+7 908 166 83 91
bepors@rambler.ru
bepors@rambler.ru
ГЛАВА 4 ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РЕАКЦИОННО-ПОРОШКОВЫХ ФИБРОБЕТОНОВ И ОСОБЕННОСТИ ТОПОЛОГИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ПОРОШКОВО- АКТИВИРОВАННЫХ БЕТОНОВ
Идея создания фибробетонов появилась в 1908-1910г.г. и с тех пор материаловеды в течении 100 лет исследуют возможности повышения физико-технических свойств бетонов за счет дисперсного армирования их [15, 49, 71]. При этом использовались длинные волокна стали с L=50-150мм с диаметром 0,8-1,0 мм. В настоящее время в России (и в отдельных случаях за рубежом) в основном используются волокна диаметром 0,6-0,8мм и длиной 50-80мм. За рубежом фибробетоны со стальными волокнами d=0,15-0,3мм стали использоваться с середины 90-х годов прошлого века. Начинает осваиваться производство таких волокон и в России.
Противоречия среди отечественных исследователей по вопросу оптимального диаметра длины стальной фибры окончательно не решены, хотя все единодушны в том, что геометрический фактор, т.е. L/d должен быть близок к 50.
Наиболее благоприятные условия для достижения очень равномерного распределения как толстой и длинной фибры, так и тонкой и короткой фибры, имеют порошковые и реакционно-порошковые бетоны. Худшей топологией размещения тонкой и короткой фибры в теле бетона обладают песчаные бетоны старого поколения. Чем крупнее в составе бетона песок,тем в большей мере он сдвигает волокна стали в межзерновое пространство.
Наихудшие условия для однородного размещения проявляются в щебеночных плотноупакованных бетонах старого поколения, и особенно, при использовании толстых и длинных волокон. Топологическая структура такого бетона характеризуется наличием дискретных пучков волокон, зажатым зернами щебня. В связи с тем, что стальные волокна d=0,6-0,8мм и длиной 60-80мм обладают достаточной жесткостью, то они способны мешать размещению зерен щебня меньшего размера в пустотах более крупных зерен.
Поэтому короткие и тонкие, более гибкие, стальные волокна более предпочтительны как для щебеночных бетонов старого поколения, так и для бетонов переходного периода, т.е. для бетонов с СП и ГП.
В порошково-активированных бетонах нового поколения, как песчаных, так и щебеночных, топологические условия размещения щебня и песка улучшаются за счет увеличения расстояний между зернами при увеличении объема реологической матрицы первого и второго рода.
В целом, можно с уверенностью утверждать, что наиболее прочные фибробетоны, должны быть порошковые и реакционно-порошковые. Для получения их необходимо исключить седиментацию фибры. Однако, возможно, седиментация может быть полезной для получения вариатропных фибробетонов с оседанием фибры в ребра ребристых плит, плит типа П или 2Т.
Наряду со стальной фиброй в порошковых бетонах можно использовать все виды фибр: стеклянную, базальтовую, полимерную, углеродную. В этом случае топологическая структура фибробетонов, практически не будет отличаться от дисперсно-армированных полимерных композитов.
Высокие кинетические возможности повышения прочности порошковых и реакционно-порошковых бетонов не отличаются от таковых для бетонов старого поколения. При введении микрокремнезема и микрокварца кинетика набора прочности во времени становится более интенсивной. Это подтверждают наши исследования долговременной прочности порошковых и реакционно-порошковых бетонов за период 180- 630 суток (табл.4.1).
Как следует из результатов испытании первых не оптимальных составах порошковых бетонов и фибробетонов с относительно не высокой исходной 28-ми суточной прочностью в пределах 101-129 МПа, изготовленных в 2007-2008г.г., повышение прочности за период твердения 365-610 суток было различным. Лишь в двух составах из 10 повышение прочности бетонов на сжатие было менее 20%. В остальных3-х составах прочность повысилась на 20-27%, в 3-х составах на 35-37%, в 2-х составах – на 47-50%.
Таблица 4.1
Противоречия среди отечественных исследователей по вопросу оптимального диаметра длины стальной фибры окончательно не решены, хотя все единодушны в том, что геометрический фактор, т.е. L/d должен быть близок к 50.
Наиболее благоприятные условия для достижения очень равномерного распределения как толстой и длинной фибры, так и тонкой и короткой фибры, имеют порошковые и реакционно-порошковые бетоны. Худшей топологией размещения тонкой и короткой фибры в теле бетона обладают песчаные бетоны старого поколения. Чем крупнее в составе бетона песок,тем в большей мере он сдвигает волокна стали в межзерновое пространство.
Наихудшие условия для однородного размещения проявляются в щебеночных плотноупакованных бетонах старого поколения, и особенно, при использовании толстых и длинных волокон. Топологическая структура такого бетона характеризуется наличием дискретных пучков волокон, зажатым зернами щебня. В связи с тем, что стальные волокна d=0,6-0,8мм и длиной 60-80мм обладают достаточной жесткостью, то они способны мешать размещению зерен щебня меньшего размера в пустотах более крупных зерен.
Поэтому короткие и тонкие, более гибкие, стальные волокна более предпочтительны как для щебеночных бетонов старого поколения, так и для бетонов переходного периода, т.е. для бетонов с СП и ГП.
В порошково-активированных бетонах нового поколения, как песчаных, так и щебеночных, топологические условия размещения щебня и песка улучшаются за счет увеличения расстояний между зернами при увеличении объема реологической матрицы первого и второго рода.
В целом, можно с уверенностью утверждать, что наиболее прочные фибробетоны, должны быть порошковые и реакционно-порошковые. Для получения их необходимо исключить седиментацию фибры. Однако, возможно, седиментация может быть полезной для получения вариатропных фибробетонов с оседанием фибры в ребра ребристых плит, плит типа П или 2Т.
Наряду со стальной фиброй в порошковых бетонах можно использовать все виды фибр: стеклянную, базальтовую, полимерную, углеродную. В этом случае топологическая структура фибробетонов, практически не будет отличаться от дисперсно-армированных полимерных композитов.
Высокие кинетические возможности повышения прочности порошковых и реакционно-порошковых бетонов не отличаются от таковых для бетонов старого поколения. При введении микрокремнезема и микрокварца кинетика набора прочности во времени становится более интенсивной. Это подтверждают наши исследования долговременной прочности порошковых и реакционно-порошковых бетонов за период 180- 630 суток (табл.4.1).
Как следует из результатов испытании первых не оптимальных составах порошковых бетонов и фибробетонов с относительно не высокой исходной 28-ми суточной прочностью в пределах 101-129 МПа, изготовленных в 2007-2008г.г., повышение прочности за период твердения 365-610 суток было различным. Лишь в двух составах из 10 повышение прочности бетонов на сжатие было менее 20%. В остальных3-х составах прочность повысилась на 20-27%, в 3-х составах на 35-37%, в 2-х составах – на 47-50%.
Таблица 4.1
* ― армированные стальной нержавеющей фиброй, d = 0,15мм;l = 8-9мм (1% по объему бетона);
** ― армированные акрилонитрильной фиброй, d = 2,5мм; l = 4мм (0,3% по объемубетона);
*** ― армированные комбинированной фиброй (стальной (0,9%)и акрилонитрильной (0,1%)).
Повышение прочности на растяжение при изгибе от 12 до 23% зафиксированно в 4-х составах, от 32 до 40% - в 5-ти составах и в одном составе – на 61%. Таким образом, если достигнутая прочность бетона и фибробетона составляет через 28 суток 200 МПа, то через 1 год минимально- возможная прочность составит 240-250МПа.
4.1 Обоснование выбора рационального диаметра фибры с учетом топологии при размещении ее. Свойства высокопрочных фибробетонов.
Основными факторами создания сверхвысокопрочных фибробетонов являются:
–создание плотной и прочной бетонной матрицы с прочностью на сжатие до 120-140 МПа и более, обеспечивающей хорошее сцепление с фиброй.
– использование стальной фибры с оптимальными геометрическими параметрами, с анкерующей поверхностью или с анкерными концами.
Однако в российской практике активно используют толстую фибру диаметром d = 0,5-1,0 мм и длиной 50-70 мм. Такая фибра поставляется из-за рубежа и изготовляется отечественными предприятиями [101].
Нерациональное использование толстой фибры диаметром 0,8-1,0 мм и длиной 50-70мм доказывается теоретически. Используя формулу В.И. Калашникова [98], определим среднее расстояние Sц между геометрическими центрами фибр:
** ― армированные акрилонитрильной фиброй, d = 2,5мм; l = 4мм (0,3% по объемубетона);
*** ― армированные комбинированной фиброй (стальной (0,9%)и акрилонитрильной (0,1%)).
Повышение прочности на растяжение при изгибе от 12 до 23% зафиксированно в 4-х составах, от 32 до 40% - в 5-ти составах и в одном составе – на 61%. Таким образом, если достигнутая прочность бетона и фибробетона составляет через 28 суток 200 МПа, то через 1 год минимально- возможная прочность составит 240-250МПа.
4.1 Обоснование выбора рационального диаметра фибры с учетом топологии при размещении ее. Свойства высокопрочных фибробетонов.
Основными факторами создания сверхвысокопрочных фибробетонов являются:
–создание плотной и прочной бетонной матрицы с прочностью на сжатие до 120-140 МПа и более, обеспечивающей хорошее сцепление с фиброй.
– использование стальной фибры с оптимальными геометрическими параметрами, с анкерующей поверхностью или с анкерными концами.
Однако в российской практике активно используют толстую фибру диаметром d = 0,5-1,0 мм и длиной 50-70 мм. Такая фибра поставляется из-за рубежа и изготовляется отечественными предприятиями [101].
Нерациональное использование толстой фибры диаметром 0,8-1,0 мм и длиной 50-70мм доказывается теоретически. Используя формулу В.И. Калашникова [98], определим среднее расстояние Sц между геометрическими центрами фибр:
где d – диаметр фибры;
μ – степень объемного армирования, %;
Расстояние между поверхностями фибр Sп
μ – степень объемного армирования, %;
Расстояние между поверхностями фибр Sп
При диаметре фибры 0,8 мм и степени армирования 0,5%, расстояние между поверхностями фибр будет:
Расположим фибру идеализированно изометрически вдоль оси изгибаемого элемента, а положение центров цилиндров в кубической упаковке изобразим на рис. 4.1а. Реально фибра в бетоне располагается хаотически. Используем другую идеализацию и расположим фибру в бетоне по трем координатам декартовой системы координат на рассчитанное расстояние между центрами (поперечный и продольный разрезы балки).
Рис.4.1 (а, б) Топология расположения фибры d=0,8мм и варианты распространения трещин в вероятных сечениях максимального изгибающего момента (показаны фрагменты расположения волокон с анкерными окончаниями)
Из рис. 4.1 б видно, что толстая фибра очень дискретно располагается в бетоне и зародившаяся трещина от изгибающего момента беспрепятственно распространяется по матрице, минуя фибру. Особенно это проявляется при ширине изделия, соизмеримой с длиной фибры (нижняя часть ребра ребристой плиты покрытия). Если трещина зарождается в поле расположения фибры, то она может остановиться от блокирующего действия фибры и, в этом случае, развивается трещина в межфибровом пространстве. Именно по этой причине, используемая в России итальянская, греческая и немецкая толстая фибра, которая поставляется из-за рубежа, не эффективно работает в изгибаемых конструкциях при малом содержании ее в бетоне.
Совершенно очевидно, что если вместо прямой фибры использовать зарубежную фибру Dramix RC-80-60BN (компании Bekert) или фибру Wirand FF3 (компании Maccaferri) с анкерными элементами (рис 4.1б), то эти элементы не блокируют развитие трещин при малом содержании фибры.
Обратимся к работам по фибробетону [99], в которых использовалась фибра диаметром 0,8мм. На рис. 4.2 представлена зависимость прочности бетона на растяжение от степени армирования.
Из рис. 4.1 б видно, что толстая фибра очень дискретно располагается в бетоне и зародившаяся трещина от изгибающего момента беспрепятственно распространяется по матрице, минуя фибру. Особенно это проявляется при ширине изделия, соизмеримой с длиной фибры (нижняя часть ребра ребристой плиты покрытия). Если трещина зарождается в поле расположения фибры, то она может остановиться от блокирующего действия фибры и, в этом случае, развивается трещина в межфибровом пространстве. Именно по этой причине, используемая в России итальянская, греческая и немецкая толстая фибра, которая поставляется из-за рубежа, не эффективно работает в изгибаемых конструкциях при малом содержании ее в бетоне.
Совершенно очевидно, что если вместо прямой фибры использовать зарубежную фибру Dramix RC-80-60BN (компании Bekert) или фибру Wirand FF3 (компании Maccaferri) с анкерными элементами (рис 4.1б), то эти элементы не блокируют развитие трещин при малом содержании фибры.
Обратимся к работам по фибробетону [99], в которых использовалась фибра диаметром 0,8мм. На рис. 4.2 представлена зависимость прочности бетона на растяжение от степени армирования.
Рис. 4.2. Зависимость прочности бетона на растяжение при изгибе в зависимости от степени армирования. [99]
Как видно из рис. 4.2 армирование фиброй диаметром 0,8мм до степени армирования 0,6; 0,9 и 1,3% различных цементных композиций не дает увеличения прироста прочности на растяжение при изгибе. Это подтверждается исследованиями Ю.В, Пухаренко [99]. Эту зону бесполезного армирования он называет «зоной рассеянного армирования». Значит 1,3% фибры, т.е. 101 кг на 1м3 бетона вводится бесполезно только для того, чтобы добавленное количество фибры сверх 1,3% способствовало повышению прочности. А это 2500 руб., затрачены бесполезно. При работе фибробетона с использованием толстой фибры на растяжение при изгибе реализуется самый невыгодный случай нагружения, исходя из результатов экспериментальных испытаний (рис. 4.2). При осевом растяжении наличие одной-трех толстых фибр (с анкерными элементами), расположенных перпендикулярно действующей раскалывающей силы вносит существенный вклад в сопротивление бетона раскалыванию. Это убедительно показано в экспериментах, проведенных в [100], когда увеличение степени армирования с 0,198% до 0,226:, т.е. на 0,028% от исходного позволило повысить прочность на раскалывание на 16,6%! Но это лишь один вид нагрузки. Кроме того, такую фибру нельзя использовать в самоуплотняющихся высокопрочных и реакционно-порошковых бетонах, а возможно и самоуплотняющихся порошково-активированных песчаных бетонах. Фибра должна по геометрическим параметрам приближаться к универсальной. Напрашивается вывод: бетоны необходимо армировать тонкой фиброй, чтобы превратить их в композиты, в которых тонкие волокна расположены очень часто и пути распространения трещин перекрыты. Оценим, какое количество фибры меньшего диаметра можно изготовить из толстой фибры d=0,8мм при равной их длине, чтобы сделать бетон дисперсно-армированным композитом. Объемы волокон фибры равной длины соотносятся пропорционально квадратам диаметров, т.е d1/d2 . В табл. 4.2 показано, какое количество более тонкой фибры может получиться из фибры диаметром 0,8мм. Если стальную фибру d = 0,8 мм заменить фиброй 0,2 и 0,15мм, то количество таких фибр, равных по объему фибре диаметром 0,8мм, соответственно, составит 16 и 28шт. В г. Пензе, единственном городе Российской Федерации, осуществляется освоение фибры d=10,0 мкм, покрытой стеклянной оболочкой толщиной 1,5-2 мкм. Количество таких фибр в объеме фибры d=0,8мм равной длины будет 3265 шт. Если используется базальтовая или углеродная фибра диаметром 0,008мм (8 мкм), то количество фибр возрастает до 10000 шт. Естественно, что при таком количестве фибр плотность расположения ее в бетоне будет настолько высокой, что возникающие трещины не найдут свободного пространства в бетоне и распространение трещин будет тормозится. Если принять степень армирования 0,5% по объему, то можно видеть как изменяется расстояние в зависимости от диаметра фибры (табл 4.2).
Как видно из рис. 4.2 армирование фиброй диаметром 0,8мм до степени армирования 0,6; 0,9 и 1,3% различных цементных композиций не дает увеличения прироста прочности на растяжение при изгибе. Это подтверждается исследованиями Ю.В, Пухаренко [99]. Эту зону бесполезного армирования он называет «зоной рассеянного армирования». Значит 1,3% фибры, т.е. 101 кг на 1м3 бетона вводится бесполезно только для того, чтобы добавленное количество фибры сверх 1,3% способствовало повышению прочности. А это 2500 руб., затрачены бесполезно. При работе фибробетона с использованием толстой фибры на растяжение при изгибе реализуется самый невыгодный случай нагружения, исходя из результатов экспериментальных испытаний (рис. 4.2). При осевом растяжении наличие одной-трех толстых фибр (с анкерными элементами), расположенных перпендикулярно действующей раскалывающей силы вносит существенный вклад в сопротивление бетона раскалыванию. Это убедительно показано в экспериментах, проведенных в [100], когда увеличение степени армирования с 0,198% до 0,226:, т.е. на 0,028% от исходного позволило повысить прочность на раскалывание на 16,6%! Но это лишь один вид нагрузки. Кроме того, такую фибру нельзя использовать в самоуплотняющихся высокопрочных и реакционно-порошковых бетонах, а возможно и самоуплотняющихся порошково-активированных песчаных бетонах. Фибра должна по геометрическим параметрам приближаться к универсальной. Напрашивается вывод: бетоны необходимо армировать тонкой фиброй, чтобы превратить их в композиты, в которых тонкие волокна расположены очень часто и пути распространения трещин перекрыты. Оценим, какое количество фибры меньшего диаметра можно изготовить из толстой фибры d=0,8мм при равной их длине, чтобы сделать бетон дисперсно-армированным композитом. Объемы волокон фибры равной длины соотносятся пропорционально квадратам диаметров, т.е d1/d2 . В табл. 4.2 показано, какое количество более тонкой фибры может получиться из фибры диаметром 0,8мм. Если стальную фибру d = 0,8 мм заменить фиброй 0,2 и 0,15мм, то количество таких фибр, равных по объему фибре диаметром 0,8мм, соответственно, составит 16 и 28шт. В г. Пензе, единственном городе Российской Федерации, осуществляется освоение фибры d=10,0 мкм, покрытой стеклянной оболочкой толщиной 1,5-2 мкм. Количество таких фибр в объеме фибры d=0,8мм равной длины будет 3265 шт. Если используется базальтовая или углеродная фибра диаметром 0,008мм (8 мкм), то количество фибр возрастает до 10000 шт. Естественно, что при таком количестве фибр плотность расположения ее в бетоне будет настолько высокой, что возникающие трещины не найдут свободного пространства в бетоне и распространение трещин будет тормозится. Если принять степень армирования 0,5% по объему, то можно видеть как изменяется расстояние в зависимости от диаметра фибры (табл 4.2).
Между углеродной или базальтовой фиброй при степени армирования 0,5% могут размещаться только частицы песка с размерами менее 0,130мм. Тонкий песок, имеющий диаметр от 0,16 до 0,63мм будет сдвигать фибру друг к другу и более однородная топология расположения фибры изменится на неоднородную.
Другой фактор, определяющий рациональное армирование бетона тонкими фибрами связан с увеличением площади сцепления бетонной матрицы с боковой поверхностью фибр.
Определим прочность сцепления цилиндрической фибры с бетоном (без учета нормальных сил вдоль фибры), выраженную через ее геометрические параметры из условия равенства сил, обусловленных силой сцепления стержня Fс и разрыва Fp от усилий выдергивания [98] (рис. 4.3).
Другой фактор, определяющий рациональное армирование бетона тонкими фибрами связан с увеличением площади сцепления бетонной матрицы с боковой поверхностью фибр.
Определим прочность сцепления цилиндрической фибры с бетоном (без учета нормальных сил вдоль фибры), выраженную через ее геометрические параметры из условия равенства сил, обусловленных силой сцепления стержня Fс и разрыва Fp от усилий выдергивания [98] (рис. 4.3).
При равенстве равнодействующей силы сцепления и сопротивления разрыву получаем выражение для прочности при сдвиге:
где Rp – прочность стали при разрыве;
tpc– прочность при сдвиге, обусловленная сцеплением бетона со сталью, равная прочности стали при разрыве;
Lа – длина анкеровки фибры в бетоне.
Оценим прочность при сдвиге по образующей цилиндра, если используется стальная фибра с Rp=700 МПа при различном диаметре и длине анкеровки фибры в бетоне (табл. 4.3).
Как следует из табл. 4.3, если фактическое сопротивление выдергиванию при сдвиге больше сопротивления разрыву т.е. tфс >=tpc , то фибра будет разрываться, а при tфс <=tpc фибра будет выдергиваться. Из табл. 4.3 также следует, что для тонкой фибры легче обеспечить более низкое сопротивление при сдвиге, обусловленное сцеплением бетона со сталью при невысокой прочности бетона.
tpc– прочность при сдвиге, обусловленная сцеплением бетона со сталью, равная прочности стали при разрыве;
Lа – длина анкеровки фибры в бетоне.
Оценим прочность при сдвиге по образующей цилиндра, если используется стальная фибра с Rp=700 МПа при различном диаметре и длине анкеровки фибры в бетоне (табл. 4.3).
Как следует из табл. 4.3, если фактическое сопротивление выдергиванию при сдвиге больше сопротивления разрыву т.е. tфс >=tpc , то фибра будет разрываться, а при tфс <=tpc фибра будет выдергиваться. Из табл. 4.3 также следует, что для тонкой фибры легче обеспечить более низкое сопротивление при сдвиге, обусловленное сцеплением бетона со сталью при невысокой прочности бетона.
Таблица 4.3
Прочность при сдвиге фибры в бетоне,
исходя из равенства сил выдергивания и разрыва стали
Площадь сцепления при одинаковом проценте армирования можно увеличить путем использования плоской фибры. Более десяти фирм Японии выпускают стальную фибру, причем около половины ее плоской. Российская плоская фибра достаточно толстая.Осуществлены строгие геометрические расчеты, основанные на равенстве объемов цилиндра и пластинки при их равных фиксированных длинах. Они позволили получить соотношения полных площадей плоской цилиндрической фибры Sц , а, следовательно, площадей сцепления фибры при равном μ [101].
где b и d – ширина и толщина плоской фибры; d – диаметр цилиндрической фибры.
Расчеты соотношений площадей поверхности плоской и цилиндрической фибры при длине ее 10 мм и различных толщине и ширине при равных степенях армирования с цилиндрической фиброй разных диаметров приведены в приложении (табл. 9). Из таблицы видно, что эффективность плоской фибры по увеличению сцепления по сравнению с проволочной может меняться от значения, близкого к единице (фибра квадратного сечения), до 12. Это видно при минимальных значениях d = 0,02
мм. При Sп /Sц равных 1,122 пластинка превращается в брусочек квадратного сечения. Реальное значение Sп /Sц находятся в области 1,2 – 1,3, когда ширина превышает толщину в 2-3 раза.
Сделанные теоретические выводы о преимуществах тонкой фибры, подтверждаются нашими исследованиями использования тонкой стальной фибры диаметром 0,20 мм.
Для изготовления бетонов использовался цемент Жигулевский М 500Д0 с удельной поверхностью Sуд = 360м2/кг, микрокварц с размерами зерен не более 30 мкм с Sуд = 313м2/кг, намывные пески Ширяевский (г. Тольятти) и Нижегородский, с проходом через сито 1,25мм, Микрокремнезем (МК) Новокузнецкий высокодисперсный Sуд = 5500 м2/кг (по прибору ПСХ), гиперпластификатор Sika ViscoCrete-20 GOLD - 0,9% от массы портландцемента, фибра стальная диаметром 0,20 мм и длиной 12мм вводилась в количестве 2% и 3% по объему бетона.
Водотвердое отношение без учета массы фибры было 0,095 и 0,1, водоцементное 0,29 и 0,30, соответственно. Перемешивание бетонной смеси осуществлялось миксером при скорости вращения 300-600 об/мин. Бетонная смесь с фиброй в количестве 2% имела самопроизвольный расплыв из конуса Хагерманна 195-200 мм и 273 мм с 3 % фибры, т.е. она была саморастекающейся и самоуплотняющейся. Реологический критерий, равный отношению объема водно-цементно-минеральной дисперсии к объему немолотого песка, определяющий толщину пленки водной дисперсии на поверхности песка был достаточно высок. Результаты испытаний порошковых фибробетонов представлены в табл. 4.4.
Как следует из результатов испытаний, уже на первые сутки прочность на растяжение при изгибе составила 12,4 МПа при прочности на сжатие 62 МПа, на 28-е сутки нормального твердения при прочности на сжатие 166 МПа, прочность при изгибе − 38,8 МПа. Отношение прочности на сжатие к прочности на изгиб оказалась равной 4,33. Этот показатель для обычных высокопрочных неармированных бетонов составляет 8-10, т.е. такие бетоны имеют хрупкий характер разрушения. Уменьшение этого показателя в 2 раза определяет дуктильный (пластичный) характер разрушения. Во втором составе незначительно изменили рецептуру бетона, увеличив расход фибры на 1% . Прочность на растяжение при изгибе возросла до 23,2 МПа уже на 1- е сутки; через 28 суток нормального твердения прочность на сжатие превысила 200 МПа, а на растяжение при изгибе достигла 51,8 МПа! Отношение Rсж/ Rиз=3,93, т.е. бетон является дуктильным, а коэффициент трещиностойкости возрастает до 0,25.
Представляет интерес проследить кинетические значения прироста прочности сверхвысокопрочного фибробетона. При степени армирования 2% односуточная и семисуточная прочность на сжатие составляет от 28- суточной, соответственно 37 и 77%; при степени армирования 3% эти значения практически не изменяются и составляют 36 и 78%. Набор прочности на растяжение при изгибе из фибробетонов с высокой степенью армирования является более интенсивным в первые сроки твердения. Так у бетонов с μ=2% односуточная прочность на растяжение при изгибе составляет 32% от 28 суточной, а при степени армирования 3% - 45%.
Таблица 4.4
Расчеты соотношений площадей поверхности плоской и цилиндрической фибры при длине ее 10 мм и различных толщине и ширине при равных степенях армирования с цилиндрической фиброй разных диаметров приведены в приложении (табл. 9). Из таблицы видно, что эффективность плоской фибры по увеличению сцепления по сравнению с проволочной может меняться от значения, близкого к единице (фибра квадратного сечения), до 12. Это видно при минимальных значениях d = 0,02
мм. При Sп /Sц равных 1,122 пластинка превращается в брусочек квадратного сечения. Реальное значение Sп /Sц находятся в области 1,2 – 1,3, когда ширина превышает толщину в 2-3 раза.
Сделанные теоретические выводы о преимуществах тонкой фибры, подтверждаются нашими исследованиями использования тонкой стальной фибры диаметром 0,20 мм.
Для изготовления бетонов использовался цемент Жигулевский М 500Д0 с удельной поверхностью Sуд = 360м2/кг, микрокварц с размерами зерен не более 30 мкм с Sуд = 313м2/кг, намывные пески Ширяевский (г. Тольятти) и Нижегородский, с проходом через сито 1,25мм, Микрокремнезем (МК) Новокузнецкий высокодисперсный Sуд = 5500 м2/кг (по прибору ПСХ), гиперпластификатор Sika ViscoCrete-20 GOLD - 0,9% от массы портландцемента, фибра стальная диаметром 0,20 мм и длиной 12мм вводилась в количестве 2% и 3% по объему бетона.
Водотвердое отношение без учета массы фибры было 0,095 и 0,1, водоцементное 0,29 и 0,30, соответственно. Перемешивание бетонной смеси осуществлялось миксером при скорости вращения 300-600 об/мин. Бетонная смесь с фиброй в количестве 2% имела самопроизвольный расплыв из конуса Хагерманна 195-200 мм и 273 мм с 3 % фибры, т.е. она была саморастекающейся и самоуплотняющейся. Реологический критерий, равный отношению объема водно-цементно-минеральной дисперсии к объему немолотого песка, определяющий толщину пленки водной дисперсии на поверхности песка был достаточно высок. Результаты испытаний порошковых фибробетонов представлены в табл. 4.4.
Как следует из результатов испытаний, уже на первые сутки прочность на растяжение при изгибе составила 12,4 МПа при прочности на сжатие 62 МПа, на 28-е сутки нормального твердения при прочности на сжатие 166 МПа, прочность при изгибе − 38,8 МПа. Отношение прочности на сжатие к прочности на изгиб оказалась равной 4,33. Этот показатель для обычных высокопрочных неармированных бетонов составляет 8-10, т.е. такие бетоны имеют хрупкий характер разрушения. Уменьшение этого показателя в 2 раза определяет дуктильный (пластичный) характер разрушения. Во втором составе незначительно изменили рецептуру бетона, увеличив расход фибры на 1% . Прочность на растяжение при изгибе возросла до 23,2 МПа уже на 1- е сутки; через 28 суток нормального твердения прочность на сжатие превысила 200 МПа, а на растяжение при изгибе достигла 51,8 МПа! Отношение Rсж/ Rиз=3,93, т.е. бетон является дуктильным, а коэффициент трещиностойкости возрастает до 0,25.
Представляет интерес проследить кинетические значения прироста прочности сверхвысокопрочного фибробетона. При степени армирования 2% односуточная и семисуточная прочность на сжатие составляет от 28- суточной, соответственно 37 и 77%; при степени армирования 3% эти значения практически не изменяются и составляют 36 и 78%. Набор прочности на растяжение при изгибе из фибробетонов с высокой степенью армирования является более интенсивным в первые сроки твердения. Так у бетонов с μ=2% односуточная прочность на растяжение при изгибе составляет 32% от 28 суточной, а при степени армирования 3% - 45%.
Таблица 4.4
По мере увеличения прочности матрицы и, следовательно, прочности сцепления ее с фиброй закономерно растет и прочность: семисуточная прочность составляет при μ=2% - 89%, а при μ=3% - 93%.
Если обратится к кинетическим показателям набора прочности у неармированного реакционно-порошкового бетона, то рост прочности на растяжение при изгибе у него менее интенсивный. Возможно, тонкая фибра за счет магнитных полей Земли активирует процесс твердения вяжущего и реакцию связывания извести на границе раздела «металл-матрица». Но эта гипотеза требует подтверждения.
Таким образом, использование тонкой фибры, не имеющей даже анкерных элементов, при высокой прочности матрицы позволяет получать высокоэффективные фибробетоны нового поколения. К сожалению, российская фибра, по нашим сведениям, не выпускается диаметром менее 0,2-0,25 мм. При этом в фибробетонах осуществляется перерасход стали.
Из результатов реотехнологических испытаний бетонных смесей с фиброй и без нее (табл. 4.4) следует, что добавление фибры в бетонную смесь требует увеличения расхода воды для сохранения текучести. Лишняя вода увеличивает капиллярную пористость. Во втором составе расход воды был сохранен и В/Ц отношение было одинаковым с контрольным и текучесть уменьшилась всего на 20 мм. В первом составе В/Ц было уменьшено на 4,3%. В результате этого текучесть смеси снизилась с 295 до 195 мм. В связи с этим в технологии производства порошковых фибробетонов дозирование воды должно быть очень точным.
Для фибробетонов важным технико-экономическим показателем является расход фибры на единицу прироста прочности на растяжение при изгибе по сравнению с бетоном аналогичного состава, но без фибры. Это позволит осуществлять сравнение как экономичности расхода фибры, преимуществ геометрических параметров ее и достигаемых технических свойств фибробетонов.
В соответствии с этим удельный расход фибры ФудRи=Мф/(Rфи-Rби) кг/МПа, для бетона с 2% фибры равен 6,9 кг/МПа, а с 3% фибры – 6,52 кг/МПа.
Проведенные исследования позволяют утверждать, что на отечественных цементах, микрокварцах, тонких песках, фибре и гиперпластификаторе на поликарбоксилатной основе можно получать бетоны с удельным расходом цемента3,5-4,2 кг/МПа, не уступающие самым прочным западным фибробетонам. В связи с этим «центр тяжести» необходимо перенести от огромного наращивания производства цемента, к подготовке чистого молотого кварцевого песка (микрокварца), тонкого кварцевого песка фр 0,1-0,5 или 0,1-0,6мм, а так же на производство тонкой фибры, особенно с анкерными элементами. Использование таких бетонов определяет глобальную экономику в строительстве зданий и сооружений из сверхвысокопрочного бетона за счет снижения объемов всех компонентов бетона в 3-4 раза. И это относится, прежде всего, к фибробетонам с прочностью на сжатие 180-200МПа и с прочностью на растяжение при изгибе 50МПа.
Именно из фибробетона класса С165-С185 недавно был построен арочный рахводной мост в Австрии [90] без использования стержневой арматуры.
4.2 Влияние углеродных волокон на прочность порошкового бетона с микрокремнеземом
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 фибробетонных отделочных плит. В качестве СП использовали Мelflux 5581 F в количестве 1% от массы цемента. Домол осуществляли в течение 15 минут до дисперсности 4900 см2/г.
Контрольный состав приготавливали в мешалке с миксером, добавляя постепенно в цементно-микрокремнеземистую смесь в воду затворения (при 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 цементно- микрокремнеземистого камня – 2317 кг/м3, камня с фиброй – 2327 кг/м3.
Кинетика изменения прочности представлена на рис. 4.4, 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.
Если обратится к кинетическим показателям набора прочности у неармированного реакционно-порошкового бетона, то рост прочности на растяжение при изгибе у него менее интенсивный. Возможно, тонкая фибра за счет магнитных полей Земли активирует процесс твердения вяжущего и реакцию связывания извести на границе раздела «металл-матрица». Но эта гипотеза требует подтверждения.
Таким образом, использование тонкой фибры, не имеющей даже анкерных элементов, при высокой прочности матрицы позволяет получать высокоэффективные фибробетоны нового поколения. К сожалению, российская фибра, по нашим сведениям, не выпускается диаметром менее 0,2-0,25 мм. При этом в фибробетонах осуществляется перерасход стали.
Из результатов реотехнологических испытаний бетонных смесей с фиброй и без нее (табл. 4.4) следует, что добавление фибры в бетонную смесь требует увеличения расхода воды для сохранения текучести. Лишняя вода увеличивает капиллярную пористость. Во втором составе расход воды был сохранен и В/Ц отношение было одинаковым с контрольным и текучесть уменьшилась всего на 20 мм. В первом составе В/Ц было уменьшено на 4,3%. В результате этого текучесть смеси снизилась с 295 до 195 мм. В связи с этим в технологии производства порошковых фибробетонов дозирование воды должно быть очень точным.
Для фибробетонов важным технико-экономическим показателем является расход фибры на единицу прироста прочности на растяжение при изгибе по сравнению с бетоном аналогичного состава, но без фибры. Это позволит осуществлять сравнение как экономичности расхода фибры, преимуществ геометрических параметров ее и достигаемых технических свойств фибробетонов.
В соответствии с этим удельный расход фибры ФудRи=Мф/(Rфи-Rби) кг/МПа, для бетона с 2% фибры равен 6,9 кг/МПа, а с 3% фибры – 6,52 кг/МПа.
Проведенные исследования позволяют утверждать, что на отечественных цементах, микрокварцах, тонких песках, фибре и гиперпластификаторе на поликарбоксилатной основе можно получать бетоны с удельным расходом цемента3,5-4,2 кг/МПа, не уступающие самым прочным западным фибробетонам. В связи с этим «центр тяжести» необходимо перенести от огромного наращивания производства цемента, к подготовке чистого молотого кварцевого песка (микрокварца), тонкого кварцевого песка фр 0,1-0,5 или 0,1-0,6мм, а так же на производство тонкой фибры, особенно с анкерными элементами. Использование таких бетонов определяет глобальную экономику в строительстве зданий и сооружений из сверхвысокопрочного бетона за счет снижения объемов всех компонентов бетона в 3-4 раза. И это относится, прежде всего, к фибробетонам с прочностью на сжатие 180-200МПа и с прочностью на растяжение при изгибе 50МПа.
Именно из фибробетона класса С165-С185 недавно был построен арочный рахводной мост в Австрии [90] без использования стержневой арматуры.
4.2 Влияние углеродных волокон на прочность порошкового бетона с микрокремнеземом
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 фибробетонных отделочных плит. В качестве СП использовали Мelflux 5581 F в количестве 1% от массы цемента. Домол осуществляли в течение 15 минут до дисперсности 4900 см2/г.
Контрольный состав приготавливали в мешалке с миксером, добавляя постепенно в цементно-микрокремнеземистую смесь в воду затворения (при 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 цементно- микрокремнеземистого камня – 2317 кг/м3, камня с фиброй – 2327 кг/м3.
Кинетика изменения прочности представлена на рис. 4.4, 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. 4.4 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.
такой обработки длина волокон по результатам микроскопического анализа находилась в пределах 0,3-2,0мм (рис.4.5).
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.
такой обработки длина волокон по результатам микроскопического анализа находилась в пределах 0,3-2,0мм (рис.4.5).
Рис. 4.5. Измельченные волокна углеродной фибры × 200.
Таблица 4.5 Прочностные показатели фибробетонов с углеродными волокнами и с комбинированной фиброй
Таблица 4.5 Прочностные показатели фибробетонов с углеродными волокнами и с комбинированной фиброй
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. 4.5.
Как следует из табл. 4.5, углеродные волокна при степени армирования 0,5% повышают прочность бетона на сжатие на 14%. А 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.
4.3 Влияние тонкости помола кварцевого песка и качества его на прочностные свойства порошкового бетона
При наполнении бетонов молотыми горными породами важным является дисперсность каменной муки. Этот вопрос остается не выясненным окончательно. Значительные исследования проведены академиком В.И. Соломатовым и его школой. В работе [102] показано, что замена цемента кварцевым песком с Sуд=900-3300 см2/г (без использования СП), дает снижение прочности цементного камня.
В бетонах при использовании СП и органических активаторов кварцевого наполнителя можно добавлять в соотношении цемент:песок как 0,5÷1,0. В основном рекомендовано заменять цемент до 50% кварцевым наполнителем с Sуд=1000-1500 см2/г.
В исследованиях [103] оптимальный размер частиц дисперсного наполнителя должен в 3-5 раз превышать размер частиц цемента. Учитывая, что средний размер частиц цемента с Sуд=3000-4500 см2/г составляет 10-25 мкм, то приблизительная удельная поверхность должна быть менее 1000 см2/г.
В работе [104] замена цемента в эффективных бетонных плитах карбонатом кальция с удельной поверхностью Sуд=1200-1500 см2/г в количестве 20-30% при введении СП С-3 является оптимальной.
В исследованиях академика В.П. Селяева и его школы исследовалось влияние пуццолонических добавок диатомита, цеолито содержащих пород и отходов формовочной смеси [105-106]. В результате исследований выявлено, что замена цемента диатомитом на 30% позволяет при модифицировании состава метааминобензойной кислотой повысить прочность в 1,73 раза по сравнению с контролем. Замена цемента на 20% цеолитосодержащей породой или ОФС повысила прочность на 30-40 % по сравнению с контролем. Можно полагать, что пуццоланическая добавка диатомит будет существенно повышать прочность в длительные сроки твердения.
В порошковых бетонах молотый кварцевый песок или микрокварц являются реологически-активной добавкой в смеси с пластифицированной цементной суспензией. Но она обладает реакционной активностью с Са(ОН)2 при длительных сроках твердения.
Естественно, что микрокварц с очень высокой удельной поверхностью со временем будет интенсивнее реализовывать свою реакционную активность, чем грубомолотый. Но для самоуплотняющихся ПБ и РПБ важно, прежде всего, сохранение текучести при высоком водоредуцирующем эффекте, позволяющем реализовать высокую плотность в прочность.
Для экспериментов использовали молотый Ртищевский песок с тремя удельными поверхностями 1420, 3200 и 7300 см2/г. Все остальные компоненты были одни и те же и вводились в равных количествах. В табл.
4.6; 4.7 и 4.8 представлены результаты исследований. Как следует из таблиц, прочностные показатели оказались примерно одинаковы. Но в составе ПБ-5 (табл. 4.7) существенно снизился расплыв смеси из конуса Хагерманна, уменьшилась плотность бетона до 2257 кг/м3 за счет повышенного содержания воздуха (до 3,8%). В составе с низкой удельной поверхностью песка Sуд = 1420 см2/г,
Как следует из табл. 4.5, углеродные волокна при степени армирования 0,5% повышают прочность бетона на сжатие на 14%. А 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.
4.3 Влияние тонкости помола кварцевого песка и качества его на прочностные свойства порошкового бетона
При наполнении бетонов молотыми горными породами важным является дисперсность каменной муки. Этот вопрос остается не выясненным окончательно. Значительные исследования проведены академиком В.И. Соломатовым и его школой. В работе [102] показано, что замена цемента кварцевым песком с Sуд=900-3300 см2/г (без использования СП), дает снижение прочности цементного камня.
В бетонах при использовании СП и органических активаторов кварцевого наполнителя можно добавлять в соотношении цемент:песок как 0,5÷1,0. В основном рекомендовано заменять цемент до 50% кварцевым наполнителем с Sуд=1000-1500 см2/г.
В исследованиях [103] оптимальный размер частиц дисперсного наполнителя должен в 3-5 раз превышать размер частиц цемента. Учитывая, что средний размер частиц цемента с Sуд=3000-4500 см2/г составляет 10-25 мкм, то приблизительная удельная поверхность должна быть менее 1000 см2/г.
В работе [104] замена цемента в эффективных бетонных плитах карбонатом кальция с удельной поверхностью Sуд=1200-1500 см2/г в количестве 20-30% при введении СП С-3 является оптимальной.
В исследованиях академика В.П. Селяева и его школы исследовалось влияние пуццолонических добавок диатомита, цеолито содержащих пород и отходов формовочной смеси [105-106]. В результате исследований выявлено, что замена цемента диатомитом на 30% позволяет при модифицировании состава метааминобензойной кислотой повысить прочность в 1,73 раза по сравнению с контролем. Замена цемента на 20% цеолитосодержащей породой или ОФС повысила прочность на 30-40 % по сравнению с контролем. Можно полагать, что пуццоланическая добавка диатомит будет существенно повышать прочность в длительные сроки твердения.
В порошковых бетонах молотый кварцевый песок или микрокварц являются реологически-активной добавкой в смеси с пластифицированной цементной суспензией. Но она обладает реакционной активностью с Са(ОН)2 при длительных сроках твердения.
Естественно, что микрокварц с очень высокой удельной поверхностью со временем будет интенсивнее реализовывать свою реакционную активность, чем грубомолотый. Но для самоуплотняющихся ПБ и РПБ важно, прежде всего, сохранение текучести при высоком водоредуцирующем эффекте, позволяющем реализовать высокую плотность в прочность.
Для экспериментов использовали молотый Ртищевский песок с тремя удельными поверхностями 1420, 3200 и 7300 см2/г. Все остальные компоненты были одни и те же и вводились в равных количествах. В табл.
4.6; 4.7 и 4.8 представлены результаты исследований. Как следует из таблиц, прочностные показатели оказались примерно одинаковы. Но в составе ПБ-5 (табл. 4.7) существенно снизился расплыв смеси из конуса Хагерманна, уменьшилась плотность бетона до 2257 кг/м3 за счет повышенного содержания воздуха (до 3,8%). В составе с низкой удельной поверхностью песка Sуд = 1420 см2/г,
Таблица 4.6
ПБ-56 Влияние дисперсности молотого песка на реотехнологические свойства смеси и порошкового бетона
Таблица 4.7 ПБ-57 Влияние дисперсности молотого песка на реотехнологические свойства смеси и порошкового бетона.
Таблица 4.8
ПБ-58 Влияние дисперсности молотого песка на реотехнологические свойства смеси и порошкового бетона
ПБ-58 Влияние дисперсности молотого песка на реотехнологические свойства смеси и порошкового бетона
Таблица 4.9
РПБ-95 Состав, реотехнологические показатели бетонной смеси и песка с 4% каолина и физико-технические свойства реакционно-порошкового бетона.
РПБ-95 Состав, реотехнологические показатели бетонной смеси и песка с 4% каолина и физико-технические свойства реакционно-порошкового бетона.
Таблица 4.10
РПБ-102 Состав, реотехнологические показатели бетонной смеси и физико-технические свойства реакционно-порошкового бетона
РПБ-102 Состав, реотехнологические показатели бетонной смеси и физико-технические свойства реакционно-порошкового бетона
напротив, увеличилась растекаемость за счет снижения дисперсности и было отмечено водоотделение смеси.
Таким образом, оптимальная дисперсность кварцевого наполнителя находится в пределах 2800-4000 см2/г, что подтверждено в других составах бетонов.
Существенное значение на свойства РПБ оказывает качество песка – содержание SiO2 и глинистых примесей. Для выявления влияния глинистых примесей использовали Красноярский кварцевый песок Джержинского карьера с содержанием SiO2 = 95,2%. Особенностью месторождения этого песка является наличие чистого каолина в количестве 4,1%. Песок имел матовый охристый цвет. В экспериментах использовали фракцию песка 0- 0,63 мм. Молотый песок был получен помолом исходного песка до удельной поверхности 2800 см2/г. Результаты экспериментов, приведенные в табл. 4.9, свидетельствуют о том, что присутствие каолина приводит к полной потере текучести. Бетонная смесь характеризуется глиноподобной пластичностью и, практически, не растекается при 30 ударах на встряхивающем столике. Прочность бетона уменьшилась за счет сильного воздухововлечения (до 6%), прочность была очень низкой (75,6 МПа).
Состав на отмытом тонком и молотом песке (табл. 4.10)обладал высокой текучестью и имел прочность на сжатие в 1,7 раза выше, на растяжение при изгибе – в 1,36 раза. Удельный расход цемента понизился в 1,7 раза. Таким образом, для получения бетонов нового поколения необходимы чистые кварцевые пески.
4.4 Капиллярная усадка порошковых бетонов и влияние на нее масштабного фактора
Высокопрочные реакционно-порошковые бетоны(РПБ) прочностью 120- 150 МПа состоят из повышенного количества портландцемента, молотой горной породы (каменной муки) или кварцевой муки, микрокремнезема и очень мелкого кварцевого песка фракции 0,1-0,6 мм. С позиции теории капиллярной усадки такие тонкодисперсные системы с высоким расходом цемента, достигающего 700-750 кг/м3 должны проявлять значительные усадочные деформации. Однако, учитывая, что реакционно-порошковые бетонные смеси растекаются
Таблица 4.11
Реотехнологические показатели пластифицированных и непластифицированных цементно-водных смесей и физико-технические показатели цементного камня
Таким образом, оптимальная дисперсность кварцевого наполнителя находится в пределах 2800-4000 см2/г, что подтверждено в других составах бетонов.
Существенное значение на свойства РПБ оказывает качество песка – содержание SiO2 и глинистых примесей. Для выявления влияния глинистых примесей использовали Красноярский кварцевый песок Джержинского карьера с содержанием SiO2 = 95,2%. Особенностью месторождения этого песка является наличие чистого каолина в количестве 4,1%. Песок имел матовый охристый цвет. В экспериментах использовали фракцию песка 0- 0,63 мм. Молотый песок был получен помолом исходного песка до удельной поверхности 2800 см2/г. Результаты экспериментов, приведенные в табл. 4.9, свидетельствуют о том, что присутствие каолина приводит к полной потере текучести. Бетонная смесь характеризуется глиноподобной пластичностью и, практически, не растекается при 30 ударах на встряхивающем столике. Прочность бетона уменьшилась за счет сильного воздухововлечения (до 6%), прочность была очень низкой (75,6 МПа).
Состав на отмытом тонком и молотом песке (табл. 4.10)обладал высокой текучестью и имел прочность на сжатие в 1,7 раза выше, на растяжение при изгибе – в 1,36 раза. Удельный расход цемента понизился в 1,7 раза. Таким образом, для получения бетонов нового поколения необходимы чистые кварцевые пески.
4.4 Капиллярная усадка порошковых бетонов и влияние на нее масштабного фактора
Высокопрочные реакционно-порошковые бетоны(РПБ) прочностью 120- 150 МПа состоят из повышенного количества портландцемента, молотой горной породы (каменной муки) или кварцевой муки, микрокремнезема и очень мелкого кварцевого песка фракции 0,1-0,6 мм. С позиции теории капиллярной усадки такие тонкодисперсные системы с высоким расходом цемента, достигающего 700-750 кг/м3 должны проявлять значительные усадочные деформации. Однако, учитывая, что реакционно-порошковые бетонные смеси растекаются
Таблица 4.11
Реотехнологические показатели пластифицированных и непластифицированных цементно-водных смесей и физико-технические показатели цементного камня
при влажности 10% и объем капиллярных пор в бетоне небольшой, усадочные деформации должны быть незначительными. Вопрос в том: будет ли превалировать позитивный фактор низкого водотвердого отношения смесей в снижении усадки над негативным фактором микродисперсности и повышенного содержания цемента в затвердевшем бетоне в повышении усадки. Чтобы оценить усадку пластифицированного цемента использовали два вида его. В табл. 4.11 даны составы цементных паст и прочностные показатели цементного камня. Контрольные образцы изготовляли из цементного теста нормальной густоты.Из табл. 4.11 видно, что снижения содержания воды на 30% позволяет повысить прочность на сжатие на 41%, на растяжение при изгибе – на 43%. Определены усадочные деформации пластифицированных составов (рис. 4.6) в течение 6-7 месяцев, которые оказались 1,2-1,4 мм. Это значительно меньше усадочных деформаций цементного теста нормальной густоты, которые к сроку испытания 195 суток были 2,2 мм/м. Таким образом, пониженные деформации модифицированного цементного камня будут положительно сказываться на уменьшении усадки РПБ.
Рис. 4.6. Усадка цементного камня в образцах 40×40×160 мм из Красноярского и Сибирского цементов: после 2-х суток (1) и после 28 суток (3) и (4) нормального твердения
Коэффициенты корреляции для кривых 1, 2, 3 и 4, соответственно, равны r = 0,999;0,996; 0,998. Стандартные ошибки S = 0,03; 0,05; 0,04; 0,03.
В соответствии с ГОСТ 24544-81 «Бетоны. Методы определения деформаций усадки и ползучести» усадка тяжелых бетонов определяется на образцах-призмах с размерами 70×70×280 мм, 100×100×400 мм и более с соотношением высоты к поперечному размеру призмы квадратного сечения, равного 4. Для ячеистых бетонов, исходя из тонкозернистого строения матрицы, определение усадки можно осуществлять на образцах 40×40×160 мм, выпиленных из блоков. Сроки испытания призм 100×100×400 мм могут продолжаться 4 и более месяцев при относительной влажности воздуха θ = 60±5 %, при температуре t =20±2°С. Завершение испытаний, в соответствие с ГОСТ, определяется по минимальному приросту усадочных деформаций, не превышающему точность измерения. В связи с очень малой ценой деления индикаторов часового типа, равной 10 мкм, точность измерения очень высока и составляет по визуальному отчету в пределах 2-3 мкм. Поэтому, усадка по рекомендуемому критерию точности может продолжаться в течение 1-2 лет и более. Еще О.Я Берг рекомендовал проведение испытаний на усадку в течение 1 года [107]. Поэтому сроки окончания усадки, сформулированные в ГОСТе, не имеют конкретного значения.
Строгое регламентирование минимальных размеров образцов в стандарте, особенно для щебеночных бетонов, имеет рациональную основу. Медленное протекание усадочных деформаций связано с процессами медленной диффузии водяных паров из внутреннего объема бетона в окружающую среду и чем дальше расположены внутренние объемы от поверхности, тем более продолжителен массообменный диффузионный процесс.
В щебеночных бетонах размер образцов регламентируется наибольшими размерами зерен щебня. В таких бетонах диффузия паров воды из цементного камня замедляется вследствие «огибания» препятствий из щебня паронепроницаемых плотных пород на пути диффузии. Немаловажное значение имеет объем и размеры капиллярных пор, зависящие от В/Ц и минералогического состава портландцемента.
Таким образом, продолжительность протекания капиллярной усадки, исходя из физико-химии сложного процесса, как диффузионно- массообменного, должна возрастать пропорционально увеличению размеров образцов, количества крупного заполнителя, объема капиллярных пор и их размера.
В реакционно-порошковых бесщебеночных бетонах близкого состава с микрооднородной структурой с очень мелкими дискретными включениями с максимальными размерами 0,5-0,6 мм для масштабного фактора может быть выявлена надежная закономерность. При этом необходимо выяснить будут ли образцы различных размеров, но с одинаковым отношением высоты к стороне призмы квадратного сечения, иметь строгие соотношения усадок в различные сроки испытаний в зависимости от объема образца и его поверхности? При этом необходимо найти простейшие закономерности протекания усадки в зависимости от размеров образцов. Наиболее важным геометрическим критерием, согласно нашим исследованиям, является модуль поверхности в отличие от радиуса сечения элемента, предложенного О.Я. Бергом [107].
Для оценки усадочных деформаций изготавливали образцы-призмы размерами 110×100×400 мм, 70×70×280 мм и 40×40×60 мм. На внутренние торцевые поверхности форм пластилином наклеивали реперы из нержавеющей стали с анкерующими отгибами и все формы заливали реакционно-порошковой бетонной смесью. Для контроля кинетики набора прочности на сжатие, изготавливали образцы-кубы размерами 100×100 мм, а прочности на растяжение при изгибе – балочки 40×40×160 мм. Образцы хранились во влажностных условиях в двойных полиэтиленовых мешках. После 28 суточного хранения образцы-призмы устанавливались в измерительны еячейки с индикатором часового типа с ценой деления 0,01 мм.
Состав бетона и физико-технические характеристики представлены в таблице 4.12.
Как видно из табл. 4.12, бетон имел более низкую плотность, чем тяжелые щебеночные бетоны. Несмотря на отсутствие в бетоне плотных заполнителей с нулевой пористостью, количество открытых пор, доступных для воды, было небольшим – водопоглощение базовых образцов по массе за 8 суток не превышало 2,6-2,7 %.
Коэффициенты корреляции для кривых 1, 2, 3 и 4, соответственно, равны r = 0,999;0,996; 0,998. Стандартные ошибки S = 0,03; 0,05; 0,04; 0,03.
В соответствии с ГОСТ 24544-81 «Бетоны. Методы определения деформаций усадки и ползучести» усадка тяжелых бетонов определяется на образцах-призмах с размерами 70×70×280 мм, 100×100×400 мм и более с соотношением высоты к поперечному размеру призмы квадратного сечения, равного 4. Для ячеистых бетонов, исходя из тонкозернистого строения матрицы, определение усадки можно осуществлять на образцах 40×40×160 мм, выпиленных из блоков. Сроки испытания призм 100×100×400 мм могут продолжаться 4 и более месяцев при относительной влажности воздуха θ = 60±5 %, при температуре t =20±2°С. Завершение испытаний, в соответствие с ГОСТ, определяется по минимальному приросту усадочных деформаций, не превышающему точность измерения. В связи с очень малой ценой деления индикаторов часового типа, равной 10 мкм, точность измерения очень высока и составляет по визуальному отчету в пределах 2-3 мкм. Поэтому, усадка по рекомендуемому критерию точности может продолжаться в течение 1-2 лет и более. Еще О.Я Берг рекомендовал проведение испытаний на усадку в течение 1 года [107]. Поэтому сроки окончания усадки, сформулированные в ГОСТе, не имеют конкретного значения.
Строгое регламентирование минимальных размеров образцов в стандарте, особенно для щебеночных бетонов, имеет рациональную основу. Медленное протекание усадочных деформаций связано с процессами медленной диффузии водяных паров из внутреннего объема бетона в окружающую среду и чем дальше расположены внутренние объемы от поверхности, тем более продолжителен массообменный диффузионный процесс.
В щебеночных бетонах размер образцов регламентируется наибольшими размерами зерен щебня. В таких бетонах диффузия паров воды из цементного камня замедляется вследствие «огибания» препятствий из щебня паронепроницаемых плотных пород на пути диффузии. Немаловажное значение имеет объем и размеры капиллярных пор, зависящие от В/Ц и минералогического состава портландцемента.
Таким образом, продолжительность протекания капиллярной усадки, исходя из физико-химии сложного процесса, как диффузионно- массообменного, должна возрастать пропорционально увеличению размеров образцов, количества крупного заполнителя, объема капиллярных пор и их размера.
В реакционно-порошковых бесщебеночных бетонах близкого состава с микрооднородной структурой с очень мелкими дискретными включениями с максимальными размерами 0,5-0,6 мм для масштабного фактора может быть выявлена надежная закономерность. При этом необходимо выяснить будут ли образцы различных размеров, но с одинаковым отношением высоты к стороне призмы квадратного сечения, иметь строгие соотношения усадок в различные сроки испытаний в зависимости от объема образца и его поверхности? При этом необходимо найти простейшие закономерности протекания усадки в зависимости от размеров образцов. Наиболее важным геометрическим критерием, согласно нашим исследованиям, является модуль поверхности в отличие от радиуса сечения элемента, предложенного О.Я. Бергом [107].
Для оценки усадочных деформаций изготавливали образцы-призмы размерами 110×100×400 мм, 70×70×280 мм и 40×40×60 мм. На внутренние торцевые поверхности форм пластилином наклеивали реперы из нержавеющей стали с анкерующими отгибами и все формы заливали реакционно-порошковой бетонной смесью. Для контроля кинетики набора прочности на сжатие, изготавливали образцы-кубы размерами 100×100 мм, а прочности на растяжение при изгибе – балочки 40×40×160 мм. Образцы хранились во влажностных условиях в двойных полиэтиленовых мешках. После 28 суточного хранения образцы-призмы устанавливались в измерительны еячейки с индикатором часового типа с ценой деления 0,01 мм.
Состав бетона и физико-технические характеристики представлены в таблице 4.12.
Как видно из табл. 4.12, бетон имел более низкую плотность, чем тяжелые щебеночные бетоны. Несмотря на отсутствие в бетоне плотных заполнителей с нулевой пористостью, количество открытых пор, доступных для воды, было небольшим – водопоглощение базовых образцов по массе за 8 суток не превышало 2,6-2,7 %.
Таблица 4.12
Состав и прочностные показатели РПБ
.
Прочность была сравнительно невысокой вследствие несколько завышенного расхода воды и пониженной растекаемости из конуса Хагерманна (22 см вместо 28 см). В структуре бетона присутствовало небольшое количество воздушных пор, которые не могли всплыть на поверхность из-за повышенной вязкости бетонной смеси.
Усадочные деформации фиксировали в течение 200 сут при колебаниях относительной влажности воздуха, в основном, в пределах 55-60%. Однако в отдельные периоды влажность уменьшилась от 43 до 55%. За весь период уменьшение массы бетона за счет естественного высыхания было неодинаковым, и, соответственно, равным 0,95; 1,27; 1,87%, для призм
100×100×400 мм, 70×70×280 мм и 40×40×160 мм, соответственно.
Таким образом, в призмах стандартного размера 100×100×400 мм за период усадки в 150 суток усадочные деформации на один процент потерянной влаги составили 0,68 мм/м, а за период в 200 суток – 0,84 мм/м.
Как следует из табл. 4.13, усадка в стандартных призмах за 200 суток не превышает 0,4 мм/м, что незначительно выше усадки плотных щебеночных бетонов.
Таблица 4.13 Экспериментальная и расчетная усадка бетона с учетом модулей
поверхности призм различных размеров.
Усадочные деформации фиксировали в течение 200 сут при колебаниях относительной влажности воздуха, в основном, в пределах 55-60%. Однако в отдельные периоды влажность уменьшилась от 43 до 55%. За весь период уменьшение массы бетона за счет естественного высыхания было неодинаковым, и, соответственно, равным 0,95; 1,27; 1,87%, для призм
100×100×400 мм, 70×70×280 мм и 40×40×160 мм, соответственно.
Таким образом, в призмах стандартного размера 100×100×400 мм за период усадки в 150 суток усадочные деформации на один процент потерянной влаги составили 0,68 мм/м, а за период в 200 суток – 0,84 мм/м.
Как следует из табл. 4.13, усадка в стандартных призмах за 200 суток не превышает 0,4 мм/м, что незначительно выше усадки плотных щебеночных бетонов.
Таблица 4.13 Экспериментальная и расчетная усадка бетона с учетом модулей
поверхности призм различных размеров.
Для перерасчета экспериментальной усадки бетона в призмах малого размера на усадку бетона в образцах стандартных базовых размеров 100×100×400 мм использовали приведенный коэффициент К, равный [108]:
где mi – модуль поверхности призм малого размера;
М – модуль поверхности призмы базового размера.
Как известно, модуль поверхности М равен: М = S/V (4.4)
где V и S, соответственно, объем и полная поверхность призмы.
Расчетная усадка, вычисленная из экспериментальной усадки, в малых призмах через 150-200 суток, практически, равна экспериментальной усадке призм 100×100×400 мм. Она отличается от базовой экспериментальной на 1-5%. В ранние сроки испытаний (45 суток) это отличие существенно (табл.4.13).
Можно полагать, что значения усадки, протекающей в РПБ, в течение 150-200 суток в призмах разного размера, пропорциональные значению: (mi/ M )2/3– есть ничто иное, как проявление физического закона массообменного процесса. Для полного подтверждения его проявления необходимо определить усадочные деформации реакционно-порошкового бетона не только в призмах нижеприведенных размеров, но и в размерах 150×150×600 мм, а также на других составах РПБ.
Проведенные исследования позволяют измерять усадку РПБ в призмах 40×40×160 и 70×70×280 мм и пересчитывать ее на усадочные деформации призм базового размера 100×100×400 мм на исследованном составе бетона.
В заключение следует отметить, что сведения о значениях усадочных деформаций реакционно-порошковых высокопрочных бетонов в отечественной литературе отсутствуют.
Если сравнивать усадку РПБ с усадкой высокопрочных мелкозернистых бетонов с Rсж = 92-108 МПа, приведенной В.Р. Фаликманом с авторами в [109], то усадку сравниваемого бетона 0,3-0,5 мм/м можно было бы считать сопоставимой с усадкой РПБ, если бы она была определена в соответствии с ГОСТ через 5-6 месяцев. Усадка в [109] определялась через 28 суток, что недопустимо. Усадочные деформации, определенные в 28 суток в 1,5-1,6 раза меньше, чем через 3 месяца и в 1,7-1,8 раза – чем через 5 месяцев. Мелкозернистые песчаные бетоны составы 1:3 на Вольском песке при оценке активности портландцемента по ГОСТ 310.4-81 из смесей нормальной консистенции (В/Ц = 0,4) имеют усадку через 3 месяца в 1,6-1,7 раза,а через 5 месяцев – в 1,9-2,0 раза выше, чем в 28 суток. Непреднамеренное занижение усадки с нарушением стандартных сроков определения ее стало достаточно частым в научных публикациях. Значения усадки используются при назначении уровня предварительного напряжения арматурной стали в предварительно- напряженных несущих конструкциях. И неполный учет ее чреват к потере предварительного натяжения арматуры в теле бетона.
Таблица 4.14
Состав, реотехнологические показатели бетонной смеси и физико-технические свойства реакционно-порошкового бетона (ПБ-32).
М – модуль поверхности призмы базового размера.
Как известно, модуль поверхности М равен: М = S/V (4.4)
где V и S, соответственно, объем и полная поверхность призмы.
Расчетная усадка, вычисленная из экспериментальной усадки, в малых призмах через 150-200 суток, практически, равна экспериментальной усадке призм 100×100×400 мм. Она отличается от базовой экспериментальной на 1-5%. В ранние сроки испытаний (45 суток) это отличие существенно (табл.4.13).
Можно полагать, что значения усадки, протекающей в РПБ, в течение 150-200 суток в призмах разного размера, пропорциональные значению: (mi/ M )2/3– есть ничто иное, как проявление физического закона массообменного процесса. Для полного подтверждения его проявления необходимо определить усадочные деформации реакционно-порошкового бетона не только в призмах нижеприведенных размеров, но и в размерах 150×150×600 мм, а также на других составах РПБ.
Проведенные исследования позволяют измерять усадку РПБ в призмах 40×40×160 и 70×70×280 мм и пересчитывать ее на усадочные деформации призм базового размера 100×100×400 мм на исследованном составе бетона.
В заключение следует отметить, что сведения о значениях усадочных деформаций реакционно-порошковых высокопрочных бетонов в отечественной литературе отсутствуют.
Если сравнивать усадку РПБ с усадкой высокопрочных мелкозернистых бетонов с Rсж = 92-108 МПа, приведенной В.Р. Фаликманом с авторами в [109], то усадку сравниваемого бетона 0,3-0,5 мм/м можно было бы считать сопоставимой с усадкой РПБ, если бы она была определена в соответствии с ГОСТ через 5-6 месяцев. Усадка в [109] определялась через 28 суток, что недопустимо. Усадочные деформации, определенные в 28 суток в 1,5-1,6 раза меньше, чем через 3 месяца и в 1,7-1,8 раза – чем через 5 месяцев. Мелкозернистые песчаные бетоны составы 1:3 на Вольском песке при оценке активности портландцемента по ГОСТ 310.4-81 из смесей нормальной консистенции (В/Ц = 0,4) имеют усадку через 3 месяца в 1,6-1,7 раза,а через 5 месяцев – в 1,9-2,0 раза выше, чем в 28 суток. Непреднамеренное занижение усадки с нарушением стандартных сроков определения ее стало достаточно частым в научных публикациях. Значения усадки используются при назначении уровня предварительного напряжения арматурной стали в предварительно- напряженных несущих конструкциях. И неполный учет ее чреват к потере предварительного натяжения арматуры в теле бетона.
Таблица 4.14
Состав, реотехнологические показатели бетонной смеси и физико-технические свойства реакционно-порошкового бетона (ПБ-32).
Рис. 4.7 а,б. Усадка,потеря влаги (а), набухание, и водопоглощение (б) реакционно-порошкового бетона (ПБ -32)
Для доказательства низких усадочных деформаций порошкового бетона без МК при среднем водоцементном отношении был изготовлен бетон с повышенным расходом цемента. Состав бетона и прочностные показатели представлены в табл. 4.14. Как следует из табл 4.14 прочность на сжатие была не высокой и составляла 112 МПа. Однако прочность на растяжение при изгибе достигла 16,0 МПа, что существенно повысило условный коэффициент трещиностойкости, равный отношению Rи /Rсж=0,143. Усадочные деформации за 195 суток (рис. 4.7) не превысили 0,45 мм/м.
Важно, что потеря воды за этот период составляла 1,15%. Набухание было равно 0,27 мм/м, что составляет 60% от усадочных деформаций.
Несмотря на то, что плотность бетона была не столь высокой(2288 кг/м3), водопоглощение за 140 суток нахождения в воде не превысило 1%. Это характеризует низкую капиллярную пористость бетона. Набухание бетона за 142 суток было 0,27 мм/м, что в 1,5 раза ниже, чем усадка. С увеличением содержания микрокремнезема до 15% соотношение усадки и набухания практически не изменяется.
Объемная пористость, доступная для воды и заполненная ей за 145 суток, составляет 2,29%. По кинетике насыщения образцов водой может быть осуществлен прогноз морозостойкости. Как известно, при испытании на морозостойкость образцы насыщают водой в течение 4-х суток. Последующее нахождение бетона в воде с увеличением объема поглощенной воды в количестве более 10-15%, по нашему мнению, гарантирует высокую морозостойкость. Такое превышение 4-х суточного насыщения происходит при малом гидростатическом давлении воды, не превышающем 12 см (1,2кПа) водяного столба у нижней границы образца 10×10×10см (образцы должны быть погружены в воду и покрыты слоем ее толщиной не менее 2 см). При замораживании пористых строительных материалов давление воды в порах бетона достигает давлений, превышающих гидростатическое при стандартном насыщении образцов на 2-3 порядка. Поэтому при замораживании вода будет выдавливаться в резервные поры, не разрушая бетон. В связи с этим, чем более крутая кинетика водопоглощения бетона и чем больше 4-х суточное водопоглощение приближается к 28-ми суточному, тем меньше будет морозостойкость бетона.
У изготовленного бетона после высушивания и водонасыщения в течение 28 суток 4-х суточное водопоглощение составляло 86% от 28 дневного. Испытание его по ускоренной 3-ей методике ГОСТ попеременного замораживания и оттаивания завершилось при морозостойкости 900 циклов. Бетонные образцы не потеряли в прочности, а повысили ее на 10-15%. Очевидно при оттаивании образцов в течение 4-х часов за каждый цикл продолжалось твердение бетона и упрочнение его структуры.
Таким образом, прогноз морозостойкости по водопоглощению может быть использован в практике.
4.5 Соотношение компонентов в порошково-активированных бетонах нового поколения различной прочности в зависимости от объема реологических матриц
Разработка составов и исследование свойств порошково- активированных щебеночных бетонов нового поколения не является основной целью работы. Этому посвящены отдельные масштабные исследования на кафедре ТБКиВ. При участии автора [110, 111] были выполнены исследования по оценке прочности порошково-активированных щебеночных бетонов, включающих все три реологические матрицы.
В настоящем разделе показана, во-первых, роль соотношения сырьевых компонентов в порошково-активированном щебеночном бетоне трех составов, два из которых малоцементные и один с повышенным расходом цемента; во-вторых – значение оптимальных реологических матриц для достижения низких удельных расходов цемента на единицу прочности.
В бетонах использовался Вольский ПЦ М500 Д0 и ПЦ М500 Д0Н, активированный сухими ГП марки Melflux в течение 5 минут в шаровой мельнице. Мельница использовалась как аппарат, смешивающий до однородного состояния два компонента (за неимением необходимого турбулентного смесителя сухих порошков). Тонкая фракция Сурского кварцевого песка отсеивалась на ситах. Эта же фракция, как наиболее представительная в рядовом песке, подвергалась помолу. В качестве песка заполнителя использовался рядовой песок с модулем крупности Мкр=2,2 Ачинского карьера, Красноярского края. В качестве реакционно-активной добавки применялся МК Новокузнецкий. Для малоцементных бетонов использовали известняк и доломитизированный щебень с дробимостью Д=800-1200, фракции 5-10 мм. После изготовления бетонной смеси и определения консистенции смесь укладывали с формы-двойчатки 10х10х10 см и формы 40х40х160 мм и уплотняли на виброплощадке.
Составы бетонов, соотношение компонентов, условные реологические критерии представлены в таблицах 4.15; 4.16; 4.17.
Как следует из таблицы 4.15 жесткость бетонной смеси 15-20 сек. достигнута при достаточно высоком В/Ц=1,03, в связи с очень низким расходом цемента (150 кг/м3) и очень высоким содержанием сухих компонентов (2102 кг/м3). Несмотря на высокое содержание сухих компонентов (å сух / Ц =14), водотвердое отношение было очень низким
(0,065). Если сравнить бетоны старого поколения с расходами компонентов Ц=300; П=600; Щ=1300 кг/м3 при В/Ц=0,6 и жесткостью 15-30 сек. , то в таких бетонах В/Т- отношение равно 0,078, т.е. выше на 14%. Но необходимо учитывать, что в порошково-активированном бетоне находится чрезвычайно водопотребный МК, сильно водопотребный молотый песок и водопотребный тонкой песок фракции 0,16-0,63. При пробном замесе такого состава без ГП с влажностью 6,86 получена полусухая сыпучая смесь, которую невозможно уплотнить на современных вибропрессующих установках.
При низком расходе цемента в очень «тощем» составе при соотношении суммы сухих компонентов к массе цемента равного 14, но высоком содержании МК получен бетон с прочностью на сжатие 38,1 МПа с очень малым удельным расходом цемента на единицу прочности – 3,94 кг/МПа.Вряд ли такие«тощие» бетоны марок М300-М500 с расходом цемента 150 кг/м3 где-либо были получены. Сведений о них в литературе мы не обнаружили.
Во втором составе (табл.4.16) расход цемента был повышен на 86 кг/м3, а содержание МК было уменьшено до 13% от массы Ц. Бетонная смесь имела осадку конуса 8 мм, прочность возросла до 52,4 МПа, а удельный расход цемента увеличился до 4,5 кг/м3.
В третьем составе (табл.4.17) расход цемента увеличился до 495 кг/м3, содержание МК уменьшено до 11%. При таком содержании цемента В/Ц=0,333 и В/Т=0,64 получена малопластичная бетонная смесь с осадкой конуса 2-4 см и получен бетон с прочностью 150,1 МПа и низким удельным расходом цемента на единицу прочности – 3,3 кг/МПа!
Важно обратить внимание, что плотность бетона (через 1 сутки твердения) была очень высокой, как и прочность на изгиб по четырехточечной схеме испытания. Рассмотрение плоскостей разрушения такого бетона при сжатии и призмы на изгиб позволило установить отсутствие зон разрушения по границе сцепления цементного камня с очень прочными зернами диабаза (рис.4.8).
Рис. 4.8 Разрушение высокопрочного щебеночного бетона по заполнителю
Большие перспективы открываются при дисперсном армировании таких бетонов и получении фибробетонов с высокой надежностью вследствие пластического характера разрушения. Изменение рецептурного состава по соотношению компонентов щебеночного бетона с низкими расходами цемента 150-236 кг/м3 и с повышенным расходом 480 кг/м3 приводит к изменению В/Ц и В/Т и содержанию трех видов реологических матриц (рис.4.9 а).
Таблица 4.15
ПАЩБ-6. Состав, реотехнологические показатели бетонных смесей и физико-технические свойства малоцементных порошково-активированных щебеночных бетонов
Большие перспективы открываются при дисперсном армировании таких бетонов и получении фибробетонов с высокой надежностью вследствие пластического характера разрушения. Изменение рецептурного состава по соотношению компонентов щебеночного бетона с низкими расходами цемента 150-236 кг/м3 и с повышенным расходом 480 кг/м3 приводит к изменению В/Ц и В/Т и содержанию трех видов реологических матриц (рис.4.9 а).
Таблица 4.15
ПАЩБ-6. Состав, реотехнологические показатели бетонных смесей и физико-технические свойства малоцементных порошково-активированных щебеночных бетонов
Рис. 4.9 Изменение реологических матриц (а) и соотношения компонентов (б) нового поколения в зависимости от расходов цемента
Условный реологический критерий И Пзвцп , равный отношению водно- цементно-порошковой смеси к объему песка-заполнителя, подвержен самому существенному изменению. При переходе от очень «тощих» бетонов, в которых содержится 2100 кг/м3 сухих наполнителей, тонких песков, песка-заполнителя и щебня,к «жирным» бетонам И Пзвцп , увеличивается в 2,3 раза.
Относительное объемное содержание реологической матрицы первого рода изменяется не столь значительно – в 1,7 раза. Относительное содержание растворной матрицы, практически, изменяется очень незначительно (в 1,2 раза). Такая тенденция изменения условных реологических критериев в диапазоне двух крайних составов бетона, охватывающих широкой интервал расходов цемента, определяет закономерности изменений.
Для точной оценки зависимости необходимо оценить положение точек относительно условно проведенных прямых. При этом необходимо учитывать консистенцию бетонных смесей и установить изменение условных реологических показателей, начиная от «тощих» жестких смесей и кончая «жирными» самоуплотняющимися. Такие же изменения должны быть установлены и для всех соотношений сырьевых компонентов (рис.4.9 (б)).
Важно выявить и изменение прочностных (рис.4.10), и деформативных показателей от расходов цемента в тяжелых бетонах при близких консистенциях смесей. На графике изменение прочности на растяжение при изгибе все точки находятся на прямой. Прямолинейность в характере изменения прочности на сжатие нарушается. Поэтому установление всех закономерностей требует серьезных экспериментальных исследований.
Рис. 4.10 Зависимость прочности порошково-активированных щебеночных бетонов от расхода цемента
Для высокопластичных и самоуплотняющихся бетонных смесей соотношение компонентов и условные реологические критерии изменяются. Это отчетливо прослеживается на малоцементном порошково- активированном щебеночном, в котором путем изменения гранулометрического состава песка-заполнителя из смешения трех фракций дробленого гравия получили насыпную плотность ρнас=1550 кг/м3 с модулем крупности 2,39. В качестве тонкого песка использовали Ртищевский стекольный песок фракции 0,16-0,63мм, в котором содержалось 73% фракции 0,315-0,63мм и 23% фракции 0,16-0,315 мм. При смешивании тонкого песка с дробленным, в заданном соотношении получен модуль крупности Мк=3,39. Оптимальная гранулометрия песков, щебней, которая, как доказали Б.Г. Скрамтаев, Ю.М. Баженов, И.Н. Ахвердов, чрезвычайно важна не только в бетонах старого поколения. Но и в бетонах нового поколения.
В табл. 4.16 представлены результаты испытаний. Удалось при В/Ц = 0,376 получить бетонную смесь с осадкой конуса 21-22 см. Получено чрезвычайно низкое водотвердое отношение (0,048) и высокая плотность бетона – 2534 кг/м3 (через 1 сутки твердения в сыром состоянии). Плотность в естественно-сухом состоянии через 200 суток испытания усадочных деформаций была 2497 кг/м3. Достигнут высокий предел прочности при сжатии и самый низкий удельный расход цемента – 2,38 кг/МПа. Бетон с таким расходом цемента не обнаружен нами в иностранных публикациях.
Если в соответствии с [112] рассчитать среднее расстояние между зернами щебня δ, принимая усредненный размер их равный dщ =12,5 мм, то для кубической упаковки для δк получим:
Для высокопластичных и самоуплотняющихся бетонных смесей соотношение компонентов и условные реологические критерии изменяются. Это отчетливо прослеживается на малоцементном порошково- активированном щебеночном, в котором путем изменения гранулометрического состава песка-заполнителя из смешения трех фракций дробленого гравия получили насыпную плотность ρнас=1550 кг/м3 с модулем крупности 2,39. В качестве тонкого песка использовали Ртищевский стекольный песок фракции 0,16-0,63мм, в котором содержалось 73% фракции 0,315-0,63мм и 23% фракции 0,16-0,315 мм. При смешивании тонкого песка с дробленным, в заданном соотношении получен модуль крупности Мк=3,39. Оптимальная гранулометрия песков, щебней, которая, как доказали Б.Г. Скрамтаев, Ю.М. Баженов, И.Н. Ахвердов, чрезвычайно важна не только в бетонах старого поколения. Но и в бетонах нового поколения.
В табл. 4.16 представлены результаты испытаний. Удалось при В/Ц = 0,376 получить бетонную смесь с осадкой конуса 21-22 см. Получено чрезвычайно низкое водотвердое отношение (0,048) и высокая плотность бетона – 2534 кг/м3 (через 1 сутки твердения в сыром состоянии). Плотность в естественно-сухом состоянии через 200 суток испытания усадочных деформаций была 2497 кг/м3. Достигнут высокий предел прочности при сжатии и самый низкий удельный расход цемента – 2,38 кг/МПа. Бетон с таким расходом цемента не обнаружен нами в иностранных публикациях.
Если в соответствии с [112] рассчитать среднее расстояние между зернами щебня δ, принимая усредненный размер их равный dщ =12,5 мм, то для кубической упаковки для δк получим:
При гексагональной упаковке зерен щебня расстояние между поверхностями зерен будет 2,0 мм, а при случайной – 1,68 мм. При таких расстояниях обеспечивается свободное гравитационное течение и растекание бетонных смесей.
Таблица 4.16
ПАЩБ-33.Состав, реотехнологические показатели бетонной смеси и физико-технические свойства порошково-активированного щебеночного бетона
Таблица 4.16
ПАЩБ-33.Состав, реотехнологические показатели бетонной смеси и физико-технические свойства порошково-активированного щебеночного бетона
Таблица 4.17
ПАПБ 22. Состав, реотехнологические показатели бетоннойсмеси и физико-технические свойства порошково-активированного песчаного бетона.
ПАПБ 22. Состав, реотехнологические показатели бетоннойсмеси и физико-технические свойства порошково-активированного песчаного бетона.
Чрезвычайно актуальным является разработка песчаных (мелкозернистых) бетонов, особенно для регионов, не имеющих месторождений природных каменных пород. Совершенно очевидно, что если бы можно было у песчаных бетонов иметь близкие характеристики технических свойств высокопрочных щебеночных бетонов, то они бы были широко востребованными и в жилищном, и в промышленном строительстве. К сожалению, песчаные бетоны остаются пока очень цементоемкими, с повышенными усадочными деформациями, ползучестью, повышенной трещиностойкостью. Свойства песчаных бетонов становятся сопоставимыми лишь при жестких режимах поличастонного уплотнения с одновременным высоким компрессионным давлением [113]. Такие параметры получения возможны лишь для мелкоштучных изделий.
В связи с этим, проблема получения высокопрочных песчаных бетонов с низким удельным расходом цемента является очень важной. При высоком содержании песка, например, состава Ц:П = 1:3 суперпластификаторы очень плохо пластифицируют такие смеси. Получить высокопластичные, тем более самоуплотняющиеся песчаные бетонные смеси, без молотого тонкого песка невозможно – они будут водопотребны, высокопористы и малопрочны. При оценке марок цемента по ГОСТ310-76–85 в составах Ц:П = 1:3 с использованием нормального Вольского песка через 28 суток подтверждается марка цемента.
Для изготовления порошково-активированного песчаного бетона использовали микрокварц ЛГОК и микрокремнезем для получения объема матрицы первого рода, а для увеличения объема матрицы второго рода добавляли песок фр.0,16-0,63 мм. Состав и свойства бетонной смеси и бетона представлены в табл. 4.17. Из результатов испытаний следует, что достигнут высокий расплыв смеси для самоуплотняющегося бетона. Объем матрицы второго рода, равный 734,6 л на 1м3 бетонной смеси, оказался достаточным для обеспечения высокой текучести. Вычислим среднее расстояние между поверхностью частиц крупного песка, которые располагаются в смеси дискретно.
Используя ту же формулу для кубической упаковки, и принимая средний диаметр частиц песка d = 1,87мм,среднее расстояние п между поверхностями зерен песка будет 1,26 мм.
При гексагональной упаковке частиц песка расстояние между поверхностями частиц δГ будет 1,7 мм, а при случайной δС – 1,51 мм. Во всех случаях расстояние между частицами меньше среднего диаметра частиц. Важно, что из такого бетона с прочностью 128 МПа, уменьшая количество воды, можно получить жесткую смесь заводского производства сборного железобетона. Используя вибрирование прочность можно увеличить на 10- 20%.
Таким образом, с уверенностью можно утверждать, что и для порошково-активированных бетонов открываются новые перспективные направления в строительстве. Они позволят производить высокопрочные бетоны в тех регионах, в которых отсутствуют месторождения горных пород для производства щебня. Это позволит существенно снизить перевозки щебня и гравия.
Результаты исследований, приведенные в данном разделе диссертационной работы показывают, что оптимальные содержания высокодисперсных, грубодисперсных и зернистых компонентов в реологических матрицах песчаных и щебеночных бетонных смесях, позволяют создать как высокопрочные бетоны, так и малоцементные бетоны нового поколения рядовых марок. В высокопрочных бетонах экономической основой является уменьшение расходов всех компонентов бетона в 2-3 раза, в бетонах рядовых марок – снижение расхода цемента в 2-3 раза.
Разработка таких бетонов – важнейшая народно-хозяйственная проблема и она должна решаться многими научно-исследовательскими коллективами. Бетоны старого поколения были четырехкомпонентными, а нового поколения 7-8-ми компонентными. Оптимизация состава и структуры, последних более сложная задача, непосредственно связанная с повышением качества заполнителей и наполнителей из горных пород. В связи с этим бетоны старого поколения лишь тогда превратятся в высокоэффективные бетоны нового поколения, определяющие глобальную экономику строительства из железобетона в XXI веке, когда лишь одно десятилетие будет десятилетием прогресса в отрасли производства высококачественных наполнителей и заполнителей для бетонов. И чрезвычайно важно, чтобы это десятилетие было в начале XXI века, тогда оставшиеся восемь десятилетий Россия будет производить бетоны нового поколения, совершенствуя их из года в год. Стратегическое направление:
«Через рациональную реологию в будущее бетонов» необходимо дополнить:
«Через высококачественные наполнители и заполнители в будущее бетонов».
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4
В связи с этим, проблема получения высокопрочных песчаных бетонов с низким удельным расходом цемента является очень важной. При высоком содержании песка, например, состава Ц:П = 1:3 суперпластификаторы очень плохо пластифицируют такие смеси. Получить высокопластичные, тем более самоуплотняющиеся песчаные бетонные смеси, без молотого тонкого песка невозможно – они будут водопотребны, высокопористы и малопрочны. При оценке марок цемента по ГОСТ310-76–85 в составах Ц:П = 1:3 с использованием нормального Вольского песка через 28 суток подтверждается марка цемента.
Для изготовления порошково-активированного песчаного бетона использовали микрокварц ЛГОК и микрокремнезем для получения объема матрицы первого рода, а для увеличения объема матрицы второго рода добавляли песок фр.0,16-0,63 мм. Состав и свойства бетонной смеси и бетона представлены в табл. 4.17. Из результатов испытаний следует, что достигнут высокий расплыв смеси для самоуплотняющегося бетона. Объем матрицы второго рода, равный 734,6 л на 1м3 бетонной смеси, оказался достаточным для обеспечения высокой текучести. Вычислим среднее расстояние между поверхностью частиц крупного песка, которые располагаются в смеси дискретно.
Используя ту же формулу для кубической упаковки, и принимая средний диаметр частиц песка d = 1,87мм,среднее расстояние п между поверхностями зерен песка будет 1,26 мм.
При гексагональной упаковке частиц песка расстояние между поверхностями частиц δГ будет 1,7 мм, а при случайной δС – 1,51 мм. Во всех случаях расстояние между частицами меньше среднего диаметра частиц. Важно, что из такого бетона с прочностью 128 МПа, уменьшая количество воды, можно получить жесткую смесь заводского производства сборного железобетона. Используя вибрирование прочность можно увеличить на 10- 20%.
Таким образом, с уверенностью можно утверждать, что и для порошково-активированных бетонов открываются новые перспективные направления в строительстве. Они позволят производить высокопрочные бетоны в тех регионах, в которых отсутствуют месторождения горных пород для производства щебня. Это позволит существенно снизить перевозки щебня и гравия.
Результаты исследований, приведенные в данном разделе диссертационной работы показывают, что оптимальные содержания высокодисперсных, грубодисперсных и зернистых компонентов в реологических матрицах песчаных и щебеночных бетонных смесях, позволяют создать как высокопрочные бетоны, так и малоцементные бетоны нового поколения рядовых марок. В высокопрочных бетонах экономической основой является уменьшение расходов всех компонентов бетона в 2-3 раза, в бетонах рядовых марок – снижение расхода цемента в 2-3 раза.
Разработка таких бетонов – важнейшая народно-хозяйственная проблема и она должна решаться многими научно-исследовательскими коллективами. Бетоны старого поколения были четырехкомпонентными, а нового поколения 7-8-ми компонентными. Оптимизация состава и структуры, последних более сложная задача, непосредственно связанная с повышением качества заполнителей и наполнителей из горных пород. В связи с этим бетоны старого поколения лишь тогда превратятся в высокоэффективные бетоны нового поколения, определяющие глобальную экономику строительства из железобетона в XXI веке, когда лишь одно десятилетие будет десятилетием прогресса в отрасли производства высококачественных наполнителей и заполнителей для бетонов. И чрезвычайно важно, чтобы это десятилетие было в начале XXI века, тогда оставшиеся восемь десятилетий Россия будет производить бетоны нового поколения, совершенствуя их из года в год. Стратегическое направление:
«Через рациональную реологию в будущее бетонов» необходимо дополнить:
«Через высококачественные наполнители и заполнители в будущее бетонов».
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4
- Исследованы физико-технические свойства порошковых реакционно- порошковых и порошково-активированных бетонов и фибробетонов. Обоснован выбор рационального диаметра фибры. Предложен метод расчета расстояний между волокнами в бетоне с учетом топологии ее размещения. Показано, что оптимальный диаметр фибры должен быть не более 0,2-0,25 мм с геометрическим фактором 50-70. При использовании толстой фибры 0,6-0,8 мм. Неминуем значительный перерасход стали.
- Оптимизированы компонентные составы самоуплотняющихся порошковых бетонов с чрезвычайно низкими значениями В/Т (0,092-0,1) и В/Ц отношениями (0,28-0,33) при средней толщине матрицы между частицами тонкозернистого песка 45-65 мкм, для получения реакционно- порошкового бетона с прочностью на сжатие 150-160 МПа, с прочностью на растяжении при изгибе – 17-27 МПа. Выявлены условия самопроизвольного удаления пузырьков воздуха, как концентраторов напряжений в РПБ.
- С использованием стальной фибры диаметром 0,2 и длиной 12 мм при степени армирования 2-3% получены самоуплотняющиеся реакционно- порошковые фибробетоны с прочность на сжатие 160-200 МПа и с прочностью на изгиб – 38-52 МПа. Предложен критерий оценки расхода фибры на единицу прироста прочности на растяжение при изгибе ( Фуд кг/МПа) по сравнению с Rи бетона без фибры.
- Исследованные физико-технические, гигрометрические свойства РПБ и РП-фибробетонов: Rсж и Rизг, водопоглощение, усадка, набухание, морозостойкость. Достигнут рубеж прочности на сжатие 200 МПа и на растяжение при изгибе 50 МПа с удельным расходом цемента 3,3 кг/МПа. Бетоны являются особо плотными с водопоглощением не более 1,5%, морозостойкими (более 900 циклов), малоусадочными (ε = 0,3-0,45 мм/м – без фибры).
- Установлено оптимальное содержание трех реологических матриц в двух видах щебеночных бетонов нового поколения с расходами цемента 220- 485 кг/м3 марок М 600-1500. Показано, что при переходе от малоцементных бетонов к бетонам с повышенным расходом цемента содержание реологических матриц первого и второго рода уменьшается.
- Изучено влияние углеродных волокон на прочность РПБ. При использовании микрофибры в количестве 0,5-1,0% по объему высокопрочные порошковые бетоны становятся высокооднородными объемно-армированными композитами. Показано, что комбинирование углеродной фибры со стальной позволяет получить бетон с прочностью на растяжение через 1 сутки – 20 МПа, через 28 суток – 52 МПа..
Общество с ограниченной ответственностью
"Научно-производственное объединение
"КОПОН"
Юридический адрес (в соответствии с Учредительными документами):
142517, Московская область, г.о. ПавловоПосадский, д. Улитино, д. 46
Адрес производства:
600020, г. Владимир, улица Большая Нижегородская, д 88 (территория КПП)
Телефон: +7-908-166-83-91
+7-4922-37-73-11
Адрес электронной почты: bepors@rambler.ru
Сайт: bepors.ru
ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧНЫЕ СУХИЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ СМЕСИ
