CC BY
39
СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА
УДК 666.974.2
Курбанов Р.М., Хаджишалапов Г.Н., Хежев Т.А.
ИССЛЕДОВАНИЕ ЖАРОСТОЙКОГО БЕТОНА НА ОСНОВЕ БАЗАЛЬТОВОГО ЗАПОЛНИТЕЛЯ ДЛЯ ОБЕТОНИРОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ
Curbanov R.M., Hadgishalapov G.N., Hegev T.A.
RESEARCH OF HEAT-RESISTANT CONCRETE ON THE BASIS OF BASALT FILLER FOR CONCRETING OF METAL DESIGNS
В статье обосновывается целесообразность применения жаростойкого бетона на основе базальтового наполнителя. Тонкомолотая добавка способствует увеличению силы внутреннего трения между частицами материала. C увеличением силы внутреннего трения между частицами увеличивается вязкость вяжущего и как следствие возрастает температура размягчения под нагрузкой и повышается огнеупорность материала. Ключевые слова: бетон, базальтовый наполнитель, огнеупорность материала.
Expediency of use of heat-resistant concrete locates in article on the basis of a basalt filler. It is thin a ground additive promotes increase in power of internal friction between material particles. With increase in power of internal friction between particles viscosity knitting increases and as a result ryazmyagcheniye temperature under loading increases and fire resistance of a material increases
Key words: concrete, basalt filler, fire resistance of a material.
Защита строительных конструкций от воздействия высоких температур в случае возникновения техногенных катастроф является актуальной проблемой. Нормы контроля противопожарной защиты становятся жестче с каждым годом, поэтому для защиты зданий от пожара необходимо разрабатывать новые способы увеличения уровня безопасности зданий. Существующие способы огнезащиты подразделяют на две большие группы: активные -основаны на применении систем автоматической пожарной сигнализации и пожаротушения, средств противодымной защиты, а также устройств, обеспечивающих ограничение распространения пожара; пассивные - основаны на использовании материалов (применение составов штукатурного типа, обмазок, жидкостекольных мастик, комбинированных покрытий с применение комбинированных полотен, обкладок облегченными плитами) предотвращающих возгорание и препятствующих распространению огня, повышающих огнестойкость металлических строительных сооружений, инженерных систем и конструкций [1].
При возникновении пожара в зданиях и сооружениях металлические конструкции начинают терять свою несущую способность при достижении температуры 250 оС. Жаростойкие бетоны могут быть эффективно использованы для огнезащиты строительных конструкций, они являются более многокомпонентными материалами по сравнению с обычными бетонами и для большинства составов помимо вяжущего и заполнителя включает тонкомолотую добавку, а в ряде случаев и отвердитель. К исходным материалам для жаростойкого бетона предъявляются дополнительные требования, так как бетон должен сохранять заданные свойства не только при нормальных, но и при высоких температурах.
В Республике Дагестан создан технический парк по базальтовым технологиям, в состав которого входит ФГБОУ ВПО ДГТУ. В научно-исследовательской лаборатории по строительным материалам Центра «Экспертиза и аудит в строительстве» ДГТУ совместно с
ОАО «Стекловолокно» ведутся работы по исследованию состава жаростойкого бетона на базальтовом заполнителе для обетонирования металлических конструкций зданий и сооружений.
В качестве мелкого и крупного заполнителя используется базальтовый гравий месторождения «Кизил-Доре» Республики Дагестан с содержанием SiO2 до 40-52 %. В качестве вяжущего портландцемент ПЦД500-Д0 Серебряковского цементного завода с тонкомолотой добавкой до 35 % из боя обыкновенного глиняного кирпича производства Каспийского кирпичного завода с тонкостью помола 6000 см2/г.
После предварительного помола добавки до тонкости 3000 см2/г для активации вяжущего осуществляли последующий совместный помол с портландцементом в активаторе М4 (рис. 1) до тонкости 6000 см2/г.
Предельно допустимая температура применения разрабатываемого жаростойкого бетона на основе базальтового заполнителя 800 оС, они предназначены и для огнезащиты строительных конструкций.
Рисунок 1 - Активатор 4М (планетарная мельница) для активации вяжущих компонентов до механохимических реакций
Базальты - излившиеся древне и нововулканические аналогии габбро, отличающиеся от него своими структурными и текстурными особенностями. Базальты макроскопически представляют черную плотную застывшую лаву, находящуюся в скрытокристаллическом или аморфном состоянии с зернистым строением и стекловидной массой, заполняющей промежутки между зернами различных размеров. Они являются твердыми и одновременно хрупкими труднообрабатываемыми породами, их прочность варьируется в широких пределах от 110 до 500 МПа в зависимости от содержания стеклофазы. Средняя плотность базальтов составляет 3000-3300 кг/м3 [2]. Наиболее ценными считаются свежие
мелкозернистые базальты, не содержащие стекла. Характеристики использованного базальтового заполнителя для жаростойких бетонов приведены в табл. 1.
Таблица 1 - Характеристики базальтового заполнителя
Заполнитель Насыпная плотность, г/см3 Кажущаяся плотность, г/см3 Истинная плотность, г/см3 Водопоглощение Коэффициент качества заполнителя
Базальт 1,8 3 3,1 0,1 0,6
Исследования проводились на образцах-кубах размерами 10х10х10 см. Для получения жаростойкого бетона на базальтовом заполнителе со средней плотностью 2250 кг/м3, класса В10 и класса по предельно допустимой температуре применения исследовался состав бетонной смеси, который приведен в табл. 2.
Таблица 2 - Состав жаростойкой бетонной смеси на базальтовом заполнителе
Наименование компонентов Крупность Тонкость помола Расход на
/п зерен заполнителя вяжущего и добавки 1 кг/м3
Крупный заполнитель - 5-10 мм 950
базальт
Мелкий заполнитель - 0,1-2 мм 834
базальт
Вяжущее - 3000 см2/г 350
портландцемент ПЦ500-Д0
Тонкомолотая добавка - бой 3000 см2/г 116
из глиняного кирпича
Суперпластификатор С-3 2,8
Вода 175
Для обеспечения заданной прочности жаростойкого бетона при приготовлении бетонной смеси рекомендуется определять водовяжущее отношение В/ Вв по формуле [3]
В / Вв = пАв /(Я + 1,3пАв) где п - коэффициент качества заполнителя; Я - контрольная прочность на сжатие; МПа; А - активность вяжущего (0,5-0,75 А )•
Активность вяжущего определяют по формуле
Ав = Ац /(1 + Д),
где А - активность цемента, МПа; Д - количество тонкомолотой добавки в частях массы цемента.
Тогда В/Вв для жаростойкого бетона на базальтовом заполнителе с применением портландцемента ПЦ500-ДО и активированной тонкомолотой добавки из боя обыкновенного глиняного кирпича равно
В / В = 0,6 х 50 х 0,75/(15 +1,3 х 0,6 х 50 х 0,75) = 22,5/44,25 = 0,5;
А = 500/(1 + 0,3) = 384 •
Исследования зависимости прочности и коэффициента теплопроводности от температуры нагрева жаростойкого бетона проводили после предварительной сушки при температуре 110 оС. Предел прочности при сжатии бетона определяли после нагрева по следующей схеме: скорость подъема температуры 200 оС за 1 ч, выдержка при заданной температуре в течение 2 ч. Испытание образцов проводили на трех образцах после
Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. №4 (31), 2013
охлаждения для каждого температурного диапазона нагрева. Результаты испытаний приведены на рис. 2.
1вт(мъ) Ю С Ж
2.5" 2.01.51.0-
0.5-
200 400 600 800 1000 °С
Рисунок 2 - Зависимость прочности (1) и коэффициента теплопроводности (2) от
температуры нагрева
Анализ графика зависимости прочности от температуры нагрева показывает, что остаточная прочность бетона после нагрева до 800 оС составляет 45 % от первоначальной и равно 10 МПа, что достаточно для обетонирования металлических конструкций зданий и сооружений несущих конструкций.
Нагревание образцов до 200 оС приводит к падению прочности бетона. Это связано с обезвоживанием трехкальциевого алюмината. Обезвоживание гидратированного трехкальциевого алюмината происходит в температурном интервале 220-330 оС. Характер и интенсивность изменения объема гидратированного трехкальциевого алюмината при нагревании зависит от снижения его обезвоживания. Образцы, прогретые при 230 оС, несколько повышают свою прочность вследствие удаления адсорбционной воды. В этом случае нарушение структуры не наблюдается. Нагревание до 330 оС ведет к снижению прочности почти в два раза по сравнению с начальной.
При обезвоживании трехкальциевого гидроалюмината происходит частичное разложение его на СаО и С3А3, что влияет на прочность образцов. При температуре 330 оС при появлении свободных радикалов оксида кальция, тонкомолотая добавка начинает связывать сводные радикалы СаО и дальнейшее падение прочности бетона прекращается.
Ведение в портландцемент тонкомолотой добавки приводит к уменьшению количества расплава на единицу объема. В этом случае расплава не хватает для заполнения пустот между твердыми частицами связки и капиллярные силы, стягивающие зерна твердой фазы существенно возрастает [2]. Также тонкомолотая добавка способствует увеличению силы внутреннего трения между частицами материала. С увеличением силы внутреннего трения между частицами увеличивается вязкость вяжущего, и как следствие, возрастает температура размягчения под нагрузкой и повышается огнеупорность материала. Падение коэффициента теплопроводимости с увеличением температуры нагрева объясняется тем, что в диапазоне от 200 0С до 300 0С происходит обезвоживание физически несвязанной воды в составе бетона, а
температурном диапазоне от 500 0С до 800 0С наблюдается образование в структуре бетона плавня из-за наличия до 45 % стеклянной фазы в базальтовом заполнителе.
Результаты исследований зависимости прочности от времени перемешивания и величины пригруза при виброформовании образцов приведены на рис. 3
Ркг/м3 Рсж, МПа
Рисунок 3 - График зависимости прочности от времени перемешивания (1) и
виброформования (2)
Из рисунка 3 видно, что максимальные показатели прочности наблюдается при времени перемешивания от 4 до 5 минут, дальнейшее увеличению времени перемешивания приводит к падению прочности бетона за счет расслоения бетонной смеси. Показатели прочности бетона в зависимости от виброформования показывают, что оптимальные значения достигаются при продолжительности вибрирование от 3 -х до 4-х минут.
Полученные результаты испытаний показывают, что жаростойкий бетон на основе базальтового заполнителя с модифицированным вяжущим может быть использован для защиты металлических конструкций методом обетонирования в случае возникновения пожара.
Библиографический список:
1. Страхов В.Л., Гаращенко А.Н. Огнезащита строительных конструкций: современные средства и методы оптимального проектирования // Строительные материалы. - 2002. - № 6. - С. 2-5.
2. Общий курс строительных материалов: Учебное пособие для строительных специальностей вузов/ под ред. И.А. Рыбьева. - М.: Высш. шк., 1987. - 584 с.
3. Справочное пособие к СНиП 3.03.01-87 «Технология изготовления жаростойких бетонов». - М.: Стройиздат, 1991. - 64 с.
