CC BY
110УДК 666.98
С.С. КАПРИЕЛОВ, д-р техн. наук, Научно-исследовательский, проектно-конструкторский
и технологический институт бетона и железобетона им. А.А. Гвоздева;
И.А. ЧИЛИН, инженер (pgsnik87@mail.ru), ООО «Предприятие Мастер Бетон» (Москва)
Сверхвысокопрочный самоуплотняющийся фибробетон для монолитных конструкций
Возрастающие объемы и удачные примеры [1, 2] применения новых модифицированных бетонов с уникальными прочностными, деформативными и технологическими характеристиками являются хорошей основой для исследований в целях дальнейшего развития и оптимизации как технологии, так и свойств материала. Одним из перспективных ориентиров для движения в этом направлении представляется высокопрочный фибробетон, так как благодаря дисперсному армированию можно решить проблему хрупкого разрушения высокопрочного бетона.
Высокопрочный (как и сверхвысокопрочный — UltraHigh-Strength) сталефибробетон известный и достаточно исследованный материал. Имеющаяся информация касается в основном бетона, полученного из сравнительно жестких (малоподвижных) смесей. Тем не менее данные о дисперсно-армированных бетонах из высокоподвижных или самоуплоняющихся смесей имеются. Связаны они с использованием металлической фибры и относятся к бетонам классов по прочности при сжатии ниже В100 [3]. В данной работе ставилась задача получения и исследования свойств сверхвысокопрочного самоуплотняющегося фибробетона классов выше В100 для использования при возведении монолитных конструкций и сооружений.
В основе технологии получения такого материала лежит совмещение сверхвысокопрочной матрицы, основной объем которой представляет собой аналог Reactive Powder Concrete [4] —«порошкового бетона» и стальной фибры.
Методика эксперимента
В работе использованы следующие материалы. 1. Портландцемент марки ПЦ600Д0 средней активностью при пропаривании 48,9 МПа, соответствующий ГОСТ 10178-85.
2. Заполнитель — песок кварцевый с включениями известняка, состоящий из набора стандартных фракций от 0 до 5 мм, в котором доля частиц фракций не более 0,63 мм составляла 50—65%.
3. Органоминеральный модификатор МБ 50К — порошкообразный продукт насыпной плотностью 850 кг/м3, содержащий микрокремнезем, золу-уноса, суперпластификатор на основе поликарбок-силатов.
4. Стальная фибра волнового профиля длиной 22 мм (временное сопротивление разрыву не менее 1200 МПа, модуль упругости 200 ГПа). Основные характеристики смесей приводятся в
табл. 1.
Исследования проводили в два этапа. Сначала оптимизировали состав матрицы — бетона без фибры. При этом в составе смесей на неизменном уровне (~0,8 м3/м3) фиксировали объем так называемого «активного компонента матрицы» (АКМ), который, включая в себя цемент, модификатор, частицы заполнителя фракций 0—0,63 мм и воду затворения, по существу является близким аналогом Reactive Powder Concrete.
Параметрами оптимизации являлись подвижность смесей, оцениваемая по расплыву стандартного конуса (РК), и пределы прочности при сжатии (R) и изгибе (Ля).В качестве варьируемых факторов — дозировка смешанного вяжущего, под которым подразумевается смесь цемента и модификатора, и содержание заполнителя. При этом варьируемые факторы изменялись в следующих пределах: смешанное вяжущее — от 1260 до 900 кг/м3, заполнитель — от 870 до 1160 кг/м3, соответственно мелкая фракция в нем — от 430 до 750 кг/м3. По полученным результатам выявлялись образцы матриц, на которых впоследствии определяли оптимальные дозировки фибры, а также прочностные и деформативные характеристики сталефибробетона.
Таблица 1
№ п/п Основные компоненты смесей, кг/м3 В/Ц Объем АКМ, м3/м3 РК, см Прочность бетона в 28 сут, МПа
Цемент МБ-50К Заполнитель* Фибра | Вода R Rtt
Матрица
1 900 360 870/430 - 200 0,22 0,82 75 145 13,8
2 800 275 1010/590 - 205 0,26 0,81 75 130,6 12,1
3 710 190 1160/750 - 205 0,29 0,8 75 112 10,5
Фибробетон
4 880 355 855/425 90 195 0,22 0,8 75 148,7 18,4
5 875 355 850/425 120 195 0,22 0,8 75 150,8 19,4
6 865 355 845/420 150 193 0,22 0,79 70 151,3 21,8
7 860 355 840/420 180 190 0,22 0,79 70 150,8 23
8 860 355 840/420 210 190 0,22 0,79 62 151 21,8
Примечание. * Перед чертой указана общая масса заполнителя, за чертой - содержание в нем фракций не более 0,63 мм.
_I_I_I_I_
0 1,2 1,5 1,9 2,3 2,5
Количество фибры, %
б
_I_I_I_I_
0 1,2 1,5 1,9 2,3 2,5
Количество фибры, %
в
0 1,2 1,5 1,9 2,3 2,5
Количество фибры, %
Влияние дозировки фибры на пределы прочности при: сжатии (а); изгибе (б); осевом растяжении (в) в возрасте 3 (1); 7 (2); 28 (3) сут
Пределы прочности определяли в соответствии с ГОСТ 10180—90: при сжатии ^) — испытанием образцов-кубов размером 100x100x100 мм; при осевом растяжении — испытанием образцов-призм («восьмерок») высотой 490 мм с сечением в зоне предполагаемого разрыва 70x70 мм; при изгибе — испытанием призм 100x100x400 мм.
Модули упругости и призменную прочность ^ь) определяли на призмах размером 100x100x400 мм: начальный модуль — в соответствии с ГОСТ 24452—80; динамический — путем измерения резонансной частоты вынужденных колебаний.
Все образцы выдерживались в нормальных температурно-влажностных условиях (относительная влажность 95—98%, температура 18—22оС).
В табл. 1 приведены составы смесей с указанием содержания основных компонентов и свойства бетонов. В составах №№ 1—3 постоянным был общий объем активных компонентов матрицы, т. е. смешанного вяжущего (цемент+модификатор), воды и заполнителя фракций меньше 0,63 мм, но варьировалось соотношение между вяжущим и заполнителем. В составах №№ 4—8 при ста-
бильном количестве цемента, модификатора, заполнителя и воды варьировалось содержание фибры.
Результаты испытаний
Свойства смесей. Все образцы бетонных смесей (матрицы и армированные фиброй) имели высокую подвижность — расплыв стандартного конуса — в диапазоне 70—75 см и отличались повышенной связностью — не-расслаиваемостью, что приравнивает их к категории самоуплотняющихся. Исключение составил образец № 8 (табл. 1), который, вероятно, в связи с повышенной дозировкой фибры имел подвижность — расплыв конуса 62 см. Замещение до 12% смешанного вяжущего заполнителем мелких фракций практически не повлияло на реологические свойства смесей.
Свойства бетонов. На рисунке показаны тенденции изменения прочности на осевое сжатие и растяжение при изгибе в зависимости от количества фибры в бетонной смеси.
Из данных, представленных на рисунке, следует, что наибольшие значения прочности на растяжение при изгибе достигаются при дозировках фибры 150—180 кг/м3, что составляет 2—2,3% от объема бетона. Это — своеобразный «порог эффективности» выбранной фибры, при котором достигаются лучшие показатели по подвижности смесей и прочности бетона. При меньших дозировках фибры достигается требуемая подвижность смесей, но меньше прочность на растяжение при изгибе, соответственно на осевое растяжение. Превышение этих дозировок приводит к снижению подвижности смесей (табл. 1) и практически не способствует приросту прочности.
Отметим, что при дозировках фибры на уровне порога эффективности (180 кг/м3) ранее [5] были получены подобные результаты по прочности при сжатии и при изгибе, но другие (заниженные) значения прочности на осевое растяжение. Последнее оказалось следствием специфических особенностей приготовленных для испытаний образцов, которые, отличаясь по форме и размерам от принятой в ГОСТ 10180—90, привели к некорректным результатам.
На основании полученных данных с учетом выявленных зависимостей свойств бетонов от состава смесей приготовлены два образца сталефибробетона для определения деформативных характеристик. Один из них класса В 130, другой — сравнительно экономичный — класса В 100 из самоуплотняющейся смеси. Особенностями их составов являлось разное количество смешанного вяжущего, соответственно мелких фракций заполнителя, и равные дозировки фибры и воды. Выбор таких бетонов обоснован необходимостью обеспечить максимальное значение предела прочности при осевом растяжении (9—10 МПа) при минимизированной за счет сокращения расхода цемента и модификатора стоимости бетонных смесей.
В табл. 2 приведены основные параметры смесей, прочностные и деформативные свойства указанных бетонов в возрасте 28 сут.
Как видно, три показателя качества армированных фиброй бетонов, существенно отличающихся между собой расходом цемента и модификатора, практически одинаковы. Подвижность смесей — расплыв стандартного конуса остается в диапазоне 70—75 см, что соответствует понятию «самоуплотняющийся бетон» [6], на одном уровне и значения предела прочности на осевое растяжение (диапазон 9,7—10,1 МПа). Незначительно (менее 5%) различаются прочности на растяжение при изгибе (20,2—21 МПа). Более существенно (на 12—18%) отличаются значения пределов прочности при сжатии, начального и динамического модулей упругости. Такие результаты связаны с характеристиками матриц, по-разному воспринимающих сжимающие нагрузки, и с
¡■Л ®
июль 2013
29
Таблица 2
Основные компоненты смесей, кг/м3 Прочность бетона в 28 сут, МПа Модуль упругости, ГПа s _ а® л ип н0
№ п/п Вид бетона Цемент Фибра МБ-50К Заполнители Вода В/Ц РК, см R Rb Rbt Rtt Еь Един скина иен10 и ет и ц fco-ö-ffl I " »! Ф а о а
Сверхвысокопрочный бетон
1 Матрица 900 - 360 870 195 0,21 75 141,2 125,6 5,5 12 45,3 49,3 В124
2 Фибробетон 870 180 350 850 185 0,21 75 145,8 132,5 10,1 21 49 54,6 В128
Высокопрочный бетон
3 Матрица 710 - 190 1160 205 0,29 70 112 101,6 4,2 10,5 42,8 44,1 В98
4 Фибробетон 700 180 190 1150 200 0,29 70 125 115,4 9,7 20,2 44,2 46,5 В110
положительной ролью дисперсного армирования, которое уменьшает различия между двумя неравнопрочными матрицами, повышая сопротивление материала растягивающим напряжениям и нивелируя значения проч-ностей на растяжение.
Уместно отметить, что значения прочностей и де-формативных характеристик получены в возрасте бетонов 28 сут и со временем повышаются. Данные о кинетике изменения характеристик бетонов с органо-минеральным модификатором МБ-50С показывают, что в период от 28 до 180 сут пределы прочности на осевое растяжение и изгиб могут увеличиваться на 28— 35% [1, 7].
Производственный и экономический аспекты. Производство дисперсно-армированного бетона с представленными выше характеристиками может осуществляться с использованием доступных материалов (цемента, органоминеральных модификаторов, стальной фибры, песка оптимизированной гранулометрии) на традиционном для заводов технологическом оборудовании (смесителях принудительного действия), в дополнение к которому должен быть приспособлен дозатор фибры с трактом подачи.
Стоимость бетонов ориентировочно может быть определена по прямым затратам на его производство, т. е. на основании расхода материалов и сложившихся цен на них. В сравнении с высокопрочными тяжелыми бетонами класса В100, которые уже применяются при возведении каркаса высотного здания на одной из площадок Москва-Сити, стоимость сверхвысокопрочного сталефибробетона классов В110—В130 из-за присутствия фибры будет в 1,8—2,2 раза выше. Однако целесообразность применения таких бетонов следует оценивать не путем сопоставления стоимости бетонных смесей, а приняв во внимание побочные технические эффекты, позволяющие возводить высокопрочные конструкции и повышать эксплуатационную надежность сооружений.
Выводы
1. Строительному производству и проектированию может быть предоставлен сверхвысокопрочный самоуплотняющийся сталефибробетон классов от В100 до В130, отличающийся повышенной удобоуклады-ваемостью и технологичностью, со следующими характеристиками:
— прочность при осевом растяжении не ниже
10 МПа, начальный модуль упругости (Еь) 44—50 ГПа при значениях динамического модуля упругости (Един) - 46-55 ГПа.
2. Ориентировочная стоимость таких сверхвысокопрочных дисперсно-армированных бетонов может
превышать стоимость тяжелого бетона класса В100 в 1,8—2,2 раза. Однако экономическая целесообразность их применения должна быть основана не на прямом сравнении затрат на производство бетонных смесей, а на получении следующих эффектов:
— повышения надежности (несущей способности) конструкций и сооружений, подвергаемых экстремальным динамическим и ударным нагрузкам;
— повышения производительности бетонных работ за счет использования высокоподвижных смесей;
— замещения массивных несущих конструкций из тяжелого бетона со стержневой арматурой на ажурные дисперсно-армированные конструкции из сверхвысокопрочного с соответствующим снижением массы сооружений, увеличением полезных площадей на одной и той же площади застройки.
Ключевые слова: сталефибробетон, всерхвысокопроч-ный бетон, динамические нагрузки, монолитные конструкции.
Список литературы
1. Каприелов С.С., Шейнфельд А.В., Кардумян Г.С. Новые модифицированные бетоны. М.: ООО «Типография Парадиз», 2010. 258 с.
2. Каприелов С.С., Травуш В.И., Карпенко Н.И., Шейнфельд А.В., Кардумян Г.С., Киселева Ю.А., Пригожен-ко О.В. Модифицированные бетоны нового поколения в сооружениях ММДЦ «Москва-Сити || Строительные материалы. 2006. № 10. С. 13—17.
3. Ambroise J., Rols S., Pera J. Propertiesofself-leveling concrete reinforced by steelfibers. Proceedings of the 3-d International RILEM Workshop on Reinforced Cement Composites. HPFRCC3. Mainz. 1999. Pp. 9-17.
4. Каприелов С.С., Батраков В.Г., Шейнфельд А.В. Модифицированные бетоны нового поколения: реальность и перспектива II Бетон и железобетон. № 6. 1999. С. 6-10.
5. Мишина А.В., Чилин И.А., Андрианов А.А. Физико-технические свойства сверхвысокопрочного сталефи-бробетона || Вестник МГСУ № 3. 2011. С. 159-165.
6. The European Guidelines for Self-Compacting Concrete. Specification, Production and Use. BIBM, CEMBUREU, ERMCO, EFCA, EFNARC. May 2005. 63 p.
7. Каприелов С.С., Шейнфельд А.В., Кардумян Г.С., Дондуков В.Г. Модифицированные высокопрочные мелкозернистые бетоны с улучшенными деформа-тивными характеристиками II Бетон и железобетон. № 2. 2006. С. 2-7.
