CC BY
205
Экспериментальные исследования
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИБРОБЕТОННЫХ
КОНСТРУКЦИЙ
КЛЮЕВ С.В., канд. техн. наук, доц., докторант
Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова, E-mail: Klyuyev@yandex. ru
В статье рассмотрены вопросы применения полипропиленовой фибры для дисперсного армирования мелкозернистых бетонов. Проведены экспериментальные исследования фибробетонных образцов на композиционном вяжущем.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: экспериментальные исследования, фибробетон, полипропиленовая фибра.
В настоящее время сфера использования железобетонных конструкций в России значительно расширяется. Многие здания и сооружения меняют свое функциональное назначение. Применение композиционных материалов способны разрешить данные проблемы [3]. Использование дисперсно- армированных цементных композиций позволяет выпускать облегченные строительные конструкции с повышенной прочностью на изгиб и ударной вязкостью. Выбор волокна обуславливается тем, какими свойствами должна обладать композиция для удовлетворения заданным требованиям.
Существуют многочисленные разновидности изделий из фибробетона, которые находят разнообразное применение. Использование полипропиленовых волокон позволяет получить экономию за счет сокращения размеров сечений. Изучение возможности замены полипропиленовым волокном других волокон в бетоне показало, что получаемый прочный и легкий композит с высокой вязкостью разрушения представляется весьма перспективным.
В последние годы на практике очень часто имеют место случаи, когда в районе строительства отсутствуют качественные крупные заполнители. Транспортировка щебня из других регионов часто на значительные расстояния, становится экономически не оправданной. В этом случае встает вопрос о целесообразности применения местных материалов, в том числе, песков и отходов горно-обогатительной промышленности в качестве заполнителей бетонов.
В настоящее время нерудная, горнорудная и другие отрасли ежегодно складируют в отвалах сотни миллионов кубометров рыхлых отходов различного состава и строения, которые имеют размер зерен до 10 мм. Одной из причин неполного использования этих отходов в качестве мелких заполнителей бетонов является отсутствие их классификации, недостаточная изученность их характеристик и свойств бетонных смесей и бетонов на их основе. Свойства техногенных песков, бетонных смесей и бетонов на их основе зависят от многих факторов, обусловленных свойствами исходных пород, способами их измельчения и методами обогащения полученного продукта и т.д. Наиболее существенное влияние оказывают прочность, структура и состав исходных пород.
При сопоставлении свойств природных и искусственных песков обращают на себя внимание основные, принципиальные различия этих материалов. Если первые являются в основном кварцевыми, с округлой формой зерен и гладкой поверхностью, то вторые имеют существенные различия по составу и свойствам исходных пород, форме зерен и шероховатости их поверхности. Искусственные
пески имеют свежеобнаженную поверхность. В результате свойства последних различны. Взаимодействие поверхности техногенных песков с цементным тестом и цементным камнем значительно сложнее, чем у природных песков. Без учета этого взаимодействия невозможно изучить влияние гранулометрического состава, формы зерен, шероховатости поверхности и других характеристик песка на свойства смесей и бетонов [1, 2].
Для оценки возможности применения техногенных песков как сырья для производства фибробетона, были разработаны составы мелкозернистого бетона с использованием в качестве заполнителя отсева дробления кварцитопесчаника. Для получения более плотной упаковки заполнителя использовался песок Ниж-неольшанского месторождения.
Экспериментальные исследования связаны с изучением поведения бетонных элементов, дисперсно-армированных полипропиленовым волокном, при сжатии и растяжении при изгибе. Для приготовления высокопрочного мелкозернистого бетона применяют различные способы повышения активности цемента и качества бетонной смеси (домол и виброактивация цемента, виброперемешивание, применение суперпластификаторов). Большие перспективы в получении высокопрочных бетонов связаны с применением композиционного вяжущего, которое получают совместным помолом высокомарочного цемента и суперпластификатора С-3. Для его получения применялся товарный цемент ЗАО «Белгородский цемент» Цем I 42,5Н (табл. 1), отходы мокрой магнитной сепарации (отходы ММС) и суперпластификатора С-3.
Таблица 1
Химический состав цемента
Марка цемента Химический состав, % по массе
SiO2 АЮз Ре20з СаО MgO SOз R2O СаОсв ппп
ЦЕМ I 42,5Н 22,49 ±0,5 4,77 ±0,3 4,40 ±0,1 67,22 ±1,0 0,43 ±0,03 2,04 ±0,01 0,20 ±0,05 0,20 ±0,05 1,5 ±0,5
ОЗСаО-вЮг ДЗСаО-А12Оз С 2СаО-8Ю2 I 4СаО-А12Оз-ре2Оз • СавО,)' О.5Н2О
I 3
20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52
Рис. 1. Дифрактограмма цемента
Были проведены исследования по определению минералогического состава Цем I 42,5Н которые позволили установить, что минералогический состав образца цемента представлен силикатами кальция: 3СаО^Ю2, 2СаО^Ю2; алюминатом и алюмоферритом кальция: ЗСаО-А^Оз, 4СаО-Л12Оз^2Оз; полугидратом сульфата кальция СаSО4•0,5Н2О (рис. 1). Соотношение содержания основных 72
компонентов представленного образца цемента указывает на его соответствие ГОСТ 10178 - 85Для оценки качества применяемых заполнителей были изучены их основные физико-механические свойства (табл. 2).
Таблица 2
_Физико-механические характеристики заполнителя_
Наименование показателя Отсев дробления КВП Нижне-Ольшанский песок
Модуль крупности 3,50 1,12
Насыпная плотность в неуплотненном состоянии, кг/м3 1415 1467
Насыпная плотность в уплотненном состоянии, кг/м3 1490 1648
Истинная плотность, кг/м3 2,71 2630
Пустотность, % 47,8 44,2
Водопотребность, % 5,5 11
Цементопотребность 0,530 0,63
Проведенные исследования по определению минералогического состава заполнителя позволили установить, что:
1) мелкий заполнитель в виде кварцевого песка Нижнее-Ольшанского месторождения в качестве главного минерала содержит кварц ф^Ю2), идентифицируемый по отражениям 3,34, 4,25, 1,82 А. Акцессорием в исследуемом материале является кальцит (СаСО3), содержание которого не превышает 5 % (рис. 2, табл. 3).
|В 5 000 |
И 4 000
• SÉ02 Д СаСОз
J
• • «
J---и—La—A.
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 И 16 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56
Рис. 2. Дифрактограмма кварцевого песка Нижне-Ольшанского
месторождения
Таблица 3
Минералогический состав кварцевого песка Нижнее-Ольшанского месторождения
№ пробы Формула Название Основные отражения Усл.* конц.,% Эталоны № ICDD
06746 SiO2 Quartz 3,34х 4,2521,822 95,2 46-1045
СаСОз Calcite 3,03х2,282 2,092 4,8 5-586
2) основным минералом мелкого заполнителя в виде отсева дробления
кварцитопесчаника, относящегося к метаморфическому генезису, также являет-
ся кварц, содержание которого составляет около 87 % (рис. 3, табл. 4). Акцессорными минералами выступают мусковит (6%), альбит (3%) и кальцит (1,6%).
7 500 7» 6 500 to 6 ООО 5 5№
С
s
g 50W
Л 4 500 g
О 4» g
S 3 г
Я 3 000 Ц 2 500 2 000
• Si02 Д СаСОз
□ лЬО^Юз^що
I K20'3Al203-6Si02'2H20 О NaAlSijOg
о д
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 1В 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 10 31 32 И 34 35 36 37 18 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56
Рис. 3. Дифрактограмма отсева дробления кварцитопесчанника
Таблица 4
Минералогический состав отсева дробления кварцитопесчанника_
№ Формула Название Основные Усл.* Эталоны
пробы отражения конц.,% № ICDD
06747 SiO2 Quartz 3,34x 4,2521,822 87,3 46-1045
СаСОз Calcite 3,03х2,2822,092 1,6 5-586
АЬ0з^Ю2^Н20 Kaolinite 7,14х 3,57б4,3б5 1,6 80-886
К20^3АЬ0з^Ю2^Н20 Muscovite 10,03х2,57х3,349 6,3 Горшков, с. 207-208
NaAlSÎ3Os Albite 3,19х3,78з3,682 3,2 9-466
Производственная практика показала, что армирование цементной матрицы полипропиленовым волокном, обладающим высокой химической устойчивостью к щелочной среде. Полипропиленовые волокна включаются в бетонные образцы с целью увеличения прочности бетона на сжатие от 10% до 60% и изгибе от 10% до 200%.
Высушенные песок, отсев дробления кварцитопесчанника, композиционное вяжущее и полипропиленовое волокно были смешаны до получения гомогенного состава. Затем добавлялась вода до получения однородной массы. После формования и уплотнения образцы в течение 24 часов находились при температуре не ниже 15оС. Затем были сняты формы и бетонные образцы перенесены в сухое место (камера твердения с температурой 20оС и влажностью более 90%, что соответствует требованиям ГОСТ).
Испытание образцов для определения прочности на сжатие (кубики 100*100х100мм) и на растяжение при изгибе (призмы 100*100х400мм) проводились на универсальной испытательной машине по стандартной методике. Результаты экспериментов представлены в табл. 5.
Анализ результатов экспериментов по изучению влияния различных дозировок полипропиленовых волокон показал, что бетонные образцы имеют различные показатели прочности на сжатие и на растяжение при изгибе. Наилучшие показатели прочности дали образцы, имеющие в составе полипропиленовое волокно в количестве 4 кг. При этом отмечается повышение прочности на сжатие до 13% и на растяжение при изгибе до 38% . С увеличением процента арми-
рования бетонных образцов отмечается снижение прироста прочности на сжатие, а на растяжение при изгибе прочность образцов становится меньше прочности контрольного образца.
Таблица 5
№ п/п Состав бетона Ед. изм. 1 Контр. 2 3 4
1 Композиционное вяжущее кг 410 410 410 410
2 Песок кг 640 640 640 640
3 Отсев КВП кг 1160 1160 1160 1160
4 Вода л 200 200 200 200
5 Полипропиленовая фибра кг - 4 6,7 9,3
6 Прочность бетона на растяжение при изгибе на 7 сут. МПа 10,9 14,7 10,5 10,3
7 Прочность бетона на растяжение при изгибе на 28 сут. МПа 14,9 20,6 13,8 13,3
8 Прочность бетона на сжатие 28 сут. МПа 37,7 42,4 40,2 39,6
На основе результатов экспериментальных исследований осуществлена оценка эффективности влияния дисперсного армирования мелкозернистого бетона полипропиленовым волокном. Использование полипропиленового волокна более эффективно для повышения прочности мелкозернистого бетона на растяжение при изгибе и рекомендуется ее применение для конструкций, работающих на это воздействие.
Л и т е р а т у р а
1. Лесовик, Р.В. Мелкозернистые бетоны на композиционных вяжущих и техногенных песках: дисс. ... д-ра техн. наук / Р.В. Лесовик. - Белгород, 2009. - 496 с.
2. Лесовик, Р.В. Мелкозернистый сталефибробетон на основе техногенного песка для получения сборных элементов конструкций / Р.В. Лесовик, А.В. Клюев, С.В. Клюев // Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов: Сб. докл. Межд. науч.-практ. конф. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2010. - Ч.3. - С. 140 - 143.
3. Рабинович, Ф.Н. Дисперсно армированные бетоны/ Ф.Н. Рабинович. - М.: Стройиздат, 1989. - 174 с.
EXPERIMENTAL RESEARCHES OF FINE-GRAINED CONCRETE
CONSTRUCTIONS
Klyuyev S.V.
Acute questions of polypropylene using for disperse-reinforced fine-grained concrete are considered. Researchers of steel fibber concrete patterns based on astringent material are held.
KEY WORDS: experimental research, steel fibber concrete patterns, polypropylene fibres.
НЬ НЬ
