CC BY
43УДК 691.328.43
DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2018-766-12-27-33
Р. МОЦЕЙКИС1, аспирант ([email protected]), А. КИЧАЙТЕ1, доцент, Г. СКРИПКЮНАС1, проф.; Г.И. ЯКОВЛЕВ2, д-р техн. наук
1 Вильнюсский технический университет им. Гедиминаса, Департамент строительных материалов и пожарной безопасности (Литва, 10223, Вильнюс, ул. Саулетекио, 11)
2 Ижевский государственный технический университет им. М.Т. Калашникова (426069, Удмуртская Республика, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7)
Механические характеристики и пластичность армированного стекловолокном бетона
■ У У
с модифицированном матрицей
Армированный стекловолокном бетон (АСВБ) из-за высокой пластичности и прочности при изгибе часто используется для производства различных тонкостенных элементов. В течение нескольких десятилетий классическая бетонная матрица состоит из песка и цемента, в которой распределено дисперсное стекловолокно. Новейшие исследования в области сверхпрочного бетона и долговечности АСБ показали, что использование микро- и нанонаполнителей имеет значительный потенциал для улучшения механических свойств бетона и повышения его долговечности. В статье рассматриваются свойства бетонной смеси (удобоукладываемость, расслоение), прочность при изгибе и пластичность нескольких составов АСВБ с разными заполнителями (используются отсевы гранита, доломита и кварцевый песок) и микронаполнителями (молотый доломит, метакаолин и молотый кварц). В качестве связующего используется обычный портландцемент марки СЕМ I 52R с суперпластификатором на основе поликарбоксилата. Для армирования бетонной матрицы использовали рубленое щелочестойкое стекловолокно с длиной волокон 12,7 мм.
Ключевые слова: армированный стекловолокном бетон (АСВБ), стекловолокно, метакаолин, пластичность.
Для цитирования: Моцейкис Р., Кичайте А., Скрипкюнас Г., Яковлев Г.И. Механические характеристики и пластичность армированного стекловолокном бетона с модифицированной матрицей // Строительные материалы. 2018. № 12. С. 27-33. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2018-766-12-27-33
R. MOCEIKIS1, graduate student ([email protected]), A. KICAITE1, Associate professor, G. SKRIPKIUNAS1, Professor; G.I. YAKOVLEV2, Doctor of Sciences (Engineering) ([email protected])
1 Vilnius Gediminas Technical University, Department of building materials and fire safety (11, Sauletekio al., Vilnius, 10223, Lithuania)
2 Kalashnikov Izhevsk State Technical University (7, Studencheskaya Street, Izhevsk, 426069, Russian Federation)
Mechanical Characteristics and Ductility of Glass Fiber Reinforced Concrete with Modified Matrix
Glass fiber reinforced concrete (GRC) is commonly used for production of various thin- walled concrete elements due to good flexural characteristics and high ductility. For decades, typical GRC matrix consisted of fine quartz sand and ordinary Portland cement (OPC) in which short glass fibers are dispersed. Recent studies in the fields of reactive powder concrete and durability mechanisms of GRC showed that there is a big potential in improving mechanical characteristics and durability of the composite when micro or Nano fillers are used. This article investigates workability, flexural toughness and ductility of several GRC compositions with different fillers (silica sand, fine granite, fine dolomite) and micro- additives (silica powder, metakaolin and dolomite powder). Ordinary CEM I 52,5R Portland cement (OPC) is used as a binder and polycarboxylate ether-based superplasticizer (PCE) is used as water-reducing agent. 12,7 mm length alkali resistant glass fibers (ARG) are dispersed for matrix reinforcement.
Keywords: glass reinforced concrete, glass fibers, metakaolin, ductility.
For citation: Moceikis R., Kicaite A., Skripkiunas G., Yakovlev G.I. Mechanical characteristics and ductility of glass fiber reinforced concrete with modified matrix. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2018. No. 12, pp. 27-33. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2018-766-12-27-33 (In Russian).
Армированный стекловолокном бетон (АСВБ) — это композиционный материал, состоящий из дисперсно-армированной стекловолокном цементной матрицы. Цементная матрица бетона и стекловолокно сохраняют свои уникальные свойства, и в тоже время вследствие проявления синергетического эффекта достигаются новые свойства, которые не проявлялись при использовании этих компонентов в отдельности. При этом стекловолокно воспринимает растягивающие напряжения, а цементная матрица действует как среда, переносящая напряжения.
Новейшие исследования показывают, что основной причиной старения стекловолокна являются возрастающие микродефекты на его поверхности [1]. Этот феномен в технологии производства стекла часто называют статической усталостью и описывают как разрушение связей между молекулами SЮ2 в устье трещины при воздействии растягивающих напряжений в волокнах. Процесс старения зависит от таких факторов, как
Glass fiber-reinforced concrete (GRC) is a composite material that consists of cementitious matrix in which short glass fibers are dispersed. In this form, both fibers and concrete matrix retain their physical and chemical identities yet resulting in a combination of properties that cannot be achieved by these materials alone. In general, fibers are the key for flexural strength and cementitious matrix acts as a load transfer medium between them.
Recent studies show that the main cause of GRC weakening with time is the growth of flaws on the fiber surface [1]. This phenomenon is called static fatigue in glass technology literature and is described as constant breaking of SiO2 bonds at the tips of pre-existing flaws due to static stress in the filaments. The ageing process also depends on such factors as glass composition, matrix pH and composition, stress level, temperature, and fiber coating [2—4].
Manny scientists agree that Ca(OH)2 plays a negative role due to densification of fiber-matrix interface, where sharp Ca(OH)2 crystals cause new flaws on the surface of the fila-
химический состав стекла, водородный показатель среды pH, состав бетонной матрицы, величина действующего напряжения, температура и вид покрытия волокон [2-4].
Большинство исследователей согласны, что Ca(OH)2 (портландит) негативно влияет на уплотнение границы раздела фаз волокно — цементная матрица, где кристаллы Ca(OH)2 вызывают новые дефекты на поверхности волокон [5, 6]. Различные микронаполнители могут замедлять старение АСВБ вследствие проявления пуццо-лановых реакций с портландитом. Химически активные микронаполнители, такие как метакаолин, зола-уноса, микрокремнезем, молотый гранулированный доменный шлак и инертные микронаполнители (молотый доломит, кварц), используются для улучшения различных свойств АСВБ бетона [7—9].
Исследователь М. Дривер (M. Driver) изучал технологические свойства, процессы гидратации и долговечность смесей АСВБ с использованием микронаполнителя из молотой пемзы. Смеси с 25%-й добавкой пемзы сохранили во времени свои механические свойства: прочность при изгибе и пластичность [10]. Ж.М. Петер (J.M. Peter) установил, что микрокремнезем, используемый в качестве добавки, модифицирующей матрицу, не оказывает существенного положительного эффекта на повышение долговечности АСВБ. Гораздо эффективнее микрокремнезем использовать в качестве добавки, модифицирующей поверхность волокна [9]. Исследование С. Марикунте (S. Marikunte) показало, что метакаолин значительно повышает прочность при изгибе и растяжение при старении АСВБ. Композиция с добавкой метакаолина показала лишь небольшое снижение прочности при изгибе, модуля упругости и пластичности после испытаний на ускоренное старение [11].
За последние три десятилетия наработкам в области сверхпрочных бетонов уделено большое внимание в научной литературе. Этот композит часто называют реакционно-порошковым бетоном (РПБ), включающим портландцемент, ультратонкие наполнители (кварцевый песок, кварцевый и доломитовый порошок), микрокремнезем, метакаолин, суперпластификатор и дисперсное волокно (обычно металлическая фибра). РПБ может достигать прочности при сжатии до 150—200 МПа без использования специальных методов твердения [12]. В особых условиях, например во время твердения при выдержке в температуре 400оС и давлении 40 МПа, можно достичь прочности при сжатии до 800 МПа [13].
В данной статье представлены свойства бетонной смеси и характеристики бетона, армированного дисперсным стекловолокном с модифицированной матрицей при использовании различных заполнителей (кварцевый песок, мелкий гранит, мелкий доломит) и микронаполнителей (молотые кварц и доломит, метакаолин).
Материалы и методы исследования
Для семи партий дисперсно-армированного стекловолокном бетона была определены подвижность бетонной смеси (пластичность) и зависимость напряжения — деформация при изгибе для оценки влияния различных заполнителей и микронаполнителей на свойства матрицы АСВБ. Быстротвердеющий портландцемент марки CEM I 52,5R использовался в качестве вяжущего. В качестве заполнителей используются отсев гранита, доломита и кварцевый песок. В качестве модифицирующих добавок использовались три разных микронаполнителя: молотый доломит, метакаолин и молотый кварц. Для уменьшения водопотребности был выбран суперпластификатор на основе поликарбоксилата, а для
ments [5, 6]. Different kinds of micro fillers can decrease GRC deterioration by pozzolanic reactions with portlandite phase. Many are using chemically active micro filers, such as metakaolin, fly ash, microsilica, blast furnace slag etc., to enhance various characteristics of GRC composites [7—9].
Driver M. tested workability, hydration and durability of GRC mix with finely ground pumice pozzolan. The GFRC mix with 25% pozzolan performed very well and had the highest Modulus of Rupture (MOR), stress ratio, and strain ratio values over time [10]. Peter J.M. found that microsilica did not significantly improve the ageing performance of GRC when used as a modification of the matrix. It was more effective in improving the properties of the aged composites when used as fiber treatment [9]. Marikunte S. research showed that metakaolin significantly improved both the flexural and the tensile behavior of aged GFRC composites. With aging, the GFRC composite that contained metakaolin showed only a relatively minor drop in flexural strength, strain, modulus of elasticity, and toughness [11].
Manny effort has been made in creating ultra-high-performance concrete during last three decades. This type of composites are usually referred to as reactive powder concrete (RPC) and consists of Portland cement binder, ultrafine powders (quartz sand, quartz powder, dolomite powder), microsilica, metakaolin, superplasticizer and fibers (usually steel microfibers). Compressive strength of RPC composites can be easily achieved up to 150—200 MPa with no special curing conditions [12]. Special conditions during curing period, like temperature up to 400°C and 40 MPa pressure gives compressive strength up to 800 MPa [13].
This research paper provides test results of workability and mechanical characteristics of modified GRC matrix with various aggregates (quartz sand, fine granite, fine dolomite) and micro fillers (quartz powder, dolomite powder and metakaolin).
Materials and test methods
Seven different GRC compositions were tested for workability and flexural toughness to check the influence of different aggregates and micro fillers on the properties of GRC matrix. Rapid hardening Portland cement CEM I 52,5R was used as a binder. Fine granite, dolomite and quartz sand were chosen as aggregates. Three micro fillers were used for matrix densification: grounded dolomite, quartz and metakaolin. Polycarboxylic ether-based superplasticizer was chosen as a water reducing agent and alkali resistant (AR) glass fibers for matrix reinforcement.
Chemical composition of CEM I 52,5R is given in Table 1. It's specific (Blaine) surface was 5100 cm2/g, particle density 3,13 g/cm3 and mean diameter of particles — 9,31 ^m. Particle size distri bution is given in Fig. 1.
Properties of aggregates are given in Table 2. As we can see, quartz and granite aggregates are highly siliceous materi
Размер частиц, мкм Particle size, цм
Рис. 1. Распределение частиц по размеру портландцемента CEM I 52,5R Fig. 1. Particle size distribution of Portland cement CEM I 52,5R
100
80
Ез С 60 --
40 -
20 -
100 t
0,25 0,5 0,75
1,25 1,5 1,75
Размеры отверстий сит, мм Sieve size, mm
Рис. 2. Гранулометрические кривые кварцевого песка, гранита и доломита: 1 - кварцевый песок; 2 - отсев гранита; 3 - отсев доломита Fig. 2. Granulometric curves of: 1 - quartz sand, 2 - granite; 3 - dolomite
Si
о ;■
80
Ез с 60 ■ -
? 8 ф Ф
ж*
О. СС
40
20
1 ~ 1
v4_
'/у-
0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 Размеры отверстий сит, мм Sieve size, mm
1,75
Рис. 3. Гранулометрические кривые заполнителей смесей: 1 - S4, S6;
2 - S2, S5, S7; 3 - S3; 4 - S1
Fig. 3. Granulometric curves of aggregate mixes: 1 -3 - S3; 4 - S1
S4, S6; 2 - S2, S5, S7;
0
0
0
2
0
2
Таблица 1 Table 1
Химический состав цемента Chemical composition of cement
CaO SiO2 AI2O3 Fe2O3 MgO SO3 K2O Na2O Na2Oeq Cr
CEM I 52,5R 63,99 19,84 5,24 2,99 1,55 3,05 0,78 0,25 0,76 0,062
армирования было использовано щелочестойкое стекловолокно с длиной волокон 12,7 мм.
Химический состав портландцемента СЕМ I 52,5R приведен в табл. 1. Удельная поверхность 5100 см2/г, плотность частиц 3,13 г/см3 и средний диаметр частиц 9,31 мкм. Распределение частиц по размерам приведено на рис. 1.
Свойства заполнителей представлены в т абл. 2. Как видно в табл. 2, кварцевый песок и гранит имеют большое количество SЮ2 (>70%), а в доломите преобладают карбонаты (СаСОз+MgCOз>80%).
На рис. 2 показаны гранулометрические кривые используемых заполнителей. Кварцевый песок состоит из сферических частиц, в то время как частицы гранита и доломита имеют более резкие нерегулярные формы, а их гранулометрия очень близка друг к другу.
Стеклянная фибра представляет собой пучок из 200 стеклянных волокон диаметром 18 мкм. Волокна расположены в несколько рядов последовательно друг с другом, образуя фибру с плоской прямоугольной формой с общей шириной около 1,5 мм. Длина используемых волокон составляет 12,7 мм, предел прочности при растяжении 1400 МПа, модуль упругости 74 ГПа, а температура плавления, типичная для стекла, 1100оС.
Для всех составов от S1 до S7 содержание цемента, суперпластификатора и В/Ц отношение поддерживалось постоянным, менялись только типы и содержание заполнителей и микронаполнителей. Для каждого состава было замешено 10 л бетона с использованием высокоскоростного смесителя (скорость до 800 об/мин). На первом этапе портландцемент, заполнители, суперпластификатор и воду смешивали со скоростью 800 об/мин в течение 120 с. После этого дозировалась стекловолоконная фибра и смесь снова перемешивалась в течение 60 с со скоростью 300—400 об/мин. Состав бетонных смесей и гранулометрические кривые заполнителей представлены в табл. 3 и на рис. 3.
als, containing >70% of SiO2, when dolomite on the contrary consists mostlyof carbonate minerals(CaCO3+MgCO3>85%).
Granulometric compositions of quartz, granite and dolomite are shown in Fig. 2. Quartz sand consists of particles, close to spherical shape, when fine granite and dolomite (bran of crushed aggregates) have more random, sharp shapes and their cumulative curves are very close to one another.
Each fiber is a bundle of 200 filaments with diameter 18 ^m. Filaments are layered on each other in series, giving a flat rectangular shape of the fibers, with total width about 1,5 mm. Length of fibers was 13 mm, tensile strength 1400 MPa, modulus of elasticity 74 GPa and melting temperature, common for glass, 1100°C.
For all mixes S1 to S7, quantities of cement, water and plas-ticizer were kept the same, only types and quantities of aggregates and micro fillers were changed. Concrete mixes were prepared in 10 l batches by high shear mixing method with a mixer up to 800 rpm. At first stage, water, cement, plasticizer and aggregates were blended for 120 s with maximum revolutions (800 rpm). After that, fibers were added and dispersed into the cementitious matrix with 300—400 rpm for additional 60 s. Compositions and aggregates mix granulometries are given in Table 3 and Fig. 3.
Workability of fresh concrete was tested according EN1170-1, which is based on a slump test with cylinder 065, h=55 mm. For compressive strength, concrete prisms 40x40x160 mm were tested according to EN196-1 for mixes S2, S3, S4. Fracture characteristics were determined according EN1170-4, by casting concrete test boards by dimensions 525x525x15 mm and cutting them into 8 specimens sized 275x50x15 mm, which were oriented perpendicularly in the test boards. Four specimens were tested for flexural resistance after 7 days and the other four — after 28 days, bending curves were plotted.
Results and discussion
Workability. Slump of all compositions are given in Fig. 4 and 5. Tests showed poor workability for all mixes, that included crushed granite or dolomite (S1, S2, S4, S6). The slump was low and severe water bleeding started to occur for mixes S1 and S4 which had significant amounts of crushed aggregates. Changing 50% of granite with quartz sand (S4
ÎTr-'OVITE/lbrl-jJ- научно-технический и производственный журнал J ® декабрь 2018
Свойства бетонной смеси оценивались и сравнивались в соответствии со стандартом EN 1170-1, в котором описывается испытание на подвижность раствора после поднятия цилиндра диаметром 65 мм и высотой 55 мм. Для определения прочности на изгиб и сжатие изготавливали балочки 40x40x160 мм, которые были испытаны в соответствии с ЕШ96-1 для смесей S2, S3, S4. Прочностные свойства определялись в соответствии со стандартом EN 1170-4, формуя плиты размером 525x525x15 мм и разрезая их на восемь образцов размером 275x50x15 мм, ориентированных в перпендикулярном направлении. С каждой плиты было отобрано по четыре образца и испытано через 7 сут, а оставшиеся четыре образца испытаны после 28 сут.
Результаты и обсуждение Консистенция. Подвижность всех смесей представлена на рис. 4 и 5. Испытания показали, что неудовлетворительная консистенция характерна для тех составов, которые используют гранитные и доломитовые заполнители ^1, S2, S4, S6). Подвижность смеси была недостаточной и отмечено расслоение бетонных смесей S1 и S4, в кото-
Таблица 2 Table 2
Основные свойства заполнителей Main Properties of aggregates
Свойства Properties Кварцевый песок Quartz sand Отсев гранита Granite Отсев доломита Dolomite
¿max, mm 1,25 2 2
Насыпная плотность, кг/м3 Bulk density, kg/m3 1640 1530 1560
Истинная плотность, кг/м3 Specific gravity, kg/m3 2650 2800 2770
SiO2, % >98,5 70-75 <4
Al2O3, % <0,6 14,4 <1
CaCO3+MgCO3, % 0 0 >80
Водопоглощение, % Water absorption, % <0,5 <0,6 <2%
and S6) improved situation significantly, although self-compacting consistence was still not achieved.
Best workability was achieved for mixes S3 and S7, which had only quartz sand as aggregate. S7 also included 15% of grounded quartz which stabilized fresh concrete and its surface was easier to trowel after casting to the mould. S5 also had only quartz as aggregate, but also 15% of metakaolin as micro filler, which significantly reduced the workability. 15% of grounded dolomite slightly reduced the slump for S6 quartz/dolomite matrix.
Сегрегация
S2 S3 S4 S5 S6 S7 Составы бетона, мкм Mixes of concrete, цм
Рис. 4. Подвижность смесей согласно EN 1170-1
Fig. 4. Slump test results according to EN1170-1
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
Sf
Рис. 5. Расплыв при определении подвижности бетонной смеси: а - неудовлетворительная консистенция с сильной сегрегацией матрицы и низкая подвижность (состав S1); b - хорошая консистенция без сегрегации и с большой подвижностью (состав S7)
Fig. 5. Slump test photos: a - poor workability with severe segregation of matrix and low slump (composition S1); b - good workability with no segregation and big high slump (composition S7)
S2 S3 S4
Составы бетона, мкм Mixes of concrete, цм
Рис. 6. Прочность при сжатии через 28 сут для составов S2, S3, S4
Fig. 6. Compressive strength after 28 days for S2, S3, S4 compositions
Прогиб, мм Stroke, mm
4 5
Прогиб, мм Stroke, mm
Рис. 7. Кривые деформаций бетона составов: 1 - S1; 2 - S2; 3 - S3; 4 - S4; a - 7 сут твердения; b - 28 сут твердения
Fig. 7. Bending curves for: 1 - S1; 2 - S2; 3 - S3; 4 - S4; a - 7 days; b - 28 days
b
2
3
4
5
Таблица 3 Table 3
Составы смесей S1-S7 Relational compositions of mixtures S1-S7
Состав Mix No. CEM I 52,5R 0s Ш C CL uo mg Кварцевый песок Quartz sand Отсев гранита Crushed granite Отсев доломита Crushed dolomite Стекловолокно13, % Glass fibres1, % Молотый доломитс, % Grounded dolomitec, % Молотый кварцс, % Grounded quartzc, % чр % , % О и P
S1 1 0,36 0 0 1 3 0 0 0
S2 1 1,1 0,36 0,5 0,5 0 3 0 0 0
S3 1 1,1 0,36 1 0 0 3 0 0 0
S4 1 1,1 0,36 0,15 0,85 0 3 0 0 0
S5 1 1,1 0,36 1 0 0 3 0 0 15
S6 1 1,1 0,36 0,5 0,5 0 3 15 0 0
S7 1 1,1 0,36 1 0 0 3 0 15 0
Примечания: a Пластификатор; b от массы матрицы; c от массы цемента. Note: a Policarboxylic ether-based superplasticiser; b from total weight of the matrix; c from weight of cement.
Таблица 4 Table 4
Прочность при изгибе и остаточная прочность при прогибе 3 мм (пластины 15x50x275) Residual flexural strength at 3 mm stroke (plates 15x50x275, 28 days)
Состав Composition Прочность при изгибе, МПа Flexural strength, MPa Остаточная прочность при прогибе 3 мм, МПа (%) Residual strength at 3 mm deflection, MPa (%)
Через 7 сут after 7 days Через 28 сут after 28 days Через 7 сут after 7 days Через 28 сут after 28 days
S1 8,29 11,99 6,36 (77%) 10,73 (89%)
S2 10,84 11,24 7,75 (71%) 9,9 (88%)
S3 7,71 10,92 5,92 (77%) 10,64 (97%)
S4 9,15 13,24 8,77 (96%) 9,07 (69%)
S5 9,04 6,91 6,19 (68%) 6 (86%)
S6 10,28 9,73 8,48 (82%) 7,47 (77%)
S7 7,48 7,98 6,27 (84%) 5,07 (64%)
рых преобладали заполнители на основе измельченных горных пород. Заменив 50% гранита на кварцевый песок ^4 и S6), подвижность значительно улучшилась, но консистенция самоуплотняющейся смеси все еще не была достигнута.
Лучшая консистенция смеси была получена с использованием в качестве заполнителя только кварцевого песка S3 и S7. Также состав S7 включал 15% молотого кварца, который стабилизировал свежий бетон, а его поверхность легче затиралась после заполнения формы бетоном. В смеси S5 также использовался кварцевый песок в качестве единственного заполнителя, но дополнялся 15% метакаoлина, который ухудшил консистенцию смеси. Молотый доломит, используемый в количестве 15% для модификации матрицы S6, незначительно снизил подвижность смеси этой матрицы.
Прочность при сжатии через 28 сут превышала определение понятия «высокопрочный бетон» (>55 МПа, Американская ассоциация бетона). Были достигнуты показатели прочности бетона при сжатии: 79,8 МПа для S2 и 80 МПа для S3. Поэтому можно сде-
Compressive strength. Compressive strength after 28 days exceeded definition of high strength concrete (>55 MPa, American Concrete Institute and EN 206). Results were 79,8 MPa for S2 and S4 and 80 MPa for S3, which brings us to a conclusion, that changing 50% of quartz sand with crushed granite did not give any influence on compressive strength (Fig. 6).
Flexural strength and fracture characteristics. Bending curves in Fig. 7 and 8 show apparent ductility of glass fibre reinforced composite and no brittle behaviour. All specimens reached their rupture point at average deflection to span ratio 1/250, which was characterized as first crack in the tension zone. Even after deflection increased by 400% from rupture point, specimens were still maintaining up to 90% of their maximum resistance. Coarse shaped aggregates (granite and dolomite) have positive influence, increasing flexural strength. While 15% addition of metakaolin and inert powders (quartz and dolomite) reduces overall flexural strength.
Table 4 shows residual strength for tested compositions at 3 mm stroke, indicating high ductility of glass fibre reinforced composite and average maximum flexural strength after 7 and 28 days.
Optical microscopy tests (microstructure investigation). Specimen fracture zones were investigated with optical micro-
ÎTr-'OVITE/lbrl-jJ- научно-технический и производственный журнал J ® декабрь 2018
12 10
. 8 L 6
res 4
лать вывод, что замена кварцевым песком 50% дробленой горной породы не влияет на прочность при сжатии АСВБ.
Прочность при изгибе и деформационные свойства. Кривые деформации, приведенные на рис. 7 и 8, показывают, что АСВБ представляет собой пластичный композит без признаков хрупкого разрушения под статической нагрузкой. Все образцы достигли точки разрыва при среднем прогибе, когда он доходил до значения 1/250. В этот момент появился первый разрыв в растягивающей зоне бетона. Даже после того как отклонение увеличилось на 400% от точки разрыва, образцы сохраняли до 90% от их максимального сопротивления. Заполнители из дробленой горной породы способствовали повышению прочности при изгибе. Однако дополнительное количество 15% микронаполнителя (молотый кварц, метакаолин, молотый доломит) уменьшило прочность композита АСВБ при изгибе.
В табл. 4 показаны средние значения прочности при изгибе и остаточные показатели прочности всех изученных составов при прогибе
3 мм через 7 и 28 сут.
Оптическая микроскопия (исследование микроструктуры). Были проанализированы экспериментальные зоны раскола для изучения распределения стеклянной фибры в поперечном сечении и для установления характера ее разрушения. Выявлено, что стеклянная фибра не распадается на отдельные стекловолокна во время перемешивания бетонной смеси, что обеспечивает необходимую консистенцию, если состав матрицы подобран правильно и отвечает потребностям (рис. 9). В большинстве случаев стеклянная фибра не расположена перпендикулярно нормальному разрезу (плоскости разрушения) и распределена случайным образом в диапазоне от
4 до 6 ед./см2, что объясняет разброс значений прочности при изгибе даже между образцами из одной и той же плиты (525x525 мм) (рис. 10). Стеклянная фибра имеет плоскую форму, что увеличивает площадь контакта для обеспечения адгезии между матрицей и волокнами. Однако в сердцевине фибры также присутствует волокно, которое принимает напряжения из-за сцепления и электростатических сил, действующих между ними. Поскольку стекловолокна не склеены друг с другом, можно утверждать, что сердцевина принимает очень небольшую часть истинных натяжений. В большинстве случаев стекловолокна в области контакта сначала разрушаются, а внутренняя сердцевина вытягивается из волокна (рис. 11).
1
2
{/
j \3_
12 10 8
L 6
res 4
Прогиб, мм Stroke, mm
Прогиб, мм Stroke, mm
Рис. 8. Кривые деформаций бетона составов: 1 - S5; 2 - S6; 3 - S7; a - 7 сут твердения; b- 28 сут твердения
Fig. 8. Bending curves for: 1 - S5; 2 - S6; 3 - S7; a - 7 days; b - 28 days
Рис. 9. Стеклянная фибра не распадается на отдельные стекловолокна Fig. 9. Glass filaments do not disintegrate from bundles after mixing
Рис. 10. Стекловолокна в поперечной трещине со случайным их распределением Fig. 10. Randomly dispersed fibers in the fractured cross section
Рис. 11. Вытянутые стекловолокна из внутреннего сердечника фибры Fig. 11. Filament pull-out behaviour from the inner core of the bundle
scope in order to identify glass fibre distribution and fracture behaviour. Results show that glass fibres do not disintegrate from bundles during mixing process, which gives stable and good workability, if matrix composition satisfies the demand (Fig. 9). In most cases fibres are not perpendicular to the fracture plane and dispersed very randomly, ranging from 4—6 pcs/cm2, (Fig. 10) which explains big variation of flexural strength between specimens from the same board (525x525 mm). Fibre bundles
b
2
2
0
2
3
4
5
2
3
4
5
Выводы
Консистенция смеси армированного стекловолокном бетона лучше, когда в качестве заполнителя используется кварцевый песок с частицами сферической формы. Замена по меньшей мере 50% кварцевого песка дробленым гранитом значительно снижает подвижность бетонной смеси и приводит к незначительному ее расслоению. Прочность АСВБ при изгибе через 28 сут достигает 13,24 МПа при добавлении гранитного заполнителя. Стекловолокно меняет хрупкую структуру бетона, способствуя повышению деформативности бетона. Даже после того как прогиб увеличился на 400% от точки разрыва к первоначальному значению, образцы по-прежнему выдерживали до 90% от их максимальной прочности.
Введение 15% микронаполнителя (молотого кварца, молотого доломита, метакаолина) влияет на прочность при изгибе (при введении метакаолина прочность при изгибе уменьшается на 36%, при добавке молотого кварца на — 27%). Добавка 15% метакаолина ухудшает консистенцию смеси, а молотый кварц почти не влияет на подвижность бетонной смеси и делает ее более стабильной, а ее поверхность легче затирается после заполнения формы бетоном. Дробленый заполнитель с размером частиц до 2 мм не влиял на этот параметр.
Исследования под оптическим микроскопом показали, что стеклянная фибра не распадается на отдельные стекловолокна во время перемешивания бетонной смеси. В большинстве случаев стекловолокна в области контакта с цементной матрицей разрушаются, а сердцевинные волокна вытягиваются из фибры, поскольку стеклонити не склеены друг с другом, но связаны слабыми электростатическими силами, возникающими при производстве стеклофибры.
have distinctly flat shape, giving larger area for matrix adhesion. Although, there are also filaments in the core of bundle that are working only by friction and electrostatic forces, generated during filament manufacture process. As the filaments are not glued together, the core is poorly assisting in transmission of the tension stresses. In many cases at first external filaments rupture and inner core is pulled out from the bundle (Fig. 11).
Conclusions
Workability of glass fibre reinforced concrete (GRC) is better when quartz sand aggregate with spherical shape particles is used. Replacing at least 50% of quartz sand with crushed granite significantly reduces workability and some water bleeding starts to occur.
Average 28-day flexural strength of premix GRC reached up to 13,24 MPa with added granite aggregate, changing concrete behaviour from brittle to highly ductile composite material. After deflection increased by 400% from rupture point, specimens were still maintaining up to 90% of their maximum resistance.
Adding 15% of micro filers (grounded dolomite, quartz and metakaolin) to OPC- quartz sand matrix reduced flexural capacity very significantly — by 36% for metakaolin and 27% for grounded quartz. Metakaolin also had major negative impact on workability, while grounded quartz had no effect on the slump, but concrete seemed more stable and resulted in better trowelled surface.
Average 28-day compressive strength was up to 80 MPa for GRC without added microfillers. Crushed aggregate with up to 2 mm particle size had no influence on this parameter.
Microscopical tests showed that glass fibres do not disintegrate from bundles during mixing process. In many cases at first external filaments rupture and after that inner core is pulled from the bundle, because glass filaments are not glued together and are only attracting each other by electrostatic forces, generated during filament manufacture process.
Список литературы / References
1. Pumell P., Short N.R., Page C.L. A static fatigue model for the durability of glass fibre reinforced cement. Journal of Materials Science. 2001. Vol. 36, pp. 5385-5390 https://doi.org/10.1023/A:1012496625210
2. Orlowsky J., Raupach M., Cuypers H., Wastiels J. 2005. Durability modelling of glass fibre reinforcement in ce-mentitious environment. Materials and Structures. 2005. Vol. 38. Iss. 2, pp. 155-162. https://doi.org/10.1007/ BF02479340
3. Mills R.H. Preferential precipitation of calcium hydroxide on alkali-resistant glass fibres. Cement and Concrete Research. 1981. Vol. 11. Iss. 5-6, pp. 689-697. https:// doi.org/10.1016/0008-8846(81)90027-2
4. Gao S.L., Mader E., Plonka R. 2007. Nanocomposite coatings for healing surface defects of glass fibers and improving interfacial adhesion. Composites Science and Technology. 2008. Vol. 68. Iss. 14, pp. 2892-2901. https:// doi.org/10.1016/j.compscitech.2007.10.009
5. Purnell, P., Short, N.R.; Page C.L.; Majumdar A.J. 1999. Accelerated ageing characteristics of glass-fibre reinforced cement made with new cementitious matrices. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 1999. Vol. 30. Iss. 9, pp. 1073-1080. https://doi. org/10.1016/S1359-835X(99)00019-6
6. Huijun W., Jing Z., Zhomgehang W., Ting S. Damage action of alkali- resistant glass fiber in cement- based material. Journal of Wuhan University of Technology-Mater. Sci. Ed. 2013. Vol. 28. Iss. 4, pp. 761-765. https:// doi.org/10.1007/s11595-013-0765-7
7. Peled A., Jones J., Shah S.P. Effect of matrix modification on durability of glass fiber reinforced cement com-
posites. Materials and Structures. 2005. Vol. 38. Iss. 2, pp. 163-171. https://doi.org/10.1007/BF02479341
8. Brandt A.M., Glinicki M.A. Effects of pozzolanic additives on long- term flexural toughness of HPGRC. Fourth international workshop on high performance fiber reinforced cement composites. University of Michigan and the University of Stuttgard. 2003.
9. Bartos J.M., Zhu W. Effect of microsilica and acrylic polymer treatment on the ageing of GRC. Cement and Concrete Composites. 1996. Vol. 18. Iss. 1, pp. 31-39. https://doi.org/10.1016/0958-9465(95)00041-0
10. Driver M., Jones J. The use of finely ground pumice poz-zolan in GFRC composites. GRC symposium. Dubai. 2015. https://grca.org.uk/pdf/congress-2015/13%20 The%20use%20of%20finely%20ground%20pumice%20 pozzolan%20in%20GFRC%20composites.pdf
11. Marikunte S., Aldea C., Shah S. Durability of glass fiber reinforced cement composites: effect of silica fume and metakaolin. Advanced Cement Based Materials. 1997. Vol. 5, Iss. 3-4, pp. 100-108. https://doi.org/10.1016/ S1065-7355(97)00003-5
12. Shi C., Wu Z. et. al. A review on ultra high performance concrete: Part I. Raw materials and mixture design. Construction and Building Materials. 2015. Vol. 101. Part 1, pp. 741-751. https://doi.org/10.1016Xj.conbuild-mat.2015.10.088
13. Richard P., Cheyrezy M. Composition of reactive powder concretes. Cement and Concrete Research. 1995. Vol. 25. Iss. 7, pp. 1501-1511. https://doi. org/10.1016/0008-8846(95)00144-2
