Влияние минеральных добавок и дисперсных волокон на водопотребность мелкозернистых фибробетонных смесей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВЛИЯНИЕ МИНЕРАЛЬНЫХ ДОБАВОК И ДИСПЕРСНЫХ ВОЛОКОН НА ВОДОПОТРЕБНОСТЬ МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ ФИБРОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ

Низина Т.А., Балыков А.С., Коровкин Д.И.,

Володин В.В., Аникина Н.С.

Мордовский государственный университет

им. Н.П. Огарёва, Саранск, Россия

Исследовано влияние минеральных добавок и дисперсных волокон на водопотребность равноподвижных мелкозернистых фибробетонных смесей. Определены наиболее оптимальные комплексы модификаторов для улучшения реотехнологических показателей дисперсно-армированных смесей. Исследовано влияние водопотребности фибробетонных смесей на физико-механические характеристики модифицированных дисперсно-армированных мелкозернистых бетонов. Проведен анализ наиболее оптимальных комплексов добавок и дисперсных волокон с целью повышения исследуемых характеристик цементных композитов.

Ключевые слова: дисперсно-армированный мелкозернистый бетон, модифицирующая добавка, дисперсное волокно, водопотребность, реотехнологические характеристики, предел прочности на растяжение при изгибе, предел прочности при сжатии

INFLUENCE OF MINERAL ADDITIVES AND DISPERSED FIBERS ON THE WATER DEMAND OF FINE-GRAINED FIBER-REINFORCED CONCRETE MIXTURES

Nizina T.A., Balykov A.S., Korovkin D.I., Volodin V.V., Anikina N.S., National Research Mordovia State University, Russia, Saransk

Studied he influence of mineral additives and dispersed fibers on the water demand of the equally mobile fine-grained fibro-concrete mixtures. The most optimal modifier complexes for improving the rheological characteristics of dispersed-reinforced mixtures. The influence of the water demand of fiber-reinforced concrete mixtures on the physico-mechanical characteristics of modified dispersed-reinforced fine-grained concrete has been studied. The analysis of the most optimal complexes of additives and dispersed fibers was carried out with the purpose of increasing the investigated characteristics of cement composites.

Keywords: dispersed-reinforced fine-grained concrete, modifying additive, disperse fiber, water demand, rheotechnological characteristics, ultimate tensile strength at bending, compressive strength

Современные технологии, посвященные получению высокопрочных (HSC) и ультравысокопрочных (UHSC), высокофункциональных (HPC) и ультравысокофункциональных (UHPC), самоуплотняющихся (SCC), реакционно-порошковых (RPC) и других видов бетона, непосредственно связаны с необходимостью снижения В/Ц отношения для повышения прочностных показателей цементных бетонов.

Многие исследования, проводимые в области бетоноведения, связаны с выявлением и уточнением степени влияния водоцементного отношения (В/Ц) на структуру и свойства цементных бетонов [4]. Боломеем-Скрамтаевым (1) и Графом-Беляевым (2) были предложены зависимости, описывающие изменение прочностных показателей бетонов от В/Ц отношения [2, 5]:

цементный композит минеральная добавка

(1)

(2)

где прочность бетона в возрасте 28 сут;

, , эмпирические коэффициенты;

активность цемента;

В/Ц, Ц/В - водоцементное и цементно-водное отношение соответственно.

Кроме того, в настоящее время требуемый уровень характеристик цементных композитов обеспечивается за счет применения как индивидуальных, единичных добавок, так и комплексных модификаторов, включающих до десятка и более наименований, в числе которых гидрофобные и гидрофильные органические ПАВ (суперпластификаторы и гиперпластификаторы), тонкоизмельченные активные минеральные наполнители природного и техногенного происхождения, микроармирующие волокна и др. [1].

В современном мире дисперсное армирование композиционных материалов является перспективным направлением строительного материаловедения. Благодаря значительным успехам в области повышения активности цементных минеральных вяжущих веществ, на данный момент разработаны составы бетонов с пределом прочности на сжатие 100-150 МПа и выше [13, 14]. Однако прочность растворов и бетонов при растяжении остается во много раз ниже прочности на сжатие. Как показали результаты проведенных ранее исследований [7, 8, 11, 15], повышение прочностных показателей бетонов при растяжении может быть достигнуто за счет использования многоуровневого дисперсного армирования.

Огромные перспективы, наряду с фиброармированием, открывает и использование в составах бетонов и растворов тонкодисперсных кремнийсодержащих минеральных добавок, таких как микрокремнезем и метакаолин, которые способствуют увеличению плотности цементного камня за счет микронаполнения и связывания гидратной извести, позволяют стабилизировать бетонные смеси с высоким водоцементным соотношением, усиливают 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, 10, 16]. Так же к востребованным модификаторам относятся и добавки гидроизоляционного типа, а именно система материалов «Пенетрон», которая позволяет значительно повысить стойкость бетона к воздействию агрессивных сред [17]. Несмотря на все плюсы модифицирующих добавок, известно, что в составах бетонных смесей многие модификаторы оказывают загущающее действие, приводящее к ухудшению реотехнологических показателей, что в итоге может отрицательно сказаться на физико-механических и эксплуатационных характеристиках композитов [3, 12].

Целью данного экспериментального исследования является установление влияния модифицирующих добавок и дисперсных волокон на водопотребность фибробетонной смеси. В качестве вяжущего был использован портландцемент марки ЦЕМ I 42,5Б производства ОАО «Мордовцемент», мелкозернистого заполнителя - речной песок с размером частиц до 5 мм, добываемый в Новостепановском карьере (п. Смольный, Ичалковский район, Республика Мордовия).

Для дисперсного армирования бетонов применялись: полипропиленовое волокно (ППН, ), полиакрилонитрильное волокно (ПАН, ), модифицированная астраленами базальтовая микрофибра под фирменным названием «Астрофлекс-МБМ» (МБМ, ). Для модификации 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).

При составлении плана экспериментальных исследований учитывалось выполнение следующих условий:

0 ? ? 1; ?=1; =1, 2, 3;

0 ? ? 1; ?=1; =1, 2, 3. (3)

Диапазоны варьирования исследуемых факторов представлены в таблице 1.

Уровни варьирования исследуемых факторов экспериментального исследования

Неизменными составляющими фибробетонной смеси оставались: доля речного песка - 65% от массы твердой фазы и содержание суперпластификатора Melflux 1641 F - 0,5% от массы вяжущего. Технология приготовления дисперсно-армированной бетонной смеси включала несколько этапов. На первом этапе осуществлялось введение и перемешивание в сухом состоянии требуемого количества вяжущего, заполнителя и модифицирующих добавок; на втором - вводились дисперсные волокна с первой порцией воды (В/Ц=0,2); на третьем - производилась корректировка составов водой для получения равноподвижных составов. Изменение водопотребности модифицированных дисперсно-армированных бетонных смесей в зависимости от варьирования исследуемых факторов показано на рис. 1.

Из анализа полученных результатов установлено, что наибольшей водопотребностью обладают составы, содержащие микрокремнезем конденсированный уплотненный (рис. 1, а и б). Максимальное значение, близкое к 23% от массы сухих компонентов, имеют составы со 100% содержанием МКУ (20% от массы цемента) и МБМ (5% от массы цемента).

Для составов, содержащих ВМК и Адмикс, зафиксирована меньшая водопотребность, что свидетельствует о сниженной загущающей способности данных добавок в равноподвижных дисперсно-армированных смесях по сравнению с микрокремнеземом. Согласно рис. 1 (б и в), наименьшую водопотребность (около 15% от массы сухих компонентов) имеют составы с добавкой Адмикс и равным соотношением ППН и МБМ (по 50%). При 100% модифицировании смесей ВМК (6% от массы цемента) наиболее сниженные показатели водопотребности (17%) зафиксированы у смесей с ПАН-волокном.

Из анализа рис. 1 (б) установлено, что наибольший прирост водопотребности (4-6% от массы сухих компонентов) наблюдается при увеличении доли микрокремнезема конденсированного уплотненного в смеси с добавкой Адмикс при использовании МБМ-фибры (5% от массы цемента). Наименьший прирост водопотребности (0,8-1%) при увеличении доли МКУ с добавкой Адмикс установлен у состава, содержащего ППН (1% от массы цемента). При увеличении доли МКУ в смеси с ВМК (рис. 1, а) водопотребность у составов с содержанием равной доли (по 50%) полипропиленового и полиакрилонитрильного волокон варьируется в пределах 0,8% от массы сухих компонентов.

аб

в

Рис. 1. Влияние содержания модифицирующих добавок на водопотребность дисперсно-армированных бетонных смесей

Рис. 2. Треугольные диаграммы Гиббса-Розебома изменения водопотребности (а, б) (% от массы сухих компонентов); плотности в нормальных влажностных условиях (в, г) (кг/м³); предела прочности на растяжение при изгибе (д, е) (МПа) и при сжатии (ж, з) (МПа) дисперсно-армированных мелкозернистых бетонов в зависимости от содержания добавок (, , ) и фибры (, , ) (см. таблицу 1): а), в), д), ж) б), г), е), з)

Также в ходе экспериментальных исследований были определены: 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 [9]. 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. 2), построенные с применением программы Statistica 10.0.1011.

Из графического анализа изолиний было установлено, что увеличение содержания в составах мелкозернистых бетонов ВМК позволило получить цементные композиты с высокой плотностью (рис. 2, в) и улучшенными прочностными характеристиками (рис. 2, д, ж). Наилучшие результаты для предела прочности на растяжение при изгибе были зафиксированы при максимальном количестве метакаолина () в совокупности с равным соотношением полипропиленовой и полиакрилонитрильной фибр () (рис. 2, д), а для предела прочности при сжатии - при максимальном использовании ПАН-фибры () (рис. 2, ж).

Снижению физико-механических характеристик фибробетонов способствует повышение доли микрокремнезема в составах. Наиболее низкая плотность зафиксирована у цементных композитов, модифицированных добавкой микрокремнезема () и дисперсно-армированных комплексом волокон «ППН+МБМ» при долях фибр близких к равным () (рис. 2, г). Самые низкие показатели исследуемых упруго-прочностных характеристик имеют составы с МКУ и МБМ ( ) (рис. 2, е, з).

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. 2, а, б).

По результатам анализа диаграмм Гиббса-Розебома (рис. 2) можно сделать вывод о взаимозависимости исследуемых показателей модифицированных дисперсно-армированных бетонов. Для составов с метакаолином, армированных полиакрилонитрильным волокном зафиксированы наиболее высокие физико-механические характеристики и пониженная водопотребность. Замена в смесях, армированных ПАН-фиброй и МБМ, ВМК на МКУ приводит 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.

Таким образом, в результате экспериментальных исследований установлена зависимость водопотребности равноподвижных фибробетонных смесей от применяемых модификаторов и дисперсных волокон, что позволит выбрать наиболее оптимальные комплексы данных добавок для улучшения реотехнологических характеристик смесей с целью повышения прочностных показателей и создания долговечных дисперсно-армированных композитов.

Список литературы

1. Баженов Ю.М. Модифицированные высококачественные бетоны / Ю.М. Баженов, В.С. Демьянова, В.И. Калашников. - М.: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2006. - 368 с.

2. Баженов Ю.М. Технология бетона. - М.: Изд-во АСВ, 2003. - 500 с.

3. Балыков А.С. Влияние водопотребности фибробетонной смеси на физико-механические характеристики модифицированных дисперсно-армированных мелкозернистых бетонов / А.С. Балыков, Т.А. Низина, Н.М. Кузнецов, А.С. Сарайкин // Материалы X Международной конференции молодых ученых «Теория и практика повышения эффективности строительных материалов». - Пенза: Пенз. гос. ун-т архит. и строит., 2015. - С. 17-22.

4. Дворкин Л.И. Проектирование составов бетона с заданными свойствами / Л.И. Дворкин, О.Л. Дворкин. - Ровно: РГТУ, 1999. - 202 с.

5. Дворкин Л.И. Расчетное прогнозирование и проектирование составов бетонов / Л.И. Дворкин, О.Л. Дворкин. - М.: Инфра-Инженерия, 2016. - 386 с.

6. Низина Т.А. Влияние минеральных добавок на реологические и прочностные характеристики цементных композитов / Т.А. Низина, А.В. Балбалин // Вестник ТГАСУ. - 2012. - № 2. - С. 148-153.

7. Низина Т.А. Дисперсно-армированные мелкозернистые бетоны с полифункциональными модифицирующими добавками / Т.А. Низина, А.С. Балыков, В.В. Володин, Д.И. Коровкин // Инженерно-строительный журнал. - 2017. - № 4 (72). - С. 73-83.

8. Низина Т.А. Исследование комплексов активных минеральных добавок и дисперсных волокон при разработке составов дисперсно-армированных модифицированных мелкозернистых бетонов / Т.А. Низина, А.С. Балыков, Л.В. Макарова, Д.И. Коровкин, В.В. Володин // Вестник Приволжского территориального отделения РААСН. Вып. 20. - Н. Новгород: ННГАСУ, 2017. - С. 230-240.

9. Низина Т.А. Материальная база вуза как инновационный ресурс развития национального исследовательского университета / Т.А. Низина, В.П. Селяев // Долговечность строительных материалов, изделий и конструкций факторов: материалы Всеросс. науч.-техн. конф. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2014. - С. 115-121.

10. Низина Т.А. Механическая активация цементных смесей с полифункциональными добавками / Т.А. Низина, А.В. Балбалин // Региональная архитектура и строительство, 2013. - № 2. - С. 36-42.

11. Низина Т.А. Оптимизация составов многокомпонентных мелкозернистых фибробетонов, модифицированных на различных масштабных уровнях / Т.А. Низина, В.П. Селяев, А.С. Балыков, В.В. Володин, Д.И. Коровкин // Нанотехнологии в строительстве. - 2017. - Том 9, №2. - С. 43-65.

12. Низина Т.А. Экспериментальные исследования дисперсно-армированных мелкозернистых бетонов с полифункциональными модификаторами / Т.А. Низина, А.С. Балыков, А.С. Сарайкин // УралНИИпроект РААСН. - 2015. - № 4. - С. 91-96.

13. Рабинович Ф.Н. Дисперсно армированные бетоны. - М.: Стройиздат, 1989. - 176 с.

14. Рабинович Ф.Н. Композиты на основе дисперсно-армированных бетонов // Вопросы теории и проектирования, технология, конструкции: монография. - M.: Изд-во ACB, 2004. - 560 с.

15. Сарайкина К.А. Щелочестойкость базальтового волокна и способы ее повышения / К.А. Сарайкина, В.А. Голубев, Е.Н. Семкова // Вестник Перм. нац. исслед. политехн. ун-та. Строительство и архитектура. - № 1. - 2012. - С. 185-192.

16. Селяев В.П. Многофункциональные модификаторы цементных композитов на основе минеральных добавок и поликарбоксилатных пластификаторов / В.П. Селяев, Т.А. Низина, А.В. Балбалин // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Сер. Строительство и архитектура. Ч. 2. Вып. 31 (50), Волгоград, 2013. - С. 156-163.

17. 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., 2013.

Размещено на Allbest.ru