Базальтовые вариации

Об уникальном строительном материале - бальзате. Применение в строительстве

Ветров Ю. Новицкий А. Базальтовые вариации // Капстроительтво. 2002. №3. C.40-42

Базальт - это уникальный строительный материал, обладающий высокими прочностными, тепло- и звукоизоляционными свойствами. Он практически не реагирует на перепады температур, устойчив во всех агрессивных средах, является прекрасным облицовочным материалом. Сегодня в мире широко используется ремонт труб различного назначения и диаметров путем ввода во внутрь пластиковых шлангов. Если вместо пластиковых будут введены шланги на основе базальтовых тканей, которые устойчивы в агрессивных средах (в том числе и сероводорода, присутствующего в природном газе), высоких температур, то повторный ремонт таких труб потребуется не ранее следующего тысячелетия.

Базальт - это излившаяся на поверхность вулканическая горная порода. В Украинском Полесье (это прежде всего Ровенская и Волынская области) базальты залегают в виде лавовых потоков. Здесь выявлено и с различной степенью детальности разведано значительное количество месторождений, из которых на сегодняшний день интенсивно разрабатывается только Иван-Долинское месторождение. Месторождение расположено в Костопольском районе Ровенской области. На этом месторождении базальты представлены в основном двумя разновидностями. Это столбчатые отдельности и, так называемый практиками, скальный базальт. Последний объединяет афонитовые и миндалекаменные разности. Скальный базальт составляет около 95% общего объема запасов месторождения и только 5% приходится на долю "столбов". "Столбы" - это уникальное творение природы, представляющее собой вертикально стоящие от трех до восьмигранных призм высотой до 18-24 см. Это созданные природой готовые архитектурные колонны, которые при добыче разделяются на блоки длиною 1,5-3 м. Из таких блоков изготавливаются полированные плиты различной толщины, являющиеся прекрасным облицовочным материалом. Конечно, большая часть столбов имеет как вертикальные, так и горизонтальные трещины и должны быть использованы для производства плит, но пока ни одна столбчатая отдельность, то есть ни один столб не использован архитекторами при градостроительстве. А ведь во многих городах сооружены памятные шпили, пъедесталы и колоннады. Но это особый разговор. На сегодняшний день базальты Ивано-Долинского месторождения используются в основном, как сырье для производства облицовочных материалов и брусчатки - это в основном "столбы", а из отходов камнерезного и камнекольного производства и скального базальта производится щебень различных фракций для дорожного строительства. На этом использование базальтов в качестве каменного материала заканчивается. В настоящее время все более широкое применение базальты находят в производстве различных изделий, где базальт подвергается глубокой технологической переработке, о чем более подробно будет сказано ниже.

Средний химический состав базальтов следующий: SIО2 - 48,7%, Аl2О3 - 13,81%, Fe2O3 + FeO - 13,7%, TiO2 - 1,59%, МnО - 0,26%, СаО - 8,12%, MgO - 6,72%. Ka2O + Na2O - 3,81%, SO3 - 0,04%, ппп - 3,81%. По химическому составу базальты Ивано-Долинского месторождения отвечают требованиям, предъявляемым промышленностью для производства тонких и супертонких базальтовых волокон.

Для технологических целей (плавка и т.д.) базальты подвергаются более мелкому дроблению с выпуском базальтовой крошки, с размерами частицы до 1 мм. И наконец еще более мелкая фракция - это базальтовая пыль, используемая для производства антикоррозионных покрытий, по своим свойствам превосходящие все ныне выпускаемые антикоры. Базальтовые антикоррозионные покрытия устойчивы во всех агрессивных средах, в том числе к щелочам и кислотам за исключением плавиковой. Такие антикоррозионные покрытия являются огнестойкими звуко- и теплоизоляционными. Особо широкое применение они должны найти в судостроении и автомобилестроении для защиты днищ автомобилей и кораблей.

На основе базальтовых волокон развивается широкий ассортимент теплозвукоизоляционных и звукопоглощающих материалов: прошивные маты, рулонная теплоизоляция, плиты, шнуры, картон, взамен асбестового и другие, плотностью от 20 до 200 кг/м3; коэффициентом теплопроводности от 0,0279 до 0,0337 Вт/(м К) при средней температуре 00С; коэффициент звукопоглощения 0,80-0,98 при частотах (200-1800) Гц.

Фильтрационные материалы: базальтоволокнистые фильтрующие маты гидротехнических дренажных систем с коэффициентом фильтрации 0,58-0,93 см/с, фильтры для очистки и стерилизации воздушных и газовых сред с коэффициентом фильтрующего действия от 0,681 до 0,912, эффективностью фильтрации до 990,99725%.

Конструкционные и армирующие материалы: базальтопластики листовые, профильные, трубы и тому подобное; мелкодисперсная фибра, как армирующий заменитель асбестовых волокон и других композиционных материалов; крупнодисперсная фибра, заменитель металлической арматуры в строительных конструкциях на минеральных вяжущих; то же рулонные и пакетированные базальтоволокнистые армокаркасы; износостойкие детали (валы, шестерни); смазки.

Базальтовые чешуйчатые материалы, как антикоррозионные покрытия; защитная посыпка рулонных кровельных материалов на битумной основе; теплоизоляционные, электроизоляционные и композиционные материалы.

В отечественной и зарубежной практике в качестве армирующего материала для композиционных материалов, в том числе и строительного назначения, применяются стеклянные непрерывные волокна, которые обладают высокой прочностью, устойчивостью к знакопеременным нагрузкам и тепловым ударам, коррозионной стойкостью, долговечностью.

Однако существенным недостатком производства стеклянных непрерывных волокон следует считать необходимость использования шихты из дорогих в настоящее время материалов, таких как кварцевый песок, сода, сульфат натрия, борсодержащие компоненты и другие (стоимость одной тонны сырья более 900$).

В настоящее время имеется технология получения непрерывных волокон из базальтов. Непрерывные волокна получают одностадийным способом. Подготовка сырья сводится только к его дроблению до фракций 3-70 мм и магнитной сепарации. Стоимость сырья с доставкой, даже в очень удаленные места, не более 50 у.е/м3. Стоимость волокнистых материалов из базальта на основе грубых и тонких волокон, приблизительно от 0,1 до 1,5, непрерывного от 2,2 до 3,5$ за один килограмм.

Одним из видов волокон, которые нашли применение в строительстве являются грубые волокна (фибра) со средним диаметром от 80 до 450 мкм. Искусственные каменные материалы, называемые бетонами, известны человечеству не одно тысячелетие. Характеризуясь высокой прочностью на сжатие, они, тем не менее, всегда имели одинаковую проблему - низкое сопротивление на разрыв и образование усадочных трещин при застывании. Большинство строителей часто сталкиваются с многочисленными проблемами при работе с бетоном, такими, как пыль, пластическая усадка и оседание, действие мороза (на раннем этапе). А при дальнейшей эксплуатации проявляются такие свойства, как низкая устойчивость к замерзанию/оттаиванию, слабое сопротивление удару, подверженность истиранию, высокое проникновение воды и химических веществ. Еще древние строители боролись с этим, вводя материалы, имеющие более высокую прочность и гибкость и повышающие однородность застывающего раствора. Египтологи утверждают, что сложный по составу бетон со следами шерсти, меда и других компонентов использовался еще при возведении пирамид, а спустя несколько тысячелетий в раствор для кладки Пятницкой церкви под Черниговым добавляли яичный белок, молоко и рубленую шерсть. Таким образом, использование волокон в качестве вторичного армирования имеет давнюю историю.

Контролировать образование трещин можно несколькими способами, например, вторичным армированием, которое в конструкционном бетоне осуществляется стальной арматурой, а в плитах покрытия - сварной проволочной сеткой или модифицированием вяжущего вещества при помощи полипропиленовых, стеклянных, базальтовых волокон, металлических волокон.

Последний способ более прогрессивен. Он устраняет конструкционные проблемы, связанные с использованием сварной проволочной арматуры в перекрытиях, а также решает задачи ее размещения и позволяет сэкономить на приобретении металла. Например, полипропиленовое волокно может заменить сварную проволочную сетку, предотвращающую образование усадочных трещин в бетоне. У плиты, содержащей волокно, прочность к изгибу на 2% выше. В определенной дозировке волокно заменяет вторичное армирование и обеспечивает пластичность бетона, но не за меняетконструктивнуюстальнуюарматуру. Основные свойства волокна в качестве вторичного армирования - это контроль за пластическим оседанием и образованием усадочных трещин, равномерное выступание воды, повышенная устойчивость к истиранию, откалыванию и ударным воздействиям, пониженная проницаемость, повышенная долговечность в условиях замораживания-оттаивания, дисперсное армирование и уменьшение трудозатрат, химическая инертность и повышенное сцепление. Но полипропиленовое волокно имеет свои недостатки: деформацию даже при небольших нагрузках растяжения, оно стареет, то есть теряет свои свойства стечением времени, также оно горит при воздействии на него открытого пламени.

Структура бетона с применением базальтовых волокон (базальтоцемента) близка к структуре, армоцемента с арматурой из стальных сеток. Однако базальтоцемент обладает более высокой прочностью и деформативностью, так как армирующий его базальт обеспечивает более высокую степень дисперсности армирования камня, и сам базальт обладает более высокой прочностью 18000-25000 кг/см2, чем стальная сетка. Кроме того, базальтоцемент может переносить большие упругие деформации потому, что базальтовое волокно при растяжении пластических деформаций не имеет, а по упругости превосходит сталь. При твердении цементного камня образуется агресcивная среда, которая разрушает поверхность волокна, образуя при этом раковины. Прочность волокна уменьшается на 10%, но за счет образовавшихся раковин прочность сцепления камня и волокна увеличивается, таким образом прочность самого изделия возрастает. При использовании толстых волокон (более 100 мкм.) их прочность не изменяется. Главными особенностями базальтоцемента являются его высокая прочность при всех видах напряженных состояний и способность переносить большие деформации в упругом состоянии. При этом относительная деформация цементного камня без образования трещин достигает 0,7-0,9%. Такая деформация в 35-45 раз превосходит предельное удлинение неармированного цементного камня. Значительное увеличение деформативности и прочности цементного камня происходит за счет устранения базальтовыми волокнами влияния концентрации напряжений в местах, ослабленных структурными дефектами цементного камня (раковинами, микротрещинами и т.п.)

Будучи химически инертным, базальтовое волокно не вступает в реакцию с солями или красителями, поэтому бетонные растворы с добавкой волокна применяются и при строительстве морских сооружений, и в архитектурном и декоративном бетонах. В дорожных покрытиях волокно предохраняет бетон и арматуру от проникновения антиобледеняющих солей и агрессивных веществ, а также повышает остаточную прочность и устойчивость к замораживанию-оттаиванию, повышает шероховатость поверхности.

Использование качественного бетона со специальными добавками, включая моно волоконное армирование, обеспечивают стойкость к перепадам температур, защищая от разломов, трещин и отслаивания поверхности; исключает пластические и усадочные трещины; увеличивает долговечность поверхности, края и шва, также устойчивость к истиранию и ударам; обеспечивает раннюю прочность на сжатие, то есть прочность, которую обычный бетон приобретает только через 28 дней с момента укладки.