CC BY
19Клюев А. В., аспирант, Лесовик Р. В., д-р техн. наук, проф. Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова
СТАЛЕФИБРОБЕТОН НА КОМПОЗИЦИОННЫХ ВЯЖУЩИХ И ТЕХНОГЕННЫХ ПЕСКАХ КМА ДЛЯ ИЗГИБАЕМЫХ КОНСТРУКЦИЙ*
В статье рассмотрены вопросы применения стальной фибры для дисперсного армирования мелкозернистых бетонов
_Ключевые слова: мелкозернистый бетон, техногенный песок, сталефибробетон._
Успехи бетоноведения в конце ХХ-го века обеспечили возможность получения высокопрочных и высококачественных бетонов прочностью на сжатие 120 МПа и выше, необходимых при строительстве высотных зданий, платформ для нефтедобычи в морях и океанических шельфах и других уникальных сооружений. Однако при существенном повышении прочности бетонов на сжатие прочность высокопрочных бетонов на растяжение повышается незначительно, что снижает возможности и эффективность их применения.
Для улучшения показателей перечисленных свойств бетонов применяются различные способы: дисперсное армирование бетона волокнами (фиброй) - стальными, стеклянными, базальтовыми, целлюлозными, синтетическими, углеродными и др. [2, 3].
Ценность волокон состоит в том, что они не только придают бетону новые свойства, но и открывают путь принципиально новой технологии изготовления строительных изделий. Армирование производится непосредственно в бето-носмесительных агрегатах, т.е. в бетономешалку загружают цемент, песок, щебень и сами волок-
на, перемешивают их и получают готовую к применению армированную бетонную смесь, которую заливают в форму. Время изготовления изделий сокращается практически вдвое. В связи со значительным повышением физико-механических свойств снижается материалоемкость элементов конструкций, что приводит к уменьшению веса зданий и сооружений [6].
Свойства техногенных песков, бетонных смесей и бетонов на их основе зависят от многих факторов, обусловленных свойствами исходных пород, способами их измельчения и методами обогащения полученного продукта. Наиболее существенное влияние оказывают прочность, структура и состав породы [1]. При сопоставлении свойств природных и техногенных песков обращают на себя внимание основные, принципиальные различия этих материалов. Если первые являются в основном кварцевыми, с округлой формой зерен и гладкой поверхностью, то вторые имеют существенные различия по составу и свойствам исходных пород, форме зерен и шероховатости их поверхности
Физико-механические характеристики заполнителя
Таблица 1
N Наименование показателя Единица Отсев Отходы Песок Разуменского
п/п измерения КВП ММС месторождения
1 Модуль крупности МКр 3,50 0,63 1,12
2 Насыпная плотность в неуплотненном состоянии Рнас, кг/м3 1415 1300 1467
3 Насыпная плотность в уплотненном состоянии Рнас упл, кг/м3 1490 1630 1648
4 Истинная плотность Рист г/см3 2710 3000 2630
5 Пустотность Ум. п., % 47,8 59,3 44,2
6 Водопотребность Вотс, % 5,5 25 11
7 Цементопотребность -Цпотр 0,530 1,95 0,63
Основной задачей при получении мелкозернистых бетонов, в том числе дисперсно-армированных является снижение расхода клинкерной составляющей, т.к. из-за отсутствия крупного заполнителя идет перерасход цемента. Наиболее существенными факторами снижения содержания цемента в мелкозернистых бетонах являются уменьшение водопотребности бетонной смеси и повышение активности вяжущего.
И поэтому с этой точки зрения перспективным направлением повышения эффективности мелкозернистого бетона является применение композиционных вяжущих.
Вяжущее тонкомолотый цемент (ТМЦ-70) получали путем домола до удельной поверхности Sуд=500 м2/г портландцемента ЦЕМ I 42,5 Н.
Вяжущее низкой водопотребности (ВНВ-70) получали путем совместного помола до
удельной поверхности 500 м2/кг портландцемента и пластифицирующей добавки СП-1 в оптимальной дозировке.
На РЭМ-изображениях четко различаются границы между частицами и порами (рис. 1), что благоприятствует проведению количественного анализа микроструктуры.
С целью оценки возможности применения техногенных песков КМА при производстве высококачественного мелкозернистого стале-фибробетона были разработаны составы, в которых в качестве заполнителя был применен отсев дробления кварцитопесчаника [1, 4, 5]. Для оптимизации структуры матрицы и получения высокоплотной упаковки зерен заполнителя в состав бетона был введен песок Разуменского месторождения. В качестве вяжущего были применены ЦЕМ I 42,5 Н, ТМЦ-70 и ВНВ-70. Также в составы были введены три вида фибры (фибра
стальная, волнообразная длина 30 мм, диаметр 0,8 мм; фибра стальная, анкерная длина 50 мм, диаметр 0,8 мм; фибра стальная плоская длина 32 мм, ширина 3,2 мм). Бетонная матрица для всех типов фибры изготавливалась из одного состава мелкозернистого бетона. Результаты испытаний приведены в табл. 2.
_ 1
мзГ \\ Л \ - *'»
% ■п
Г К V" л V*
"..Чо!
4
V
ТМЦ-70
ш
ВНВ-70
Рис. 1. Изменение морфологии новообразований в зависимости от состава вяжущего
Таблица 2
Результаты испытаний мелкозернистых бетонных образцов, в том числе дисперсно-
Определяемая характеристика Размерность Без фибры Виды фибр
плоская фрезерованная анкерная волновая
Кубиковая прочность МПа 50,2 56,3 55,8 57,4
Призменная прочность МПа 35,0 39,2 38,7 39,9
Прочность на растяжение при изгибе МПа 13,7 15,9 16,6 16,8
Модуль упругости МПа 35,8 • 103 41,1 • 103 39,8 • 103 41,7 • 103
Для 3 видов фибр было испытано 36 образцов. Анализ табл. 3 показывает, что стале-фибробетон с использованием волновой фибры, в качестве армирующего материала, обладает наилучшими прочностными характеристиками. Для дальнейшего исследования дисперсного армирования мелкозернистого бетона рекомендуется применять волновую фибру [4, 5].
Перспективным направлением повышения эффективности мелкозернистого сталефибробе-тона является применение композиционных вяжущих. В данной работе в качестве композиционного вяжущего применяется ТМЦ-70 и ВНВ-70 (рис. 2).
50
45
л 40 с
| 35
° 30
130 I 20
I 15 £ 10 5 0
38,7 39,9
35
13,7 14,2
Цем I 42, Н (без фибры) Цем I 42,5 Н + ВПУ (без фибры)
Цем I 42, Н (3% фибры) Цем I 4 2,5 Н + ВПУ (3% фибры)
Цем I 42, Н (без Цем I 42,5 Н + ВПУ фибры) (без фибры)
Цем I 42, Н (3% Цем I 42,5 Н + ВПУ фибры) (3% фибры)
70
56,5 57,4
50,2
44 42 40 38 36 34
40,8
35,8
Цем I 42, Н (без Цем I 42,5 Н + ВПУ Цем I 42, Н (3% Цем I 42,5 Н + ВПУ фибры) (без фибры) фибры) (3% фибры)
Цем I 42, Н (без фибры)
Цем I 42,5 Н + Цем I 42, Н (3% Цем I 42,5 Н + ВПУ (без фибры) фибры) ВПУ (3% фибры)
17,6
16,8
65,2
42,2
41,7
60
32
0
70
т
60
ь 50
о
т о 40
30
т
± 0) 20
г»
10
о
59,3
53,2
-446-
ТМЦ-70 (3% фибры)
ТМЦ-70 + ВПУ (3% фибры)
ВНВ-70 (3% фибры) ВНВ-70 + ВПУ (3% фибры)
90
со Г~ 80
:> 70
60
< >
50
< >
40
со 30
20
10
0
84,8
69,7
^2
20 19,5 19 18,5 18 17,5 17 16,5 16
44,5 44 43,5 43 42,5 42 41,5 41 40,5
19,8
19,1
17,4
ТМЦ-70 (3% фибры)
ТМЦ-70 + ВПУ (3% фибры)
ВНВ-70 (3% фибры)
ВНВ-70 + ВПУ (3% фибры)
44,3
43,6
43,1
41,9
ТМЦ-70 (3% фибры)
ТМЦ-70 + ВПУ (3% ВНВ-70 (3% фибры) ВНВ-70 + ВПУ (3% фибры) фибры)
ТМЦ-70 (3% фибры)
ТМЦ-70 + ВПУ (3% фибры)
ВНВ-70 (3% фибры)
ВНВ-70 + ВПУ (3% фибры)
Рис. 2. Результаты экспериментальных исследований сталефибробетона
Исследования показали целесообразность использования высокоплотной упаковки зерен мелкозернистого бетона и дисперсного армирования для получения высокопрочного сталефибробетона. Несмотря на достижения более высоких физико-механических характеристик целесообразно применение композиционных вяжущих таких как ТМЦ-70 и ВНВ-70.
Для изучения микроструктуры контактной зоны стальной волновой фибры и цементного камня были проведены исследования с помощью РЭМ (рис. 2). а б
Рис. 2. Микроструктура контактной зоны цементный камень - фибра: а - на ВНВ-70; б - на Цем I 42,5Н
Как видно из исследований микроструктуры, а также исходя из результатов испытаний и визуального осмотра образцов после испытаний, контактная зона композицонное вяжущее - фибра имеет более плотную связь и прочность сцепления. Фибра в образцах после испы-таний имела более ровный вид.
Микроструктура цементный камень - фибра имеет менее прочную взаимосвязь. Структура контактной зоны рыхлая, чешуйчатая. Фибра, в образцах после испытаний на Цем I 42,5Н, заметно отличалась от фибры в образцах, выполненных с применением ВНВ-70.
*Работа выполнена поддержке гранта МК-2715.2012.8 Разработка научных и практических основ повышения эффективности мелкозернистого фибробетона на основе техногенного песка и композиционного вяжущего для промышленного и гражданского строительства
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Клюев, А.В. Отходы горнодобывающих предприятий как сырье для производства мелкозернистого бетона армированного фибрами / А.В. Клюев, С.В. Клюев, Р.В. Лесовик, Михайлова ОН. // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. -
2010. - № 4. - С. 81 - 84.
2. Клюев, С.В. Дисперсно-армированный мелкозернистый бетон с использованием полипропиленового волокна / С.В. Клюев, Р.В. Лесовик // Бетон и железобетон. - 2011. - №.3 - С. 79.
3. Клюев, С.В. Дисперсно-армированный мелкозернистый бетон стекловолокном / С.В. Клюев, Р.В. Лесовик // Бетон и железобетон. -
2011. - №.6 - С. 4 - 6.
4. Клюев, С.В. Ползучесть и деформатив-ность дисперсно-армированных мелкозернистых бетонов / С.В. Клюев // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2010. - № 4. - С. 85 - 87.
5. Клюев, С.В. Экспериментальные исследования фибробетонных конструкций / С.В. Клюев// Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. - 2011. - №.4 - С. 71 - 74.
6. Рабинович, Ф.Н. Дисперсно армированные бетоны / Ф.Н. Рабинович. - М.: Стройиздат, 1989. - 174 с.
6
0
