ВЛИЯНИЕ УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКОН НА ПРОЧНОСТЬ ПОРОШКОВОГО БЕТОНА С МИКРОКРЕМНЕЗЕМОМ
Р.А. Дрянин, О.В. Суздальцев, С.В. Ананьев, В.И. Калашников
В статье приведены научные результаты по изучению влияния углеродных волокон на прочность порошкового бетона нового поколения с добавлением микрокремнезема. Приведены прочностные показатели фибробетонов с углеродными волокнами и с комбинированной фиброй.
Ключевые слова: высокопрочный бетон, углеродные волокна, микрокремнезем, прочность.
Эволюционное развитие и совершенствование бетонов нового поколения – это повышение уровня наукоемкости в технологии и увеличения числа компонентов бетонной смеси. Производство бетонов станет наукоемкой химической технологией получения уникальных композиционных бетонных смесей для бетонов широкого функционального назначения.
Коллектив кафедры «Технология бетонов, керамики и вяжущих» (ТБКиВ), с 1 сентября 2012 года переименованная в кафедру «Технология строительных материалов и деревообработки» («ТСМиД») Пензенского государственного университета архитектуры и строительства (ПГУАС) на протяжении последних 19 лет активно занимается разработкой высокопрочных (ВПБ) и особовысокопрочных бетонов (ОВПБ) [1-3].
Для оценки адгезии углеродных волокон к тонкодисперсной матрице и кинетики упрочнения ее от дисперсного армирования использовали белый быстротвердеющий датский цемент СЕМ 52,5, домолотый с суперпластификатором (ЦДС) и 7% микрокремнезема. Использование белого цемента было обусловлено получением отделочных фибробетонных плит. В качестве суперпластификатора (СП) использовали Мelflux 5581 F в количестве 1% от массы цемента. Домол осуществляли в течение 15 минут до дисперсности, равной 4900 см2 /г. Контрольный состав приготавливали в мешалке с миксером, добавляя постепенно в цементно-микрокремнеземистую смесь в воду затворения. Водо-цементное отношение – В/Ц = 0,17. После приготовления цементную суспензию с консистенцией, соответствующей расплыву из конуса Хагерманна (265 мм), разливали в формы и после суточного твердения под полиэтиленовой пленкой образцы хранили в течение 27 суток в двойных полиэтиленовых мешках.
Фибро-цементную бетонную смесь изготавливали при том же значении В/Ц-отношения. Смесь с волокнами была более подвижная с расплывом из конуса Хагерманна – 285 мм. Плотность сырых образцов после суток твердения оказалась практически одинаковой: у цементномикрокремнеземистого камня – 2317 кг/м3 , камня с фиброй – 2327 кг/м3 .
Эффективность фибры необходимо оценивать по удельному расходу фибры на единицу прироста прочности на осевое растяжение армированного бетона по сравнению с исходным матричным бетоном [1].
Кинетика изменения прочности образцов представлена на рис. 1, откуда видно, что прочности при сжатии фиброцементного камня в первые 1-7 суток, незначительно уступает прочности цементного камня. Прочность на растяжение дисперсно-армированного камня во все сроки твердения на 50-60 % выше чем неармированного.
Таким образом, несмотря на небольшую длину волокон они существенно повышают прочность на растяжение при изгибе, что свидетельствует о достаточном сцеплении инородных по природе углеродных волокон с цементным камнем. Вероятно, такое сцепление связано соизмеримостью диаметра волокон (10-13 мкм) со среднестатистическим размером частиц цемента (10-20 мкм).
При использовании микрофибры Ø 5-10 мкм высокопрочные порошковые бетоны уже при содержании волокон в количестве 0,5-1,0 % по объему становятся высокооднородными объемно-армированными композитами.
Рис. 1. Прочность цементного и фиброцементного камня на сжатие и растяжение при изгибе в различные сроки твердения
Р.А. Дрянин, О.В. Суздальцев, С.В. Ананьев, В.И. Калашников
В статье приведены научные результаты по изучению влияния углеродных волокон на прочность порошкового бетона нового поколения с добавлением микрокремнезема. Приведены прочностные показатели фибробетонов с углеродными волокнами и с комбинированной фиброй.
Ключевые слова: высокопрочный бетон, углеродные волокна, микрокремнезем, прочность.
Эволюционное развитие и совершенствование бетонов нового поколения – это повышение уровня наукоемкости в технологии и увеличения числа компонентов бетонной смеси. Производство бетонов станет наукоемкой химической технологией получения уникальных композиционных бетонных смесей для бетонов широкого функционального назначения.
Коллектив кафедры «Технология бетонов, керамики и вяжущих» (ТБКиВ), с 1 сентября 2012 года переименованная в кафедру «Технология строительных материалов и деревообработки» («ТСМиД») Пензенского государственного университета архитектуры и строительства (ПГУАС) на протяжении последних 19 лет активно занимается разработкой высокопрочных (ВПБ) и особовысокопрочных бетонов (ОВПБ) [1-3].
Для оценки адгезии углеродных волокон к тонкодисперсной матрице и кинетики упрочнения ее от дисперсного армирования использовали белый быстротвердеющий датский цемент СЕМ 52,5, домолотый с суперпластификатором (ЦДС) и 7% микрокремнезема. Использование белого цемента было обусловлено получением отделочных фибробетонных плит. В качестве суперпластификатора (СП) использовали Мelflux 5581 F в количестве 1% от массы цемента. Домол осуществляли в течение 15 минут до дисперсности, равной 4900 см2 /г. Контрольный состав приготавливали в мешалке с миксером, добавляя постепенно в цементно-микрокремнеземистую смесь в воду затворения. Водо-цементное отношение – В/Ц = 0,17. После приготовления цементную суспензию с консистенцией, соответствующей расплыву из конуса Хагерманна (265 мм), разливали в формы и после суточного твердения под полиэтиленовой пленкой образцы хранили в течение 27 суток в двойных полиэтиленовых мешках.
Фибро-цементную бетонную смесь изготавливали при том же значении В/Ц-отношения. Смесь с волокнами была более подвижная с расплывом из конуса Хагерманна – 285 мм. Плотность сырых образцов после суток твердения оказалась практически одинаковой: у цементномикрокремнеземистого камня – 2317 кг/м3 , камня с фиброй – 2327 кг/м3 .
Эффективность фибры необходимо оценивать по удельному расходу фибры на единицу прироста прочности на осевое растяжение армированного бетона по сравнению с исходным матричным бетоном [1].
Кинетика изменения прочности образцов представлена на рис. 1, откуда видно, что прочности при сжатии фиброцементного камня в первые 1-7 суток, незначительно уступает прочности цементного камня. Прочность на растяжение дисперсно-армированного камня во все сроки твердения на 50-60 % выше чем неармированного.
Таким образом, несмотря на небольшую длину волокон они существенно повышают прочность на растяжение при изгибе, что свидетельствует о достаточном сцеплении инородных по природе углеродных волокон с цементным камнем. Вероятно, такое сцепление связано соизмеримостью диаметра волокон (10-13 мкм) со среднестатистическим размером частиц цемента (10-20 мкм).
При использовании микрофибры Ø 5-10 мкм высокопрочные порошковые бетоны уже при содержании волокон в количестве 0,5-1,0 % по объему становятся высокооднородными объемно-армированными композитами.
Рис. 1. Прочность цементного и фиброцементного камня на сжатие и растяжение при изгибе в различные сроки твердения
Оценка расстояния между поверхностями волокон в бетоне при диаметре волокна 13 мкм дает очень малое значение Sn = 162 мкм. При таком расстоянии частицы тонкого песка диаметром более 162 мкм будут изменять топологическое расположение волокон, сдвигая их в пространство реологической матрицы - матрицы первого рода, увеличивая степень армирования ее. Это будет способствовать блокированию развития микротрещины.
Представляло интерес изготовление порошковых фибробетонов с углеродной микрофиброй и с комбинированным армированием стальной латунированной фиброй (d=0,2мм, L=12мм) и углеродной микрофиброй. Углеродные волокна измельчали кратковременным помолом совместно с цементом и гиперпластификатором. После такой обработки длина волокон по результатам микроскопического анализа находилась в пределах 0,3-2,0мм.
Использовались составы реакционно-порошкового бетона с близкими расходами цемента от 703 до 723 кг цемента на 1 м3 бетона, с МК от 10 до 15%, при В/Ц=0,95-1. Консистенция бетонных смесей была практически одинаковой по расплыву конуса Хагерманна. Результаты испытаний представлены табл. 1.
Таблица 1
Прочностные показатели фибробетонов с углеродными волокнами и с комбинированной фиброй
Представляло интерес изготовление порошковых фибробетонов с углеродной микрофиброй и с комбинированным армированием стальной латунированной фиброй (d=0,2мм, L=12мм) и углеродной микрофиброй. Углеродные волокна измельчали кратковременным помолом совместно с цементом и гиперпластификатором. После такой обработки длина волокон по результатам микроскопического анализа находилась в пределах 0,3-2,0мм.
Использовались составы реакционно-порошкового бетона с близкими расходами цемента от 703 до 723 кг цемента на 1 м3 бетона, с МК от 10 до 15%, при В/Ц=0,95-1. Консистенция бетонных смесей была практически одинаковой по расплыву конуса Хагерманна. Результаты испытаний представлены табл. 1.
Таблица 1
Прочностные показатели фибробетонов с углеродными волокнами и с комбинированной фиброй
Как следует из табл. 1, углеродные волокна при степени армирования 0,5% повышают прочность бетона на сжатие на 14%, прочность на растяжение при изгибе на 22%. Фибробетон с 1,5% стальной фибры с d=0,2мм и L=12мм упрочняется по прочности на сжатие на 25%, а по прочности на растяжение при изгибе на 27%.
Наибольшее упрочнение наблюдается при комбинированном армировании бетона углеродной фиброй (0,5%) и стальной (3%). В этом случае прочность на сжатие повышается на 41,6%, и на растяжение - в 3 раза! Также интенсивно повышается прочность в первые сутки на сжатие на 65%, на растяжение при изгибе на 95%.
Таким образом, комбинированное армирование позволяет получить сверхвысокопрочные бетоны с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Библиографический список:
1. Калашников В.И., Ананьев С.В. Высокопрочные и особовысокопрочные бетоны с дисперсным армированием // Строительные материалы. – 2009. – № 6. – С. 59-61.
2. Калашников В.И., Валиев Д.М., Гуляева Е.В., Володин В.М. Высокопрочные порошковоактивированные пропариваемые песчаные бетоны нового поколения // Известия высших учебных заведений. Строительство. – 2011. – № 5. – С. 14-19.
3. Тараканов О.В., Калашников В.И., Белякова Е.А., Москвин Р.Н. Самоуплотняющиеся бетоны нового поколения на основе местных сырьевых ресурсов // Региональная архитектура и строительство. 2014. – № 2. – С. 47-53
Наибольшее упрочнение наблюдается при комбинированном армировании бетона углеродной фиброй (0,5%) и стальной (3%). В этом случае прочность на сжатие повышается на 41,6%, и на растяжение - в 3 раза! Также интенсивно повышается прочность в первые сутки на сжатие на 65%, на растяжение при изгибе на 95%.
Таким образом, комбинированное армирование позволяет получить сверхвысокопрочные бетоны с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Библиографический список:
1. Калашников В.И., Ананьев С.В. Высокопрочные и особовысокопрочные бетоны с дисперсным армированием // Строительные материалы. – 2009. – № 6. – С. 59-61.
2. Калашников В.И., Валиев Д.М., Гуляева Е.В., Володин В.М. Высокопрочные порошковоактивированные пропариваемые песчаные бетоны нового поколения // Известия высших учебных заведений. Строительство. – 2011. – № 5. – С. 14-19.
3. Тараканов О.В., Калашников В.И., Белякова Е.А., Москвин Р.Н. Самоуплотняющиеся бетоны нового поколения на основе местных сырьевых ресурсов // Региональная архитектура и строительство. 2014. – № 2. – С. 47-53
