CC BY
18
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ СТЕКЛОФИБРОБЕТОНА НА ГИПСОЦЕМЕНТНО-ПУЦЦОЛАНОВОМ
ВЯЖУЩЕМ
М.И. Жаворонков, доцент Д.А. Пантелеев, доцент А. Козуб, магистрант К.И. Четырко, магистрант О.В. Тихонова, магистрант М.А. Романов, магистрант
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет (Россия, г. Санкт-Петербург)
DOI:10.24412/2500-1000-2022-8-2-31-35
Аннотация. В статье приводится общее описание гипсоцементно-пуццоланового вяжущего, а также классификация и особенности использования различных видов волокон. В статье также описывается методика определения состава гипсоцементно-пуццоланового вяжущего, и состава тяжелого бетона на подобранном вяжущем. Для оценки эффективности армирования тяжелого бетона на гипсоцементно-пуццолановом вяжущем стеклянной фиброй проводятся испытания силовых и энергетических характеристик его трещиностойкости. Важным результатом настоящего исследования являются диаграммы деформирования образцов бетона и фибробетона при изгибе, полученные в процессе испытаний трещиностойкости. В статье приведен сравнительный анализ полученных диаграмм.
Статья публикуется по результатам проведения научно-исследовательской работы, проводимой в рамках конкурса грантов на выполнение научно-исследовательских работ научно-педагогическими работниками СПбГАСУ (ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет») в 2022 году.
Ключевые слова: стеклянная фибра, трещиностойкость, прочность, фибробетон, гипсоцементно-пуццолановое вяжущее.
Фибробетон - это композит, который представляет собой бетонную матрицу, по всему объему которой равномерно распределены дискретные волокна. Матрица может быть изготовлена с применением различных заполнителей и на основе различных вяжущих. Вяжущие вещества могут быть органическими и минеральными (воздушными и гидравлическими). Армирующие волокна могут также быть минеральными, еще синтетическими или металлическими. Очевидно, что, комбинируя различные материалы из перечисленных категорий, можно получить широчайший спектр композитов, с совершенно разными свойствами и характеристиками. Однако, некоторые из возможных комбинаций оказываются неэффективными. Например, армирование стальной фиброй бетона на гипсовом вяжущем нецелесообразно, по-
скольку в гипсовом камне недостаточно высокий уровень рН и стальная фибра будет корродировать. Армирование цементного бетона стеклянной фиброй также нецелесообразно, поскольку в цементном камне стеклянное волокно будет растворяться [1, 2].
При этом, стеклянное волокно является высокомодульным (72000-80000 МПа), его модуль упругости выше модуля упругости бетона, и обладает высокой прочностью (1100-3800 МПа), то есть этот вид волокна может выступать в качестве упрочните-ля [3]. Кроме того, стекловолокно имеет сравнительно невысокую стоимость. Применение волокна с такими характеристиками для дисперсного армирования бетона представляется перспективным, при условии обеспечения его сохранности в среде гидратирующего вяжущего.
Одним из возможных вариантов применения стекловолокна является дисперсное армирование бетона на гипсоцементно-пуццолановом вяжущем (ГЦПВ), которое является композиционным вяжущим, состоящим из гипса, портландцемента и активной минеральной добавки. При взаимодействии продуктов гидратации гипса и портландцемента может образовываться избыток эттрингита, что является негативным фактором [4-6]. Активная минеральная добавка вводится в состав ГЦПВ для связывания свободного оксида кальция в гидросиликаты, ограничивая таким образом образование эттрингита. ГЦПВ имеет высокую скорость схватывания и набора прочности, достаточно высокую прочность и водостойкость, а также сравнительно невысокую стоимость.
Подбор состава ГЦПВ можно провести в 2 этапа: определение содержания активной минеральной добавки и определение содержания портландцемента [5].
Определить содержание активной минеральной добавки можно по методике НИУ МГСУ [5]. Согласно положениям указанной методики, следует подготовить 3 пары препаратов, которые представляют собой водные растворы гипса, портландцемента и активной минеральной добавки. Содержание добавки в каждой паре препаратов должно отличаться. Необходимое содержание добавки определяется по результатам титрований соляной кислотой фильтратов проб на пятые и седьмые сутки. Содержание портландцемента определяется по результатам испытаний водостойкости. Следует принять такое минимальное содержание портландцемента, при котором обеспечится требуемая прочность и водостойкость.
После подбора состава гипсоцементно-пуццоланового вяжущего был произведен расчет состава тяжелого бетона на подо-
бранном вяжущем. Расчет состава тяжелого бетона проводился согласно документу, который называется «Рекомендации по проектированию, изготовлению и применению изделий и конструкций из бетона на гипсоцементно-пуццолановых вяжущих».
В рамках настоящего исследования был подобран состав тяжелого бетона прочностью 10 МПа, из которого были изготовлены серии образцов-кубов и призм. Образцы-кубы, размерами 10*10x10 см ис-пытывались на прочность при сжатии, а образцы-призмы, размерами 7*7x28 см, испытывались на прочность на растяжение при изгибе и трещиностойкость.
В настоящем исследовании применялись следующие материалы:
1. Активная минеральная добавка зола-уноса, содержащая массовую долю SiO2 -60%, массовую долю AhO3 - 27%, массовую долю Fe2O3 - 5%.
2. Портландцемент ЦЕМ I 42,5 производства АО «Евроцемент груп».
3. Гипс строительный Г-5 производства ООО «Пешеланский гипсовый завод».
4. Гранитный щебень по ГОСТ 8267 «Щебень и гравий из твердых горных пород для строительных работ. Технические условия», смесь фракций 5-20.
5. Кварцевый песок по ГОСТ 8736 «Песок для строительных работ. Технические условия» с модулем крупности Мк = 2,2.
6. Стеклянная фибра длиной 18 мм, диаметром 10-16 мкм, производства Qingdao Junfeng Industry Company Limited, из алюмоборосиликатного стекла (по маркировке производителя E-glass), представленная на рисунке 1.
7. Поликарбоксилатный суперпластификатор «Макромер П-163».
8. Лимонная кислота.
Полученный состав бетона, представлен в таблице 1.
Таблица 1. Состав тяжелого бетона на гипсоцементно-пуццолановом вяжущем
Компонент Расход компонента, кг/м3
Гипс 245
Портландцемент 49
Зола 206
Кварцевый песок 248
Щебень 1050
Лимонная кислота 0,24
Суперпластификатор «Макромер П-163» 3,74
Вода 260
Лимонная кислота использовалась в качестве замедлителя схватывания, а суперпластификатор «Макромер П-163» - для увеличения подвижности смеси, расход добавок был подобран экспериментальным путем.
Содержание волокон в фибробетонных образцах составляло 1,0% по объему, а состав матрицы соответствовал данным таблицы 1.
Испытание трещиностойкости производилось в соответствии с положениями ГОСТ 29167. Методика данного ГОСТ предполагает проведение испытаний прочности образцов-призм на прочность на растяжение при трехточечном изгибе, в
ходе которого необходимо контролировать прилагаемую к образцу нагрузку и его прогиб. По полученным значениям прогибов и нагрузок строится диаграмма деформирования. По полученной диаграмме следует провести дополнительные построения, которые представляют собой отрезки, пересекающиеся с диаграммой деформирования в ключевых точках, и образующие некоторые геометрические фигуры. По площадям этих фигур и координатам ключевых точек определяются силовые и энергетические характеристики трещиностойкости [7].
Некоторые из полученных диаграмм представлены на рисунке 1.
Рис. 1. Диаграммы деформирования бетона и стеклофибробетона на гипсоцементно-
пуццолановом вяжущем
По представленным на рисунке 1 диаграммам видно, что поведение образцов бетона и фибробетона под нагрузкой име-
ет схожий характер. В начале диаграмм имеется линейно возрастающий участок, описывающий упругое деформирование
образцов. При приближении нагрузок к разрушающим значениям, на диаграммах наблюдается изменение характера на нелинейно возрастающий. На этом этапе развиваются упругопластические деформации образцов, происходит образование и слияние микротрещин, и формирование магистральной трещины. После достижения нагрузкой разрушающей величины, характер диаграмм деформирования меняется на нелинейно нисходящий. Нисходящие ветви диаграмм деформирования характеризуют развитие магистральных
трещин, их рост и раскрытие. В момент приближения диаграммы деформирования к горизонтальной оси происходит деление образца на части. Диаграмма деформирования фибробетонного образца по всем ординатам превышает диаграмму деформирования бетонного образца, что свидетельствует об упрочняющем действии стекловолокна и его высокой эффективности. Численные значения характеристик трещиностойкости и прочности приведены в таблице 2.
Таблица 2. Характеристики трещиностойкости и прочности бетона и стеклофибробето-на на гипсоцементно-пуццолановом вяжущем__
Характеристика Объемное содержание стеклянной фибры, %
0 1,0
Удельные энергозатраты на статическое разрушение до момента начала движения магистральной трещины, О,-, Дж/м2 10,7 30,4
Удельные эффективные энергозатраты на статическое разрушение, О/, Дж/м2 31,6 80,1
Критический коэффициент интенсивности напряжений, Кс, МПа-м°,5 0,38 0,85
Джей-интеграл, У, Дж/м2 8,75 25,77
Прочность на растяжение при изгибе, ^изг, МПа 2,3 4,4
Прочность при сжатии, Ясж, МПа 10,6 14,7
По таблице 2 видно, что удельные энергозатраты на статическое разрушение до момента начала движения магистральной трещины и удельные эффективные энергозатраты на статическое разрушение фиб-робетона превышают эти характеристики бетона, соответственно, в 3 и в 2,5 раза. Критический коэффициент интенсивности напряжений - силовая характеристика трещиностойкости, а У-интеграл - энергетическая. Эти величины позволяют оценить способность материала сопротивляться образованию и развитию трещин [8, 9]. Критический коэффициент интенсив-
ности напряжений и У-интеграл фибробе-тона превышают эти характеристики бетона в 2,2 и 3 раза. Введение стеклофибры в состав тяжелого бетона на ГЦПВ привело к повышению прочности на растяжение при изгибе - на 91%, а прочности при сжатии - на 39%. Поскольку фибра распределяется равномерно по всему объему, то при образовании и развитии трещин она будет их пересекать, ограничивая их развитие и воспринимая нагрузку. Таким армирующим и упрочняющим действием и объясняется повышение перечисленных характеристик.
Библиографический список
1. Бондаренко Н.И. Исследование химического взаимодействия стекловолокна с продуктами гидратации цемента / Н.И. Бондаренко, Д.О. Бондаренко, Е.И. Евтушенко // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. - 2020. - №12. - С. 119-125.
2. Харитонов А.М. Влияние различных модификаторов на сохранность стекловолокна в бетоне / А.М. Харитонов, А.А. Рябова // ALITinform: Цемент. Бетон. Сухие смеси. - 2016. - № 2-3 (43). - С. 34-41.
3. Рабинович Ф.Н. Композиты на основе дисперсно армированных бетонов. Вопросы теории и проектирования, технология, конструкции. - М.: Изд-во АСВ, 2004. - 560 с.
4. Волженский А.В., Буров Ю.С., Колокольников В.С., Минеральные вяжущие вещества: (технология и свойства). Учебник для вузов. - М.: Стройиздат, 1979. - 476 с.
5. Ферронская А.В. Гипсовые материалы и изделия (производство и применение). Справочник. - М.: Изд-во АСВ: 2004. - 488 с.
6. Кайс Х.А. Состав и свойства бетона на основе гипсоцементно-пуццолановых вяжущих (ГЦПВ) // Тенденции развития науки и образования. - 2019. - № 50-2. - С. 21-24.
7. Пухаренко Ю.В. Совершенствование методов определения силовых и энергетических характеристик трещиностойкости фибробетона / Ю.В. Пухаренко, Д.А. Пантелеев, М.И. Жаворонков // Вестник МГСУ. - 2019. - Т. 14. Вып. 3. - С. 301-310.
8. Мэттьюз Ф. Композиционные материалы. Механика и технология / Ф. Мэттьюз, Р. Ролингс // Пер. с англ. С.Л. Баженов. - М.: Техносфера, 2004. - 408 с.
9. Пестриков В.М., Морозов Е.М. Механика разрушения. Курс лекций. - СПб.: ЦОП «Профессия», 2012. - 552 с.
DETERMINATION OF CHARACTERISTICS OF CRACK RESISTANCE OF FIBER-REINFORCED CONCRETE ON GYPSUM-CEMENT-POZZOLANIC
BINDER
M.I. Zhavoronkov, Associate Professor D.A. Panteleev, Associate Professor A. Kozub, Graduate Student K.I. Chetyrko, Graduate Student O.V. Tikhonova, Graduate Student M.A. Romanov, Graduate Student
Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering (Russia, Saint Petersburg)
Abstract. The article provides a general description of the gypsum-cement-pozzolanic binder, as well as the classification andfeatures of the use of various types offibers. The article also describes a method for determining the composition of the gypsum-cement-pozzolanic binder, and the composition of heavy concrete on the selected binder. To assess the effectiveness of the reinforcement of heavy concrete on a gypsum-cement-pozzolanic binder with glass fiber, tests are carried out on the strength and energy characteristics of its crack resistance. An important result of this study is the diagrams of deformation of concrete andfiber-reinforced concrete specimens during bending, obtained during testing of crack resistance. The article presents a comparative analysis of the obtained diagrams.
The article is published based on the results of the research work carried out as part of the competition for research grants by scientific and pedagogical workers of SPbGASU (Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering») in 2022.
Keywords: glass fiber, crack resistance, strength, fiber-reinforced concrete, gypsum-cement-pozzolanic binder.
