astАрхитектура, строительство, транспортArchitecture, Construction, Transport2782-232X2713-0770Industrial University of Tyumen10.31660/2782-232X-2024-4-44-54ast-178Research ArticleСТРОИТЕЛЬСТВОCONSTRUCTIONМеханические свойства цементных композитов, армированных керамическим волокномMechanical properties of cement composites reinforced with ceramic fiberhttps://orcid.org/0000-0001-6437-1941ЗимаковаГ. А.ZimakovaG. A.

Зимакова Галина Александровна, канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры строительных материалов

Тюмень

Galina A. Zimakova, Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor, Associate Professor in the Department of Building Materials

Tyumen

ga.winter@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9260-6189КасперЕ. А.KasperE. A.

Каспер Елена Александровна, старший преподаватель кафедры строительных материалов

Тюмень

Elena A. Kasper, Senior Lecturer in the Department of Building Materials

Tyumen

elena-kasper@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4549-1424БочкареваО. С.BochkarevaO. S.

Бочкарева Ольга Станиславовна, старший преподаватель кафедры строительных материалов

Тюмень

Olga S. Bochkareva, Senior Lecturer in the Department of Building Materials

Tyumen

olga_bos09@mail.ruТюменский индустриальный университетРоссияIndustrial University of TyumenRussian Federation202428122024044454Copyright © Зимакова Г.А., Каспер Е.А., Бочкарева О.С., 20242024Зимакова Г.А., Каспер Е.А., Бочкарева О.С.Zimakova G.A., Kasper E.A., Bochkareva O.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ast.tyuiu.ru/jour/article/view/178

Особая роль в модификации структуры цементных композитов отводится армирующим компонентам и добавкам химического типа. Использование в качестве дисперсно-армирующего компонента керамических волокон в составе цементных систем позволяет повысить прочность на растяжение при изгибе, трещиностойкость и долговечность материала. По результатам исследования выявлено, что в качестве структурообразующего компонента бетона рационально применять керамические волокна на основе муллитокремнезема диаметром от 0.02 до 0.06 мм в сочетании с химической добавкой на основе карбоксилатов. Установлены оптимальные дозировки муллитокремнеземистого волокна, влияющие на структуру и физико-механические свойства цементного камня. Методом растровой электронной микроскопии и спектрального анализа изучены процессы, происходящие на границе раздела цементная матрица – волокно, выявлено, что обрастание волокон фазообразующими гидратами обеспечивается за счет структурно-химического соответствия. Применение керамических волокон высокотемпературного синтеза и водоредуцирующей добавки позволило увеличить прочность на сжатие цементных композитов в 1.9 раза, повысить сопротивление цементного камня разрушению за счет увеличения прочности на растяжение при изгибе в 3.9 раза и повышения трещиностойкости в 2 раза по сравнению с контрольным составом.

Reinforcing components and chemical additives are significant in modifying the structure of cement composites. Ceramic fibers, as a disperse-reinforcing component in cement systems, provide increased tensile strength in bending, crack resistance and durability of the material. The results of the research have revealed that such a concrete structure-forming component as ceramic mullite-silica fiber 0.02 to 0.06 mm across is rational to combine with a carboxylates-based chemical additive. Optimal dosages of mullite-silica fiber that influence the structure and physical-mechanical properties of the cement stone were determined. The method of scanning electron microscopy and spectral analysis was used to examine processes on the interface cement matrix – fiber. It has been underlined that fibers are covered by phase-forming hydrates due to structural and chemical correspondence. The use of ceramic fibers of high-temperature synthesis and water-reducing additive made it possible to increase the compressive strength of cement composites by 1.9 times compared to the control sample, as well as to improve the resistance of cement stone to destruction by increasing the bending tensile strength by 3.9 times and crack resistance by 2 times compared to the control composition.

цементные композитысуперпластификатордисперсное армированиекерамическое волокнопрочность на сжатиепрочность на растяжение при изгибетрещиностойкостьcement compositessuperplasticizerdispersed reinforcementceramic fibercompressive strengthbending tensile strengthcrack resistanceReferencesДемьяненко О. В., Куликова А. А., Копаница Н. О., Петров А. Г. Влияние комплексных модифицирующих добавок на эксплуатационные свойства тяжелого бетона. Известия высших учебных заведений. Строительство. 2021;(5):23–32. Режим доступа: http://www.izvuzstr.sibstrin.ru/uploads/publications/39c72d50004de06966c6fd461b11881f5fb73167.pdf.Demyanenko O. V., Kulikova A. A., Kopanitsa N. O., Petrov A. G. The effect of complex modifying additives on the performance properties of heavy concrete. News of Higher Educational Institutions. Construction. 2021;(5):23–32. (In Russ.) Available at: http://www.izvuzstr.sibstrin.ru/uploads/publications/39c72d50004de06966c6fd461b11881f5fb73167.pdf.Ильина Л. В., Молодин В. В., Гичко Н. О., Туляганов А. К. Повышение прочностных характеристик цементных конгломератов добавками направленного действия. Строительные материалы. 2023;(7):36–42. Режим доступа: https://elibrary.ru/download/elibrary_54325920_90334451.pdf.Il'ina L. V., Molodin V. V., Gichko N. O., Tulyaganov A. K. Improving the strength characteristics of cement conglomerates with directional additives. Stroitel’nye Materialy [Construction Materials]. 2023;(7):36–42. (In Russ.) Available at: https://elibrary.ru/download/elibrary_54325920_90334451.pdf.Куликова А. А., Копаница Н. О., Дмитриева М. А., Демьяненко О. В., Петров А. Г. Влияние бинарных модифицирующих добавок на процессы гидратации цементных систем. Строительные материалы. 2023;(9):83–88. Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=54718506.Kulikova А. А., Kopanitsa N. O., Dmitrieva M. A., Demyanenko О. V., Petrov A. G. Influence of binary modifying additives on the processes of hydration of cement systems. Stroitel’nye Materialy [Construction Materials]. 2023;(9):83–88. (In Russ.) Available at: https://elibrary.ru/item.asp?id=54718506.Крамар Л. Я., Кудяков А. И., Трофимов Б. Я., Шулдяков К. В. Цементные тяжелые бетоны для строительства скоростных автомобильных дорог. Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2017;(4):147–157. Режим доступа: https://vestnik.tsuab.ru/jour/article/view/334/335.Kramar L.Ya., Kudyakov A.I., Trofimov B.Ya., Shuldyakov K.V. Cement Heavy Concretes for Highway Construction. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2017;(4):147–157. (In Russ.) Available at: https://vestnik.tsuab.ru/jour/article/view/334/335.Кудяков А. И., Симакова А. С., Кондратенко В. А., Стешенко А. Б., Латыпов А. Д. Влияние органических добавок на свойства цементного теста и камня. Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2018;(6):138–147. https://doi.org/10.31675/1607-1859-2018-20-6-138-147Kudyakov A. I., Simakova А. S., Kondratenko V. A., Steshenko A. B., Latypov A. D. Cement paste and brick properties modified by organic additives. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2018;20(6):138–147. (In Russ.) https://doi.org/10.31675/1607-1859-2018-20-6-138-147Zimakova G., Kasper E., Bochkareva O. Strengthening of concrete composites using polycarboxylate and aluminosilicate materials. Advances in Intelligent Systems and Computing. 2020;1116:316–328. https://doi.org/10.1007/978-3-030-37919-3_31Zimakova G., Kasper E., Bochkareva O. Strengthening of concrete composites using polycarboxylate and aluminosilicate materials. Advances in Intelligent Systems and Computing. 2020;(1116):316–328. https://doi.org/10.1007/978-3-030-37919-3_31Ткач Е. В., Темирканов Р. И., Ткач С. А. Комплексное исследование модифицированного бетона на основе активированного микрокремнезема совместно с микроармирущим волокном для повышения эксплуатационных характеристик. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2021;332(5):215–226. https://doi.org/10.18799/24131830/2021/5/3204Tkach E. V., Temirkanov R. I., Tkach S. A. Comprehensive study of modified concrete based on activated microsilica together with micro-reinforcing fiber to improve performance. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering. 2021;332(5):215–226. (In Russ.) https://doi.org/10.18799/24131830/2021/5/3204Смирнова О. М., Харитонов А. М. Деформационно-упрочняющиеся фиброкомпозиты гидратационного твердения: определение, принципы получения и перспективы применения. Известия высших учебных заведений. Строительство. 2022;10(766):14–22. https://doi.org/10.32683/0536-1052-2022-766-10-14-22Smirnova O. M., Kharitonov A. M. Deformation-hardening fiber composites: definition, principles of preparation and prospects of application. News of Higher Educational Institutions. Construction. 2022;10(766):14–22. (In Russ.) https://doi.org/10.32683/0536-1052-2022-766-10-14-22Рабинович Ф. Н. Композиты на основе дисперсно армированных бетонов: вопросы теории и проектирования, технология, конструкции. Москва: Ассоциация строительных вузов; 2011. 639 с.Rabinovich F. N. Composites based on dispersed reinforced concrete: issues of theory and design, technology, construction. Moscow: Assotsiatsiya stroitel'nykh vuzov; 2011. (In Russ.)Al-Kharabsheh B. N., Arbili M. M., Majdi A., Alogla S. M., Hakamy A., Ahmad J., Deifalla A. F. Basalt fiber reinforced concrete: a compressive review on durability aspects. Materials (Basel). 2023;16(1):429. https://doi:10.3390/ma16010429Al-Kharabsheh B. N., Arbili M. M., Majdi A., Alogla S. M., Hakamy A., Ahmad J., Deifalla A. F. Basalt fiber reinforced concrete: a compressive review on durability aspects. Materials (Basel). 2023;16(1):429. https://doi:10.3390/ma16010429Белова Т. К., Гурьева В. А., Турчанинов В. И. Исследование влияния дисперсного армирования модифицированным базальтовым микроволокном на прочностные свойства цементного раствора. Инженерный вестник Дона. 2015;(2-1):35. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=24068208.Belova T. K., Gur’eva V. A., Turchaninov V. I. Investigation of the effect of particulate reinforcement modified basalt microfiber on the strength properties of cement mortar. Engineering journal of Don. 2015;(2-1):35. (In Russ.). Available at: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=24068208.Серова, Р. Ф., Рахимова Г. М., Стасилович Е. А., Айдарбекова С. Ж. Исследование физико-механических свойств дисперсно-армированных бетонов. Эпоха науки. 2018;(14):192–200. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?edn=usqweo.Serova R. F., Rakhimova G. M., Stasilovich E. A., Ajdarbekova S. Zh. Research of physicomechanical properties of dispersed-reinforced concrete. Era of Science. 2018;(14):192–200. (In Russ.) Available at: https://www.elibrary.ru/item.asp?edn=usqweo.Yang J., Chen B., Nuti C. Influence of steel fiber on compressive properties of ultra-high performance fiber-reinforced concrete. Construction and Building Materials. 2021;302:124104. https://doi:10.1016/j.conbuildmat.2021.124104Yang J., Chen B., Nuti C. Influence of steel fiber on compressive properties of ultra-high performance fiber-reinforced concrete. Construction and Building Materials. 2021;302:124104. https://doi:10.1016/j.conbuildmat.2021.124104Агамов Р. Э., Гончарова М. А., Пачин А. Р. Высокопрочные фибробетоны в конструкциях общестроительного и специального назначения. Строительные материалы. 2023;(1-2):39–43. https://doi.org/10.31659/0585-430X-2023-810-1-2-39-43Agamov R. E., Goncharova M. A., Pachin A. R. High-strength fiber-reinforced concrete in structures for general construction and special purposes. Stroitel’nye Materialy [Construction Materials]. 2023;(1-2):39–43. (In Russ.) https://doi.org/10.31659/0585-430X-2023-810-1-2-39-43Мальцева Т. В., Набоков А. В., Черных А. В. Применение песчаных армированных свай при строительстве малоэтажных зданий. Вестник Тюменского государственного архитектурно-строительного университета. 2015;(2):34–39. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=24389410.Maltseva T. V., Nabokov A. V., Chernykh A. V. Reinforced sand piles for low-rise buildings. Vestnik Tyumenskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta. 2015;(2):34–39. (In Russ.) Available at: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=24389410.Yang J., Chen B., Wu X., Xu G. Quantitative analysis of steel fibers on UHPFRC uniaxial tensile behavior using X-CT and UTT. Construction and Building Materials. 2023;368(5):130349. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.130349Yang J., Chen B., Wu X., Xu G. Quantitative analysis of steel fibers on UHPFRC uniaxial tensile behavior using X-CT and UTT. Construction and Building Materials. 2023;368(5):130349. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.130349Zhang H., Ji T., Lin X. Pullout behavior of steel fibers with different shapes from ultra-high performance concrete (UHPC) prepared with granite powder under different curing conditions. Construction and Building Materials. 2019;211:688–702. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.03.274Zhang H., Ji T., Lin X. Pullout behavior of steel fibers with different shapes from ultra-high performance concrete (UHPC) prepared with granite powder under different curing conditions. Construction and Building Materials. 2019;211:688–702. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.03.274Соловьев В. Г., Матюшин Е. В., Ефишов Л. И. Влияние вида и объемного содержания стальной фибры на прочность сверхвысокопрочного сталефибробетона при сжатии. Строительные материалы. 2023;(11):20–27. https://doi.org/10.31659/0585-430X-2023-819-11-20-27Soloviev V. G., Matiushin E. V., Efishov L. I. Influence of type and volume content of steel fiber on the compressive strength of ultra-high performance fiber reinforced concrete. Stroitel’nye Materialy [Construction Materials]. 2023;(11):20–27. (In Russ.) https://doi.org/10.31659/0585-430X-2023-819-11-20-27Sharma R., Jang J. G., Bansal P. P. A comprehensive review on effects of mineral admixtures and fibers on engineering properties of ultra-high-performance concrete. Journal of Building Engineering. 2022;45:103314. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2021.103314Sharma R., Jang J. G., Bansal P. P. A comprehensive review on effects of mineral admixtures and fibers on engineering properties of ultra-high-performance concrete. Journal of Building Engineering. 2022;45:103314. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2021.103314Ahmad J., Gonzalez-Lezcano R. A., Majdi A., Ben Kahla N., Deifalla A. F., El-Shorbagy M. A. Glass fibers reinforced concrete: Overview on mechanical, durability and microstructure analysis. Materials. 2022;15:5111. https://doi.org/10.3390/ma15155111Ahmad J., Gonzalez-Lezcano R. A., Majdi A., Ben Kahla N., Deifalla A. F., El-Shorbagy M. A. Glass fibers reinforced concrete: Overview on mechanical, durability and microstructure analysis. Materials. 2022;15:5111. https://doi.org/10.3390/ma15155111Zheng Y., Zhang Yu, Zhuo J., Zhang Ya., Wan C. A review of the mechanical properties and durability of basalt fiber-reinforced concrete. Construction and Building Materials. 2022;359:129360. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.129360Zheng Y., Zhang Yu, Zhuo J., Zhang Ya., Wan C. A review of the mechanical properties and durability of basalt fiber-reinforced concrete. Construction and Building Materials. 2022;359:129360. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.129360

The authors declare that there are no conflicts of interest present.