CC BY
14УДК 691.327 DOI 10.24411/2686-7818-2020-10035
ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЕ В КРУПНОПОРИСТОМ БЕТОНЕ С ИНТЕГРАЛЬНЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ КРУПНОГО ЗАПОЛНИТЕЛЯ*
© 2020А.П. Пичугин, В.Ф. Хританков, О.Е. Смирнова, Е.Г. Пименов**
При решении задачи получения и исследования легких крупнопористых бетонов на основе топливных шлаков и керамзитового гравия были изучены физико-механические свойства нового материала и подтверждена возможность их использования в качестве крупного заполнителя. Разработаны рациональные составы материала и защитной композиции для гранул шлака, способствующие обеспечить повышение прочностных параметров. Дальнейшее изучение свойства потребовало провести комплекс исследований по эксплуатационной стойкости крупнопористого легкого бетона под нагрузкой и определить максимально допустимые напряжения в материале до образования трещин. Проведенные испытания показали, что наиболее уязвимым местом в крупнопористом легком бетоне является контактная зона между крупным заполнителем и цементной матрицей.
Ключевые слова: легкий крупнопористый бетон, гранулы шлака, керамзитовый гравий, трещинообразование, контактная зона крупного заполнителя, цементная матрица.
Важной прочностной характеристикой легкого крупнопористого бетона является предел прочности при изгибе, который определяется свойствами поверхности крупного заполнителя и адгезионными свойствами цементного вяжущего. Известно, что повышению прочности контактной зоны крупного заполнителя с цементным камнем способ -ствует целый ряд различных рецептурных и технологических факторов: количество цементного теста, приходящегося на единицу площади гранул минерального заполнителя; прочность самих гранул крупного заполнителя; степень и способ уплотнения легкобе-
тонной смеси; наличие примесей и пылева-тых частиц на поверхности крупного заполнителя; условия твердения бетона и др.
Ранее авторами была разработана рецептура и технология производства легкого крупнопористого бетона с интегральной пористой структурой, получаемой путем изменения диаметра крупного заполнителя в слоях бетонного массива.
В качестве заполнителя были использованы гранулы шлака и керамзита. Изделия из крупнопористого бетона на шлакокерам-зитовых заполнителях в виде блоков с многослойной структурой имеют изменяемую
* Работа представлена в качестве доклада на XI Академических чтениях РААСН - Международной научно-технической конференции «Долговечность, прочность и механика разрушения строительных материалов и конструкций», посвященной памяти первого Председателя Научного совета РААСН « Механика разрушения бетона, железобетона и других строительных материалов » Почетно -го члена РААСН, д.т.н., профессора Зайцева Юрия Владимировича (Саранск, ФГБОУ ВО "Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва", 2020 год).
** Пичугин Анатолий Петрович (gmunsau@mail.ru) - доктор технических наук, профессор; Новосибирский государственный аграрный университет (Новосибирск, РФ); Хританков Владимир Федорович - доктор технических наук, профессор; Новосибирский государственный аграрный университет (Новосибирск, РФ); Смирнова Ольга Евгеньевна - кандидат технических наук, доцент, Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет; Новосибирск, РФ); Пименов Евгений Геннадьевич - инженер, Новосибирский государственный аграрный университет (Новосибирск, РФ).
пористость слоев от максимальной в наружном слое до минимальной в центре. Исходя из рекомендаций по технологии крупнопористого бетона, крупный пористый заполнитель следует применять в виде дозируемых фракций 5-10, 10-20 и 20-40 мм. Слой бетона на заполнителе фракции 20-40 мм отличается минимальной плотностью, поэтому размещается в центре блока. Изменение общей пористости слоев крупнопористого бетона, включающей в себя как микропористость крупного заполнителя, так и пустот-ность между зернами заполнителя, от минимальной у поверхности изделия к максимальной в центре и обратно, обеспечивает плавное изменение теплофизических характеристик материала по всей толщине изделия. Наружный слой легкобетонного блока на заполнителе фракции 5-10 мм характеризуется средней плотностью 810-840 кг/м3, пределом прочности при сжатии 7,7 МПа, морозостойкостью F50. Плотная структура наружного слоя необходима для защиты материала от внешних воздействий, а также, при необходимости, для обеспечения надежной анкеровки крепежных элементов (рис. 1) [1-3].
Испытание крупнопористых легкобетонных образцов на изгиб показало, что в бето-
нах на керамзитовом гравии разрушения преимущественно происходят по цементному камню; в бетонах на шлаковом заполнителе - по цементному камню и гранулам шлака. В то же время при использовании комбинированных крупных заполнителей: керамзита и предварительно обработанного топливного шлака отмечены, как правило, разрушения по цементному камню. В силу большой впитывающей способности шлакового заполнителя происходит обезвоживание и снижение гидратационной активности цемента в условиях дефицита влаги, что приводит к уменьшению прочности. Поэтому было предложено, наряду с обработкой шлакового заполнителя полимерсили-катной композицией производить микроармирование цементной матрицы хризотилце-ментными отходами для снижения усадочных напряжений и повышения прочности при изгибе. На рисунке 2 представлены кривые зависимости прочностных показателей легкого крупнопористого бетона от количества добавки хризотилцементных отходов (% мас. цемента) для различных фракций крупного комбинированного заполнителя.
Анализ зависимостей прочности крупнопористого бетона на заполнителе различных фракций от количества хризотилцементной
ЭКСПЕРТ:
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2020. № 4 (7)
Фракции
Рис. 1. Структурная схема стенового блока из крупнопористого легкого бетона на шлакокерамзитовых заполнителях с измененяемой пористостью
Прочность при изгибе в возрасте 28 суток
Фракция 5-10 мм Фракция 10-20 мм Фракция 20-40 мм
Б« добавки 14% 18% "12% "15%
Рис. 2. Влияние добавки хризотилцементных отходов на прочность при изгибе крупнопористых бетонов на заполнителях разных фракций
добавки (рис. 2) показывает, что увеличение образцов кубов и образцов призм, которые добавки до 12 % мас. приводит к увеличе- подвергались нагрузке до разрушения. При нию прочности при изгибе крупнопористого этом фиксировались деформации образцов бетона, после чего наступает снижение проч- и образование трещин. Далее по существу-ности. Установлен эффект повышения проч- ющим методикам осуществлялся расчет пре-ности при изгибе крупнопористого бетона в дельных напряжений и деформаций [3-5]. 1,5-2 раза при предварительной обработке Разрушение крупнопористого легкого шлаковых гранул пленкообразующей поли- бетона в основном происходит по местам мерсиликатной композицией за счет введения в исходную смесь добавки отходов хри -зотилцементного производства, обеспечивающих микроармирование цементного камня.
Определен модуль упругости легкого крупнопористого бетона и показано, что он напрямую зависит от гранулометрического состава материала. Это вполне коррелирует с показателями предела прочности при сжатии и изгибе. Так, для крупных фракций заполнителя он имеет пониженные значения. Следует так же заметить, что составы на комбинированных минеральных заполнителях имеют повышенные значения модуля упругости по сравнению с легким бетоном на монозаполнителе из керамзитового гравия (рис. 3) [2-4].
Для испытания крупнопористого легкого бетона на шлакокерамзитовом крупном заполнителе готовились различные партии
30
7 14 21 28 Время, сут
Рис. 3. Зависимость модуля упругости лёгких крупнопористых бетонов от фракции и вида заполнителя (керамзит+шлак):
1 - фракция 20-40 мм (керамзит без шлака); 2- фракция 20-40 мм; 3 - фракция 10-20 мм; 4- фракция 5-10 мм
t)
ЭКСПЕРТ:
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2020. № 4 (7)
вблизи контактов цементного раствора со шлаковым заполнителем по пористому заполнителю, что объясняется повышенной прочностью цементного камня по сравне -нию с пористым шлаком. Развитие трещин, находящихся в структуре заполнителя, до определенного момента тормозится цементной матрицей, поэтому они имеют различные очертания, зависящие от степени проникновения цементного теста в структуру пористого заполнителя. На рис. 4 показана схема расположения трещин в крупнопористом легком бетоне на шлакокерамзитовом заполнителе различных фракций. Установлено, что наиболее подверженным к трещино-образованию являются крупнофракционные части блока, что объясняется малым количеством точек соприкосновения (связок) контактов гранул и, как следствие, низким содержанием цементного теста и цементного камня в бетоне.
Для мелких фракций бетона отмечена повышенная плотность при большем расходе цемента и повышенные прочностные показатели до трещинообразования. В тоже время, при испытании всего массива блока прочностные параметры на 35-50% выше, чем для однородного легкого бетона на крупных гранулах.
При введении отходов хризотилцемен-та в цементное тесто увеличивается не толь-
ко прочность самой цементной матрицы. Но и существенно повышаются показатели прочности при изгибе всего материала за счет микрармирования. Отмечен также эффект упрочнения шлаковых гранул при предварительной обработке пленкообразующей полимерсиликатной композицией и введении в исходную смесь хризотилцементных отходов, что способствует упрочнению шлаковой оболочки. Эффект достигается за счет микроармирования цементного камня, дополнительного образования и кристаллиза-ции продуктов гидратации портландцемента на волокнах хризотила, что подтверждается увеличением микротвердости контактных зон на 20-25%. Поэтому такая структура шлакового заполнителя обеспечивает прочность всего изделия, близкую к значению прочности его наружного слоя, при наличии в нем слоев меньшей прочности и плотности.
Разработанные конструкционно-теплоизоляционные изделия для ограждающих конструкций - стеновые многослойные блоки из легкого крупнопористого бетона на основе комбинированного заполнителя (керамзит и предварительно обработанный топливный шлак) с изменением структурной пористости по толщине массива обладают повышенными теплоизоляционными и звукопоглощающими свойствами и могут быть рекомендованы в строительную практику в качестве стеновых изделий.
1
2
3
Рис. 4. Схема прохождения трещин в местах контакта гранул в легком Крупнопористом бетоне с изменяемым расположением крупного заполнителя:
1 - бетон на гранулах d = 20-40 мм; 2 - бетон на гранулах d = 10-20 мм; 3 - бетон на гранулах d =5-10 мм
Библиографический список
3. Пичугин А.П. Технологические возможно
1. Пименов Е.Г. Физико-химические иссле- сти использования отходов теплоэнергетики в дования процессов снижения открытой порис- сельском строительстве / А.П. Пичугин, В.Ф. Хри-тости крупного заполнителя бетонов / Е.Г. Пи- танков, А.Ю. Кудряшов, Е.Г. Пименов // Иннова-менов, А.П. Пичугин, В.Ф. Хританков, А.С. Дени- ции и продовольственная безопасность. - 2017. сов // Известия вузов. Строительство. -2016. - - №4. - С.45-53.
№ 10-11. - С.22-31. 4. Патент № 2661168 Российской Федера-
2. Пичугин А.П. Роль микроармирования в ции. С04В 18/141; С04В 20/10; С04В 20/1085; обеспечении эксплуатационных характеристик С04В 20/12 Способ подготовки шлакового запол-крупнопористого легкого бетона / А.П. Пичугин, нителя для легкого бетона / А.П. Пичугин, В.Ф. А.С. Денисов, В.Ф. Хританков, Е.Г. Пименов // Хританков, А.Ю. Кудряшов, Е.Г. Пименов. Опубл. Известия вузов. Строительство. - 2016. - № 12. - 12.07.2018. Бюл. №20.
С.5-15. 5. Зайцев Ю.В. Механика разрушения для
строителей. - М. Высш. шк., 1991. - 288 с.
Поступила в редакцию 03.06.2020 г.
ЭКСПЕРТ:
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2020. № 4 (7)
CRACK FORMATION IN LARGE-POROUS CONCRETE WITH AN INTEGRAL ARRANGEMENT OF A LARGE FILLER
© 2020A.P. Pichugin, V.F. Khritankov, O.E. Smirnova, E.G. Pimenov*
The physio-mechanical properties of the new material have been studied during the receiving and research process of large-porous light concrete on the basis of slag granules and expanded clay gravel. The possibility of using them as a large filler has been confirmed. Rational compositions of material and protective composition for slag granules were developed. This could increase strength parameters. Further examination of the characteristic required a complex of studies on the operational stability of large-porous light concrete that was under pressure as well as the determination of the maximum acceptable stress in the material before the crack formation. Tests have shown that the most vulnerable place in large-porous light concrete is the contact zone between the large filling substance and the cement matrix.
Keywords: large-porous light concrete, slag granules, expanded clay gravel, crack formation, contact zone of a large filler, cement matrix.
* Pichugin Anatoly Petrovich - Doctor of Sciences, Professor, Novosibirsk state agrarian University (Novosibirsk, Russia); Khritankov Vladimir Fedorovich - Doctor of Sciences, Professor; Novosibirsk state agrarian University (Novosibirsk, Russia); Smirnova Olga Evgenievna - Candidate of Technical, Associate Professor, Novosibirsk state University of architecture and civil engineering (Novosibirsk, Russia); Pimenov Evgeny Gennadievich - engineer, Novosibirsk state University Agrarian University (Novosibirsk, Russia).
Received for publication on 03.06.2020
