CC BY
28УДК 666.972.16
А.С. ЖИВ, д-р техн. наук, Владимирский государственный университет (Россия); Б.Р. ИСАКУЛОВ, канд. техн. наук (mr.Baizak@mail.ru), Актюбинский университет им. С. Баишева (Казахстан)
Исследование характера и механизма разрушения легких поризованных арболитобетонов на основе отходов промышленности и растительного сырья
Строительство как отрасль народного хозяйства республик Средней Азии и Казахстана занимает одно из первых мест по использованию материальных ресурсов. Его современный размах ставит задачу решения вопросов экономного и рационального использования последних. Прежде всего необходимо реализовать имеющиеся резервы, создавая малоотходные, безотходные и энергосберегающие технологии в производстве строительных материалов с использованием отходов промышленности и сельского хозяйства. Одной из областей использования промышленных и сельскохозяйственных отходов является производство легких арболитобетонов.
Для производства арболита Казахстан и республики Средней Азии имеют богатейшую базу. В безлесных районах этих республик сырьем могут служить стебли хлопчатника, рисовая солома и лузга, костра конопли, стружки камыша, запасы которых в данное время неисчерпаемы.
Однако возросшие требования к качеству арболита ставят задачу по дальнейшему повышению прочностных показателей этого вида материала с оптимальной структурой. Разрабатываются новые и совершенствуются известные составы и способы изготовления арболи-товых изделий и конструкций. Проведенные в НИИЖБ исследования показали, что повысить эффективность производства, упростить технологию изготовления изделий из арболита и улучшить свойства материала можно целенаправленным изменением свойств и структуры
арболитовой смеси путем поризации и добавлением промышленных отходов. Исследования указывают на повышенную деформативность этого материала, что требует постановки дополнительных опытных работ [1].
Исследование ползучести легких бетонов, оказывающей большое влияние на работу несущих и ограждающих конструкций, привлекает к себе в последние годы большое внимание. Известные из литературных источников исследования [2—7] приводились на образцах без пароизоляции. Поэтому процесс усадки накладывается на процесс ползучести, что осложняло анализ опытных данных, к тому же напряженное состояние бетона оказывает непосредственное влияние на его усадку.
В данной работе проведены экспериментальные исследования поризованного арболита плотностью до 650 кг/м3 при длительном нагружении и различных сжимающих напряжениях с целью применения этого материала на стройках республики.
Образцы представляли собой легкобетонные призмы сечением 150x150 мм и длиной 600 мм. Одна часть образцов была выполнена из поризованного арболита, где в качестве органического заполнителя использовали фибру стеблей хлопчатника, вторая часть, для сравнения, — из поризованного керамзитобетона.
Экспериментальные исследования проводили в 28 сут возрасте. Боковые поверхности призм изолировали от потери влаги путем обмазки боковых поверхностей толстым слоем жидкого парафина с марлевой про-
Рис. 1. Испытания образцов под длительной нагрузкой
№ серий образцов-призм Состав бетона (по весу) Водоцементное отношение Расход цемента на 1 м3 бетона, кг
1. Поризованный арболит
1 1:0,8:0,8* 1,34 220
2 1:0,9:0,8* 1,37 230
3 1:0,85:0,75* 1,4 240
2. Поризованный керамзитобетон
4 1:2:2,5** 0,97 220
5 1:2:2,3** 1,2 230
6 1:2: 2,5** 1,1 240
* соотношение цемент : стебли хлопчатника : добавки в виде жидкого стекла, хлорида кальция и пенообразующей жидкости. ** соотношение цемент : керамзит : добавки в виде жидкого стекла и пенообразующей жидкости.
научно-технический и производственный журнал Q'j'pfjyrj'ijj^jlj^js ~20 декабрь 2012 Ы ®
4
3,5 3 2,5 2 1,5 1
0,5 0
сут
Рис. 2. Кривые нарастания прочности поризованного арболита для серий 1-3: 1 - серия 1; 2 - серия 2; 3 - серия 3
кладкой, по торцам устанавливали перфорированные стальные плитки для передачи нагрузки. Таким образом, удаление влаги из образцов-призм могло происходить только через торцы. Измерение усадки призм показало достаточную эффективность такой изоляции.
При длительных испытаниях постоянную нагрузку на образцы создавали с помощью специально изготовленных пружинных установок (рис. 1).
Величина максимальной нагрузки была ограничена (60—120 кН), что определялось предельным уравнением нагружения образцов, равным 0,75 Rbn. Всего были испытаны три основные серии из поризованного арболита и три серии из поризованного керамзитобетона. Каждая серия включала девять призм-образцов. Поскольку ползучесть поризованного керамзитобетона, как показали исследования НИИЖБ, вызывается в основном ползучестью геля, входящего в состав цементого камня, предполагалось, что эти закономерности можно будет распространить и на поризованный арболит.
Состав поризованного арболита и керамзитобетона для изготовления опытных образцов приведен в таблице.
Относительная влажность воздуха помещения, в котором испытывали призмы на длительную нагрузку, 60—75%; температура воздуха 15—20оС.
Нагружение образцов-призм производилось этапами, соответствующими приращению напряжения от 0,1 до 0,15 МПа. После каждой ступени нагрузки образцы выдерживали в течение пяти минут. Показания с индикаторов (с точностью измерения 0,01 мм) снимались после приложения каждой ступени нагрузки и перед приложением новой ступени. Такая методика испытаний позволяла выделить упругие мгновенные деформации и определить величину начального модуля упругости легких бетонов.
Одновременно с измерением деформаций образцов, установленных под длительную нагрузку, производили измерение деформаций незагруженных изолированных и неизолированных от влагопотерь образцов. Деформации ползучести определяли вычитанием из общих деформаций загруженных образцов усадочных деформаций, измеренных на незагруженных и изолированных образцах.
Благодаря наличию пароизоляции деформации усадки образцов значительны.
Одновременно с изготовлением призм для каждой серии испытаний из того же состава легких поризован-ных бетонов в стальных формах бетонировали до 72 контрольных кубов со стороной 150 мм, которые хранились вместе с призмами и испытывались в разные сроки твердения.
Данные этих испытаний позволили построить кривые нарастания прочности поризованных легких бетонов во времени (рис. 2—3).
Как следует из приведенных кривых, наблюдавшееся нарастание прочности поризованных легких бетонов во
Ясж, МПа 12
3
1 1 1 1 1
7 10
20
28 30
Т, сут
60
Рис. 3. Кривые нарастания прочности поризованного керамзитобетона для серий 4-6: 1 - серия 4; 2 - серия 5; 3 - серия 6
времени в ряде случаев нельзя описать одной логарифмической зависимостью: в раннем возрасте закономерность оказывается иной, чем в последующий период.
Загружение призм-образцов осуществляли при уровнях напряжений 0,15 Rbn; 0,44 Rbn и 0,74 Rbn, где Rbn — прочность поризованного легкого бетона при сжатии. Для исследованных составов отношение пределов прочности при сжатии определенных призм 150x150x600 мм (ЯЬп) и кубов 150x150x150 мм составляет 0,87-0,95 в зависимости от состава поризованного легкого бетона. Призмы 150x150x600 мм загружены длительной нагрузкой, напряжение от которой составляет 15, 44, 74% призменной прочности).
В каждой серии, состоящей из девяти призм-образцов, первые три были изолированы от влагопотерь и устанавливались под длительную нагрузку, вторые три образца были также изолированы, но оставались без нагрузки, наконец, оставшиеся три образца были не изолированы и нагружению не подвергались. По окончании экспериментальных исследований их использовали для определения осевой прочности бетонов при сжатии и анализа механизма разрушения поризованно-го легкого бетона.
Таким образом, всего было изготовлено 54 призмы-образца и 650 контрольных кубов.
Исследования на призмах показали, что деформации, возникающие при приложении нагрузки, растут прямо пропорционально. Пропорциональная зависимость упругих мгновенных деформаций от напряжений наблюдалась и другими экспериментаторами [3-5, 7]; отклонения от этой закономерности для поризованных легких бетонов наблюдались только при высоких сжимающих напряжениях.
Результаты испытаний образцов-призм на длительную нагрузку при уровнях напряжений 0,15 Rbn; 0,44 Rbn и 0,74 Rbn представлены на рис. 4-5.
Анализ роста деформаций призм во времени указывает на некоторые отклонения от закономерности. Деформации призм, загруженные при уровне напряжений 0,15 R из поризованного арболита, росли медленнее, чем такие же деформации, но загруженные при более высоких уровнях напряжений.
В образцах из поризованного керамзитобетона таких отклонений не наблюдалось. Это, по-видимому, объясняется большой неоднородностью поризованного бетона, приготовленного на стеблях хлопчатника.
Для обоих видов бетонов деформации ползучести достигли со временем величины, превышающие упругие деформации в 2-3 раза. Во всех образцах наблюдалось быстрое нарастание деформаций ползучести в период после нагружения, затем нарастание деформаций постепенно замедляется.
Таким образом, скорость нарастания деформаций ползучести во времени зависит не только от уровня на-
Ясж, МПа
6
4
2
0
0
Г; научно-технический и производственный журнал
М ® декабрь 2012 21
Е 103 14
0
0,74 RB
1 " 044 RB
\2_
0,15 RB
\з
1 1 1 1 1 1 1 1
Е 105 140
'0 10 20 30 40 50 60 70 80 Т, сут
Рис. 4. График деформации ползучести поризованного арболита во времени: 1 - серия 1; 2 - серия 2; 3 - серия 3
пряжений, но и от того, сколько времени прошло с момента нагружения.
Для поризованных легких бетонов, как показали испытания, скорость роста деформаций ползучести зависит от кривой нарастания прочности во времени, отражающей процесс твердения бетона.
Таким образом, установлено, что по сравнению с по-ризованными легкими бетонами ползучесть поризован-ного арболита оказывается значительное ниже, что в итоге приводит к снижению деформаций ползучести при одном и том же уровне напряжений.
Деформативные свойства поризованного арболита изучались в 7, 28, и 90 сут возрасте. Как правило, в 7 сут возрасте деформативность растворной части, как и в ячеистых бетонах, оказывается наименьшей, т. е. этот период может быть отнесен к первой фазе твердения поризованного арболита. К 28 сут характер кривых деформаций несколько меняется, наблюдается уменьшение деформаций растворной части в связи с ростом прочности поризованного арболита (рис. 4—5).
По теории прочности А.В. Ваганова в этот период должно наступить равенство между предельными деформациями органического заполнителя и растворной составляющей в материале. Однако в проведенных экспериментах этого не наблюдалось. Органический заполнитель постоянно показывал меньшую деформатив-ность, чем растворная составляющая; несмотря на это, деформативность материала и растворной составляющей совпадали, причем прочность заполнителя была меньше, чем всего материала.
Согласно упомянутой теории начиная с момента, когда деформативность растворной части меньше де-формативности заполнителя (ер<ез), прочность легких бетонов не должна возрастать, так как этому препятствует разрушение органического заполнителя. Однако, как показывают опыты, прочность поризованного арболита продолжала возрастать даже к 90 сут возрасту, несмотря на превышение деформативности растворной составляющей над деформативностью органического заполнителя. Иначе, теория о прекращении роста прочности поризованного арболита во второй фазе твердения не подтверждается, хотя рост прочности материала во второй фазе происходил менее интенсивно, чем в первой. Полученные результаты дают основание утверждать, что рост прочности материала во второй фазе твердения объясняется изменением модуля деформации составляющих поризованного арболита при на-гружении призм-образцов (рис. 1). Данные рис. 4, 5 свидетельствуют, что модуль деформации растворной части и материала с возрастанием напряжения уменьшается, а для органического заполнителя в определенном диапазоне относительного напряжения возрастает. Можно предположить, что в нагруженном состоянии органический заполнитель оказывает большое сопро-
0
1 0,44 RB
0,15 RB
\з_
' 1 1 1 1 1 1 1 1
'0 10 20 30 40 50 60 70 80 Т, сут
Рис. 5. График деформации ползучести поризованного керамзитобе-тона во времени: 1 - серия 4; 2 - серия 5; 3 - серия 6
тивление деформациям, упрочняется и может воспринимать большую нагрузку, чем в ненапряженном состоянии.
Упрочнение органического заполнителя в изучаемом диапазоне напряжений до 0,8 R3 (предел прочности органического заполнителя согласно нашим опытным данным до 0,8 R3) происходит за счет уменьшения внут-ристеблевой (для хлопчатника) пористости и возникновения эффекта «обоймы». Это явление подтверждается изменением коэффициента Пуассона. Упрочнение органического заполнителя в поризованном арболите плотного строения в определенном периоде напряженного состояния является причиной роста прочности материала во второй фазе твердения и повышения абсолютной величины их прочности. Кроме того, причиной более высокой прочности поризованного арболита по сравнению с низкопрочным органическим заполнителем является кольматация его пор цементным тестом (раствором), который, затвердевая, вызывает повышение прочности стеблей хлопчатника. Эти два эффекта наблюдались в поризованных арболитах плотного строения, их влияние в материалах пористого и крупнопористого строения (с средней плотностью 450—600 кг/м3) проявляется в меньшей степени или практически совсем не проявляется.
Характер и механизм разрушения поризованного арболита изучали с помощью традиционной тензометри-ческой аппаратуры и глубинных тензометрических датчиков, ориентированных главным образом вдоль и перпендикулярно прилагаемой нагрузке к призмам.
Глубинные тензодатчики закреплялись на стеблях хлопчатника с помощью эпоксидного клея и устанавливались в опытных образцах до бетонирования. Во избежание повреждения датчиков производилась их защита эпоксидной смолой.
Образцы нагружали под прессом этапами и нагрузку фиксировали манометром пресса при включенных автоматических измерителях деформаций. Суть испытаний состояла в том, что глубинные тензометрические датчики были установлены как на стеблях хлопчатника, так и в растворной составляющей материала, что давало возможность определить первопричину последовательности разрушения составляющих материала.
Испытания были проведены тщательно, на большом (более 50) количестве призм-образцах. Эти опыты позволили дать исчерпывающий ответ на появившиеся в последние годы утверждения, что в поризованных легких бетонах, в том числе в арболите, соотношение между кубиковой и призменной прочностью приближается к единице и даже превосходит ее.
Опыты показали следующее: 1. Тензометрические датчики, расположенные в растворной составляющей материала, фиксируют момент его разрушения и достижение предельной
научно-технический и производственный журнал Q'j'prjyfj'ijj^jlj^js ~22 декабрь 2012 Ы ®
растяжимости поризованного арболита в призмах перпендикулярно действующей нагрузке пресса. В этом случае стрелка манометра пресса падает, т. е. всегда наблюдается первоначальное разрушение материала.
2. Тензометрические датчики, закрепленные на стеблях хлопчатника и ориентированные вдоль и поперек действующей нагрузки, продолжают показывать рост деформаций, а стрелка манометра пресса продолжает показывать рост напряжений.
3. Описанный эффект не наблюдается в поризованном арболите пористого или крупнопористого строения низкой объемной массы.
4. При испытаниях поризованного арболита плотного строения одновременного разрушения растворной составляющей и органического заполнителя не происходило. Обычно наблюдалось последовательное разрушение, связанное с заполнителем, затем с растворной составляющей, но только во второй фазе твердения. Разрушение же материала по растворной составляющей происходило только в первой фазе твердения.
При испытании поризованного арболита как плотного, так и пористого и крупнопористого строения существенное значение имеет поверхность сцепления фибры стеблей хлопчатника с растворной составляющей, при этом для материала плотного строения где Ясц — прочность сцепления растворной составляющей; К — прочность органического заполнителя, для пористого и крупнопористого материала КсцЖз. Этот факт имел место при разрушении пористого и крупнопористого арболита и отвечает наблюдавшейся кольма-тации пор стеблей хлопчатника цементным раствором. Выполнение исследования дает основание для уточнения гипотез формирования прочности поризованного арболита.
Теория А.И. Ваганова в полной мере приемлема для объяснения процесса нарастания прочности материала при твердении, т. е. когда деформативность растворной составляющей меньше деформативности кольматиро-ванных стеблей органического заполнителя. Для объяснения возрастания прочности поризованного арболита плотного строения во второй фазе твердения указанная теория твердения требует уточнения, а именно: одновременного органического заполнителя и растворной составляющей в поризованном арболите плотного строения не наблюдается.
Разрушение материала во второй фазе твердения происходит ступенчато (заполнитель — раствор). Первоначальными разрушениями поризованного арболита плотного строения являются: при ер<ез растворная составляющая, при е_>ез кольматированный органический заполнитель. Конечная прочность поризованного арболита плотного строения во всех испытанных образцах определялась прочностью растворной составляющей; при Яр<К происходит однофазное твердение и одноступенчатое разрушение — по раствору; при Яр>К происходит двухфазное твердение и двухступенчатое разрушение.
Прочность поризованного арболита пористого строения формируется в одну фазу, разрушение происходит одноступенчатое — по кольматированному органическому заполнителю и им определяется в основном прочность материала.
Характер разрушения образцов из поризованного арболита в различном возрасте наглядно иллюстрируют высказанные дополнения к гипотезам формирования прочности поризованного арболита и механизма его разрушения.
Пользуясь полученными данными, можно направленно планировать получение поризованного арболита
различной прочности в зависимости от фракции зерна органического заполнителя.
Безусловно, они не могут в полной мере объяснить процессы формирования прочности поризованного арболита, механизм его деформаций и разрушения и нуждаются в дальнейшем изучении и уточнении.
Ключевые слова: отходы, бетон, aрболuт, деформация.
Список литературы
1. Савин В.И., Абраменко Н.И., Будашкин Л.Е. Технология и свойства поризованного арболита. Тезисы докладов научно-технической конференции 2—4 сентября 1980 г. Владивосток. 1980. С. 30.
2. Пирадов К.А., Гузеев Е.А. Подход к оценке напряженно-деформированного состояния железобетонных элементов через параметры механики разрушения // Бетон и железобетон. 1994. № 5. С. 19—23.
3. Пирадов К.А., Гузеев Е.А. Механика разрушения железобетона. М.: Новый век, 1998. 192 с.
4. Ржаницын А.Р. Неупругие деформации систем во времени // Сб. «Исследования по строительной механике». М.: Гостройиздат, 1954. 286 с.
5. Исакулов Б.Р. Прочность и деформативность поризованного арболита. Актобе.: РГП КазГосИНТИ, ДГП Актюб. ЦНТИ. 2006. 132 с.
6. Боришанский М.С. Исследование работы внецент-ренно сжатых железобетонных элементов. М.: Проект и стандарт. 1936. № 6. С. 86-88.
7. Вайнштейн М.З. Формирование прочности легкого бетона и механизм его деформации и разрушения // Бетон и железобетон. № 6. 1984. С. 8-10.
Г; научно-технический и производственный журнал
декабрь 2012 23
