CC BY
20
УДК 539.21
С. А. Кузьмин, Д. А. Красильников, Д. Д. Красильникова
Повышение эксплуатационных свойств конструкционных материалов
СВФУ им. М.К. Аммосова, г. Якутск, Россия
Аннотация. На сегодняшний день основными материалами для строительства зданий и сооружений выступают бетон, кирпич, дерево, металл. Повышение их эксплуатационных характеристик является приоритетной задачей современных научных исследований. Весьма актуальным становится повышение долговечности и качества конструкционных материалов, применяемых для изготовления массивных изделий, устройства оснований, фундаментов, гидротехнических сооружений и др. Существующие материалы ведут себя по-разному в различных климатических зонах, особенно в зонах холодного климата. Особую важность эти вопросы приобретают для сейсмически неустойчивых территорий, а также для климатических зон Крайнего Севера, где наблюдаются низкие температуры в зимний период и резкие годовые температурные колебания с амплитудой в 105 градусов. Частые переходы через 0 градусов в течение дня в осенние и весенние периоды, повышенная солнечная радиация из-за прозрачности атмосферы, большая влажность в зонах арктического климата оказывают негативное влияние на прочностные свойства конструкционных материалов. Применение полимерных пропиток для покрытия бетонных и деревянных конструкций выступает одним из эффективных способов получения конструкционных материалов с высокими эксплуатационными характеристиками при минимальных экономических затратах [1-3]. Эти пропитки могут быть использованы не только в новом строительстве, но и для восстановления деградированных изделий и конструкций. В работе представлен опыт модификации тяжелого бетона М200, легкого бетона на основе местного сырья Якутии и местной древесины с полимерной пропиткой «Амокор», в результате которого получены данные о повышении прочностных характеристик исследуемых материалов. Были проведены ускоренные климатические испытания тяжелого бетона М200 и механические испытания на сжатие и изгиб, а также фрактографические исследования бетона
КУЗьМИН Сергей Арианович - к. т. н., и. о. зав. кафедрой физики материалов и технологии сварки ФТИ, СВФУ им. М.К. Аммосова.
E-mail: kusm713@mail.ru
KUZMIN Sergey Arianovich - Candidate of Technical Sciences, Acting Head of the Department of Materials Physics and Welding Technology of the Institute of Physics and Technologies, M.K. Ammosov North-Eastern Federal University.
КРАСИЛьНИКОВ Дмитрий Алексеевич - ст. преп. каф. физики материалов и технологии сварки ФТИ, СВФУ им. М.К. Аммосова.
E-mail: dkras2001@mail.ru
KRASILNIKOV Dmitriy Alekseevich - Senior Lecturer of the Department of Materials Physics and Welding Technologies of the Institute of Physics and Technologies, M.K. Ammosov North-Eastern Federal University.
КРАСИЛьНИКОВА Даяна Дмитриевна - студент группы ПИ-20-1, ИМИ, СВФУ им. М.К. Аммосова.
E-mail: dayanakrasd@mail.ru
KRASILNIKOVA Daiana Dmitrievna - Student, Group PI-20-1, Institute of Mathematics and Information Science, M.K. Ammosov North-Eastern Federal University.
для изучения структуры материала до и после модификации. Показано, что модификация бетона М200 вызывает уменьшение пористости, частичное растворение хрупких составляющих, которые приводят к увеличению прочностных свойств. Для легкого бетона проведены исследования влияния процентного содержания цемента на прочность модифицированных и немодифицированных образцов. Установлено, что прочность модифицированных образцов достигает максимума при 6,5% цемента. Модификация древесины приводит к увеличению ее прочности.
Ключевые слова: бетон, древесина, прочность, композит, сжатие, влага, добавка, микроскоп, изгиб, модификация, адгезия.
DOI 10.25587/SVFU.2022.96.65.004
S. A. Kuzmin, D. A. Krasilnikov, D. D. Krasilnikova
Improvement of Operational Properties of Construction Materials
Abstract. To date, the main construction materials have been concrete, brick, timber, steel. Improvement of their operational properties is a priority of modern scientific research. It becomes highly relevant to improve durability and qualities of construction materials used in construction of massive items, work on beddings, foundations, hydraulic structures, etc. Existing materials behave differently in different climatic zones, especially in cold climate zones. Of particular importance are these issues for seismically unstable territories, as well as for the climatic zones of the Far North, where low temperatures in winter and sharp annual temperature fluctuations with an amplitude of 105 degrees are observed. Frequent transitions through 0 degrees during the day during the autumn and spring periods, increased solar radiation due to transparency of the atmosphere, high humidity in Arctic climate zones have a negative impact on the strength properties of structural materials. The use of polymer impregnation for coating of concrete and wooden structures is one of effective methods for production of structural materials with high operational characteristics, with minimal economic costs [1-3]. These impregnations can be used not only in new construction, but also for the restoration of degraded products and structures. The paper presents the trials of modifications of M200 heavy concrete, light concrete based on locally sourced raw materials of Yakutia and local polymer impregnated lumber "Amokor"; as a result of the experiment data on improvement of strength characteristics of analysed materials has been obtained. Accelerated climatic tests of M200 heavy concrete were carried out, as well as mechanical tests for compression and bending, along with fractional analysis of concrete to study the structure of the materials before and after modification. It has been shown that modification of M200 concrete causes a decrease in porosity, partial dissolution of brittle components, which has led to an increase in strength properties. For light concrete, studies were carried out on the effect of cement percentage on the strength of modified and unmodified samples. It was found that the strength of the modified samples has reached the maximum at 6.5% cement ratio. Same modification of lumber leads to a general increase in its strength.
Keywords: concrete, timber, durability, composite, compression, moisture, additive, microscope, bending, modification, adhesion.
Введение
Ввиду повсеместного использования бетона при строительстве зданий и сооружений актуальным является повышение качества строительных материалов. Применение полимерных пропиток для покрытия конструкционных материалов выступает одним из эффективных способов получения строительных изделий с высокими эксплуатационными характеристиками при минимальных экономических затратах.
Основными эксплуатационными характеристиками бетонов, влияющими на долговечность строительных конструкций, являются прочность при сжатии и изгибе, средняя плотность, водонепроницаемость, морозостойкость, воздухо-, газонепроницаемость, долговечность и другие.
Древесина издревле является строительным материалом менее долговечным и прочным, чем бетон, часто подвергается гниению, грибку, другим пагубным факторам. В работе исследованы прочностные характеристики при сжатии (при комнатной +20 °С и низкой -40 °С температурах) и изгибе тяжелого бетона М200, модифицированного полимерной добавкой «Амокор КМ», истираемости [1], а также изучена прочность легкого бетона и древесины.
Полимерная композиция «Амокор» представляет собой подвижную жидкость. При нанесении на поверхность бетона, кирпича, дерева и других пористых строительных материалов она диффундирует в их объем и отверждается там, при этом образуется новый композиционный строительный материал, обладающий комплексом ценных свойств.
В работе использовались стандартные методы определения эксплуатационных свойств бетонов с применением современных методик и оборудования. Рассмотрим эти методики и полученные результаты.
Эксплуатационные свойства бетона М200
Тяжелый бетон применяется повсеместно и является на сегодняшний день самым прочным и распространенным видом бетона. Все монолитные элементы зданий и сооружений изготавливаются именно из тяжелого бетона. Отличные прочностные показатели, неприхотливость при подаче и укладке, доступная цена - все эти серьезные преимущества делают тяжелый бетон практичным и популярным в использовании.
Образцы были изготовлены в соответствии с требованиями ГОСТа 10180-90. Испытания бетона на водопоглощение проводились согласно ГОСТу 12730.1-78 и ГОСТу 12730.3-78. Предварительно проводились ускоренные климатические испытания (УКИ) по методике, изложенной в ГОСТе 10060-2012.
Схема проведения УКИ приведен на рис. 1.
Рис. 1. Схема УКИ
—♦—модифицированный, сжатие при 1- -40 С не мод ифи ци ро ва н н ы й, сжатие при!=+20С —не мод ифи ци ро ва н н ы й, сжатие при1=-40С ^^модифицированный, сжатие при1=+20С
ез -4 Ч
N > ►
> N >- :
■--- Г
§ и н я
Я " ■ и
0 10 30 50 Циклы УКИ
Рис. 2. Прочность на сжатие модифицированного и исходного тяжелого бетона М200 после проведения УКИ
Изменения прочности на сжатие после УКИ фиксировались через 10, 30 и 50 циклов. Испытания на сжатие проводились при температурах +20 °С и -40 °С. Экспериментальные результаты проведенных испытаний представлены на рис. 2.
Прочность на сжатие модифицированного тяжелого бетона М200 по отношению к прочности немодифицированного при температуре испытания -40 °С повышается примерно на 60% на нулевом цикле (рис. 2). Прочность после 50 циклов УКИ у немодифицированного бетона снижается на 36%. Исходная прочность модифицированных образцов возрастает в 1,14 раза при температуре испытания +20 °С при нулевом цикле. Это может быть объяснено упрочняющим действием поверхностного слоя, который представляет собой полимербетон с уменьшенной пористостью. Наблюдается некоторое падение прочности после 10 и 30 циклов УКИ, при температуре испытания -40 °С, а после 50 циклов прочность снова увеличивается практически до первоначального значения. Снижение температуры до -40 °С при испытании модифицированных образцов не оказывает влияния на прочность материала. После 50 циклов УКИ прочность модифицированного бетона М200 не изменяется [1, 4, 5, 6].
Испытание на изгиб при положительных температурах на гидравлическом прессе были проведены согласно ГОСТу 10180-90.
Прочность модифицированного материала возрастает по сравнению с немодифицированным на 28%.
Испытания на изгиб бетона М200 представлены на рис. 3.
Из рис. 3 видно, что прочность модифицированных образцов бетона на изгиб увеличивается в два раза.
Испытания на истирание проводились согласно ГОСТу 13087-81 на испытательной установке ЛКИ-3 (лабораторный круг истирания). Результаты испытаний на истираемость представлены на рис. 4.
Испытания показали, что истирание модифицированных образцов бетона уменьшается в 5 раз по сравнению с немодифицированными, что может быть объяснено уменьшением пористости поверхностного слоя и, как следствие, повышением прочности.
2,5
1,97
0,86
ИЗГИБ
^модифицированный ■ модифицированный
Рис. 3. Диаграмма прочности на изгиб бетона М200
0,025 0,02 0,015 0,01 0,005 0
| немодифицированный ■ модифицированный
0,02
0,004
истираемость
Рис. 4. Результаты испытаний модифицированного и немодифицированного бетона М200 на истирание композицией «Амокор»
Эксплуатационные свойства легкого бетона
Монолитные плиты из легкого бетона применяют для создания перекрытий из керамзитобетона, а также при строительстве нижних этажей зданий без подвалов. Применение таких материалов дает возможность снизить теплопотери в помещении, существенно сэкономив в дальнейшем на качественной и недорогой теплофикации здания. Именно по этой причине применяют изделия из легкого бетона ещё и для перекрытий чердаков. Используют легкий бетон при изготовлении ограждающих конструкций.
Были проведены исследования влияния процентного содержания цемента на прочность модифицированных и немодифицированных образцов, для изготовления которых было использовано сырье автодороги Вилюй, 198 километр, Республика Саха (Якутия).
Исследуемые композиции легкого бетона были использованы в основании дорожной одежды, противофильтрационных экранах. Полученные результаты исследований приведены в табл. 1.
Таблица 1
Зависимость прочности образцов легкого бетона от процентного содержания цемента
№ % цемента R, прочность МПа модифицированные R, прочность МПа немодифицированные
1 4 1,37 0,86
2 4,5 2,00 0,93
3 5 1,35 0,75
4 5,5 7,06 2,70
5 6 5,48 3,11
6 6,5 8,64 4,2
7 7 7,69 3,95
Испытания показали, что наибольшая прочность модифицированного и немодифицированного материала получается при содержании цемента 6,5%.
При исследовании прочности модифицированных образцов обращает на себя внимание тот факт, что прочность резко возрастает при значениях процентного содержания цемента 5,5 и достигает максимума при процентном содержании цемента 6,5, далее начинается снижение прочности. Используя модифицирующую добавку при производстве материала для дорожного покрытия, можно модифицированием уменьшить расход цемента.
В табл. 2 показаны данные, полученные при испытаниях на водопоглощение модифицированных и немодифицированных образцов легкого бетона. Водопоглощение модифицированных образцов на порядок меньше немодифицированных. Это говорит о том, что, используя полимерные добавки при производстве дорожных работ, можно снизить негативное влияние влаги или же полностью прекратить ее доступ в используемый материал, что положительно скажется на всем покрытии.
Таблица 2
Данные водопоглощения модифицированных и немодифицированных образцов легкого бетона
№ Водопоглощение W% модифицированные Водопоглощение W% немодифицированные
1 0,9 10,66
2 1,0 9,95
3 0,7 10,71
4 0,7 10,85
5 0,7 10,11
6 0,9 10,55
7 0,7 9,77
Рис. 5. Увеличение 30х бетон немодифицированный
Фрактографические исследования
Исследование среза пропитанной поверхности исследуемого бетона было проведено на электронном микроскопе ТМ-30-30 фирмы «Хитачи» (Япония). На исследование представлен образец бетона, поверхностно обработанный раствором «Амокор», размером 49х24х24 мм. Бетон имеет светло-серый цвет, обработанная поверхность имеет темно-серую блестящую поверхность как бы лакированную. Срез, идущий с обработанной поверхности вглубь образца, показал проникновение материала пропитки, отличающейся более темным цветом, толщина пропитки неравномерная.
При рассмотрении среза пропитанной поверхности исследуемого бетона видно, что стекловидные вещества (включения, частицы, выделения) растворились, образуя однородный конгломерат, а также уменьшилось количество мелкоямочной связующей структуры, то есть происходит растворение всех структурных составляющих, и они становятся более однородными, плотными, что может вызвать повышение прочностных свойств за счет увеличения плотности и повышения пластичности.
При увеличении 30х в центре среза, нетронутого пропитанным раствором, видим пористую структуру с глубокими внутренними усадочными порами (рис. 5).
При увеличении 500х наблюдаются достаточно протяженные хрупкие составляющие в виде стекловидных веществ, окруженные мелкими порами, представляющие собой связующую смесь для цементации (рис. 6). Прослеживается достаточно четкое разграничение границ между связующей частью и стекловидным веществом.
При исследовании края образца, пропитанного раствором «Амокор», видим, что структура неоднородная, он состоит из разных структурных составляющих, пористости почти нет, прослеживаются местам глубокие усадочные ямки (рис. 7). Увеличение 30х.
При увеличении 500х видим, что хрупкие составляющие как бы уменьшились в размере и в них нет сколов, границы между хрупкими составляющими и связующими размыты, вязкие составляющие местами как бы растворились (рис. 8).
ИХМОООЗ 2017/05/03 N 07.8 х500 200 цт
Рис. 6. Увеличение 500х, бетон немодифицированный
Кй_10007 2017/05/03 N Р7.7 х50 2 тт
Рис. 7. Увеличение 30х, бетон модифицированный
N 07.9 х500 200 цт Рис. 8. Увеличение 500х, бетон модифицированный
а б
Рис. 9. Результаты испытаний модифицированной и немодифицированной древесины а) на сжатие, б) на статистический изгиб, композицией «Амокор»
В результате проведенных исследований установлено, что обработка поверхности раствором «Амокор» вызывает уменьшение пористости, частичное растворение хрупких составляющих, то есть частиц, включений, уменьшение, растворение связующих составляющих, в комплексе способствующих однородности структуры, что может вызвать повышение прочностных свойств за счет увеличения плотности и повышения пластичности.
Древесина
Проведены исследования влияния полимерной пропитки на древесину (сосна якутская). Испытания проводились на сжатие согласно ГОСТу 16483.10-73 и статистический изгиб согласно ГОСТу 16483.3-84. Результаты представлены на рис. 9 а, б.
Модификация образцов из недеградированного дерева при сжатии увеличивает прочность на 35%. Модификация образцов из недеградированного дерева при статистическом изгибе увеличивает прочность более чем на 14%.
Полимерная добавка «Амокор» может применяться как для недеградированного дерева с целью защиты и продления срока службы, так и для деградированного дерева с целью восстановления прочностных свойств и несущей способности древесины.
Заключение
В ходе проведенного исследования мы пришли к следующим выводам:
1. «Амокор» повышает механические свойства бетона М200, при сжатии - на 28%, при изгибе прочность бетона М200 возрастает в 2 раза.
2. Истирание модифицированных образцов бетона М200 уменьшается в 5 раз в сравнении с исходными, что дает возможность применять его как покрытие в производственных помещениях полов, в местах с повышенной истираемостью.
3. Наибольшая прочность образцов, изготовленных из местного сырья легкого бетона модифицированной полимерной добавкой, получается при содержании цемента 6,5%.
4. Фрактографические исследования выявили, что обработка тяжелого бетона раствором «Амокор» вызывает повышение прочностных свойств за счет увеличения плотности и повышения пластичности.
5. Модификация образцов из недеградированного дерева при сжатии увеличивает прочность на 35%.
6. Модификация образцов из недеградированного дерева при статистическом изгибе увеличивает прочность более, чем на 14%.
7. Полимерная добавка «Амокор» повышает механические и эксплуатационные свойства конструкционных материалов и рекомендуется к применению в строительстве и в восстановлении объектов построек и изделий из этих материалов.
Л и т е р а т у р а
1. Kuzmin, S. A. Research of Durability and Structure of the Heavy Concrete Modified by Polymeric Impregnation in the Frigid Climate / S. A. Kuzmin, A. A. Argunova, D. A. Krasilnikov, Z. V Emelianova // Materials Science Forum (Volume 945) February 2019. - P. 250-256. - URL: https://doi.org/10.4028/www. scientific.net/MSF.945.250.
2. Шастун, В. Н. Технологические аспекты применения адгезионнных полимерных композиций для гидротехнических сооружений / В. Н. Шастун, А. И. Бегун, В. В. Коваленко // Наука и прогресс транспорта. - Вестник Днепропетровского национального университета железнодорожного транспорта. - 2009. - № 26. - С. 147-149.
3. Kanematsu, M. Quantification of water penetration into concrete through cracks by neutron radiography / M. Kanematsu, I. Maruyama, T. Noguchi, H. Iikura, N. Tsuchiya // Nucl Instrum Methods Phys Res A. - 605(2009). - P. 154-158.
4. Kuzmina, S. A. Durability of construction materials modified by polymeric additives / S. A. Kuzmina, A. D. Egorova, D. A. Krasilnikova, Z. V. Emelianova // Procedia Structural Integrity - Volume 20. - 2019.
- P. 278-283.
5. Кузьмин, С. А. Исследование прочности конструкционных материалов, модифицированного полимерной добавкой «Силор-ультра» / С. А. Кузьмин, Д. А. Красильников, Д. С. Петрова [и др.] ; под редакцией А. Е. Саввиной // Современные проблемы строительства и жизнеобеспечения : безопасность, качество, энерго- и ресурсосбережения : сборник статей IV Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 60-летию Инженерно-технического института Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова. - Якутск, 27-28 октября 2016 г. - С. 228-237.
6. Кузьмин, С. А. Исследование прочности бетона М-200, модифицированного полимерной добавкой «силор-ультра». / С. А. Кузьмин, Д. А. Красильников, Е. А. Рубан // Сборник Всероссийской конференции с международным участием, посвященной 70-летию профессора-механика д. т. н. А. В. Лыглаева «Хладостойкость. Новые технологии для техники и конструкции севера и Арктики».
- Якутск, 29-30 сентября 2016. - С. 215-220.
R e f e r e n c e s
1. Kuzmin, S. A. Research of Durability and Structure of the Heavy Concrete Modified by Polymeric Impregnation in the Frigid Climate / S. A. Kuzmin, A. A. Argunova, D. A. Krasilnikov, Z. V Emelianova // Materials Science Forum (Volume 945) February 2019. - P. 250-256.
- URL: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.945.250.
2. Shastun, V. N. Tekhnologicheskie aspekty primeneniya adgezionnnyh polimernyh kompozicij dlya gidrotekhnicheskih sooruzhenij / V. N. Shastun, A. I. Begun, V. V. Kovalenko // Nauka i progress transporta. - Vestnik Dnepropetrovskogo nacional'nogo universiteta zheleznodorozhnogo transporta. - 2009.
- № 26. - S. 147-149.
3. Kanematsu, M. Quantification of water penetration into concrete through cracks by neutron radiography / M. Kanematsu, I. Maruyama, T. Noguchi, H. Iikura, N. Tsuchiya // Nucl Instrum Methods Phys Res A. - 605(2009). - P. 154-158.
4. Kuzmina, S. A. Durability of construction materials modified by polymeric additives / S. A. Kuzmina, A. D. Egorova, D. A. Krasilnikova, Z. V. Emelianova // Procedia Structural Integrity - Volume 20. - 2019.
- P. 278-283.
5. Kuz'min, S. A. Issledovanie prochnosti konstrukcionnyh materialov, modificirovannogo polimernoj dobavkoj «Silor-ul'tra» / S. A. Kuz'min, D. A. Krasil'nikov, D. S. Petrova [i dr.] ; pod redakciej A. E. Savvinoj // Sovremennye problemy stroitel'stva i zhizneobespecheniya : bezopasnost', kachestvo,
епе^о- i resursosberezheniya : sbornik statej IV Vserossijskoj nauchno-prakticheskoj ^о^егеми, posvyashchennoj 60-letiyu Inzhenerno-tekhnicheskogo instituta Severo-Vostochnogo federal'nogo universiteta гт. М.К. Ammosova. - Yakutsk, 27-28 оЫуаЫуа 2016 g. - S. 228-237.
6. Кщ'тт, S. А. Issledovanie prochnosti betona М-200, modificirovannogo polimernoj dobavkoj «silor-ul'tra». / S. А. Кщ'тт, D. А. Krasil'nikov, Е. А. Ruban // Sbornik Vserossijskoj konferencii s mezhdunarodnym uchastiem, posvyashchennoj 70-letiyu professora-mekhanika d. 1 п. А. V. Lyglaeva «Шadostojkost\ Novye tekhnologii dlya tekhniki i konstrukcii severa i Arktiki». - Yakutsk, 29-30 sentyabrya 2016. - S. 215-220.
