CC BY
28УДК 691.542
М.В. КОРОБКОВА, инженер (marina-koro@nm.ru)
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет (190005, г. Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., 4)
Испытания бетонных образцов с демпфирующими добавками на динамическую прочность
Представлены результаты экспериментов по замене части песчаного заполнителя эквивалентным объемом демпфирующих добавок с целью исследования вызываемых ими изменений свойств бетонов под действием динамических нагрузок. В качестве добавок использовались пенополистирол, пеностекло, кирпичная крошка и керамзит. Образцы-кубы подвергались воздействию различных динамических нагрузок, после чего измерялась их прочность и сравнивалась с результатами, полученными для контрольного образца. Также на вертикальном динамическом копре измерялась ударная прочность образцов полученных составов. На основе экспериментальных исследований показана возможность повышения ударной прочности бетона за счет введения в состав бетонной смеси демпфирующих компонентов. При этом отмечено некоторое снижение других характеристик полученных бетонов. Определена оптимальная добавка и ее количество для применения в бетонных смесях, подвергающихся динамическим нагрузкам.
Ключевые слова: демпфирующие добавки, маложесткие компоненты, ударная прочность, мелкозернистый бетон.
M.V. KOROBKOVA, Engineer (marina-koro@nm.ru)
Saint-Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering (4, 2nd Krasnoarmeiskaya Street, St. Petersburg, 190005, Russian Federation)
Tests of Concrete Samples with Damping Additives on Dynamic Strength
Results of experiments on replacement of a part of the sand filler with an equivalent volume of damping additives with the purpose to study the changes in concrete properties caused under the action of dynamic loads are presented. Foam polystyrene, foam glass, crushed brick, and claydite are used as additives. Sample-cubes were subjected to the impact of different dynamic loads, after that their strength were measured and compared with results obtained for the control sample. The impact strength of samples of the compositions obtained was also tested at the vertical dynamic impact machine. On the basis of experimental studies, the possibility of increasing the impact strength of concrete due to introducing damping components in the composition of concrete mix is shown. At that, there was some reduction in other properties of concretes obtained. The optimum additive and its amount for application in concrete mixes subjected to dynamic loads have been determined.
Keywords: damping additives, low stiffness components, impact strength, fine concrete.
К настоящему времени появилось большое количество работ, посвященных исследованию влияния маложестких пористых компонентов на свойства бетонных смесей [1—8]. Считается, что такие включения (демпфирующие добавки) могут замедлять развитие трещин [2, 9—12]. По существующей теории этот эффект объясняется поглощением растущей трещины маложестким включением, которое не способно отдавать полученную энергию, затраченную на его деформирование [9, 11]. Также маложесткие дисперсные добавки используются в других целях, например для снижения звукопроницаемости бетонных ограждающих конструкций и перекрытий [1] или для повышения морозоустойчивости.
Рассмотрим более подробно изменение свойств бетона при включении в смесь маложестких компонентов. Для экспериментов в качестве исследуемых добавок используем пенополистирол (фракции 0,8—5 мм), керамзитовый песок (фракции 0,63—5 мм) и пеностекло (фракции 0,63—5 мм). Керамзит и пеностекло с размером частиц менее 0,14 мм отсеивались для минимизации участия тонкодисперсных фракций в химическом взаимодействии в процессе гидратации и акцентирования именно эффекта демпфирования.
Для приготовления бетонных смесей использовали портландцемент ЦЕМ I 42,5Н, песок речной кварцево-полевошпатовый (модуль крупности Мк=2,3).
Приготовление растворов заключалось в перемешивании вручную смеси сухих компонентов с последующим добавлением воды затворения. Водоцементное отношение всех составов внутри серии сохранялось неизменным и составляло 0,5. При введении маложестких добавок часть песка замещалась таким образом, чтобы объемное соотношение цемент:заполнитель оставалось неизменным (1:3)
Эксперимент проводился по следующей схеме:
1. Изготовлялись образцы-кубы (с ребром 7,07 см) по 9—12 штук для каждого состава.
2. Определялась прочность при сжатии образцов с различным содержанием добавок. Определение проводилось на трех кубах, вычислялось среднее значение и неопределенность методом среднеарифметического. При относительной неопределенности, превышающей 12%, опыты повторялись.
3. Следующая тройка образцов подвергалась динамическим нагружениям, равным 70% от разрушающей нагрузки, определенной на предыдущем этапе. После 50 циклов нагружений для данных образцов также определялась прочность при сжатии.
4. Еще одна часть образцов подвергалась циклической ударной нагрузке на вертикальном динамическом копре. Масса груза 3,5 кг; высота падения груза 20 см; количество ударов 50 раз (величина энергии одного удара равнялась 19,6 Дж). Нагруженные таким образом кубы испытывались на прочность при сжатии.
Полученные результаты представлены на рис. 1—4. Видно, что с повышением количества добавки прочность при сжатии уменьшается. Это ожидаемый эффект, так как данные пористые заполнители обладают сильно отличающимися от цементного камня упругими свойствами. Вследствие этого повышается неоднородность бетонной смеси и создаются дефекты бетонной матрицы, что в свою очередь снижает трещиностой-кость. Похожая ситуация наблюдается при использовании всех четырех типов добавок. Можно заметить, что для таких компонентов, как кирпичная крошка и керамзит, минимальные значения прочности при сжатии лежат в районе 20—25 МПа, тогда как для пенополисти-рола и пеностекла они меньше 5 МПа.
Ы ®
июнь 2015
9
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Доля кирпичной крошки от заполнителя, %
Рис. 1. График зависимости прочности при сжатии от количества кирпичной крошки для контрольного образца и образцов, подвергшихся динамическим нагрузкам: 1 - контрольный образец; 2 - после циклической ударной нагрузки; 3 - после циклической нагрузки при сжатии
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Доля пенополистирола от заполнителя, %
Рис. 2. График зависимости прочности при сжатии от количества пенополистирола для контрольного образца и образцов, подвергшихся динамическим нагрузкам: 1 - контрольный образец; 2 - после циклической ударной нагрузки; 3 - после циклической нагрузки при сжатии
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Доля пеностекла от заполнителя, %
Рис. 3. График зависимости прочности при сжатии от количества пеностекла для контрольного образца и образцов, подвергшихся динамическим нагрузкам: 1 - контрольный образец; 2 - после циклической ударной нагрузки; 3 - после циклической нагрузки при сжатии
По углу наклона кривых на графиках (рис. 1—4) видно: чем больше количество маложестких компонентов, тем меньше разница в прочности при сжатии между контрольным образцом и образцами, предварительно подвергшимися динамическим нагрузкам. Это указывает на то, что при высоком содержании добавок количество микродефектов структуры бетона в образцах не увеличивается или увеличивается незначительно после приложенных к ним динамических нагрузок. Данные эксперименты наглядно показывают, что эффект демпфирования действительно имеет место.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Доля керамзита от заполнителя, %
Рис. 4. График зависимости прочности при сжатии от количества керамзита для контрольного образца и образцов, подвергшихся динамическим нагрузкам: 1 - контрольный образец; 2 - после циклической ударной нагрузки; 3 - после циклической нагрузки при сжатии
Оценим влияние данных добавок на ударную прочность. Серию кубов, идентичных описанным ранее, подвергали испытаниям на вертикальном динамическом копре при массе свободно падающего тела 5 кг с высоты 10 см. Ударная прочность оценивалась по количеству ударов до разрушения. Результаты экспериментов представлены на рис. 5.
При замене некоторого количества наполнителя маложесткими добавками происходит повышение ударной прочности образцов. Максимальные значения получены при замене около 30% наполнителя керамзитом — прирост ударной прочности на 22±3%. Для остальных
10
июнь 2015
26
7
6 - ----
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Доля пеностекла от заполнителя, %
Рис. 5. График зависимости количества ударов до разрушения от количества различных добавок в бетонной смеси: 1 - пеностекло; 2 - керамзит; 3 - пенополистирол; 4 - кирпичная крошка
добавок значения примерно одинаковы; лучшие результаты получены при замене 20—40%, при этом ударная прочность увеличивается на 10—15%.
Исследованные маложесткие компоненты бетона имеют существенные отличия в физико-механических характеристиках. Это обусловливает различия в величине демпфирующего эффекта, а также степени снижения статической прочности (таблица). Очевидно, что требуется количественная оценка параметров демпфирования в зависимости от свойств маложестких компонентов и уточнение его механизма для выработки методов проектирования бетонов.
Таким образом, результатами проведенных экспериментальных исследований подтверждена возможность повышения ударной прочности бетона за счет введения
Список литературы
1. Adam G. Bowland, Richard E. Weyers, Finley A. Charney, Norman E. Dowling, Thomas M. Murray, Andrei Ramniceanu. Effect of vibration amplitude on concrete with damping additives // Materials Journal. 2012. Vol. 109. No. 3, pp. 371-378.
2. Yeh J. Advanced Civil, Urban and Environmental Engineering. Southampton: WIT Press, 2014. 813 p.
3. Лотошникова Е.О. Физико-химические исследования микро- и макроструктуры бетонов жесткого прессования с демпфирующей добавкой зольных микросфер // Электронный научный журнал Инженерный вестник Дона. 2013. № 4. http://ivdon.ru/ magazine/archive/n4y2013/2092 (дата обращения 14.02.2014).
4. Ткаченко Г.А., Ерофеев В.П., Ерофеев А.П. Бетоны повышенной трещиностойкости для изготовления дорожных изделий // Строительные материалы. 2010. № 10. С. 57-59.
5. Дамдинова Д.Р., Павлов В.Е., Алексеев Э.М. Пеностекло как основа для получения облицовочных материалов с регулируемой поровой структурой // Строительные материалы. 2012. № 1 C. 44-46.
6. Лукутцова Н.П., Пыкин А.А., Чудакова О.А. Модифицирование мелкозернистого бетона микро- и на-норазмерными частицами шунгита и диоксида титана // Вестник БГТУим. В.Г. Шухова. 2010. № 2. С. 67-70.
7. Arulraj G.P., Adin A., Kannan T.S. Granite Powder Concrete // IRACST — Engineering Science and
£ Снижение прочности
fe с" о н при сжатии, %
Демпфирующая добавка и 0 ит ки вн ал бо оп ^ я к т ла р s ¡5 ес ио нн ш S шо шр о О я Е? га п ро р тр б образца после циклических ударных нагрузок образца после цикла сжимающих нагружений
ом Де ^ б о в о П нт о о к
Пенополистирол 40 13 37 36 37
Пеностекло 20 15 20 18 17
Керамзит 30 22 14 13 10
Кирпичная крошка 30 14 13 10 8
маложестких компонентов. Тем не менее эффективность использования различных добавок сильно отличается. Результаты экспериментов показывают, что самым перспективным включением является керамзит при эквивалентной замене 30% объема заполнителя. При увеличении ударной прочности до 22% падение статической прочности при сжатии составляет всего 14%. Для простоты сравнения добавок введем коэффициент, показывающий соотношение повышения ударной прочности к снижению прочности при сжатии. Для керамзита он составляет 22/14=1,57; для кирпичной крошки — 1,07; для пеностекла — 0,75 и для пенополи-стирола — 0,35.
На свойства бетона влияет большое количество факторов, что затрудняет проектирование материала с заданными характеристиками на основе применения демпфирующих добавок. Для решения этой задачи следующий этап работы предполагает применение метода структурно-имитационного моделирования, позволяющего выявить основные факторы, оценить степень их влияния и выработать основные направления получения бетонов с прогнозируемыми характеристиками.
References
1. Adam G. Bowland, Richard E. Weyers, Finley A. Charney, Norman E. Dowling, Thomas M. Murray, Andrei Ramniceanu. Effect of vibration amplitude on concrete with damping additives. Materials Journal. 2012. Vol. 109. No. 3, pp. 371-378.
2. Yeh J. Advanced Civil, Urban and Environmental Engineering. Southampton: WIT Press, 2014. 813 p.
3. Lotoshnikova E.O. Physical and chemical researches micro and macrostructures of rigid pressing concrete with the damping additives of cindery microspheres. Electronic scientific magazine Inzhenernyi vestnik Dona. 2013. No. 4. http://ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/2092. (date of access 14.02.2014).
4. Tkachenko G.A., Erofeev V.P., Erofeev A.P. Concretes of higher crack resistance for production of road articles. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2010. No. 10. pp. 57-59. (In Russian).
5. Damdinova D.R., Pavlov V.E., Alekseev E.M. Foam glass as the base for facing materials with controlled porous structure. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2012. No. 1, pp. 44-46. (In Russian).
6. Lukutcova N.P., Pykin A.A., Chudakova O.A. Modifying of fine-grained concrete by micro and nanodimensional particles of a shungit and dioxide of the titan. Vestnik BGTU im. V.G. Shukhova. 2010. No. 2, pp. 67-70. (In Russian).
7. Arulraj G.P., Adin A., Kannan T.S. Granite Powder Concrete. IRACST — Engineering Science and Technology:
июнь 2015
11
Technology: An International Journal (ESTIJ). 2013. Vol. 3. No. 1, pp. 193-199.
8. Fennis S.A.A.M., Walraven J.C., Uijl J.A. Compaction-interaction packing model: regarding the effect of fillers in concrete mixture design // Materials and Structures. 2013. Vol. 46, Iss. 3, pp. 463-478.
9. Бабков В.В., Мохов В.Н., Давлетшин М.Б., Парфенов А.В. и др. Модифицированные бетоны повышенной ударной выносливости // Строительные материалы. 2002. № 5. С. 24-27.
10. Беспаев А.А., Джарылсасынов С.Ш. Прочность и де-формативность высокопрочных бетонов при динамических нагрузках // Международная научная конференция «Механика и строительство транспортных сооружений». 28-29 января 2010 г. Алма-Ата. 2010. С. 229-232.
11. Брагов А.М., Ломунов А.К., Константинов А.Ю., Ламзин Д.А. Исследование механических свойств мелкозернистого бетона при динамическом нагру-жении // Приволжский научный журнал. № 4. 2014. С. 8-17.
12. Balandin V., Kochetkov A., Krylov S., Sadyrin A., Feldgun V. Experimentally and theoretically investigating the processes of impact and penetration of bodies into concrete obstacles // Proceedings Fib Symposium. Engineering a Concrete Future: Technology, Modeling and Construction. Tel-Aviv. 22-24 April. 2013, pp. 601-604.
13. Пантилеенко В.Н. Повышение долговечности бетона конструкций для нефтегазопромыслового строительства: Монография. Ухта: УГТУ, 2001. 91 с.
An International Journal (ESTIJ). 2013. Vol. 3. No. 1, pp. 193-199.
8. Fennis S.A.A.M., Walraven J.C., Uijl J.A. Compaction-interaction packing model: regarding the effect of fillers in concrete mixture design. Materials and Structures. 2013. Vol. 46. Iss. 3, pp. 463-478.
9. Babkov V.V., Mohov V.N., Davletshin M.B., Parfyo-nov A.V., et all. Modified concrete with high impact strength. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2002. No. 5, pp. 24-27. (In Russian).
10. Bespaev A.A., Dzharylsasynov S.Sh. Strength and de-formability of high-strength cement concrete under dynamic loading. International Scientific Conference «Mechanics and construction of transport buildings». Almaty. 2010, pp. 229-232. (In Russian).
11. Bragov A.M., Lomunov A.K., Konstantinov A.Y., Lamzin D.A. Research of mechanical properties of finegrained concrete under dynamic loading. Privolzhskij nauchnyj zhurnal. 2014. No. 4, pp. 8-17. (In Russian).
12. Balandin V., Kochetkov A., Krylov S., Sadyrin A., Feldgun V. Experimentally and theoretically investigating the processes of impact and penetration of bodies into concrete obstacles. Proceedings Fib Symposium. Engineering a Concrete Future: Technology, Modeling and Construction. Tel-Aviv. 22-24 April. 2013, pp. 601-604.
13. Pantileenko V.N. Povyshenie dolgovechnosti betona konstruktsii dlya neftegazopromyslovogo stroitel'stva: Monografiya [Increase of durability of concrete for oil and gas construction: Monograph]. Uhta: UGTU. 2001. 91 p.
Институт строительных материалов им. Ф.А. Фингера (FIB) университета Bauhaus-Universität г. Веймар (Германия) организует 19-й Международный конгресс по строительным материалам
IBAUSIL
г. Веймар (Германия) | ^^ ^^ ^^ | ^^ 16-18 сентября 2015 г
Международный конгресс по строительным материалам IBAUSIL проводится в г. Веймаре с 1964 г. и за это время стал авторитетным форумом для научного обмена между исследователями университетов и промышленных предприятий с востока и запада.
Основные темы конгресса
• Неорганические вяжущие вещества; • Стеновые строительные материалы / содержание
• Бетоны и долговечность бетонов; сооружений / переработка материалов.
Официальные языки конференции - немецкий, английский
Подробности Вы найдете на сайте: www.ibausil.de
www.ibausil.dewww.ibausil.dewww.ibausil.dewww.ibausil.de
12
июнь 2015
J "А ®
