Email this article Study of water demand of modified fiber-reinforced concrete mixture and its effect on physical and mechanical characteristics of fine-grained concretes
- Authors: Balykov A.S., Nizina Т.A., Saraykin A.S., Volodin V.V., Potekaev A.V.
- Issue: Vol 4, No 5 (2016)
- Section: Статьи
- Submitted: 14.03.2025
- Accepted: 14.03.2025
- URL: https://ogarev-online.ru/2311-2468/article/view/283558
- ID: 283558
Cite item
Full Text
Abstract
The effect of water demand of fiber concrete mixtures on the physical and mechanical properties of modified disperse-reinforced fine-grained concretes is studied. A graphical interpretation of the study results was carried out on Gibbs-Roseboom triangular diagrams constructed with the use of Statistica 10.0.1011. The optimal additive complexes and dispersed fibers are analyzed in order to improve the cement composites characteristics.
Full Text
Мировой опыт свидетельствует, что перспективным направлением современного строительного материаловедения является дисперсное армирование композиционных материалов. На сегодняшний день достигнуты значительные успехи в области повышения активности цементных минеральных вяжущих веществ, что позволяет разрабатывать составы бетонов с пределом прочности на сжатие 100-150 МПа и выше [1; 2]. Однако прочность растворов и бетонов при растяжении остается во много раз ниже прочности на сжатие. В связи с этим, использование дисперсных волокон для армирования с целью повышения прочности при растяжении цементных композитов может послужить толчком к получению бетонов нового типа, с более широкими возможностями их применения в строительстве [1–4].
Несмотря на значительное количество научных исследований, применение дисперсного армирования в строительных изделиях сдерживается рядом причин: отсутствует достаточная нормативная база по проектированию и оптимальным методам распределения волокон в матрице вяжущего, расчету сырьевых составов, технологиям производства строительных изделий с использованием дисперсных волокон [5].
Наряду с дисперсным армированием, широкие перспективы открывает и использование в составах бетонов и растворов тонкодисперсных кремнийсодержащих минеральных добавок, таких как микрокремнезем и метакаолин, позволяющих увеличивать плотность цементного камня за счет микронаполнения и связывания (пуццоланический эффект) гидратной извести (портландита); стабилизировать бетонные смеси с высоким водосодержанием; усиливать эффективность работы поверхностно-активных веществ, вводимых в состав материала; а также получать повышенные физико-механические и эксплуатационные свойства цементных композитов при пониженных расходах цемента [6–8]. Другими востребованными модификаторами являются добавки гидроизоляционного типа, в частности система материалов «Пенетрон», позволяющая значительно повысить стойкость бетона к воздействию агрессивных сред [9].
Исследование водопотребности модифицированных дисперсно-армированных бетонных смесей и ее влияния на основные физико-механические характеристики цементных композитов является важным и актуальным. Фиброармирование композиций на основе цемента приводит к ухудшению удобоукладываемости смесей, вызывая кластеризацию и комкование [10; 11], а тем самым снижает эксплуатационные характеристики цементных композитов. Вместе с этим, введение в рецептуру бетонных смесей активных минеральных добавок с высокой удельной поверхностью еще в большей степени приводит к необходимости решения вопроса их водоредуцирования. Применение высокоэффективных суперпластификаторов на поликарбоксилатной основе не в полной мере позволяет решить данную проблему, что требует проведения дополнительных исследований по поиску наиболее оптимальных комплексов добавок и дисперсных волокон для получения цементных композитов с повышенными эксплуатационными требованиями.
В качестве вяжущего был использован портландцемент класса ЦЕМ I 42,5Б производства ОАО «Мордовцемент», мелкозернистого заполнителя – речной песок с размером зерна менее 5 мм, добываемый в поселке Смольный Ичалковского района Республики Мордовия. Для дисперсного армирования бетонов применялись волокна следующих видов: низкомодульное полипропиленовое волокно (ППН), высокомодульное полиакрилонитрильное волокно (ПАН), модифицированная астраленами базальтовая микрофибра под фирменным названием «Астрофлекс-МБМ» (МБМ). С целью полифункциональной модификации мелкозернистых бетонов использовались: микрокремнезем конденсированный уплотненный (МКУ), высокоактивный метакаолин (ВМК), гидроизоляционная добавка в бетонную смесь «Пенетрон Адмикс» (Адмикс). Для достижения требуемых реологических свойств в состав бетонных смесей вводился суперпластификатор Melflux 1641 F (MF 1641 F).
В исследовании варьировалось две группы факторов – вид и содержание используемых добавок (𝑣1 (МКУ), 𝑣2 (ВМК), 𝑣3 (Адмикс)), а также вид и содержание применяемой фибры (𝑤1(ППН), 𝑤2 (ПАН); 𝑤3 (МБМ)). Для исследуемой системы «состав – свойства» контролировалось выполнение следующих условий:
0 ≤ vi≤ 1; ∑vi=1; i = 1, 2, 3; 0 ≤ wi≤ 1; ∑wi = 1; i = 1, 2, 3. (1)
Численные значения уровней варьирования исследуемых факторов представлены в таблице 1. Неизменными составляющими фибробетонной смеси оставались: доля речного песка – 65% от массы твердой фазы и содержание суперпластификатора Melflux 1641 F – 0,5% от массы вяжущего.
Таблица 1
Уровни варьирования исследуемых факторов экспериментального исследования
Факторы | Уровни варьирования | |||||
0 | 0,333 | 0,5 | 1 | |||
Вид добавки | v1 | МКУ, % от массы цемента | 0 | 6,667 | 10 | 20 |
v2 | ВМК, % от массы цемента | 0 | 2 | 3 | 6 | |
v3 | Адмикс, % от массы цемента | 0 | 0,5 | 0,75 | 1,5 | |
Вид фибры | w1 | ППН, % от массы цемента | 0 | 0,333 | 0,5 | 1 |
w2 | ПАН, % от массы цемента | 0 | 0,5 | 0,75 | 1,5 | |
w3 | МБМ, % от массы цемента | 0 | 1,667 | 2,5 | 5 | |
В ходе эксперимента были исследованы: водопотребность, предел прочности при сжатии (ГОСТ 310.4) и на растяжение при изгибе (ГОСТ 310.4), плотность в нормальных влажностных условиях (ГОСТ 12730.1-78) в возрасте 28 суток. Прочностные характеристики мелкозернистых бетонов определялись на установке WilleGeotechnik® (модель 13-PD/401) для испытания строительных материалов [12]. Настройка основных параметров и фиксирование полученных экспериментальных результатов осуществлялось с применением программного обеспечения GEOSYS 8.7.8.
Для обработки результатов экспериментальных исследований применялись методы математической статистики, а для их графической интерпретации - треугольные диаграммы Гиббса-Розебома в виде двумерных карт линий уровня (изолиний) (рис. 1), построенные с применением программы Statistica 10.0.1011.
Рис. 1. Треугольные диаграммы Гиббса-Розебома изменения водопотребности (а, б, в) (% от массы сухих компонентов); плотности в нормальных влажностных условиях (г, д, е) (кг/м3); предела прочности на растяжение при изгибе (ж, з, и) (МПа) и при сжатии (к, л, м) (МПа) дисперсно- армированных мелкозернистых бетонов в зависимости от содержания добавок (𝑣1, 𝑣2, 𝑣3) и фибры (𝑤1, 𝑤2, 𝑤3) (см. таблицу 1): а), г), ж), к) 𝑣1 = 1, 𝑣2 = 0, 𝑣3 = 0; б), д), з), л) 𝑣1 = 0, 𝑣2 = 1, 𝑣3 = 0 в), е), и), м) 𝑣1 = 0, 𝑣2 = 0, 𝑣3 = 1.
Проведенный графический анализ изолиний показал, что увеличение содержания в составах высокоактивного метакаолина позволило получить цементные композиты с высокой плотностью (рис. 1, д). ВМК оказал наилучшее влияние и на исследуемые прочностные характеристики мелкозернистых дисперсно-армированных бетонов. Наибольшие результаты были зафиксированы при максимальном количестве метакаолина (𝑣2 = 1) и следующем содержании данных дисперсных волокон:
- для предела прочности на растяжение при изгибе – при равном соотношении полипропиленовой и полиакрилонитрильной фибр (𝑤2 = 𝑤3 = 0,5) (рис. 1, з);
- для предела прочности при сжатии – при максимальном использовании ПАН-фибры (𝑤2 = 1) (рис. 1, л).
Напротив, повышение доли микрокремнезема приводит к снижению физико- механических характеристик фибробетонов. Наиболее низкая плотность зафиксирована у цементных композитов, модифицированных добавкой микрокремнезема (𝑣1 = 1) и дисперсно-армированных комплексом волокон «ППН+МБМ» при долях фибр близких к равным (𝑤1 = 𝑤3 = 0,5) (рис. 1, г). Самые низкие показатели исследуемых упруго- прочностных характеристик имеют составы с МКУ и МБМ (𝑣1 = 1, 𝑤3 = 1) (рис. 1, ж, к).
Высокие физико-механические показатели цементных композитов с метакаолином, армированных полиакрилонитрильным волокном и/или модифицированной базальтовой микрофиброй, обусловлены, в том числе и их сниженной водопотребностью по сравнению с составами с микрокремнеземом (рис. 1, а, б). Наиболее высокая водопотребность при применении микрокремнезема и метакаолина зафиксирована у бетонных смесей дисперсно- армированных модифицированной базальтовой микрофиброй и полипропиленовым волокном соответственно (рис. 1, а, б), а при использовании добавки Адмикс – у смесей с полиакрилонитрильной синтетической фиброй.
По результатам анализа линий равного влияния (рис. 1) можно сделать вывод о взаимозависимости исследуемых показателей модифицированных дисперсно-армированных бетонов. Наиболее высокие физико-механические характеристики были зафиксированы для составов с метакаолином, армированных полиакрилонитрильным волокном; данные составы обладают и пониженной водопотребностью. Замена в смесях, армированных ПАН-фиброй и МБМ, ВМК на МКУ приводило к повышению водопотребности смесей, снижению плотности и прочности цементных композитов на их основе. Данные факты свидетельствует о негативном влиянии МКУ на процессы структурообразования модифицированных мелкозернистых дисперсно-армированных бетонов по сравнению с другими видами применяемых добавок.
About the authors
A. S. Balykov
Author for correspondence.
Email: ogarevonline@yandex.ru
Russian Federation
Т. A. Nizina
Email: ogarevonline@yandex.ru
Russian Federation
A. S. Saraykin
Email: ogarevonline@yandex.ru
Russian Federation
V. V. Volodin
Email: ogarevonline@yandex.ru
Russian Federation
A. V. Potekaev
Email: ogarevonline@yandex.ru
Russian Federation
References
- Рабинович Ф. Н. Дисперсно армированные бетоны. – М.: Стройиздат, 1989. – 176 с.
- Рабинович Ф. Н. Композиты на основе дисперсно армированных бетонов. Вопросы теории и проектирования, технология, конструкции: Монография. – M.: ACB, 2004. – 560 с.
- Низина Т. А., Балыков А. С., Сарайкин А. С. Экспериментальные исследования дисперсно- армированных мелкозернистых бетонов с полифункциональными модификаторами // УРАЛНИИПРОЕКТ РААСН. – 2015. – № 4. – С. 91–96.
- Низина Т. А., Балыков А. С. Сравнительный анализ влияния вариантов дисперсного армирования и полифункционального модифицирования на изменение физико-механических характеристик мелкозернистых бетонов // Вестник Волжского регионального отделения РААСН. – Вып. 16. – Нижний Новгород: ННГАСУ, 2016 (в печати).
- Сарайкина К. А., Голубев В. А., Семкова Е. Н. Щелочестойкость базальтового волокна и способы ее повышения // Вестник Перм. нац. исслед. политехн. ун-та. Строительство и архитектура.– 2012. – № 1. – С. 185–192.
- Низина Т. А., Балбалин А. В. Влияние минеральных добавок на реологические и прочностные характеристики цементных композитов // Вестник ТГАСУ. – 2012. – № 2. – С. 148–153.
- Низина Т. А., Балбалин А. В. Механическая активация цементных смесей с полифункциональными добавками // Региональная архитектура и строительство. – 2013. – № 2. – С. 36–42.
- Селяев В. П., Низина Т. А., Балбалин А. В. Многофункциональные модификаторы цементных композитов на основе минеральных добавок и поликарбоксилатных пластификаторов // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. – Ч. 2, Вып. 31 (50). – 2013. – С. 156–163.
- Технологический регламент на проектирование и выполнение работ по гидроизоляции и антикоррозионной защите монолитных и сборных бетонных и железобетонных конструкций. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: СРО «РСПППГ», 2008. – 64 с.
- Kuder K., Ozyurt N., Mu E., Shah S. Rheology of fiber-reinforced cement systems using a custom built rheometer. – Brittle Matrix Composites 8 : Proc. 8th Int. Symp. BMC8. – Warsaw: Woodhead Publ. Ltd., ZTUREK, 2006. – P. 431–439.
- Ponikiewski T. Investigation on random distribution of fibres in cement composites. – Brittle Matrix Composites 9 : Proc. 9th Int. Symp. BMC9. – Warsaw: Woodhead Publ. Ltd., IFTR, 2009. – P. 131–138.
- Низина Т. А., Селяев В. П. Материальная база вуза как инновационный ресурс развития национального исследовательского университета // Долговечность строительных материалов, изделий и конструкций факторов: материалы Всеросс. науч.-техн. конф. – Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2014. – С. 115–121.
Supplementary files
