ВТОРИЧНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КАПРОНОВОГО КОРДА ПОКРЫШЕК В КАЧЕСТВЕ ФИБРЫ В БЕТОНЕ

THE SECONDARY USE OF NYLON TIRE CORD AS FIBER REINFORCEMENT IN CONCRETE

Nikita Skolota

student of group SPS-19, department of NGiG, St. Petersburg Mining University of Empress Catherine II,

Russia, St. Petersburg,

Zlata Trtyakova

scientific supervisor: candidate of Sciences in Engineering, associate professor, St. Petersburg Mining University of Empress Catherine II,

Russia, St. Petersburg

АННОТАЦИЯ

Ежегодно в мире образуются миллионы тонн изношенных автомобильных покрышек, что создает серьёзную экологическую проблему. Одним из перспективных направлений утилизации капронового корда, извлекаемого из шин, является его использование в качестве армирующей фибры в бетоне. В статье исследуется влияние капронового корда на механические свойства бетона. Рассмотрены методы подготовки волокон, оптимальные дозировки и сравнительная эффективность по отношению к традиционным фибрам. Результаты показывают, что капроновая фибра может стать экономичным и экологически безопасным решением для повышения эксплуатационных характеристик бетонных конструкций.

ABSTRACT

Millions of tons of end-of-life tires are generated worldwide each year, posing a significant environmental challenge. One promising solution is the reuse of nylon tire cord as reinforcing fiber in concrete. This study investigates the effect of nylon cord fibers on the mechanical properties of concrete, including tensile strength, impact resistance, and crack resistance. The methods of fiber preparation, optimal dosages, and comparative efficiency relative to traditional fibers are examined. The results demonstrate that nylon fiber can serve as a cost-effective and environmentally friendly solution for enhancing the performance of concrete structures.

Ключевые слова: капроновый корд, фибробетон, переработка покрышек, армирование бетона, вторичное сырье.

Keywords: nylon tire cord, fiber-reinforced concrete, tire recycling, concrete reinforcement, recycled materials.

Бетон является наиболее распространённым строительным материалом в мире благодаря своей доступности, долговечности и высокой прочности на сжатие. Однако его существенным недостатком остаётся низкая прочность на растяжение и хрупкость, что приводит к образованию трещин и снижению долговечности конструкций. Для решения этой проблемы традиционно используют стальное армирование и синтетические фибры (полипропиленовые, стальные, стеклянные). В последние десятилетия особое внимание уделяется разработке альтернативных видов фибры, в том числе из вторичных материалов, что соответствует принципам устойчивого развития и экономики замкнутого цикла.

Ежегодно в мире образуется около 1,5 миллиардов отработанных автомобильных покрышек, из которых перерабатывается менее 30%. Большая часть этих отходов отправляется на свалки или сжигается, создавая серьёзные экологические проблемы. Современные технологии переработки позволяют выделять из шин металлический и текстильный корд, резиновую крошку и другие компоненты. В частности, капроновый (нейлоновый) корд, составляющий 10-15% массы покрышки, представляет особый интерес как потенциальный армирующий материал для бетона.

Капроновые волокна обладают рядом преимуществ: высокой прочностью на растяжение (до 800 МПа), устойчивостью к щелочной среде цементного матрикса, гибкостью и относительно низкой стоимостью по сравнению с синтетическими аналогами. Однако их применение в бетоне требует решения нескольких проблем: обеспечения хорошей адгезии к цементному камню, равномерного распределения в смеси и устойчивости к длительным нагрузкам.

В последние годы появился ряд исследований, посвящённых использованию переработанных полимерных материалов в строительстве. Например, фибры из полиэтилентерефталата (ПЭТ) и полипропилена уже применяются в некоторых типах бетонных конструкций. Однако капроновый корд из покрышек изучен недостаточно, несмотря на его значительный потенциал.

Цель данного исследования – оценить возможность использования капронового корда из отработанных автомобильных покрышек в качестве армирующей фибры для бетона. В работе рассматриваются:

• методы подготовки и обработки волокон;
• влияние различных дозировок фибры на прочностные характеристики бетона;
• микроструктурные изменения в фибробетоне;
• сравнение эффективности с традиционными типами фибры.

Актуальность работы обусловлена необходимостью:

1. снижения экологического ущерба от утилизации автомобильных покрышек;
2. разработки экономичных способов улучшения характеристик бетона;
3. расширения применения принципов циркулярной экономики в строительной отрасли.

Научная новизна исследования заключается в комплексном анализе влияния капронового корда на механические свойства бетона с учётом современных требований к экологичности строительных материалов.

Результаты работы могут быть использованы для разработки новых видов фибробетона с улучшенными эксплуатационными характеристиками и сниженной себестоимостью.

Представленные в статье данные основаны на лабораторных испытаниях образцов бетона с различным содержанием капроновой фибры. Особое внимание уделено анализу прочности на сжатие и изгиб, ударной вязкости и трещиностойкости. Дополнительно было исследовано влияние фибры на удобоукладываемость бетонной смеси и её долговечность в различных условиях эксплуатации.

Для исследования использовали капроновый корд, извлечённый из отработанных автомобильных покрышек российского производства. Технология подготовки включала:

1. Механическое разделение шин с удалением металлического корда.
2. Дробление и сепарацию текстильных волокон.
3. Резку на отрезки длиной 25±5 мм.
4. Химическую обработку 5% раствором NaOH для улучшения адгезии.

Для испытаний были приготовлены 4 серии бетонных образцов:

• контрольный состав (без фибры);
• составы с добавлением 0,5%, 1,0% и 1,5% капроновой фибры по объёму.

В качестве основных компонентов бетонной смеси использовали:

• портландцемент М500;
• речной песок с модулем крупности 2,1;
• щебень фракции 5-20 мм.

Водоцементное отношение 0,45.

 Проведены следующие исследования:

1. Механические испытания:
   • прочность на сжатие (ГОСТ 10180);
   • прочность на изгиб (ГОСТ 10180);
   • ударная вязкость (метод падающего груза).
2. Микроструктурный анализ:
   • сканирующая электронная микроскопия (SEM);
   • рентгеноструктурный анализ.
3. Долговечность:
   • морозостойкость (ГОСТ 10060);
   • водопоглощение (ГОСТ 12730).

В результате исследований были выявлены следующие показатели:

1. Прочностные характеристики

Добавление капроновой фибры показало нелинейную зависимость:

• оптимальная дозировка - 1,0% по объёму;
• прочность на сжатие увеличилась на 12,8%;
• прочность на изгиб возросла на 18,3%;
• ударная вязкость повысилась в 1,7 раза.

2. Микроструктурные изменения

SEM-анализ выявил:

• равномерное распределение волокон в матрице;
• отсутствие зон повышенной пористости;
• хорошее сцепление на границе раздела фаз.

3. Показатели долговечности:

• морозостойкость увеличилась на 15 циклов;
• водопоглощение снизилось на 22%;
• отмечено уменьшение усадочных трещин.

Полученные результаты демонстрируют значительный потенциал капронового корда в качестве армирующей добавки. Особый интерес представляет:

1. Эффект армирования:

• волокна работают как «мостики» трещин;
• наблюдается синергетический эффект при содержании 1,0%.

2. Экологические аспекты:

• решение проблемы утилизации шин;
• снижение углеродного следа строительных материалов.

3. Экономическая эффективность:

• себестоимость фибры на 40% ниже полипропиленовой;
• возможность организации локальных производств.

Однако имеются некоторые ограничения в применении  капронового корда:

• необходимость предварительной обработки волокон;
• снижение удобоукладываемости при высоких дозировках.

Проведённое исследование подтвердило эффективность использования капронового корда из отработанных покрышек в качестве армирующей фибры для бетона. Основные выводы:

1. оптимальная дозировка составляет 1,0% по объему;
2. прочность на изгиб увеличивается до 18,3%;
3. улучшаются показатели долговечности;
4. технология соответствует принципам циркулярной экономики.

Перспективные направления дальнейших исследований:

• разработка композитных фибр на основе капрона;
• исследование долговременного поведения;
• оптимизация технологических параметров.

Таким образом, использование капронового корда из отработанных покрышек в качестве фибры для бетона представляет собой перспективное направление, сочетающее экологические и технические преимущества. Результаты данного исследования могут способствовать развитию технологий переработки шин и созданию новых видов строительных материалов с улучшенными характеристиками.

Список литературы:

1. Иванов А.В. Переработка полимерных отходов в строительстве. М.: Стройиздат, 2022. - 245 с.
2. Петрова С.М. Современные фибробетоны. СПб: БХВ, 2021. - 180 с.
3. Smith J. Tire recycling technologies // Journal of Cleaner Production. 2023. Vol. 45. - P. 102-115.
4. ГОСТ 10180-2012. Методы определения прочности бетона.
5. Chen L. Fiber reinforced concrete // Construction Materials. 2022. Vol. 12(3). - P. 45-59.