80
АДГЕЗИЯ БАЗАЛЬТОВОГО ВОЛОКНА В ЦЕМЕНТНОМ КАМНЕ
Мухаммадиев Немат Рахматович
Ташкентский государственный транспортный университет,
кафедра «Строительство зданий и промыщленных сооружений»,
кандидат технических наук, доцент
https://doi.org/10.5281/zenodo.14271788
Аннотация.
В работе рассмотрены механизмы адгезии базальтового волокна в
цементном камне, включающие физическое сцепление и химическое взаимодействие.
Особое внимание уделено влиянию текстуры поверхности волокна, химической
обработки и свойств цементной матрицы на адгезионные характеристики.
Представлены результаты исследований, подтверждающие, что использование
базальтового волокна улучшает прочностные и эксплуатационные свойства
цементных композитов.
Ключевые слова:
Базальтовое волокно, цементный камень, адгезия, физическая
сцепка, химическое взаимодействие, строительные материалы.
Введение
Современное строительство требует использования инновационных материалов,
которые обеспечивают высокую прочность, долговечность и экологичность
конструкций. Одним из таких перспективных материалов является базальтовое
волокно (БВ). Этот материал производится из природного базальта путем плавления и
последующего волочения в волокна, что делает его экологически чистым и доступным.
Базальтовое волокно обладает уникальными свойствами:
Высокая прочность на растяжение (до 3 ГПа);
Устойчивость к воздействию химических агрессивных сред, включая щелочные
растворы;Температурная стабильность (рабочий диапазон от -260 °C до +700
°C);Низкая теплопроводность и устойчивость к коррозии.
Применение базальтового волокна в цементных композитах позволяет
существенно улучшить их механические характеристики, такие как прочность на
изгиб, трещиностойкость и долговечность. Тем не менее, эффективность армирования
цементного камня во многом зависит от адгезионных взаимодействий между
базальтовым волокном и цементной матрицей. Адгезия обеспечивает передачу
нагрузок от матрицы к волокну, что критически важно для реализации преимуществ
композитного материала.
В данной работе рассматриваются механизмы адгезии базальтового волокна с
цементным камнем, факторы, влияющие на качество сцепления, а также результаты
экспериментальных исследований, подтверждающие эффективность использования
базальтового волокна в строительных материалах.
Механизмы адгезии
Адгезия базальтового волокна (БВ) с цементным камнем обусловлена двумя
основными механизмами: физической и химической сцепкой.
Физическая адгезия
Физическая сцепка между волокном и цементной матрицей достигается за счет:
1.
Шероховатости поверхности волокна. Поверхность базальтового волокна
обладает микроскопическими неровностями, которые способствуют проникновению
81
гидратных продуктов цемента (в первую очередь C-S-H геля) в поры и углубления на
волокне. Это механическое сцепление повышает прочность контакта.
2.
Проникновения цементного раствора
.
Гидратные продукты цемента, такие как
портландит и C-S-H, проникают в микропоры на поверхности волокна, формируя
механический "замок".
3.
Микроструктурной совместимости
.
Размер пор и текстура волокна оптимально
подходят для связывания с частицами цементной матрицы, что усиливает сцепление.
Химическая адгезия
Химическая сцепка развивается за счет взаимодействия активных групп на
поверхности базальтового волокна с продуктами гидратации цемента:
1.
Образование связей между кремнием волокна и кальцием
цемента. Базальтовое
волокно состоит преимущественно из оксидов кремния (SiO₂), которые вступают в
реакцию с гидроксидом кальция (Ca(OH)₂), образующимся в процессе гидратации
цемента.
В
результате
формируются
кальциево-силикатные
соединения,
обеспечивающие прочное химическое сцепление.
2.
Активная поверхность волокна. Использование модифицирующих покрытий
(например, силановых или полимерных) усиливает взаимодействие волокна с
гидратными продуктами цемента. Эти покрытия могут создавать дополнительные
химические связи, увеличивая адгезионную прочность.
3.
Ионообменные процессы
.
Взаимодействие между ионами кальция в цементной
матрице и активными ионами на поверхности волокна способствует формированию
устойчивой адгезионной зоны.
Факторы, влияющие на адгезию
1.
Химическая обработка волокна
.
2.
Специальные покрытия, такие как силановые соединения, увеличивают
совместимость волокна с цементным камнем.
3.
Качество цементного камня
.
Высокая плотность цементной матрицы уменьшает
пористость и повышает адгезионные свойства.
4.
Размер и форма волокна
.
Оптимальная длина и диаметр волокон способствуют
равномерному распределению усилий в композите.
Микроструктура зоны контакта
На микроструктурном уровне зона контакта между волокном и цементным
камнем представляет собой область повышенной плотности гидратных продуктов. Эта
область обладает улучшенными механическими свойствами по сравнению с основной
матрицей за счет:
Снижения пористости;
Увеличения концентрации C-S-H фаз;
Усиленной кристаллизации.
На схеме ниже (можно добавить в документ) показано взаимодействие волокна с
гидратными продуктами цемента:
Механическая сцепка через микропоры.
Химические связи между C-S-H и SiO₂.
Зона усиленной кристаллизации.
Экспериментальные данные
82
Для анализа адгезии используются испытания на разрыв и сдвиг волокна в
цементном камне, а также микроскопическое исследование зоны контакта. На рисунке
1 показано распределение напряжений в зоне контакта БВ и цементного камня.
На рисунке 1 представлены изменения прочностных характеристик цементного
камня при различной концентрации БВ.
Рисунок 1.
Заключение
Исследование адгезии базальтового волокна в цементном камне показало, что
данный материал обладает значительным потенциалом для улучшения механических
и долговечных характеристик строительных композитов. Механизмы физической и
химической сцепки обеспечивают эффективное взаимодействие между волокном и
цементной матрицей, что способствует повышению прочности на изгиб,
трещиностойкости и устойчивости к внешним воздействиям.
Особую роль в формировании прочной адгезии играют шероховатость
поверхности базальтового волокна, и его химическая совместимость с цементными
гидратами. Результаты исследований подтверждают, что модификация волокна и
оптимизация состава цементной матрицы могут значительно повысить адгезионные
свойства системы.
Применение базальтового волокна в строительстве позволяет создавать
экологически чистые, высокопрочные и долговечные материалы, что делает его
перспективным компонентом в современных технологиях армирования.
References:
1.
Бондаренко, Г. А., Сидоров, И. В.
Композиты на основе базальтового волокна и
цемента
. Москва: Издательство МИСИ, 2018.
2.
Иванов, А. П., Кузнецов, Н. В. Механизмы адгезии волокон в цементных матрицах.
Журнал строительных материалов, 2020, № 3, с. 25-30.
3.
G. L. Andrade, R. P. Lima. Mechanical Properties of Basalt Fiber Cement Composites.
Construction and Building Materials, 2019, vol. 208, pp. 304-312.
4.
Shevchenko, A. V., Kuzmin, D. A. Effect of Surface Modification on the Adhesion of Basalt
Fibers in Concrete. Materials Science Forum, 2021, vol. 1015, pp. 117-122.
83
5.
ASTM C944-99. Standard Test Method for Strength of Concrete Surfaces and Fiber
Adhesion. ASTM International, 2019.
6.
Adilkhodjaev, A., Makhamataliev, I., Tsoy, V., Shaumarov, S., & Ruzmetov, F. (2020).
Features of Forming the structure of cement concrete on second crushed stone from concrete
scrap. International Journal of Advanced Science and Technology, 29(5), 1901-1906.
7.
Adilkhodjaev, A. I., Makhamataliev, I. M., Tsoy, V. M., Adilbaevich, T. J., & Sharifboevich, R.
F. (2019). Assessment of reinforcement corrosion in high-filled ash-containing concrete.
International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering, 8(12), 4464-4466.
8.
Мухаммадиев, Н. Р. (2020). Результаты исследования вибрации в зоне рельсового
стыка при рельсовых скреплениях различной упругости. Известия Петербургского
университета путей сообщения, 17(3), 407-415.
9.
Адилходжаев, А. И., Махаматалиев, И. М., Цой, В. М., Худоёров, А. А., & Ильясов, А. Т.
(2023). МЕЛКОЗЕРНИСТЫЙ БАЗАЛЬТОФИБРОБЕТОН НА ОСНОВЕ МЕСТНЫХ
МАТЕРИАЛОВ С УЛУЧШЕННЫМИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ СВОЙСТВАМИ. Journal of
Academic Research and Trends in Educational Sciences, 224-229.
10.
Адилходжаев, А. И., Махаматалиев, И. М., Цой, В. М., Ильясов, A. T., Худоёров, A. A., &
Узаков, Ш. А. (2023). FINE GRAIN BASALT FIBER CONCRETE BASED ON LOCAL MATERIALS
WITH IMPROVED PERFORMANCE PROPERTIES: FINE GRAIN BASALT FIBER CONCRETE
BASED ON LOCAL MATERIALS WITH IMPROVED PERFORMANCE PROPERTIES.
Ресурсосберегающие технологии на транспорте, 2023(2023), 205-210.
11.
Адилходжаев, А. И., Махаматалиев, И. М., Цой, В. М., & Шаумаров, С. С. (2019).
Научно-обоснованная методика подбора добавок при проектировании состава
комплексно-модифицированных бетонов. Научно-технический вестник Брянского
государственного университета, (2), 269-279.
12.
Raupov, C., Malikov, G., & Zokirov, J. (2022). Determination of the boundary of the linear
creep of expanded clay concrete during compression. Science and innovation, 1(A4), 301-306.
