Растительные волокна могут придавать цементным изделиям различный набор свойств. Они могут способствовать распределению мелких трещин, снижению плотности и улучшению теплотехнических характеристик некоторых стеновых материалов. Кроме того, они поглощают воду, а многие натуральные волокна изменяют свои свойства в сильнощелочной среде портландцемента. Эффективный проект начинается с определения требуемых эксплуатационных характеристик изделия, а затем с испытания выбранного сорта волокна в конкретном вяжущем.
Компания “Shandong Jianbang Chemical Fiber Co., Ltd.» поставляет волокна Ecocretefiber™ для материалов на цементной основе. Наш ассортимент целлюлозных волокон представляет собой один из вариантов для производителей, которым требуются волокна растительного происхождения. Однако выбор данного материала все же требует четкого определения области применения и проведения контролируемых испытаний. Обзор исследований, посвящённых соломе, бамбуку, стеблям рапса и другим растительным волокнам, показывает, почему не существует единого «бетон с добавлением растительных волокон”Рецепт «».
Что считается растительным волокном в бетоне
Растительное волокно — это нить или короткий фрагмент природного происхождения, например соломы, бамбука, сизаля, джута, кокосового волокна или переработанной целлюлозы. Его основными компонентами являются целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин, а также небольшие количества восков и других соединений. Их соотношение зависит от вида растения, урожая, способа обработки и условий хранения. Два продукта с маркировкой “целлюлозное волокно”Поэтому »может иметь совершенно разные размеры, впитывающую способность и поведение в цементе.
Форма имеет такое же значение, как и происхождение. Измельченные стебли, частицы соломы и очищенные короткие целлюлозные волокна не обеспечивают одинаковую армирующую способность. Длинная нить может перекрыть более широкую трещину, в то время как тонкая фибрилла обеспечивает большую площадь контакта и может влиять на когезию свежей смеси. Ни одно из этих свойств само по себе не свидетельствует о несущей способности. Для выбранного сорта необходимо измерить длину, соотношение сторон, прочность на разрыв, адгезию, дозировку и дисперсию.
Растительные волокна также отличаются от полипропиленовые микроволокна а также из растворимых эфиров целлюлозы. ПП мононити имеет иной профиль водопоглощения, в то время как эфир целлюлозы изменяет водопоглощение и текучесть раствора в виде порошка. Наше руководство по целлюлозное волокно и целлюлозный эфирr объясняет, почему их нельзя заменить друг на друга по весу.
| Форма материала | Основная задача — провести оценку | Основные вопросы, касающиеся квалификации |
| Сырая измельчённая солома или стебли | Низкая плотность, распределение трещин или изоляция в отдельных изделиях | Изменчивость состава, водопоглощение, содержание экстрактивных веществ и долгосрочная стабильность |
| Обработанное целлюлозное волокно | Контроль мелких трещин и когезия смеси | Однородность фракций, дозировка, дисперсия и совместимость |
| Бамбук или другие длинные растительные волокна | Потенциал перекрытие трещин в соответствующем композите | Связь, ориентация, перемещение влаги и старение под воздействием щелочей |
| Микроволокно PP | Своевременное устранение трещин благодаря низкому водопоглощению волокон | Указанные сорт, доза и испытания эксплуатационных характеристик проекта |
В данном сравнении описываются возможные функции конструкции, а не гарантированные результаты. В техническом задании следует указывать конкретный продукт и его проверенные эксплуатационные характеристики, а не только его ботаническое семейство.
Как волокна влияют на прочность и характер растрескивания
Волокна могут пересекать развивающуюся трещину и передавать растягивающее усилие по мере раскрытия цементной матрицы. Такой «мост» может повлиять на характер разрушения балки и количество образующихся трещин. Мелкая, равномерно распределенная сеть волокон может способствовать сдерживанию расширения трещины. Полезная сила зависит от того, сохраняется ли волокно целым, а также от того, передает ли граница раздела нагрузку без чрезмерного скольжения или преждевременного разрыва.
Обзор, подготовленный Бай Шици в 2020 году в Новые технологии и продукты Китая были сопоставлены несколько примеров исследований. В серии исследований по бетону с соломенными волокнами отмечалось снижение прочности на сжатие, прочности на растяжение при раскалывании и прочности на изгиб по мере увеличения содержания соломы. В отдельном эксперименте с бамбуковыми волокнами было отмечено заметное повышение прочности на растяжение при раскалывании. Эти результаты могут сосуществовать, поскольку волокна, рецептуры смесей, диапазоны дозировок и методы испытаний различались. Мы не стали бы использовать результаты испытаний с бамбуком для прогнозирования прочности смеси с соломой.
В обзоре также описывается эксперимент с использованием стеблей рапса в низких дозах с содержанием клетчатки 0,1%, 0,2%, 0,3% и 0,4%. Некоторые показатели прочности сначала увеличились, а затем уменьшились. Сообщаемые пиковые значения прочности на растяжение при раскалывании и прочности на изгиб были достигнуты примерно при 0,21 TP3T по объему с волокном длиной от 20 до 30 мм. Это результат, полученный для конкретной системы переработки стеблей рапса. Это не Дозировка целлюлозы Ecocretefiber™ и её объемная доля не должны переноситься в производственную спецификацию, основанную на массе, без расчётов плотности волокна и состава смеси.
Почему избыток волокон может нанести вред? Увеличение количества растительного материала может привести к оттоку воды из свежей пасты, снижению технологичности и образованию комков. В результате в смеси могут образовываться воздушные пустоты или оставаться зоны с недостаточным количеством пасты вокруг заполнителя и волокон. Более низкая плотность может быть целесообразной для стеновых блоков, однако избыточные пустоты могут снизить прочность на сжатие. Инженер должен определить, какое свойство является приоритетным, и удержать остальные свойства в допустимых пределах.
При принятии конструктивных решений следует запросить данные о измеренной прочности на сжатие и полной характеристике изгиба на выбранном сроке эксплуатации. Пиковая прочность на изгиб и остаточная нагрузка после появления трещин дают ответы на разные вопросы. ASTM C39/C39M-26 охватывает прочность на сжатие соответствующих цилиндрических бетонных образцов. ASTM C78/C78M-22 измеряет прочность на изгиб с помощью нагружения в третьей точке. В случаях, когда важны остаточные характеристики балки, ASTM C1609/C1609M-24 оценивает фиброармированный бетон на основании кривой «нагрузка-прогиб». Методика испытаний и тип образца должны соответствовать продукту, проходящему аттестацию.
Преимущества теплоизоляции требуют правильного сравнения
Некоторые композитные материалы на основе растительных волокон обладают более низкой теплопроводностью, поскольку их структура удерживает больше воздуха и имеет меньшую насыпную плотность. В обзоре за 2020 год описывается бетон на основе стеблей рапса, поры которого крупнее, чем у эталонной смеси, и отмечается тенденция к снижению теплопроводности по мере увеличения содержания волокон. Это же изменение размера пор может влиять на прочность и движение воды. Поэтому теплоизоляционные свойства и прочность необходимо испытывать одновременно.
В одном из приведённых сравнений указана теплопроводность, равная 0,15 Вт/(м·К) чтобы попить через соломинку цементный блок из оксихлорида магния, в то время как в том же источнике для глиняного кирпича этот показатель составляет 0,81 Вт/(м·К), а для эталонного бетона — 1,51 Вт/(м·К). Показатель 0,15 относится именно к данному стеновому блоку и условиям его испытаний. Он не характеризует обычный портландцементный бетон, любую смесь с растительными волокнами или какой-либо продукт Ecocretefiber™.
Стеновые материалы могут быть привлекательным выбором, если требуется снизить теплопоток и предъявляются умеренные требования к прочности конструкции. В случае напольного покрытия или элементов, подвергающихся значительным нагрузкам, соотношение этих факторов иное. Уточняйте коэффициент теплопроводности при указанной влажности и плотности, размеры изделия, а также результаты соответствующих испытаний на сжатие и долговечность. Влажность может влиять на тепловые характеристики, поэтому лабораторные данные для сухого образца могут не отражать реальные условия эксплуатации открытой стены.
Если производитель уделяет особое внимание тепловым характеристикам, следует сравнивать готовые изделия или панели в полной комплектации с использованием единого согласованного метода. ASTM C518-21 — это метод измерения теплового потока для определения характеристик теплопередачи в стационарном режиме. Выберите подходящую испытательную установку и зафиксируйте условия подготовки, размер образца, плотность и влажность.
Водопоглощение — первая задача при разработке рецептуры смеси
Растительные волокна часто содержат поры и гидрофильные группы. Они могут впитывать воду до или во время смешивания. Это может снизить количество свободной воды, доступной для смачивания цемента и заполнителя, изменить осадку или текучесть, а также привести к тому, что партия, приготовленная на заводе, будет вести себя иначе, чем небольшая лабораторная партия. В процессе эксплуатации при смачивании волокно может разбухать, а при высыхании — сжиматься. Повторяющиеся изменения могут ослабить границу раздела между волокном и матрицей.
В цитируемом обзоре описывается композитный материал на основе соломенного волокна, водопоглощение которого увеличивалось с ростом содержания волокна. В ходе одного из экспериментов по обработке было установлено, что промывка или обработка щелочью снижают водопоглощение по сравнению с необработанными образцами. Одно из зарегистрированных минимальных значений составило 9,32% после 12-часового погружения для смеси, содержащей 5% волокна, обработанного в 4% растворе гидроксида натрия. Это узкоспецифический экспериментальный результат. Он не является общим прогнозом для всех видов бетона на растительной основе, а также не представляет собой рекомендуемую химическую рецептуру для промышленного производства.
В процессе производства следует фиксировать влажность волокна при поступлении и его поведение при впитывании воды. План предварительного увлажнения, контролируемая регулировка содержания воды или использование другого сорта волокна могут улучшить однородность смеси, однако каждое изменение необходимо проверить. Добавление воды до тех пор, пока смесь не станет пригодной для работы, может повысить фактическое соотношение «вода/вяжущее» и снизить прочность. В некоторых смесях более подходящим решением может быть регулировка количества суперпластификатора, при условии проверки его совместимости.
Измеряйте поступление воды в бетон отдельно от поглощения волокнами. ASTM C1585-20 измеряет скорость поглощения воды гидравлическим цементным бетоном через открытую поверхность. Этот метод полезен в тех случаях, когда в рамках проекта требуется сравнение определённых показателей сорбционной способности. Он не заменяет измерение влажности волокон или программу обеспечения долговечности проекта.
Почему гидратация цемента может замедляться
Растительное волокно содержит не только целлюлозу. Некоторые стебли и другие виды сырого волокна могут выделять в смешивательную воду растворимые сахара и соединения, содержащиеся в гемицеллюлозе или лигнине. Эти экстрактивные вещества могут замедлять реакции цемента. В обзоре за 2020 год приводятся данные исследований по тепловыделению, в ходе которых солома снижала максимальную скорость гидратации и уменьшала количество тепла, выделяемого в течение первых семи дней. Это наблюдение относится к исследованной соломе и вяжущему. Очищенная или переработанная целлюлоза может вести себя иначе.
Смесь с более медленным временем схватывания может задержать извлечение из формы, отделку или раннюю загрузку. Это также может затруднить производство в холодную погоду. На заводе следует сравнить обычные смеси и смеси с волокнами, в которых используются одинаковые вяжущие, вода, добавки, температура и метод отверждения. Необходимо отслеживать текучесть свежей смеси, время схватывания, раннюю прочность и прочность в дальнейшем. Если в смеси используются дополнительные цементные материалы, следует провести испытания всей системы вяжущих, а не предполагать, что изменение содержания цемента устранит несовместимость.
ASTM C403/C403M-23 Позволяет измерить время схватывания по сопротивлению проникновению для соответствующих бетонных смесей или фракций строительного раствора. Изотермическая калориметрия может предоставить дополнительную информацию о профиле выделения тепла. Эти испытания позволяют специалистам определить, будут ли волокна и вяжущее взаимодействовать должным образом в запланированных условиях производства.
Проблема стойкости к воздействию щелочей и адгезии
Поровый раствор обычного портландцемента имеет щелочную среду. Со временем такая среда может вызывать разрушение компонентов некоторых натуральных волокон. Влага, а также многократное намокание и высыхание могут усугубить повреждения. В ходе исследования сизаля в цементных матрицах изучалось его разрушение в щелочной среде с высоким содержанием минералов, в то время как в других экспериментальных работах измерялось старение натуральных волокон под воздействием щелочной среды. Срок службы композитного материала зависит от конкретного волокна и матрицы, поэтому обнадеживающий результат испытаний на прочность через 28 дней является лишь отправной точкой. Ознакомьтесь с исследованием по деградации цементной матрицы и экспериментальные исследования старения.
Поверхность волокна также может затруднять сцепление. Воски или остатки веществ могут ограничивать контакт с цементной пастой. Волокно, которое вырывается слишком легко, не способно передавать значительную нагрузку через трещину. В то же время очень прочное сцепление с хрупким волокном может привести к его разрушению. Оптимальные условия сцепления зависят от требуемой ширины трещины и этапа нагружения.
Возможными подходами являются очистка, контролируемая щелочная обработка, нанесение покрытия, а также механическая или плазменная обработка поверхности. Они отличаются по стоимости и эффективности. Обработка должна оцениваться с точки зрения повреждения волокон, остаточных химических веществ, водопоглощения, совместимости в смеси и долгосрочных эксплуатационных характеристик. В обзоре рассматривается холодная плазма как способ изменения химического состава поверхности, однако в нём не устанавливается универсальный процесс или экономическая выгода для каждого сорта растительных волокон.
Производитель также может изучить варианты изменения вяжущих, включая применение подходящих дополнительных цементных материалов, в рамках проектирования с учетом долговечности. Однако это не означает, что материал автоматически станет безопасным при любых условиях эксплуатации. Необходимо сочетать результаты ускоренных испытаний на старение с сохраненными свойствами волокон и композита, а также согласовать условия эксплуатации с инженером.
Где можно применять растительные волокна и в каких областях следует провести дополнительные испытания
Стеновые панели, легкие блоки, некоторые сборные элементы, штукатурка и отдельные виды строительных растворов могут отличаться сочетанием низкой плотности, когезии или тепловых характеристик. При этом для каждого продукта по-прежнему необходимо соблюдать собственные критерии прочности и влажности. Конструктивный бетонный элемент, подвергающийся значительным нагрузкам, требует гораздо более прочной оболочки, особенно если конструкция рассчитана на остаточная нагрузка после растрескивания. Не следует рассматривать каждое растительное волокно как прямой заменитель стальная арматура или синтетическое волокно, полученное с помощью специальной технологии.
Мы предлагаем Целлюлозное волокно Ecocretefiber™ вариант с указанием длины отрезков и информации о сорте. Речь идет об обработанном продукте, а не о сырой соломе или образцах бамбука, использованных в упомянутых исследованиях. Страница этого продукта может послужить отправной точкой для обсуждения сортов, однако выбранная смесь требует отдельной проверки. Мы также предлагаем более широкий ассортимент волокон когда ПП, ПВА, сталь или другой материал лучше соответствует целевому показателю производительности.
Для проведения полезного испытания сначала определите конечный продукт. Выберите необработанный эталонный образец и как минимум два уровня содержания волокон. Для каждой серии используйте одинаковые связующее, заполнитель, условия отверждения и контроль влажности. Зафиксируйте влажность волокон, степень их дисперсии, текучесть свежего раствора, содержание воздуха, удельный вес, время схватывания, прочность на сжатие и характеристики при изгибе. Добавьте испытания на впитываемость, термические испытания и испытания на старение, если эти характеристики будут иметь значение при эксплуатации. Сфотографируйте разрушенные образцы и отметьте, вырвались ли волокна, сломались ли они или сгруппировались.
Затем проведите испытания по смешиванию и укладке в промышленных масштабах. Волокно должно подаваться равномерно, распределяться без образования комков и сохранять требуемую поверхность. Если для обеспечения технологичности требуется больше воды, переработайте рецептуру и проведите повторные испытания, а не вносите изменения в утвержденную смесь без уведомления. Оптимальной считается та рецептура, которая обеспечивает все требуемые свойства при воспроизводимых затратах и технологическом процессе.
Часто задаваемые вопросы
Всегда ли бетон с добавлением растительных волокон прочнее обычного бетона?
Нет. Некоторые волокна и небольшие дозировки улучшают определенные показатели прочности на растяжение или изгиб, в то время как другие смеси приводят к снижению прочности. Избыток воды, воздуха или плохая дисперсия могут снизить прочность на сжатие. Сравните выбранный сорт с контрольным образцом без добавок, испытанным по той же методике.
Улучшают ли все растительные волокна теплоизоляцию?
Нет. Важны плотность, структура пор, влажность, вяжущее вещество и геометрия изделия. Приведенный пример с коэффициентом теплопроводности 0,15 Вт/(м·К) относится к одному конкретному блоку из соломы и оксихлорида магния и не может быть применён к другому изделию.
Можно ли использовать указанную дозу в 0,2 процента для целлюлозного волокна?
Не напрямую. Это число представляло собой объемную долю в конкретном эксперименте со стеблями рапса. Уточните плотность по классу, определите, используется ли на вашем производстве дозирование по объему или по массе, и укажите диапазон испытательных значений в вашем техническом задании.
Поможет ли обработка щелочью решить проблему долговечности?
Обработка может улучшить одно свойство и ухудшить другое. Выберите четко определённый процесс, а затем измерьте водопоглощение, целостность волокон, схватывание, прочность и сохранившиеся свойства после соответствующего старения. На производстве соблюдайте надлежащие процедуры обращения с химическими веществами.
Является ли переработанное целлюлозное волокно тем же, что и эфир целлюлозы?
Нет. Целлюлозное волокно представляет собой физическую нить, способную участвовать в перекрытии трещин. Эфир целлюлозы — это растворимый или гидратируемый порошок, используемый в основном для изменения водоудерживающей способности и текучести свежей смеси. Для этих двух материалов требуются разные технические характеристики.
Заключение
Растительные волокна могут быть полезны в цементных изделиях, особенно когда важны такие параметры, как распределение трещин, когезия смеси, вес или тепловые характеристики. Их водопоглощение, химический состав поверхности, эффекты гидратации и щелочная стойкость также могут ограничивать эксплуатационные характеристики. Приведенные примеры исследований указывают на практическое правило: проведите испытания конкретной марки волокна в конкретном вяжущем и измерьте те свойства, которые ваш заказчик будет фактически использовать.
Компания «Shandong Jianbang Chemical Fiber Co., Ltd.» готова предоставить образцы целлюлозного волокна Ecocretefiber™ и обсудить с вами другие варианты волокон для вашей продукции. Свяжитесь с нашей командой с указанием области применения, связующего вещества, метода смешивания и необходимых испытаний, чтобы мы могли помочь вам выбрать подходящий пробный сорт.
