CC BY
49
Результаты исследований механических свойств быстротвердеющих модифицированных бетонов
1 2 М.А. Бауэр , В.А. Дмитриенко
1Шахтинский институт (филиал) ФГБОУВПО «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова» 2Институт сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) Донского государственного технического университет, Шахты
2
2
Аннотация: приведены результаты исследования скорости набора прочности модифицированных бетонов в ранние сроки твердения, используемых для крепления подземных сооружений. В результате исследований установлены наиболее эффективные добавки Д5 и РЕЛАМИКС Т-2. Состав с добавкой Д5 с заполнителями рядового качества и осадкой конуса 15 см, через 18 часов набирает прочность 6,5 МПа, а с добавкой РЕЛАМИКС Т-2 - 2,8 МПа. Полученные результаты использованы для моделирования напряженно-деформированного состояния (НДС) грунтового массива и бетонной крепи некруговой формы.
Ключевые слова: прохождение, крепление, состав бетона, модификатор, прочность бетона, модуль Юнга, напряжения.
В современных условиях совершенствование инженерной и транспортной инфраструктуры крупных городов невозможно без освоения подземного пространства. Поэтому объемы проходки выработок в неустойчивых породах будут расти. Строительство подземных сооружений в грунтах в большинстве случаев требует использования специальных мероприятий для упрочнения пород или применения щитовой проходки. В этом случае, затраты на строительство подземных сооружений небольшой протяженности (устья наклонных стволов, врезки тоннелей различного назначения, подземные переходы, эскалаторные ходки, подземные коллекторы, вентиляционные и технологические сбойки перегонных тоннелей) существенно возрастают.
Экономическая ситуация сложившаяся к настоящему времени в России требует радикального повышения технико-экономической эффективности строительства подземных сооружений путём освоения новых технических и технологических решений, обеспечивающих требуемые эксплуатационные
Введение
качества и сроки возведения объектов с минимальными затратами.
Исходя из этого разработана технология проходки горных выработок короткими заходками (0,3 - 0,7 м) [1], которая позволяет при креплении монолитным быстротвердеющим бетоном сразу за обнажением пород, исключить деформации и обрушения незакрепленного массива связных грунтов. Важнейшей составляющей предлагаемых технических и технологических решений проведения и крепления подземных сооружений небольшой протяженности до 100 м и глубиной заложения до 50 м короткими заходками, является применение сверхбыстротвердеющих бетонов.
Экспериментальные исследования модифицированных бетонов
Проведенные ранее исследования позволили установить, что для получения составов с высокой скоростью набора прочности в период 12 - 20 часов, наиболее эффективно использование модифицирующих добавок полифункционального действия [2 - 5]. Однако для получения высокой ранней прочности бетона требуется значительное количество модификатора Д5 (4% от массы цемента) [1], что увеличивает стоимость бетона на 10 - 14%.
В последние годы отечественными производителями освоен выпуск ряда эффективных модификаторов бетона. Поэтому в рамках научного проекта № 16-35-00328 мол_а, выполняемого при финансовой поддержке РФФИ, выполнен комплекс исследований по выявлению новых эффективных модификаторов обеспечивающих высокую скорость гидратации в ранние сроки твердения при использовании заполнителей рядового и низкого качества [6].
По результатам анализа характеристик, заявленных производителями добавок, критериями отбора для исследований приняты набор прочности в период 12 - 20 часов от момента затворения и дозировка не более 1 - 1,2% от массы цемента в пересчете на сухое вещество. При сравнительно небольших колебаниях цен на различные добавки, установившихся в последнее время, уменьшение дозировки модификатора, обеспечит снижение стоимости бето-
на. Испытания проведены со следующими модификаторами: РЕЛАМИКС М2, РЕЛАМИКС СЛ, РЕЛАМИКС Т-2, ПОЛИПЛАСТ-1 МБ, СУПЕРПЛАСТ УЛЬТРА, ФЕРРОКРИТ УЛЬТРА. Дозировка добавок принималась от 0,6 до 1,2 % в соответствии с рекомендациями производителей.
Изготовление образцов кубов 100х100х100 мм из бетонной смеси производилось по ГОСТ 10180-90 (2003). Каждая серия состояла из 28 образцов, что позволяло получить требуемый объем испытываемых образцов для всех интервалов твердения бетона одного состава. Первоначально все составы готовились на высококачественных заполнителях песок кварцевый фракционированный с модулем крупности Мкр. = 2,5; щебень гранитный фракции 5-20 мм Павловского ГОК. Водоцементное отношение при расходе цемента 415 кг/м , составляло 0,45. Хранение осуществлялось в специальной камере при температуре 20±1оС и влажности не менее 80%. Испытание образцов производилось по истечении 9, 12, 18, 24, 48, 72 часа и 28 суток после приготовления смеси.
Результаты лабораторных исследований, показали, что наиболее высокую скорость гидратации портландцемента в период 12 - 20 часов обеспечивал модификатор «РЕЛАМИКС Т-2». Поэтому он и принят для детальных исследований. В результате установлено, что, несмотря на заявленные производителем сокращение времени на достижение бетоном распалубочной прочности и увеличения прочности бетона в ранние сроки (1- 2 суток) на 50% и более, получить прочность бетона такую же, как с добавкой Д5 и модулем крупности песка 2,5 можно только осадке конуса не более 1 см.
В подземном строительстве для возведения монолитной бетонной крепи чаще всего используются бетоны с осадкой конуса 12 - 18 см [7]. Поэтому для испытаний проектировались составы с осадкой конуса 15 см. Всего было исследовано три состава. В качестве контрольного принят состав с добавкой Д5. Второй состав готовился на высококачественных заполнителях песок кварцевый с модулем крупности Мкр. = 2,5; щебень гранитный фракции 5 - 20 мм.
Водоцементное отношение при расходе цемента 415 кг/м , составило 0,49.
Для третьего состава использованы заполнители рядового качества: портландцемент ПЦ500Д0, Себряковского завода; песок Персияновского карьера Мкр. = 1,56; щебень Садкинского карьера фракции 5 - 20 мм. Водоцементное отношение при осадке конуса 15±0,5 см составило 0,53. Количество цемента и добавки РЕЛАМИКС Т-2 (1% от массы цемента) для второго и третьего составов приняты одинаковыми. Полученные результаты приведены в табл. 1 и на рис. 1.
Таблица 1
Результаты исследований бетонной смеси и бетона
Время твердения, час Прочность при сжатии, МПа составов с добавкой:
Д-5 (4%) РЕЛАМИКС Т-2 (1%) РЕЛАМИКС Т-2 (1%)
Состав №1 Состав №2 Состав №3
6 0,47 0,24 0,21
12 2,8 1,3 1,1
18 6,4 4,1 2,8
24 11,3 7,2 5,1
30 14,1 9,6 7,3
36 16,5 12,4 9,9
42 18,3 15,5 12,7
48 19,9 17,8 15,2
54 22,1 21,4 17,1
60 24,6 24,7 20,3
66 26,7 27,8 22,9
72 28,3 29,9 24,8
В результате проведенных исследований установлено, что состав с
качественными заполнителями модифицированный РЕЛАМИКС Т-2 имеет в ранние сроки твердения прочность в 2 раза ниже чем с добавкой Д5. При использовании заполнителей рядового качества, увеличивающих водопотребность смеси, эффективность применения модифицирующей добавки еще меньше. Тем не менее при определенных характеристиках грунтов и небольшой глубине заложения выработок состав с добавкой РЕЛАМИКС Т-2 может применятся для возведения крепи из монолитного бетона.
Время твердения бетона, час Рисунок 1. Кинетика набора прочности модифицированных бетонов: ряд 1 - состав №1; ряд 2 - состав №2; ряд 3 - состав №3 При моделировании напряженно-деформированного состояния (НДС) крепи и массива грунта с учетом изменяющихся во времени характеристик бетона методом конечных элементов, требуется определение модуля упругости составов в различные сроки твердения.
Для определения модуля упругости модифицированных бетонов разработана специальная методика, заключающаяся в следующем. Каждая серия испытываемого состава состояла из 28 образцов. В каждой серии образцов кроме 24 кубов 100х100х100 мм предназначенных для испытаний на сжатие, изготавливались и 4 призмы 100х100х300 мм. После освобождения форм из такого же состава бетонной смеси дважды изготавливались 4 призмы и 6 ку-
бов, это позволяло получить требуемый объем испытываемых образцов для всех интервалов твердения бетона.
Деформации определялись оптическим катетометром КМ-8, обеспечивающим измерение относительных деформаций с точностью 110-5 м, за счет измерения разности отметок базы на образце при его нагружении. База измерения продольных деформаций была принята 200 мм, то есть 2/3 высоты образца.
Нагружение призм производилось ступенями одновременно на двух пружинных прессах. Число и интервал нагружений подбирался таким образом, чтобы напряжения последней ступени не превышали 50 - 60% от прочности бетона на сжатие, которое определялось по результатам испытаний в это же время 3 - 5 кубов на гидравлическом прессе. Отсчет деформаций каждой ступени нагружения производился после релаксации напряжений.
Выполненные исследования позволили по каждому интервалу твердения бетона получить значения прочности бетона на сжатие и соответствующий ей модуль упругости. Это позволило построить график зависимости модуля упругости испытанного состава с добавкой Д5 от его прочности.
Статистическая обработка результатов исследования позволила установить, что аппроксимировать одним уравнением полученные зависимости с приемлемым уровнем достоверности невозможно, поэтому было решено описать их тремя уравнениями по трем интервалам изменения прочности.
Первый интервал определяется областью самых ранних сроков твердения с прочностью до 2,0 МПа, в котором результаты испытаний аппроксимируются степенной зависимостью
Е1 = 525СТ1'66
Второй интервал характеризуется линейной зависимостью
Е1 = 1100ст- 342
:
а третий описывается уравнением
Е1 = 148061п(о-) - 21542
где о - прочность бетона на сжатие.
Исследование зависимости модуля упругости состава с добавкой РЕ-ЛАМИКС Т-2 от его прочности показала хорошую сходимость с ранее полученными уравнениями регрессии для состава модифицированного Д5. Это свидетельствует о возможности их применения для расчета характеристик бетонной крепи состава с добавкой РЕЛАМИКС Т-2.
Анализируя ранее выполненные исследования моделированием НДС крепи для сооружений круговой формы [1], можно отметить, что через 18 часов после укладки бетона контрольного состава за опалубку (в момент наибольших напряжений в крепи), его прочность превышала напряжения в 3 раза. Для исследуемого состава модифицированного добавкой РЕЛАМИКС Т-2, коэффициент запаса по прочности не превышает 1,3. В этом случае требуется период времени до снятия опалубки 24 часа. Таким образом, при продолжительности проходческого цикла 12 часов и более, состав с добавкой РЕЛАМИКС Т-2 может использоваться для возведения крепи.
С целью увеличения скорости набора прочности в ранний период твердения в состав бетонной смеси вводились тонкомолотые добавки [6, 8 - 10] и фракционированный отсев продуктов дробления песчаника [8]. Также исследовано введение дополнительного ускорителя твердения, однако эти меры не привели к положительным результатам.
Заключение
Установлено существенное увеличение скорости набора прочности бетоном при повышении температуры смеси [11]. Однако увеличение температуры твердения бетона сопровождается снижением водонепроницаемости и периода живучести смеси, что в условиях крепления подземных сооружений
недопустимо.
Характеристики модифицированных бетонов, полученные в результате выполненных исследований, в настоящее время используются для оценки НДС крепи и массива грунта при моделировании подземных сооружений некругового очертания методом конечных элементов.
Литература
1. Дмитриенко В.А., Бауэр М.А. Наука и техника: монография. / отв. ред. Я.А. Максимов. - Красноярск: Научно-инновационный центр, 2011. С. 66104.
2. Красный, И.М. О механизме повышения прочности бетона при введении микронаполнителя. // Бетон и железобетон. 1987. №5. С. 10-11.
3. Pistill, M.F. Variability of Condensed Silica Fume from a Canadian Sourse and Influence on the Properties of Portland Cement // Cem. Concr. and Aggr. -1984. - V.6: - №1. рр. 33-37.
4. Setter, N., Roy, D.M. Mechanical Flatures of Chemical Shrinkage of Cement Paste. // Cem. and Concr. Res. - 1978. - V.8. - №5. рр. 623-634.
5. Vivian, H.E. Effect of Particle Size on the Properties of Cement Paste. // Symp. Structure of Portland Cement. - 1966. рр. 18-25.
6. Бутакова М.Д., Зырянов Ф.А. Исследование свойств бетонных смесей и бетонов на основе мелкозернистых минеральных отходов горного производства // Инженерный вестник Дона, 2012, №3 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/983.
7. Плешко, М.С., Крошнев, Д.В. Влияние свойств твердеющего бетона на взаимодействие системы «крепь - массив» в призабойной зоне ствола // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2008. - №9. C. 320-325.
8. Бутакова М.Д., Зырянов Ф.А. Исследование влияние зернового состава отсевов дробления скальных пород на прочность бетонов // Межвузовский сборник научных трудов «Строительные материалы и изделия». Магнито-
горск: МГТУ, 2007. С. 146 - 152.
9. Несветаев Г.В., Та Ван Фан. Влияние белой сажи и метакаолина на прочность и деформационные свойства цементного камня // Инженерный вестник Дона, 2012, №4 (часть 1) URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4p1y2012/1110.
10. Курочка П.Н., Гаврилов А.В. Бетоны на комплексном вяжущем и мелком песке. // Инженерный вестник Дона, 2013, №1 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n1y2013/1562.
11. Масленников С. А. Оценка влияния температуры на скорость набора прочности бетоном. // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2010. № 9. С. 309-312.
References
1. Dmitrienko V.A., Baujer M.A. Nauka i tehnika [Science and Technology]: monografija. otv. red. Ja.A. Maksimov. Krasnojarsk: Nauchno-innovacionnyj centr, 2011. рр. 66-104.
2. Krasnyj, I.M. Beton i zhelezobeton. 1987. №5. рр. 10-11.
3. Pistill, M.F. Variability of Condensed Silica Fume from a Canadian Sourse and Influence on the Properties of Portland Cement. Cem. Concr. and Aggr. 1984. V.6: №1. рр. 33-37.
4. Setter, N., Roy, D.M. Mechanical Flatures of Chemical Shrinkage of Cement Paste. Cem. and Concr. Res. 1978. V.8. №5. рр. 623-634.
5. Vivian, H.E. Effect of Particle Size on the Properties of Cement Paste. Symp. Structure of Portland Cement. 1966. рр. 18-25.
6. Butakova M.D., Zyrjanov F.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus). 2012, №3. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/983.
7. Pleshko, M.S., Kroshnev, D.V. Gornyj informacionno-analiticheskij bjulle-ten'. 2008. №9. рр. 320-325.
8. Butakova M.D., Zyrjanov F.A. Issledovanie vlijanie zernovogo sostava ot-
sevov droblenija skal'nyh porod na prochnost' betonov. Mezhvuzovskij sbornik nauchnyh trudov «Stroitel'nye materialy i izdelija». Magnitogorsk: MGTU, 2007. рр. 146 - 152.
9. Nesvetaev G.V., Ta Van Fan. Inzenernyj vestnik Dona (Rus). 2012, №4 (part 1). URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4p1y2012/1110.
10. Kurochka P.N., Gavrilov A.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus). 2013, №1. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n1y2013/1562.
11. Maslennikov S.A. Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten' (nauchno-tehnicheskij zhurnal). 2010. № 9. рр. 309-312.
