CC BY
60
УДК 666.971.16:366.624
НИЗИНА Т. А. БАЛЫКОВ А. С. САРАЙКИН А. С.
Низина Татьяна Анатольевна
доктор технических наук, доцент, профессор кафедры строительных конструкций ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева»
e-mail: nizinata@yandex.ru
Балыков Артемий Сергеевич
аспирант кафедры строительных конструкций ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева»
e-mail: artbalrun@yandex.ru
Сарайкин
Алексей
Сергеевич
магистр ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева»
e-mail:
aleksei.saraikin@gmail.com
Экспериментальные исследования дисперсно-армированных мелкозернистых бетонов
Приведены результаты исследования физико-механических характеристик дисперсно-армированных мелкозернистых бетонов с полифункциональными модифицирующими добавками. На основе экспериментальных исследований осуществлен анализ влияния модифицирующих добавок и дисперсных волокон на плотность в нормальных влажност-ных условиях, предел прочности при сжатии и на растяжение при изгибе цементных композитов. Выявлены составы с наилучшими эксплуатационными характеристиками.
Ключевые слова: дисперсно-армированный мелкозернистый бетон, полифункциональная добавка, дисперсное волокно, водопотребность, плотность в нормальных влажностных условиях, предел прочности на растяжение при изгибе, предел прочности при сжатии.
NIZINA T. A, BALYKOV A. S, SARAIKIN A. S.
EXPERIMENTAL STUDIES DISPERSE-REINFORCED FINE-GRAINED CONCRETES
The results of investigation of physical and mechanical characteristics of disperse- reinforced fine-grained concretes with polyfunctional modifying additives are shown. On the basis of experimental studies the analysis of influence of modifying additives and dispersedfibers is carried out on the density at normal humidity conditions, the limit of tensile strength in bending and on the limit of compressive strength of cement composites. Compositions with the best performance characteristics are educed.
Keywords: disperse-reinforced fine-grained concrete, polyfunctional additive, dispersedfiber, the water demand, the density at normal humidity conditions, the limit of tensile strength in bending, the limit of compressive strength.
Целью дисперсного армирования бетонных изделий и конструкций зданий и сооружений является повышение трещиностойкости, сопротивления изгибающим, растягивающим, разрывным, ударным и другим видам динамических нагрузок, снижение усадочных деформаций, увеличение эластичности, морозостойкости и водонепроницаемости, создание необходимого запаса прочности, сохранение целостности конструкции даже после появления сквозных трещин, повышение абразивного износа, предотвращение отслаивания поверхности и т. д. Применяя для армирования волокна разного вида или композицию из них, корректируя их со-
отношение, можно направленно регулировать свойства конкретного материала, обеспечивая тем самым требуемые эксплуатационные характеристики и долговечность [1-4].
Кроме того, в современном строительстве невозможно представить получение высококачественных цементных композитов без использования специальных добавок, позволяющих достигать требуемых характеристик с одновременным снижением расхода цемента. При этом все большее предпочтение отдается разработке комплексных добавок — полифункциональных модификаторов, предоставляющих возможность решать различные технологические задачи [3, 5-8].
Наиболее перспективными и передовыми модификаторами, применяемыми для повышения плотности и прочности, а, как следствие, и долговечности цементных композитов, являются тонкодисперсные минеральные добавки, в частности, микрокремнезем и метакаолин [5, 6, 8].
К другому виду добавок, позволяющему значительно повысить стойкость бетона к воздействию агрессивных сред, относятся разнообразные добавки гидроизоляционного типа. В России широкое распространение получила система материалов «Пенетрон» одноименного завода гидроизоляционных материалов (г. Екатеринбург), в том числе и гидроизоляционная добавка в бетонную смесь «Пенетрон Адмикс», дающая возможность существенно повысить водонепроницаемость и морозостойкость бетона, придать ему сульфатостойкость, стойкость к воздействию агрессивных химических и биологических сред: кислот, щелочей, сточных и грунтовых вод, морской воды, карбонатов, хлоридов, сульфатов, нитратов, бактерий, грибов, водорослей и морских организмов и пр. [9].
Использование различных дисперсно-армирующих волокон, а также активных минеральных добавок, обладающих высокой загущающей способностью, приводит к необходимости дополнительного введения в состав бетонных смесей пластифицирующих систем, способствующих достижению требуемых реологических характеристик. Наибольшей эффективностью среди таких добавок обладают суперпластификаторы на поликарбоксилатной основе [5, 6, 8].
Целью проводимого в данной работе экспериментального исследования явилось установление комплексного влияния различных видов фибр и полифункциональных модифицирующих добавок на основные физико-механические характеристики мелкозернистых дисперсно-армированных бетонов.
Для получения составов мелкозернистых фибробетонов с полифункциональными модифицирующими добавками был использован портландцемент марки ЦЕМ I 42,5Б производства ОАО «Мордовцемент». В качестве мелкозернистого заполнителя применялся речной песок с размером зерна менее 5 мм, добываемый в поселке Смольный Ичалковского района Республики Мордовия.
Дисперсное армирование бетонов обеспечивалось раздельным или комплексным введением трех видов фибр:
1 низкомодульное полипропиленовое мультифиламентное волокно с длиной резки 12 мм, диаметром 25-35 мкм, плотностью 0,91 г/см3;
2 высокомодульное полиакрилони-трильное синтетическое волокно специальной обработки для бетонов FibARM Fiber WB с длиной резки 12 мм, диаметром 14-31 мкм, плотностью 1,17±0,03 г/см3;
3 модифицированная астраленами базальтовая микрофибра под фирменным названием «Астрофлекс-МБМ» длиной 100-500 мкм, средним диаметром 8-10 мкм, насыпной плотностью 800 кг/м3, с содержанием астраленов 0,0001-0,01% от массы фибры.
С целью полифункциональной модификации мелкозернистых бетонов применялись следующие виды добавок:
1 микрокремнезем конденсированный уплотненный (МКУ-85) производства ОАО «Кузнецкие ферросплавы»;
2 высокоактивный метакаолин белый производства ООО «Мета-Д»;
3 гидроизоляционная добавка в бетонную смесь «Пенетрон Адмикс».
Для обеспечения необходимых реологических свойств в состав вводился органический модификатор — высококачественный суперпластификатор Melflux 1641 F.
План экспериментального исследования в кодированных величинах представлен в Таблице 1. Уровни варьирования исследуемых факторов в кодированных величинах и их численные значения представлены в Таблице 2.
В ходе проведения экспериментального исследования варьировалось две группы факторов — вид и содержание используемых добавок — микрокремнезем конденсированный уплотненный (МКУ); n2 — высокоактивный метакаолин (ВМК); n3- гидроизоляционная добавка «Пенетрон Адмикс» (Адмикс)), а также вид и содержание применяемой фибры (w — низкомодульное полипропиленовое волокно (ППН); w2 — высокомодульное полиакрило-нитрильное волокно (ПАН); ы3 — модифицированная базальтовая микрофибра (МБМ)).
При составлении плана экспериментального исследования обеспечивалось выполнение следующих условий:
0 <vt < 1; £v; = 1; i = 1, 2, 3; 0 < 1; £ш,- = 1; i = 1, 2, 3. Неизменными составляющими фибробетонной смеси в эксперимен-
тальном исследовании оставались: доля мелкозернистого заполнителя — 65% от массы твердой фазы и содержание суперпластификатора МеШих 1641 F ^ 1641 F) — 0,5% от массы вяжущего.
Технология приготовления дисперсно-армированной бетонной смеси включала несколько этапов. На первом этапе осуществлялось введение и перемешивание в сухом состоянии требуемого количества вяжущего, заполнителя и модифицирующих добавок; на втором — вводились дисперсные волокна с первой порцией воды (В/Ц = 0,2); на третьем — производилась корректировка составов водой для получения равноподвижных составов. Данная ступенчатая схема приготовления дисперсно-армированной бетонной смеси позволила избежать комкования волокон при перемешивании, тем самым позволив максимально использовать преимущества дисперсного армирования цементных композитов.
В ходе экспериментального исследования нами исследованы: во-допотребность, предел прочности при сжатии (ГОСТ 310.4) и на растяжение при изгибе (ГОСТ 310.4), плотность в нормальных влажност-ных условиях (ГОСТ 12730.1-78) в возрасте 28 суток.
Установлено (Иллюстрация 1), что наибольшей водопотребностью обладают составы, содержащие микрокремнезем конденсированный уплотненный (№ 4, 3, 14, 13), что объясняется высокой тонкостью помола данной минеральной добавки и значительно большим (20% от массы цемента) содержанием в смеси по сравнению с метакаолином (6% от массы цемента). Для составов, содержащих ВМК и Адмикс (№ 7, 9, 12, 6), зафиксирована самая низкая водопотребность, что свидетельствует о меньшей загущающей способности данных добавок в дисперсно-армированных смесях по сравнению с микрокремнеземом.
Прочностные характеристики (предел прочности при сжатии и на растяжение при изгибе) определялись на установке WilleGeotechnik® (модель 13-PD/401) для испытания строительных материалов [10]. Данный пресс, дополнительно оборудованный климатической камерой, позволяет регулировать влажность (от 10 до 96%) и температуру (от -40 до +100 °С) среды испытания. Установка включает в себя высокоточную систему с разрешением более 1 000 000 шагов (20 бит) с тремя свободно переключаемыми канала-
Таблица 1. План экспериментального исследования
Варьируемые факторы в кодированных величинах
№ Вид добавки Вид фибры (волокна)
состава П1 (МКУ) п2 (ВМК) п3 (Адмикс) Ш1 (ППН) ^2 (ПАН) (МБМ)
1 0,333 0,333 0,333 0,333 0,333 0,333
2 1 0 0 1 0 0
3 1 0 0 0 1 0
4 1 0 0 0 0 1
5 0 1 0 0 0 1
6 0 1 0 0,5 0 0,5
7 0 1 0 0 1 0
8 0 0 1 1 0 0
9 0 0 1 0,5 0,5 0
10 0 0 1 0 0 1
11 0 0 1 0 0,5 0,5
12 0 0,5 0,5 0,5 0,5 0
13 0,5 0 0,5 0,5 0,5 0
14 0,5 0,5 0 1 0 0
15 0,333 0,333 0,333 0 1 0
Таблица 2. Уровни варьирования исследуемых факторов экспериментального исследования
Факторы Уровни варьирования
0 0,333 0,5 1
Вид добавки П1 МКУ, % от массы цемента 0 6,667 10 20
п2 ВМК, % от массы цемента 0 2 3 6
п3 Адмикс, % от массы цемента 0 0,5 0,75 1,5
Вид фибры Ш1 ППН, % от массы цемента 0 0,333 0,5 1
ПАН, % от массы цемента 0 0,5 0,75 1,5
^з МБМ, % от массы цемента 0 1,667 2,5 5
ми для каждой оси (усилие, перемещение, давление) и возможностью подключения до 16 дополнительных измерительных каналов.
Настройка основных параметров и фиксирование полученных экспериментальных результатов осуществлялись с применением программного обеспечения GEOSYS 8.7.8. Скорость нагружения задавалась в виде постоянного прироста деформаций во времени: для испытаний на растяжение при изгибе — 1 мм/мин, на сжатие — 2 мм/мин. Контроль и фиксация изменений напряжений и деформаций образца в процессе нагружения осуществлялись с шагом 0,01 с.
В каждом опыте осуществлялось испытание не менее семи образцов — балочек размером 40x40x160 мм на растяжение при изгибе; полученные при этом половинки испы-тывались на сжатие. Распределение по составам плотности, предела прочности при сжатии и на растяжение при изгибе представлено на Иллюстрациях 2 и 3.
По итогам экспериментальных исследований наибольшая плотность зафиксирована для составов с максимальным содержанием добавки Ад-микс (1,5% от массы цемента, составы №11 и №10 — 2 269 и 2 210 кг/м3 соответственно) и ВМК (6% от массы цемента, состав № 7 — 2 204 кг/м3) (Иллюстрация 1).
Растворяясь в воде, активные химические компоненты «Пенетрон Адмикс» вступают в реакцию с солями и оксидами металлов, ионными комплексами алюминия и кальция, содержащимися в бетоне, что приводит к образованию более сложных солей, способных при вступлении в реакцию с водой формировать нерастворимые кристаллогидраты. Сеть этих кристаллов заполняет поры, капилляры и микротрещины, уплотняя структуру цементного композита [10].
Наличие в составе дисперсно-армированных мелкозернистых бетонов добавок ВМК, Адмикс, а также комплексного модификатора «ВМК+Адмикс» позволило не только повысить плотность цементных композитов, но и получить составы с более высокими прочностными показателями. ВМК является продуктом дегидратации каолиновой глины (природного гидроалюмосиликата) при температуре 550^900 °С. В результате термообработки образуется разрушенная алюмосиликатная структура, при этом степень деструкции увеличивается с повышением температуры до определенных пределов. Вследствие разрушения образуются
аморфные ультрадисперсные оксиды А1203 и SiO2, а также остаточная сохранившаяся структура А1203 • SiO2. Благодаря данным составляющим метакаолины являются добавками комплексного действия: с одной стороны, ускоряющими схватывание цементных растворов за счет активного участия А1203 в образовании соединений типа зСаО • А1203 • nCaS04 • кН20, с другой стороны — обладающими пуццолановой активностью за счет взаимодействия Si02 со свободным СаО, образовывая низкоосновные силикаты кальция [11]. Данные свойства ВМК способствуют повышению прочности структуры цементного камня, в том числе и на растяжение при изгибе и при сжатии.
Наиболее высокие прочностные показатели при сжатии и на растяжение при изгибе (соответственно 53,4 и 5,88 МПа) наблюдаются для соста-
ва № 7, содержащего 6% ВМК и 1,5% ПАН-фибры от массы цемента (Иллюстрация 3). Составы №12 и №9, армированные комплексом дисперсных волокон «ППН + ПАН» при их равных долях = ш2 = 0,5, также показали высокий предел прочности при сжатии (45,7 и 44,6 МПа соответственно). Наибольший предел прочности на растяжение при изгибе зафиксирован при применении дисперсных волокон ПАН и МБМ (составы №11 и №5 — 5,73 и 5,59 МПа соответственно).
Состав № 4 с максимальным содержанием МКУ (у1 = 1 — 20% от массы цемента) и МБМ (ш3 = 1 — 5% от массы цемента) имеет наиболее низкие показатели исследуемых физико-механических характеристик (Иллюстрации 2, 3). Введение в состав бетонных смесей МКУ при использовании как ПАН-фибры, так и МБМ (составы № 2
I_____»11*
Иллюстрация 1. Изменение водопотребности составов дисперсно-армированных модифицированных мелкозернистых бетонов. Данные экспериментального исследования, проведенного авторским коллективом
Иллюстрация 2. Изменение плотности в нормальных влажностных условиях дисперсно-армированных модифицированных мелкозернистых бетонов в зависимости от состава. Данные экспериментального исследования, проведенного авторским коллективом
Иллюстрация 3. Изменение предела прочности при сжатии и на растяжение при изгибе дисперсно-армированных модифицированных мелкозернистых бетонов в зависимости от состава. Данные экспериментального исследования, проведенного авторским коллективом
и № 3) также приводит к получению композитов с низкой плотностью и прочностью.
Заключение
На основе результатов экспериментальных исследований (Иллюстрации 1-3) можно сделать вывод о взаимозависимости исследуемых характеристик дисперсно-армированных бетонов с полифункциональными модифицирующими добавками. Наиболее высокие показатели физико-механических свойств и наиболее низкая водопотребность были зафиксированы у составов с метакаолином и/или добавкой Адмикс (составы № 7, 9, 10-12). Введение в бетонную смесь микрокремнезема (составы № 2-4, 13, 14) приводило к повышению водопотребности фибробетонной смеси, а также к снижению плотности и прочности цементных композитов, что свидетельствует о негативном влиянии МКУ на процессы структурообразования дисперсно-армированных бетонов по сравнению с другими видами применяемых добавок.
Список использованной литературы
1 Рабинович Ф. Н. Дисперсно-армированные бетоны. М. : Стройиздат, 1989. 176 с.
2 Рабинович Ф. Н. Композиты на основе дисперсно-армированных бетонов. Вопросы теории и проектирования, технология, конструкции : монография. M. : Изд-во ACB, 2004. 560 с.
3 Загороднюк Л. Х., Шакарна М., Щекина А. Ю. Классификация добавок для армирования мелкодисперсных композитов // GISAP (Global International Scientific Analytical Project). URL: http://gisap.eu/ru/node/23874, свободный. Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
4 Корнеев В. И., Зозуля П. В., Медведева И. Н. и др. Сухие строительные смеси (состав, свойства, применение) : учеб. пособие. СПб. : СПбГТИ (ТУ), 2008. 319 с.
5 Низина Т. А., Балбалин А. В. Влияние минеральных добавок на реологические и прочностные характеристики цементных композитов // Вестник ТГАСУ. 2012. № 2. С. 148-153.
6 Низина Т. А., Балбалин А. В. Механическая активация цементных смесей с полифункциональными добавками // Региональная архитектура и строительство. 2013. № 2. С. 36-42.
7 Низина Т. А., Кочетков С. Н., Пономарев А. Н. и др. Оценка эффективности влияния наномодификато-ров на прочностные и реологические характеристики цементных композитов в зависимости от вида пластифицирующих добавок // Региональная архитектура и строительство. 2013. № 2. С. 43-49.
8 Селяев В. П., Низина Т. А., Балбалин А. В. Многофункциональные модификаторы цементных композитов на основе минеральных добавок и поликарбокси-латных пластификаторов // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия Строительство и архитектура. Ч. 2. Вып. 31 (50). Волгоград : ВолАСУ, 2013. С. 156-163.
9 Технологический регламент на проектирование и выполнение работ по гидроизоляции и антикоррозионной защите монолитных и сборных бетонных и железобетонных конструкций. 2-е изд., перераб. и доп. М. : СРО «РСПППГ», 2008. 64 с.
10 Низина Т. А., Селяев В. П. Материальная база вуза как инновационный ресурс развития национального исследовательского университета // Долговечность строительных материалов, изделий и конструкций : материалы всерос. науч.-техн. конф. Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2014. С. 115-121.
11 Михайлюта Е. С., Коледа В. В., Алексеев Е. В. К вопросу влияния механоактивации на свойства метакаолина // Сухие строительные смеси. 2011. № 2. С. 30-31.
