CC BY
53УДК 691.539.216
В.В. БЕЛОВ, д-р техн. наук (vladim-bel@yandex.ru), П.В. КУЛЯЕВ, инженер (p.kuliaev@yandex.ru)
Тверской государственный технический университет (170026, г. Тверь, наб. Афанасия Никитина, 22)
Принципы проектирования мелкозернистых карбонатных бетонов повышенной трещиностойкости
Рассмотрены принципы создания эффективных мелкозернистых карбонатных бетонов повышенной трещиностойкости с использованием местного техногенного сырья - отходов дробления карбонатных пород, как в виде заполнителя оптимизированного зернового состава, так и в качестве тонкодисперсной минеральной добавки, а также роли совместного применения известнякового наполнителя и суперпластификатора в повышении эксплуатационных свойств этих бетонов. Известняковый наполнитель и суперпластификатор в составе комплексной добавки способствуют равномерному распределению цемента внутри минеральной матрицы бетона, что положительно сказывается на процессе твердения бетона и формировании его структуры и свойств. Комплексная добавка снижает капиллярную пористость композита, при этом тонкодисперсный известняковый наполнитель обеспечивает армирование цементной матрицы на микроуровне. Для количественной оценки трещиностойкости бетона предлагается коэффициент трещиностойкости, представленный в простой и удобной для анализа форме.
Ключевые слова: мелкозернистый карбонатный бетон, коэффициент трещиностойкости, микропластические деформации.
Для цитирования: Белов В.В., Куляев П.В. Принципы проектирования мелкозернистых карбонатных бетонов повышенной трещиностойкости // Строительные материалы. 2017. № 7. С. 44-47.
V.V. BELOV, Doctor of Sciences (Engineering) (vladim-bel@yandex.ru), P.V. KULYaEV, Engineer (p.kuliaev@yandex.ru) Tver State Technical University (22, Afanasiy Nikitin Еmbankment, Tver, 170026, Russian Federation)
Principles of Design of Fine Carbonate Concretes with Improved Crack-Resistance
Principles of the creation of efficient fine carbonate concretes with improved crack-resistance with the use of local anthropogenic raw materials -wastes of carbonate rocks crushing both as a filler of the optimized grain composition and as a fine-disperse mineral additive, as well as the role of joint application of a limestone filler and the superplasticizer in improving the operational properties of these concretes are considered. The limestone filler and superplasticizer in the composition of a complex additive promote the uniform distribution of the cement inside the mineral matrix of the concrete that positively influences on the process of concrete hardening and formation of its structure and properties. The complex additive reduces the capillary porosity of the composite, at that the fine-disperse limestone filler provides reinforcement of the cement matrix at the micro-level. For qualitative assessment of the concrete crack-resistance, the coefficient of crack-resistance is proposed in a simple and convenient form for analyzing.
Keywords: fine carbonate concrete, coefficient of crack-resistance, micro-plastic deformations.
For citation: Belov V.V., Kulyaev P.V. Principles of design of fine carbonate concretes with improved crack-resistance. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 7, pp. 44-47. (In Russian).
В современном малоэтажном и монолитном строительстве при проектировании тонкостенных конструктивных элементов (оболочки, перекрытия) широко используются мелкозернистые бетоны, в том числе, с заполнителями на основе местного вторичного сырья, являющиеся достаточно эффективным и экономичным видом бетонов. Поскольку к эксплуатационным свойствам данных бетонов: трещиностойкости, прочности и долговечности предъявляются повышенные требования, это необходимо учитывать при проектировании рассматриваемых в данной работе мелкозернистых карбонатных бетонов (МЗКБ) на основе продуктов отсева дробления известняка, используемого как заполнитель и после помола — как тонкодисперсный наполнитель в бетон. Такие эксплуатационные свойства МЗКБ, как трещиностойкость и прочность, связаны с правильным подбором состава бетона, оптимизацией гранулометрического состава заполнителя и дозировки наполнителя. Использование порошковой технологии в производстве мелкозернистых бетонов с указанием необходимости подбора сходных по структуре компонентов и применением техногенного вторичного сырья с целью повышения деформативных свойств, трещиностойкости бетонов на композиционном вяжущем описано в работах [1—4]. Отмечается высокая роль добавок известнякового микронаполнителя в замоноличивании стыков при реставрации и реконструкции зданий и сооружений в свете влияния микронаполнителя на процессы твердения композита, снижения усадки и уровня развития контракционных трещин, повышения трещиностойко-
сти и долговечности [5]. В работах [6, 7] дан анализ генезиса использования карбонатных пород в виде отходов предприятий по переработке известняков и мела и перспективы использования известняка в качестве компонента мелкозернистых бетонов. Большой вклад в оценку эксплуатационных характеристик карбонатных бетонов сделан В.Г. Хозиным [8]. Предпосылкой использования известнякового наполнителя, как отмечает автор, является его высокая размолоспособность, относительно небольшая водопотребность и более интенсивное твердение бетона в ранние сроки. При этом средняя активность вяжущего с известняковым наполнителем в нормальных условиях твердения в возрасте первых суток достигает 25—35 МПа, что в два раза выше активности бездобавочного цементного вяжущего.
Один из способов повышения трещиностойкости — создание равномерной плотной структуры композита, способной к микропластическим деформациям. Этому способствует создание контактной структуры заполненного типа и введение в структуру бетона известнякового микронаполнителя. В статье [9] рассматриваются принципы формирования структуры композитов повышенной трещиностойкости. Прочность бетона представляется комплексной интегральной характеристикой, включающей ряд критериев. Создается некая структурно-имитационная модель дефектной структуры бетона с неоднородностью по порам и трещинам и приводится описание МКЭ процедуры анализа с проверкой исходных предпосылок. В статье [10] рассматриваются теории разрушения Кулона—Мора и Гриффитса и плоская ги-
потетическая модель с плотнеишеи упаковкой составляющих частиц заполнителей различной сингонии, с конусовиднои картинои передачи нагрузки внутрь композита. Показано, что это явление не зависит от гео-морфной природы агрегатных составляющих композита (например, для известнякового и гранитного заполнителя конусы подобны). Это указывает на возможность формирования плотной структуры за счет оптимизации упаковки и рациональной гранулометрии. При оценке трещинообразования материалов перед разрушением [11—13] в качестве расчетной схемы главным образом используется модель Гриффитса, представляющая собой упругое пространство с одиночной трещиной. Согласно этой модели способность магистральной трещины к дальнейшему развитию целиком зависит от линейных размеров трещины и напряженно-деформированного состояния окружающего ее пространства. Критическое напряжение, сопровождающееся спонтанным развитием трещины отрыва, по данной модели может определяться по формуле Гриффитса—Орована:
сух
Т <~У> _ МIP
(3)
а =
2уЕ
ni
(1)
а=
2о0(п + 1)Е
I
(2)
Приведенная длина трещины для сухих и водонасы-щенных образцов определяется по однотипной формуле:
2Еу
г сух, нас _ пр 2 / поух, нас \ 2'
(4)
ТЦ1 (Ясж )
гсух гнас
где Ьщ, и Ьщ, — значения приведенных длин трещин для сухих и водонасыщенных образцов; Е — модуль упругости бетона; ^ — коэффициент Пуассона; Л^'1130 — пределы прочности бетона на сжатие для сухих и водонасыщенных образцов; у — эффективная поверхностная энергия.
С учетом того, что граница трещинообразования и разрушения для водонасыщенных образцов мала по сравнению с сухими образцами [12] и ею можно пренебречь, т. е. аиш:~Л^, и решая уравнения (4) и (5) относительно у с подстановкой ее значения из более удобной для практических расчетов формулы (1), получим значение коэффициента трещиностойкости:
т2
К =
R,
(5)
где а — критическое напряжение образования и развития трещины; у — эффективная поверхностная энергия; Е — модуль упругости бетона; I — эффективная длина трещины (без потери физического смысла может заменяться средним размером зерна-кристаллита в структуре композита 1 мм).
Для мелкозернистого карбонатного бетона (МЗКБ), материала с гетерогенной и конгломератной структурой, при разрушении реализуется другая модель: в бассейне магистральной трещины образуется большое количество микротрещин, отбирающих у главной трещины часть энергии на образование и развитие новых поверхностей. В этом случае формула (1) с поправкой на суммарную длину трещины приобретает вид:
где п — количество микротрещин.
Данная зависимость отражает факт развития в бассейне магистральной трещины кластера микротрещин с суммарной длиной п1. Напряжение повышается при увеличении поверхностного натяжения — упругой энергии, которая зависит от суммарного размера микротрещин в объеме магистральной трещины или суммы размеров микрокристаллов в структуре материала. В МЗКБ при введении в его структуру известнякового микронаполнителя происходит выравнивание на площадках скола у краев микротрещин концентрации напряжений за счет эффекта гомогенизации структуры при заполнении микропустот и выравнивания распределения по объему продуктов гидратации клинкерных минералов. Данная концентрация критична для материалов, сопротивляющихся разрушению по схеме Гриффитса, ввиду ограничения развития деформаций упругой областью и гомогенности структуры композита. Но бетон при разрушении сопротивляется как упру-гопластичный материал, и каждый микропластический объем материала работает как упругая микротрещина в модели Гриффитса—Орована, зависящая от размера зерна микрочастицы, напряженно-деформированного состояния в единице объема бетона, масштабного фактора и отбирающая у магистральной трещины эквивалентную часть совокупной энергии. В связи с этим авторы считают правомерным оценку трещиностойкости МЗКБ на основе модели Гриффитса—Орована с вычислением коэффициента трещиностойкости через соотношение значений приведенных длин трещин для сухих и водонасыщенных образцов [13, 14]:
где а — критическое напряжение образования и развития трещины (предел трещиностойкости) для сухих образцов, МПа; Ясж — предел прочности бетона на сжатие для сухих образцов, МПа.
В Тверском государственном техническом университете были проведены эксперименты по установлению зависимости коэффициента трещиностойкости от водо-цементного отношения, содержания суперпластификатора СП-1 и отношения известнякового тонкодисперсного наполнителя к цементу в связующем. С целью обеспечения наиболее плотной упаковки зерен известняка в структуре бетона и повышения трещиностойкости заполнитель мелкозернистого карбонатного бетона оптимизировался по зерновому составу в соответствии с формулой Функа—Дингера путем смешивания фракций в оптимальных соотношениях, приближенных к значениям соотношений идеальной кривой просева. При получении наполнителя продукт отсева дробления измельчался в шаровой мельнице до значения удельной поверхности порядка 500 м2/кг и добавлялся в смесь как заменитель основного вяжущего в количестве до 50 мас. %. Тем самым была достигнута экономия цемента и оптимальная плотная структура композита с повышенными показателями трещиностойкости и прочности.
Использовался метод трехфакторного планированного эксперимента типа В^13 по соответствующей матрице из десяти вариантов приготовления смеси, где в качестве входных переменных были: х1 — соотношение известнякового микронаполнителя и цемента (%); х2 — отношение суперпластификатора к цементу; х3 — процентное содержание в известняковом микронаполнителе частиц диаметром до 0,08 мм, а в качестве функций отклика — коэффициент трещиностойкости и предел прочности при сжатии.
Для оценки коэффициента трещиностойкости МЗКБ экспериментально определялся по методике, аналогичной описанной в работе [14], предел трещиностойкости а. Результаты испытаний бетона на сжатие на кубах 7x7x7 см с оценкой коэффициента трещиностой-кости приведены в таблице.
Как видно из данных таблицы, для составов с известняковым микронаполнителем разница между значениями предела трещиностойкости и предела прочности при сжатии меньше, чем для составов без известнякового компонента, что обусловило повышенные значения коэффициента трещиностойкости.
По результатам исследований была получена регрессионная зависимость коэффициента трещиностойкости (х10-3):
научно-технический и производственный журнал
: . -.-.И
В/Ц Суперпластификатор СП-1, % от массы цемента Соотношение известняк/цемент Предел трещиностойкости и предел прочности при сжатии Коэффициент трещиностойкости
а R, МПа Ктр
0,47 0 0 34,4 44,1 0,608
0,45 0 50 23,3 27,8 0,702
0,39 0,75 0 31,5 42,6 0,547
0,34 1 0 36,7 48,5 0,573
0,37 0,45 0 31,9 43 0,55
0,46 0 30 24,2 35,6 0,462
0,41 0,45 30 34,1 41,2 0,685
0,39 0,75 17,8 40,1 46,8 0,734
0,43 0,27 50 30,3 37,3 0,66
0,41 0,75 50 30 37,1 0,654
Рис. 1. Сравнение поверхностей матрицы вяжущего без известняка (а) и с известняком (б)
55
¿5 50
I 45
I 40
8 35 8.
| 30
° 25
| 20
¿П 10
5 0
0,5 0,75 0,8 1
Суперпластификатор СП -1, % от массы цемента
Рис. 2. Зависимость предела прочности при сжатии от содержания суперпластификатора СП-1
у=553,82+38,44х1+48,61х2+1,38х3+18,07х?-—39,52х2 + 118,85х32+25,8х1х2-34,4х1х3-53,19х2х3. (6)
Наличие тонкодисперсной фракции известняка в связующем веществе выравнивает скачкообразность набора прочности бетона в силу интенсификации и выравнивания процесса гидратации за счет лучшего аккумулирования воды и более равномерного распределения зерен цемента в смеси, тем самым существенно улучшая эксплуатационно-технологические и реологические свойства мелкозернистых бетонов с карбонатным компонентом. Формируется более плотная структура МЗКБ, обеспечивающая его улучшенные эксплуатационные характеристики с повышенными значениями начального модуля упругости и ударной вязкости — трещиностойкости за счет более рационального перераспределения напряжений с вязкой ге-левой структуры на кристаллический сросток и вытеснения под нагрузкой капиллярной влаги. При этом снижаются значения необратимых деформаций сплющивания и излома структурных элементов вокруг пустот и разрыва на микроуровне, формируется более однородный по размерам пор и с меньшей дефектностью характер поровой структуры (рис. 1).
Использование известнякового наполнителя в вяжущей части требует введения суперпластификатора для компенсации потери прочности из-за повышенного воздухововлечения и, как следствие, высокого содержания микропор. Микропоры заполняются известняко-
800
700
600
500
400 0,2254,
0,45-:■
V
Содержание суперпластификатора, %
\
0,675
i
25
37,5
50
12,5
Содержание известняка,%
Рис. 3. Зависимость коэффициента трещиностойкости от процентного содержания суперпластификатора СП-1 и известнякового наполнителя в МЗКБ
вым наполнителем, образуя пластические зоны, а суперпластификатор интенсифицирует помол, адсорбци-онно снижая прочность и поверхностную энергию, и тем самым выравнивает при твердении композита распределение внутренних концентраторов напряжений по объему, увеличивая количество пластических зон и переводя их в область капиллярных и гелевых микро-пор. Данный процесс способствует повышению динамической вязкости и трещиностойкости МЗКБ.
Следующий график (рис. 2) иллюстрирует зависимость предела прочности при сжатии от содержания суперпластификатора СП-1.
Зависимость коэффициента трещиностойкости от содержания известнякового наполнителя и суперпластификатора СП-1 в МЗКБ приведена на рис. 3.
На повышение коэффициента оказывает влияние совместное синергическое действие наполнителя и суперпластификатора. Формируется структура с развитой поверхностью зон микропластических деформаций, которые отбирают у магистральной трещины активную часть энергии разрушения и тем самым повышают сопротивляемость композита к формированию и развитию зон упругих микротрещин.
Выводы.
1. Коэффициенты трещиностойкости для составов с карбонатным микронаполнителем превышают в сред-
0
нем на 40% коэффициенты трещиностойкости для составов без известнякового компонента. Это свидетельствует о более высокой эффективности использования МЗКБ в условиях повышенных требований к эксплуатационным свойствам мелкозернистых бетонов.
Список литературы
1. Лесовик В.С., Загороднюк Л.Х., Чулкова И.Л., Толстой А.Д., Володченко А.А. Сродство структур как теоретическая основа проектирования композитов будущего // Строительные материалы. 2015. № 9. С. 18-22.
2. Лесовик В.С., Загороднюк Л.Х., Толстой А.Д., Ковалева И.А. Порошковые бетоны с применением техногенного сырья // Вестник МГСУ. 2015. № 11. С. 101-109.
3. Лесовик В.С., Аксёнова Л.Л. К проблеме повышения эффективности эксплуатационных характеристик бетонов // Инновационные материалы и технологии (ХХнаучные чтения): Материалы Международной научно-практической конференции. Омск. 2013. С. 122-124.
4. Толстой А.Д., Лесовик В.С., Ковалева И.А. Композиционные вяжущие для порошковых бетонов с промышленными отходами // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2016. № 1. С. 6-9.
5. Плугин А.А., Костюк Т.А., Салия М.Г. Бондарен-ко Д.А. Применение карбонатных добавок в цементных составах для гидроизоляционных и реставрационных работ зданий и сооружений / // Сборник научных трудов Института строительства и архитектуры МГСУ. 2012. С. 224-227.
6. Уруев В.М., Алексеева К.Н., Соловьева И.Е., Шанина О.М. Генезис карбонаткальциевых отходов и их характеристика // Сборник материалов XVI МНТК «Актуальные проблемы строительства, строительной индустрии и промышленности». Тула. 2015. С. 149.
7. Уруев В.М., Алексеева К.Н., Соловьева И.Е., Шанина О.М. Исследование мелкозернистых бетонов с применением карбонатных микронаполнителей // Сборник материалов XVI МНТК «Актуальные проблемы строительства, строительной индустрии и промышленности». Тула. 2015. С. 152.
8. Хозин В.Г., Сибгатуллин И.Р., Хохряков О.В., Кра-синикова Н.М. Производство ЦНВ из техногенных отходов - эффективный путь решения экологических и сырьевых проблем // Строительные материалы и изделия. 2012. С.190-193.
9. Харитонов А.М. Принципы формирования структуры композиционных материалов повышенной трещино-стойкости // Технологии бетонов. 2011. № 3-4. С. 24-26.
10. Бондарев П.М., Писарев В.В Образование напряженных зон в твердом теле при воздействии внешней силы // Технологии бетонов. 2010. № 3-4. С. 60-63.
11. Александров А.В., Потапов В.Д. Основы теории упругости и пластичности. М.: Высшая школа, 1990. 400 с.
12. Давиденко А.Ю. Методика определения критериев трещиностойкости бетона // Сборник материалов XV Академических чтений РААСНМНТК«Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии». Казань. 2010. Т. 2. С. 18-21.
13. Пунагин В.В. Особенности формирования деформа-тивных характеристик модифицированного монолитного бетона // Сучасш буд1вельт матер1али. Вып. 2010-1 (81). С. 127-130.
14. Moser B, Pfeifer C. Microstructure and Durability of UltraHigh Performance Concrete. Proceedings of the Second International Symposium on Ultra High Performance Concrete. Kassel, Germany. March 05-07, 2008.
2. Совместное использование известняка и суперпластификатора СП-1 оказывает синергический эффект на процесс формирования прочности и структуро-образования цементного камня, способствуя росту коэффициента трещиностойкости.
References
1. Lesovik V.S., Zagorodnuk L.H., Chulkova I.L., Tolstoy A.D., Volodchenko A.A. Affinity of structures as a theoretical basis for designing composites of the future. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2015. No. 9, pp. 18-22. (In Russian).
2. Lesovik V.S., Zagorodnuk L.H., Tolstoy A.D., Kovale-va I.A. Powdered concrete using technogenic raw materials. Vestnik MGSU. 2015. No. 11, pp. 101-109. (In Russian).
3. Lesovik V.S., Akseonova L.L. To the problem of increasing the efficiency of operational characteristics of concrete. Innovative materials and technologies (XXscientific readings) Proceedings of the International Scientific and Practical Conference. Omsk. 2013, pp. 122-124. (In Russian).
4. Tolstoi A.D., Lesovik V.S., Kovaleva I.A. Composite binders for powdered concrete with industrial waste. Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tekhnologichesk-ogo universiteta im. V.G. Shukhova. 2016. No. 1, pp. 6-9. (In Russian).
5. Plugin A.A., Kostyuk T.A., Saliya M.G., Bondarenko D.A. Application of carbonate additives in cement compositions for waterproofing and restoration works of buildings and structures. Collection of scientific works of the Institute of Construction and Architecture MSUCE. Moscow. 2012, pp. 224-227. (In Russian).
6. Uruev V.M., Alekseeva K.N., Solovyeva I.E., Shani-na O.M. Genesis of carbonaceous waste and their characteristics. Collection of materials XVIISTC "Actual problems of construction, construction industry and industry". Tula. 2015, p. 149. (in Russian).
7. Uruev V.M., Alekseeva K.N., Solovyeva I.E., Shani-na O.M. Investigation of fine-grained concrete with the use of carbonate micro fillers. Collection of materials XVI ISTC "Actualproblems of construction, construction industry and industry". Tula. 2015, p. 152. (In Russian).
8. Khozin V.G., Sibgatullin I.R., Khokhryakov O.V., Krasinikova N.M. Production of CNV from man-made waste is an effective way to solve environmental and raw materials problems. Stroitel'nye materialy i izdelija. Kazan. 2012, p. 190. (In Russian).
9. Haritonov A.M. Principles of formation of the structure of composite materials with increased crack resistance. Tehnologii betonov. 2011. No. 3-4, pp. 24-26.
10. Bondarev P.M., Pisarev V.V. The formation of stress zones in a solid under the action of an external force. Tehnologii betonov. 2010. No. 3-4, pp. 60-63. (In Russian).
11. Aleksandrov A.V., Potapov V.D. Osnovy teorii upru-gosti i plastichnosti [Fundamentals of the theory of elasticity and plasticity]. Moscow: Vysshaya shkola. 1990. 400 p.
12. Davidenko A.Yu. Methodology for determining criteria for crack resistance of concrete. Collection of materials of XV Academic readings ofRAACSISTC "Achievements and problems of materials science and modernization of the construction industry". Kazan. 2010. Vol. 2, pp. 18-21. (In Russian).
13. Punagin V.V. Features of formation of deformation characteristics of modified monolithic concrete. Suchasni budivel'ni materiali. Vol. 2010-1 (81), pp. 127-130.
14. Moser B, Pfeifer C. Microstructure and Durability of UltraHigh Performance Concrete. Proceedings of the Second International Symposium on Ultra High Performance Concrete. Kassel, Germany. March 05-07, 2008.
