Mechanical properties of fine-grained carbonate concretes with a complex additive, including fine limestone filler and superplasticizer

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The stress-strain properties of fine-grained carbonate concretes, despite the fact that they have proven themselves well in various types of construction, have not been studied to the same extent as the deformation and strength properties of traditional heavy concrete. The object of the study is to find ways to improve the physical and mechanical properties of fine-grained carbonate concretes by using a mineral complex additive consisting of a finely dispersed limestone filler and a superplasticizer in the composition of concrete. The relationship between the ultimate values of strength characteristics (cubic strength) and crack-initiating stresses and deformations for conventional and carbonate fine-grained concrete compositions were analyzed. Through the damping mechanism of the cracking process in concrete, due to the joint work of a superplasticizer and a carbonate microdisperse filler a composition of carbonate fine-grained concrete was obtained, capable of resisting static and dynamic loads, with a dense structure and increased reliability and durability.

Full Text

1. Введение Актуальность разработки карбонатных мелкозернистых бетонов (МЗКБ) с повышенной трещиностойкостью и прочностью диктуется растущей потребностью в строительных материалах, которые обладают достаточной степенью долговечности и надежности. Анализ показал [1-8], что разработке подобных материалов уделяется недостаточно внимания. Несмотря на наличие публикаций по исследованию физико-механических характеристик карбонатных бетонов, используемых в строительных конструкциях [1-11], малоизученными остаются такие свойства мелкозернистого карбонатного бетона, как трещиностойкость и деформативность, в условиях интенсивных знакопеременных и динамических нагрузок, особенно при использовании его в конструкциях, подверженных повышенному трещинообразованию и износу. Кроме того, несмотря на востребованность в строительстве, в целом недостаточно изучены деформативные характеристики (трещинообразующие деформации и напряжения) композитов с минеральными заполнителями и добавками, включая наноразмерные [12-17]. В настоящем исследовании оцениваются изменения значений трещинообразующих деформаций и напряжений при введении в состав бетона комплексной добавки на основе тонкодисперсного известнякового наполнителя и суперпластификатора для составов обычного и карбонатного мелкозернистого бетона. Трещинообразующие напряжения и деформации МЗКБ оценивались для различных пропорций компонентов бетона. Цель исследования состоит в повышении индексов надежности и долговечности конструкций, подвергающихся интенсивному воздействию и трещинообразованию, через модификацию деформативных свойств. Главной задачей при этом стало существенное (в сравнении с обычным составом бетона) повышение уровней трещинообразующих деформаций и напряжений при оптимально подобранных пропорциях компонентов бетона. 2. Методы исследования Разработан трещинорезистентный состав карбонатного бетона с комплексной добавкой из СП-1 и ультрадисперсного известнякового порошка на базе эталонного состава МЗКБ. Проведено сравнение механических характеристик разработанных композиций с добавлением данной добавки в различных комбинациях. Показано, что модифицированный комплексной добавкой бетон обладает более высокими деформативно-резистентными свойствами, поскольку обеспечивает более высокий уровень напряжений и деформаций, соответствующих началу микротрещинообразования. При этом проверяется гипотеза пластического демпфирования процесса микротрещинообразования, способствующего снижению трещинообразующих деформаций мелкозернистого карбонатного бетона. Методика исследований, проведенных в Тверском техническом университете, состояла в том, что деформации в конкретных условиях испытаний, уровнях напряжений были определены экспериментально при различных соотношениях компонентов. При этом приготовлены образцы для испытаний с комбинациями соотношений вода/цемент 0,35; 0,45 и соотношений известняк/цемент в составе вяжущего 0; 0,3; 0,5. Всего приготовлено шесть смесей, в качестве частичной замены цемента введен ультрадисперсный карбонатный порошок. В воду добавляли суперпластификатор СП-1, равный 1,4 % от массовой доли вяжущего. Испытания на прочность при сжатии стандартных кубов проводились в соответствии с нормами стандартов. Значения трещинообразующих деформации и соответствующих им значений напряжений определялись опытно на образцах с размерами 10×10×10. Молотый в шаровой мельнице карбонатный бой после просева применялся как ультрадисперсный известняковый наполнитель - часть твердой фазы вяжущего. Все образцы бетона (по два для каждого из шести составов) хранились согласно условиям стандартов. В табл. 1 и 2 представлены эталонные составы обычной и известняковой мелкозернистой смесей. В табл. 3 приведены варьируемые пропорции компонентов карбонатных смесей. Испытательным устройством был гидравлический пресс. Таблица 1 Эталонный состав обычного мелкозернистого бетона Компоненты Состав, кг/м3 Цемент 678 Заполнитель 1483 Вода 286 Добавка СП-1 1,8 Table 1 Reference composition of ordinary fine-grained concrete Components Composition, kg/m3 Cement 678 Aggregate 1483 Water 286 Additive SP-1 1.8 Таблица 2 Эталонный состав МЗКБ (без известнякового компонента в составе вяжущего) Компоненты Количество на 1 м3 состава, кг Цемент 696 Заполнитель 1490 Вода 298 Добавка СП-1 2,6 Table 2 Reference composition of fine-grained carbonate concretes (without limestone component in the binder composition) Components Quantity for 1 m3 of composition, kg Cement 696 Aggregate 1490 Water 298 Additive SP-1 2.6 Таблица 3 Пропорции компонентов для шести составов по отношению к базовому составу МЗКБ (с изменением пропорций известняк - цемент в вяжущем) Номер состава Водоцементное отношение Отношение известняка к цементу 1 0,46 0 2 0,44 50 3 0,34 0 4 0,36 0 5 0,38 17,8 6 0,42 50 Table 3 The proportions of the components for the six compositions in relation to the base fine-grained carbonate concretes composition (with a change in the proportions of limestone - cement in the binder) Composition number Water - cement ratio Limestone to cement ratio 1 0.46 0 2 0.44 50 3 0.34 0 4 0.36 0 5 0.38 17.8 6 0.42 50 3. Результаты Результаты испытаний для базового состава обычного бетона и шести композиций карбонатного мелкозернистого бетона приведены в табл. 4. Они вполне согласуются с представленными целями и задачами, тем самым свидетельствуя о некотором увеличении порога трещинообразования карбонатного мелкозернистого бетона по сравнению с базовым составом обычного бетона. Таблица 4 Сравнение значений трещинообразующих напряжений и прочности на сжатие обычного бетона и МЗКБ Вид бетона и номер состава Трещинообразующее напряжение σcrc, МПа Прочность на сжатие R, МПа Обычный бетон 31,2 48,1 Составы МЗКБ 1 34,4 44,1 2 23,3 27,8 3 24,2 35,6 4 34,1 41,2 5 40,1 46,8 6 30,3 37,3 Table 4 Comparison of the values of cracking stresses and compressive strength of ordinary concrete and fine-grained carbonate concretes Type of concrete and composition number Crack-forming stress σcrc, MPa Compressivestrength R, MPa Ordinary concrete 31.2 48.1 Fine-grained carbonate concretes compositions 1 34.4 44.1 2 23.3 27.8 3 24.2 35.6 4 34.1 41.2 5 40.1 46.8 6 30.3 37.3 Рисунок подтверждает гипотезу повышения порога трещинообразования МЗКБ при увеличении значений соответствующих параметров, трещинообразующих деформаций и напряжений. Это согласуется с механизмом пластического демпфирования процесса микротрещинообразования МЗКБ и верифицирует гипотезу образования разноуровневых микропластических центров внутри твердеющей матрицы карбонатного композита. Повышению границы трещинообразования в значительной степени способствуют соотношение компонентов матричной части композита и заполняющей, тонкости помола карбонатного наполнителя и процентное содержание суперпластифицирующей добавки. Напряжения в бетоне, МПа Stresses in concrete, MPa Известняковый наполнитель, % от массы цемента Limestone filler, % by weight of cement Прочность при сжатии (кривая 1) и напряжения при образовании трещин (кривая 2) в зависимости от содержания известнякового наполнителя в карбонатном мелкозернистом бетоном Compressive strength (curve 1) and cracking stresses (curve 2) depending on the content of limestone filler in carbonate fine-grained concrete Таким образом, результаты подтверждают механизм демпфирования трещинообразования в карбонатном монолите по повышенным по сравнению с эталонным составом значениям трещинообразующих напряжений и деформаций. Известняковый наполнитель действует сингулярно с суперпластификатором и играет роль микропластических центров - микрошарниров, гасящих упругую энергию трещинообразования на микроуровне. В сравнении с другими работами получены результаты, свидетельствующие о более значительном угасании данной упругой энергии трещинообразования для карбонатного мелкозернистого композита. 4. Заключение Определено соотношение основных компонентов бетона, включая комплексную добавку, содержащую микродисперсную часть - карбонатный порошок и суперпластификатор, при котором достигнуто заметное повышение деформативных характеристик карбонатного бетона. При этом реализован метод, описанный в начале исследования, - сравнение максимального порога трещинообразования для базового состава обычного бетона и мелкозернистого карбонатного композита на основе комплексной добавки, включающей микродисперсный карбонатный наполнитель и суперпластификатор. Несмотря на то, что уровень деформаций и, соответственно, степень деформативности МЗКБ несколько больше, чем для бетона обычного состава, порог трещинообразования МЗКБ оказался существенно выше (значения трещинообразующих деформаций и напряжений), благодаря: - наличию пластического минерального компонента в матрице - комплексной добавки, включающей микродисперсную часть - карбонатный порошок и суперпластификатор; - совместному влиянию карбонатного тонкодисперсного микронаполнителя и суперпластификатора на картину распределения микротрещин внутри матрицы МЗКБ (эффект сингулярного воздействия). Комбинированно они сдерживают рост упругих макро-, мезои микротрещин, лишая их энергии для дальнейшего роста, степень которого определяет порог трещинообразования для обоих составов и зависит в основном от соотношения компонентов внутри композита и их дисперсности; - лучшей упаковке частиц внутри карбонатного композита; - более плотной структуре матрицы бетона. Бетон обычного состава (эталонный) является менее связанным внутренними микрозонами пластичности, уступая тем самым карбонатному мелкозернистому бетону. Результаты исследования позволяют оценить данный состав как более долговечный и трещиностойкий в сравнении с базовым составом.
×

About the authors

Vladimir V. Belov

Tver State Technical University

Author for correspondence.
Email: vladim-bel@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-0761-6460

Doctor of Technical Sciences, Professor, adviser of the Russian Academy of Architecture and Building Sciences, Head of the Department of Building Materials and Structures

Tver, Russian Federation

Pavel V. Kuliaev

Tver State Technical University

Email: p.kuliaev@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-8762-215X

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Constructions and Structures

Tver, Russian Federation

Temur R. Barkaya

Tver State Technical University

Email: btrs@list.ru
ORCID iD: 0000-0002-0012-1430

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Department of Constructions and Structures

Tver, Russian Federation

References

  1. Yu R., Spiesz P., Brouwers H.J.H. Mix design and properties assessment of ultra-high performance fibre reinforced concrete (UHPFRC). Cement and Concrete Research. 2014;56:29-39. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2013.11.002
  2. Belov V.V., Subbotin S.L., Kulyaev P.V. Strength and deformation properties of concretes with carbonate microfillers. Stroitelnye Materialy. 2015;(3):25-29. (In Russ.) Available from: https://www.elibrary.ru/download/elibrary_23108568_67985513.pdf (accessed: 11.02.2023)
  3. Chaid R., Jauberthie1 R., Boukhaled A. Effet de l’ajoutcalcairesur la durabilite des betons. Lebanese Science Journal. 2010;11(1):92-103. Available from: https://lsj.cnrs.edu.lb/wp-content/uploads/2015/12/chaid.pdf (accessed: 21.01.2023).
  4. Desnerck P., De Schutter G., Taerwe L. Stress-strain behavior of self-compacting concretes containing limestone fillers. Structural Concrete. 2012;13(2):95-101. https://doi.org/10.1002/suco.201100056
  5. Berdov G.I., Ilina L.V., Zyryanova V.N., Nikonenko N.I., Melnikov A.V. Improving the properties of composite building materials by introducing mineral microfillers. Stroyprofi: Building Technologies and Concrete. 2012;(2):26-30. (In Russ.) Available from: http://stroy-profi.info/files/pdf/2/stroyprofi-2-26.pdf (accessed: 07.04.2023).
  6. Singh M., Siddik R. Properties of concrete containing a large amount of coal ash as a fine aggregate. Journal of Cleaner Production. 2015;91:269-278.https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2014.12.026
  7. Kou S.S., Poon S.S. Properties of concrete prepared using fine crushed stone, kiln bottom ash and fine recycled aggregate as fine aggregates. Construction and Building Materials 2009;23(8):2877-2886. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2009.02.009
  8. Linda Amel C., Kadri E.H., Sebaibi Y., Sualkhi H. Influence of dune sand and pumice on the mechanical and thermal properties of lightweight concrete. Construction and Building Materials. 2018;133:209-218. http://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.12.043
  9. Zaetang Y., Wongsa A., Sata V., Chindaprasirt P. Use of coal ash as geopolymer binder and coarse aggregate in pervious concrete. Construction and Building Materials. 2015;96:289-295. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.08.076
  10. Belov V., Kuliaev P., Barkaya T. Dynamic characteristics of reinforced concrete beams made of carbonate concrete. Materials Research Proceedings. 2022;21:209-213.
  11. Belov V., Kuliaev P., Artemyev A. Pressed concrete based on depleted raw material mixture. AIP Conference Proceedings. 2022;2503:060005. https://doi.org/10.1063/5.0099416
  12. Rakhimov R.Z., Rakhimova N.R. Topological models of the structure and structural elements of composite construction materials. Cement and Its Applications. 2011;(11-12):62-68. (In Russ.)
  13. Gorynin I.V., Kuznetsov P.A. Structural and functional nanostructured materials. Nanotekhnologii, Ekologiya, Proizvodstvo. 2011;(8):116-121. (In Russ.)
  14. Tretyakov Yu.D. Evolution of nanomaterials, nanoparticles, nanostructures and the problem of health. Nanotekhnologii, Ekologiya, Proizvodstvo. 2011;(1):98-106. (In Russ.)
  15. Goldman A., Bentur A. Effects of pozzolanic and non-reactive fillers on the transition zone of high strength concrete. Proceedings of International Symposium on Interfaces in Cementitious Composites, Toulouse, 1992. London; 1993. p. 53-62.
  16. Moser B., Pfeifer C. Microstructure and durability of ultra-high performance concrete. Proceedings of the Second International Symposium on Ultra High Performance Concrete. 2008;10:417-424.
  17. Sobolev K., Flores Vivian I., Hermosillo R., Torres-Martínez L. Nanomaterials and nanotechnology for high-performance cement composites. ACI Materials Journal. 2008;254:93-120.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2023 Belov V.V., Kuliaev P.V., Barkaya T.R.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.