CC BY
19УДК 691.328.4
М.С. ЕЛСУФЬЕВА, инженер, В.Г. СОЛОВЬЕВ, канд. техн. наук, А.Ф. БУРЬЯНОВ, д-р техн. наук (rga-service@mail.ru)
Московский государственный строительный университет (129337, Москва, Ярославское ш., 26)
Применение расширяющихся добавок в сталефибробетоне
Представлены результаты исследований влияния расширяющихся добавок на деформации и прочностные свойства сталефибробетона. Установлено, что введение различных расширяющихся добавок разнонаправленно влияет на деформации сталефибробетонов в зависимости от прочности матрицы и коэффициента армирования и позволяет получать композиты с собственными деформациями в пределах от -0,084 до 0,271 мм/м в возрасте 28 сут. Определены зависимости прочностных свойств сталефибробетонов с расширяющимися добавками от значений конечных деформаций. Оптимальное комплексное использование расширяющихся добавок (10% от массы цемента) и стальной фибры в составах композитов позволяет дополнительно увеличить их прочность при сжатии до 18,4% и прочность на растяжение при изгибе до 16,3%. Полученный эффект объясняется возникновением преднапряженного фиброкаркаса в матрице композиционного материала, формирование которого возможно только в определенных условиях.
Ключевые слова: сталефибробетон, расширяющиеся добавки, деформации, преднапряженный фиброкаркас.
M.S. YELSUFYEVA, Engineer, V.G. SOLOVYEV, Candidate of Sciences (Engineering), A.F. BURYANOV, Doctor of Sciences (Engineering) (rga-service@mail.ru) Moscow State University of Civil Engineering (26, Yaroslavskoe Highway, Moscow, 129337, Russian Federation)
The use of Expanding Additives in Steel Fiber Concrete
Results of the study of influence of expanding additives on deformations and strength properties of steel fiber concrete are presented. It is established that the introduction of various expanding additives multi-directionally influences on deformations of steel fiber concrete depending on the matrix strength and reinforcement coefficient and makes it possible to produce the composites with their own deformation within the limits from -0.084 up to 0.271 mm/m at the age of 28 days. Dependences of strength properties of steel fiber concretes with expanding additives on the values of finite deformations are determined. The optimal complex use of expanding additives (10% of cement mass) and steel fiber in composite compositions makes it possible to increase additionally their compressive strength up to 18.4% and the bending tensile strength up to 16.3%. The effect obtained is explained by the occurrence of a pre-stressed fiber frame in the matrix of composite material, formation of which is possible under certain conditions.
Keywords: steel fiber concrete, expanding additive, deformations, pre-stressed fiber frame.
Дисперсно-армированные бетоны в настоящее время являются одним из перспективных конструкционных материалов. Такие бетоны представляют собой одну из разновидностей обширного класса композиционных материалов, которые в настоящее время все более широко применяются в различных отраслях промышленности. Особое место в изучении свойств фибро-бетонов отведено их собственным деформациям в процессе твердения, так как именно они оказывают решающее влияние на формирование контактной зоны фибра — матрица и конечное состояние фибры в матрице, определяющее изменение физико-механических и эксплуатационных свойств.
Собственные деформации фибробетонов обусловлены влажностными, температурными и другими типами воздействия на бетон при отсутствии внешней нагрузки. Самым значительным эффектом является уменьшение объема в процессе твердения и соответственно линейные деформации усадки.
Усадка является основной причиной возникновения трещин в бетоне. Развитие усадочных деформаций на ранних этапах формирования структуры предопределяет развитие внутриструктурных напряжений и, как следствие, формирование дефектов в структуре твердеющего бетона. В более поздний период усадка способствует развитию первоначальных дефектов и вызывает образование микро- и макротрещин, что приводит к снижению трещиностойкости и долговечности бетонов.
В современном строительстве проблему усадки и, следовательно, повышения физико-механических и эксплуатационных свойств бетона возможно решить путем применения напрягающих цементов или введением в обычный портландцемент расширяющихся добавок [1, 2].
Также эффективным технологическим приемом снижения усадки и повышения трещиностойкости является использование стальной фибры, которая оказы-
вает существенное влияние на характер образования и распределения трещин в бетоне. Дисперсное армирование приводит к более равномерному перераспределению возникающих в бетоне усилий, блокирует развитие трещин и препятствует возникновению магистральных трещин [3].
Для получения бетонов с пониженным трещино-образованием, повышенными трещиностойкостью и прочностными характеристиками необходимо уменьшить их усадку до нуля, или получить расширяющиеся бетоны. Обеспечить данные деформации возможно введением расширяющихся добавок либо введением фибры. Однако до настоящего времени не был рассмотрен вопрос о комплексном влиянии расширяющихся добавок и фибры на деформации бетонов в процессе твердения, который и является целью данного исследования. Основанием для проводимого исследования являлась рабочая гипотеза, согласно которой расширение бетонной матрицы за счет введения расширяющихся добавок приведет к растяжению отдельных фибр и последующему формированию объемно-преднапряженного каркаса, который повысит физико-механические свойства фибробетона.
При проведении исследований в качестве вяжущего использовался портландцемент М500 Д0 по ГОСТ 10178,
Таблица 1
Характеристика Наименование добавки
РД-Н РСАМ КРД*
Содержание SO3, мас. % 22,71 29,87 29,52
Содержание А1203, мас. % 21,52 7,78 8,63
Удельная поверхность, м2/кг 430 436 435
Примечание. *КРД - обозначение добавки КРДэрсаммикс (здесь и далее по тексту).
научно-технический и производственный журнал
Concretes: science and practice
Таблица 2
Наименование расширяющейся добавки Концентрация добавки, % £, мм/м в возрасте 28 сут Изменение деформаций в возрасте 28 сут*, %
Без добавки 0 -0,238 -
5 -0,119 50
РД-Н 10 0,057 124
15 -0,220 8
5 -0,157 34
РСАМ 10 0,271 214
15 -0,130 45
5 -0,094 61
КРД 10 0,069 129
15 0,012 105
Примечание. *По сравнению с контрольным составом без фибры и расширяющейся добавки.
Таблица 3
Тип добавки Концентрация добавки, % Mv, % Деформации в возрасте 28 сут, мм/м Изменение деформаций в возрасте 28 сут*, %
0,3 -0,175 26
Без добавки 0 1,1 -0,156 34
1,9 -0,138 42
0 -0,157 0
5 0,3 -0,084 46
1,1 -0,069 56
1,9 -0,05 68
0 0,271 0
РСАМ 10 0,3 0,162 40
1,1 0,137 49
1,9 0,093 66
0 -0,13 0
15 0,3 -0,071 45
1,1 -0,038 71
1,9 -0,021 84
Примечание. *По сравнению с контрольными составами без фибры и тем же содержанием расширяющейся добавки.
заполнителя — песок Мкр 2,3—2,5 по ГОСТ 8736. В качестве расширяющихся добавок использовались добавки РД-Н (Россия), РСАМ и КРДэрсаммикс (Белоруссия). Характеристики добавок (согласно паспортным данным) представлены в табл. 1.
Минералогическая основа применяемых добавок состоит из композиции, включающей алюминатные и сульфатосодержащие компоненты, эффект расширения от которых в большинстве случаев заключается в образовании трехсульфатной формы гидросульфоалюмина-та кальция в результате взаимодействия алюмо- и суль-фатосодержащих фаз.
На первом этапе исследования изготавливались образцы размером 70x70x280 мм из бетонной смеси с цементно-песчаным соотношением 1:2 при В/Ц=0,4, расширяющиеся добавки вводились в количестве 5, 10 и 15% от массы цемента, суперпластификатор (Полипласт СП-1) — 0,7% от массы цемента.
Результаты исследований по определению деформаций мелкозернистого бетона с расширяющими до-
бавками в возрасте 28 сут приведены в табл. 2.
Анализируя полученные данные (табл. 2), следует отметить, что максимальный эффект достигнут при введении добавки РСАМ в количестве 10%, расширение которого составило 0,271 мм/м (214% по отношению к контрольному составу). Оптимальная дозировка всех используемых типов добавок, при которой зафиксировано максимальное расширение исследуемых композитов от 0,057 до 0,271 мм/м, составила 10% от массы вяжущего. При введении 5% расширяющихся добавок деформации бетонов увеличились по сравнению с контрольным составом на 34-61%; при 15% - на 8-105%.
В дальнейших испытаниях использовались составы бетонов с расширяющейся добавкой РСАМ, так как она проявила оптимальный положительный эффект.
На втором этапе исследования в выбранные составы бетонной матрицы с расширяющимися добавками вводилась стальная фибра в количестве (ц,) 0,3, 1,1 и 1,9% по объему. Для дисперсного армирования применялась стальная волновая фибра, изготовленная из высокоуглеродистой проволоки, с модулем упругости не менее 200 ГПа, временным сопротивлением разрыву не менее 1200 МПа. Длина фибры составляла 15 мм, диаметр 0,3 мм. Собственные деформации фибро-бетонов с расширяющимися добавками в процессе твердения определялись на образцах размером 70x70x280 мм. Добавка РСАМ вводилась в количестве 5, 10 и 15% от массы вяжущего. Также были изготовлены дополнительные контрольные образцы со стальной фиброй, но без расширяющихся добавок. Результаты проведенных испытаний представлены в табл. 3.
На основании проведенных испытаний установлено влияние стальной фибры на собственные деформации сталефи-бробетонов в процессе твердения:
1. Введение стальной фибры в составы мелкозернистых бетонов без расширяющихся добавок приводит к снижению усадочных деформаций на 26-42%.
2. Введение стальной фибры в составы мелкозернистых бетонов с расширяющими добавками в количестве 5 и 15%, усадка которых в возрасте 28 сут составляет 0,157 и 0,13 мм/м соответственно, приводит к снижению усадочных деформаций на 45-84%.
3. Введение стальной фибры в составы мелкозернистых бетонов с добавкой РСАМ в количестве 10% от массы вяжущего, расширение которого в возрасте 28 сут составляет 0,271 мм/м, приводит к снижению расширяющихся деформаций на 40-66%.
Таким образом, можно установить, что введение стальной фибры в мелкозернистый бетон снижает его собственные деформации на 26-84% в зависимости от коэффициента армирования. Особого внимания заслуживает то факт, что установленная зависимость спра-
Ы ®
Таблица 2
Таблица 3
научно-технический и производственный журнал
август 2014 61
Таблица 4
Показатель Mv, % Содержание расширяющейся добавки РСАМ, %
0 5 10 15
Прочность при сжатии*, МПа, 28 сут твердения 0 38 39,5/3,9 41,1/8,2 40,2/5,8
0,3 38,8 40,3/3,9 43,9/13,1 41,4/6,7
1,1 44,2 47,1/6,6 48,9/10,6 46,9/6,1
1,9 46,8 46,9/0,2 55,4/18,4 45,3/-3,2
Прочность на растяжение при изгибе*, МПа, 28 сут твердения 0 7,22 8,04/11,4 8,53/18,1 7,85/8,7
0,3 10,25 9,08/-11,4 11,44/11,6 9,71/-5,3
1,1 17,27 16,47/-4,6 19,63/13,7 14,38/-16,7
1,9 20,74 19,18/-7,5 24,13/16,3 18,05/-13
Примечание. *Первая цифра показывает натуральное значение, МПа, вторая - отношение к контрольному составу с тем же коэффициентом армирования без расширяющейся добавки, %.
ведлива как для усадочных, так и для расширяющихся деформаций. Это связано с тем, что стальная фибра воспринимает как сжимающие, так и растягивающие напряжения, возникающие за счет деформации бетонной матрицы в процессе твердения, и тем самым снижает общую деформацию всего композиционного материала в целом. При усадке бетонной матрицы в процессе твердения стальная фибра находится в сжатом состоянии, а при расширении — в растянутом, т. е. формируется преднапряженный фиброкаркас, который должен обеспечить дополнительное повышение прочностных и эксплуатационных свойств. Аналогичный механизм формирования преднапряженного фиброкаркаса наблюдается при тепловлажностной обработке сталефи-бробетона, однако в данном случае предварительное растяжение фибры происходит за счет термического воздействия по определенному режиму [4].
Для проверки предположения о формировании преднапряженного фиброкаркаса при расширении бетонной матрицы в процессе твердения были проведены испытания по определению прочности при сжатии и растяжении при изгибе для сталефибробетонов с расширяющейся добавкой РСАМ в количестве 5, 10 и 15% от массы цемента. Результаты испытаний сведены в табл. 4.
Установлено, что при введении расширяющейся добавки в количестве 5 и 15% от массы вяжущего в составы сталефибробетона с коэффициентом армирования 0,3—1,9% по объему прочность при сжатии изменяется незначительно — от -3,2 до 6,7%, а прочность на растяжение при изгибе снижается от 4,6 до 16,7%. При введении добавки РСАМ в количестве 10% от массы вяжущего прочность при сжатии увеличивается на 10,6—18,4%, а прочность на растяжение при изгибе на 11,6—16,3%.
Проанализировав полученные результаты прочностных свойств сталефибробетонов и данных об их собственных деформациях в процессе твердения, установлено, что наиболее эффективно применять расширяющиеся добавки для получения расширяющихся сталефибробетонов, так как при этом наблюдается дополнительное повышение прочностных свойств за счет формирования объемного преднапряженного фибро-каркаса. Применение расширяющихся добавок с целью получения сталефибробетонов с низкой или компенсированной усадкой менее эффективно, так как в данном случае наблюдается снижение прочности на растяжение при изгибе.
В результате исследований было установлено, что, изменяя количество и вид расширяющейся добавки и
варьируя коэффициент армирования, можно получить сталефибробетоны с регулируемыми значениями собственных деформаций, что позволит предотвратить развитие дефектов и снизить образование трещин, тем самым получив бетоны с повышенной трещиностойко-стью и долговечностью.
Полученные результаты могут быть использованы для проектирования эффективных расширяющихся составов сталефибробетонов с повышенными эксплуатационными свойствами, предназначенных для заделки стыков железобетонных зданий и сооружений, монолитного бетонирования методом торкретирования тоннелей метрополитена, а также для ремонта и восстановления различных транспортных сооружений.
Список литературы
1. Титов М.Ю. Бетоны с повышенной прочностью на основе расширяющих добавок // Строительные материалы. 2012. № 2. С. 84-86.
2. Звездов А.И., Будагянц Л.И. Еще раз о природе расширения бетонов на основе напрягающего цемента // Бетон и железобетон. 2001. № 4. С. 3-5.
3. Рабинович Ф.Н. Композиты на основе дисперсно-армированных бетонов. М.: Издательство АСВ, 2011. 642 с.
4. Соловьев В.Г., Бурьянов А.Ф., Елсуфьева М.С. Особенности производства сталефибробетонных изделий и конструкций // Строительные материалы. 2014. № 3. С. 18-21.
References
1. Titov M.Y. Concretes with increased strength on the basis of expanding additives. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2012. No. 2, pp. 84-86. (In Russian).
2. Zvezdov A.I., Budagyants L.I. Once again about the nature of the expansion of concrete on the basis of self-stressing cement. Beton i zhelezobeton. 2001. No. 4, pp. 3-5. (In Russian).
3. Rabinovich F.N. Kompozity na osnove dispersno armirovannykh betonov [The composites on the basis of dispersed-reinforced concretes]. Moscow: ASV. 2011. 642 p.
4. Solovyev V.G., Buryanov A.F., Yelsufyeva M.S. Features of the production of steel fibre concrete products and designs. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2014. No. 3, pp. 18-21. (In Russian).
научно-технический и производственный журнал
