 3б: Механические испытания призм размером 7x7x28 см3 по окончании 1 - 7 и 28 дней гидратации.

   Мы можем заметить, что в отношении механических эксплуатационных характеристик (прочности на изгиб и на сжатие) при сравнении полипропиленовых и полиамидных волокон (использовавшихся с дозировками 0,9 и 1,5 кг/м3) результаты получаются практически одинаковыми. Это должно быть в прямой связи с поверхностью раздела "волокно - матрица вяжущего вещества" (связь "волокно - вяжущее вещество") : два армированных волокнами вяжущих композиционных материала должны показывать - с физической точки зрения - схожие характеристики микроструктуры.

   После 90 дней гидратации (хранение в лаборатории при температуре 20°C, относительной влажности 75%), мы использовали растровый электронный микроскоп (Leica Stereoscan 440), чтобы оценить характеристики микроструктуры бетона. Некоторые из полученных результатов представлены ниже на Рис. 4 и 5.

   Вяжущие композиционные материалы фактически характеризуются переходной зоной, которая зависит от типа волокна, а также от некоторых других параметров, таких, как водоцементное отношение, метод укладки бетона и т.п. Совместимость и связь системы "волокно - вяжущее вещество" будет в значительной степени изменять поведение бетона, особенно в отношении стабильности размеров (свежеуложенное состояние) и "механического" поведения (затвердевший материал).

   Мы можем отметить, что в большинстве случаев отдельные полипропиленовые или полиамидные волокна распределены объемно. Цементное вяжущее вблизи от волокна очевидно более пористое, чем по объему цементного теста. На поверхности волокон можно заметить некоторое количество больших по размеру частиц, которые по всей вероятности представляют собой CH (портландит).

Бетон, армированный полипропиленовым волокном:

Рис. 4 а : Полученные на растровом электронном микроскопе микрофотографии бетона, армированного полипропиленовым волокном (900 г/м3)

   Очевидно, что полипропиленовые волокна демонстрируют слабую связь с минеральным вяжущим веществом. Некоторые волокна выглядят совершенно чистыми, в то время как некоторые другие волокна демонстрируют частичное сцепление (Рис. 4 б).

   Уровень диспергирования кажется приемлемым в рассмотренных образцах бетона, даже несмотря на то, что на этапе приготовления смеси мы наблюдали некоторую агломерацию волокон и были вынуждены увеличить продолжительность перемешивания, чтобы добиться достаточной однородности смеси.

   Химическое строение полипропилена делает его гидрофобным, его способность к повторному диспергированию обычно невелика и поверхность раздела "волокно - матрица вяжущего вещества" часто оказывается слабой.

Рис. 4 б : Полученные на растровом электронном микроскопе микрофотографии бетона, армированного полипропиленовым волокном (900 г/м3)

   Полипропилен (в который часто добавляется стекловолокно для улучшения его механических характеристик) имеет малый вес (плотность 0.910) и иногда имеет тенденцию подниматься на поверхность цементного вяжущего вещества, где концентрация волокон обычно немного выше, чем в глубине смеси.

   Мы можем видеть, что на поверхности части волокон имеется некоторое истирание (из-за трения в процессе перемешивания бетона), даже несмотря на то, что этот материал считается стойким к истиранию

Окончание статьи ->