Исследование прочности сталефибробетона

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование прочности сталефибробетона

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время сталефибробетону уделяют особое внимание, как к одному из наиболее быстро развивающихся эффективных и перспективных строительных материалов. Исследования, проведенные во многих странах мира, показали высокую прочность, трещиностойкость и долговечность сталефибробетона.

В «Институте «Оргэнергострой» проводятся исследования сталефибробетонов с целью выполнения из них тонкостенных (толщиной 20-30 мм) сборных панелей несъемной опалубки сборно-монолитных конструкций при взведении зданий и сооружений объектов тепловой и атомной энергетики. В связи с этим возникла необходимость в оценке показателей не только эксплуатационных, но и теплофизических характеристик (особенно термических изменений прочности) сталефибробетона при использовании в конструкциях, работающих при повышенных температурах с учетом их аварийных значений [1].

В НИУ МГСУ проводятся работы по формированию основ для создания сталефибробетонов с требуемыми теплофизическими свойствами.

прочность сталефибробетон термический

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследованию влияния нагревания на прочность и другие свойства сталефибробетона посвящено достаточно большое число работ, выполненных в США, Германии, Франции, Индии, Южной Корее, Сингапуре, Малайзии, Тайване, Китае, Австралии, Румынии, Алжире, Греции, Ираке и др. Анализ приведенных исследований показал, что максимальные температуры, достигавшиеся в экспериментах, можно разделить на две группы: нагревание до температур 200-400 єС и нагревание до температуры 600-1200 єС.

Практически во всех исследованиях образцы сталефибробетона нагревали в муфельной печи или газовой горелкой. Максимальные значения температуры, достигаемые в эксперименте, варьировали с шагом 100 или 150 ?С. Скорость нагрева варьировали от 1,4 єС/мин до 8 єС/мин (чаще всего - 5 єС/мин). При стандартизированных испытаниях на огнестойкость по ГОСТ 30247.0 [2] и ASTM E 119-00а [3] применяют быстрый нагрев со скоростью 30 єС/мин.

После достижения заданной максимальной температуры образцы выдерживали в печи 1-4 ч (чаще всего, 1 или 2 ч). После этого они, как правило, остывали в выключенной печи до начальной температуры 20-25 єС.

Исследования огнестойкости сталефибробетона проводили, как правило, на образцах кубах или цилиндрах с размером поперечного сечения 100 мм (реже 150 мм).

Матрицу сталефибробетона изготавливали на портландцементе, как правило, класса 52,5. В ряде составов (в основном, высокопрочных и порошковых) в матрицу добавляли тонкодисперсные активные минеральные добавки: микрокремнезем (МК), золу-унос (ЗУ), молотый гранулированный шлак (МГШ) или молотый кварцевый песок (МКП).

В большинстве экспериментов использовали матрицу умеренной прочности при сжатии (40- 60 МПа). В исследованиях, выполненных, как правило, после 2000 года, применяли особо высокопрочную матрицу с прочностью при сжатии 90-160 МПа. Соответственно, водоцементное или водовяжущее отношение колебалось от 0,3-0,50 до 0,19-0,3.

Для матриц сталефибробетонов умеренной прочности применяли составы с крупным заполнителем диаметром до 20-40 мм, а для матриц особо высокопрочных сталефибробетонов - составы без крупного заполнителя. В порошковых составах применялся заполнитель крупностью до 0,6 мм.

Стальную фибру в составах с умеренной прочностью, в основном, применяли профилированную диаметром от 0,4 до 0,75 мм и длиной от 30 до 60 мм. В составах с особо высокопрочной матрицей фибра имела диаметр, в основном, 0,15-0,2 мм и длину от 9 до 15 мм.

В дополнение к стальной фибре в составы вводили полипропиленовую (реже полиэтиленовую) фибру диаметром 0,015-0,15 мм и длиной 6-13 мм.

Процент армирования стальной фиброй варьировался от 0,5 до 1,5 % (в отдельных случаях до 3 %). Полипропиленовая фибра вводилась, в основном, в количестве от 0,22 до 0,5 % (реже до 2

%).

Анализ литературных данных показал, что после нагревания до температур 400 оС прочность сталефибробетонов изменяется незначительно или несколько увеличивается, а после нагревания при температурах более 400 оС уменьшается. Причем степень изменения прочности после нагревания до температур 400 оС и менее зависит от процента армирования, прочности матрицы, наличия анкеров у волокон фибры и вида фибры. Так, при стальной фибре диаметром 0,5-0,75 мм при фибровом армировании 0,25-1 % нагрев до 300 С либо не приводил к снижению прочности

сталефибробетона [4], либо незначительно ее снижал [0, 5, 6]. При нагреве до 400 ?С наличие ан- керов у волокон фибры, практически, не приводило к снижению прочности сталефибробетона, хотя прочность матрицы снижалась в 1,5 раза [7, 5]. Уменьшение процента армирования до 0,5 % приводило к снижению прочности сталефибробетона, но существенно меньшему, чем снижение прочности матрицы.

Применение фибры диаметром 0.9 мм привело к снижению прочность сталефибробетона на 15 % [8].

Рост прочности сталефибробетона от 4 до 20 % при нагреве до 150-300 ?С был отмечен в [9,10].

Поверхность стальных фибр при температуре 400 ?С сохраняла исходный вид, и на ней быливидны следы продуктов гидратации цемента.

Рост прочности сталефибробетона при нагреве до температуры 200-300 ?С можно объяснить [9] ускорением пуццолановой активности микрокремнезема, увеличением объема продуктов гид- ратации и снижением за счет этого пористости [9]. При температуре 200 ?С микрокремнезем реагирует с продуктами гидратации цемента, а кварцевый порошок выполняет роль катализатора. Структура материала становится более плотной, чем исходная.

При температуре 400 С происходит дегидратация гидросиликата кальция, изменение формы кристаллов и появление пор. При этом также улучшается сцепление фибры с матрицей [11].

При нагреве более 500 ?С имеет место снижение прочности пропорционально росту температуры [12]. Изменение прочности фибробетона после нагрева в % от начальной прочности

Применение комбинированного армирования (сталь/полипропилен, полиэтилен) вызывало в различных экспериментах разные эффекты. При начальной прочности фибробетона 40 МПа нагрев до температуры 200 ?С приводил к падению прочности до 15-20 МПа, а до температуры 400 єС - к ее росту до 60 МПа [16] или, наоборот, - к незначительному снижению [17], тогда как в других случаях при всех соотношениях стальной и полипропиленовой фибры прочность фибробетона при нагреве до 200 и 400 єС почти не менялась [18].

Снижение прочности сталефибробетона при сжатии при нагреве до 500 ?С объясняется так- же расширением заполнителей и усадкой цементного камня, приводившими к развитию трещин [12, 8].

При температуре 550-600 ?С начинается трансформация и расширение кристаллической фазы и более интенсивное снижение прочности сталефибробетона при сжатии. На поверхности стальной фибры видны следы процесса ее окисления.

В сталефибробетонах с высокой влажностью в диапазоне температур 400-600 ?С имеют место случаи взрывного характера разрушения с выкалыванием отдельных фрагментов. Такие значения температур достигаются через 15 мин нагрева [19] по стандартизованным режимам, применяемым при испытании железобетонных конструкций на огнестойкость [3, 3]. Взрывное разрушение объясняется давлением перегретого пара, образовавшегося в результате нагрева воды в порах матрицы. При температуре 400 ?С и выше давление водяного пара превышает 10-20 МПа, что больше прочности сталефибробетона на растяжение. При испытании предварительно высушенных образцов взрывной характер разрушения не проявлялся [12].

При 700 С термическое расширение приводит к образованию множества трещин, выходящих на поверхность образцов и к дальнейшему существенному падению прочности сталефибробетона при сжатии.

При температуре 800 С, пластинчатая структура гидросиликатов превращается в гранулированную, напоминающую местами кораллы, часть компонентов плавится, так что остаточная прочность сталефибробетона составляет не более 20 % от начальной. Происходит уменьшение сечения волокон стальной фибры и появление на них поперечных трещин. При температуре 1000 С и выше происходит деградация цементной матрицы и стальной фибры. На поверхности стальных фибр образуются окислы, разрыхляющие металл и снижающие его прочность [11].

Как показал эксперимент [4], при нагреве прочность сталефибробетона на растяжение падает сильнее, чем при сжатии, что объясняется потерей сцепления фибры с матрицей при температур- ной деструкции последней.

Анализ имеющихся в литературе данных показал, что, несмотря на значительное число работ, этот вопрос изучен недостаточно полно. В первую очередь, это относится к сталефибробетонам с высокопрочной цементно-песчаной матрицей и с высокопрочной стальной фиброй, которые применяют в тонкостенных элементах несъемной опалубки сборно-монолитных конструкций.

Кроме того, на жаростойкость сталефибробетона, как и на другие его физико-механические и эксплуатационные характеристики, большое влияние должно оказывать состав и характеристики матрицы, вид и характеристики фибрового армирования, а также геометрические характеристики сталефибробетонных конструкций и режимы температурного воздействия. Поэтому исследование влияние этих факторов должно быть изучено.

ВЫВОДЫ

1.По результатам литературных данных установлены некоторые закономерности влияния высоких температур на прочность сталефибробетонов, среди которых важнейшими являются следующие:

а) После нагревания до температур 400 оС прочность стеклофибробетонов изменяется незначительно или несколько увеличивается, а после нагревания до температур более 400 оС уменьшается.

При этом степень изменения прочности после нагревания до температур 400 оС и менее зависит от процента армирования, прочности матрицы, наличия анкеров у волокон фибры и вида фибры.

б) Термическая стойкость сталефибробетона выше, чем у обычного бетона, особенно, в области температур до 600 ?С. При этом за счет наличия фибры исключается эффект взрывного разрушения материалов не высокой влажности. Однако при высокой влажности образцов может происходить их взрывное разрушение.

в) После нагревания до температур более 400 - 500 С имеет место снижение прочности пропорциональное росту температуры, связанное со снижением прочности матрицы из-за ее изменения и повреждения, а также с образованием при 1000 оС и более на поверхности стальных фибр оксидов, разрыхляющих металл и снижающих его прочность.

2.Вместе с тем анализ имеющихся в литературе данных показал, что, несмотря на значительное число работ, этот вопрос влияния нагревания на прочность сталефибробетона недостточно полно, не которые результаты противоречивы.

3.В дальнейших исследованиях для установления механизма термического повреждения сталефибробетонов и формирования основ создания сталефибробетонов с требуемыми теплофизическими свойствами необходимо выполнить следующее:

а) изучить влияние вида фибры, ее содержания и состава матрицы бетона на термические изменения прочности, а также на другие теплофизические свойства сталефибробетона в широком диапазоне температур нагревания на образцах толщиной, соизмеримой с толщиной сборных панелей сборно-монолитных конструкций;

б) Изучить снижение массы за счет выделение воды и разложения некоторых соединений матрицы, а также термические деформации сталефибробетонов и их матрицы;

в) Создать базу данных термических изменений прочности и теплофизических свойств ста- лефибробетонов.

Размещено на Allbest.ru