Отправить статью по E-mail Исследование водопотребности модифицированной фибробетонной смеси и ее влияния на физико-механические характеристики мелкозернистых бетонов
- Авторы: Балыков А.С., Низина Т.А., Сарайкин А.С., Володин В.В., Потекаев А.В.
- Выпуск: Том 4, № 5 (2016)
- Раздел: Статьи
- Статья получена: 14.03.2025
- Статья одобрена: 14.03.2025
- URL: https://ogarev-online.ru/2311-2468/article/view/283558
- ID: 283558
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Исследовано влияние водопотребности фибробетонных смесей на физико- механические характеристики модифицированных дисперсно-армированных мелкозернистых бетонов. Графическая интерпретация результатов осуществлялась по треугольным диаграммам Гиббса-Розебома, построенным с применением программы Statistica 10.0.1011. Проведен анализ оптимальных комплексов добавок и дисперсных волокон с целью повышения исследуемых характеристик цементных композитов.
Полный текст
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.
Об авторах
А. С. Балыков
Автор, ответственный за переписку.
Email: ogarevonline@yandex.ru
Россия
Т. А. Низина
Email: ogarevonline@yandex.ru
Россия
А. С. Сарайкин
Email: ogarevonline@yandex.ru
Россия
В. В. Володин
Email: ogarevonline@yandex.ru
Россия
А. В. Потекаев
Email: ogarevonline@yandex.ru
Россия
Список литературы
- 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.
Дополнительные файлы
