Physical аnd mechanical properties оf basalt-fibered high-strength concrete

Makhmud Kharun; Харун Махмуд; Dmitry D Koroteev; Коротеев Дмитрий Дмитриевич; Prashanta Dkhar; Дхар Прашанта; Slavko Zdero; Ждеро Славко; Sherif M Elroba; Елроба Шериф Мохамед

doi:10.22363/1815-5235-2018-14-5-396-403

Физико-механические свойства базальто-волокнистого высокопрочного бетона

Авторы: Харун М.¹, Коротеев Д.Д.¹, Дхар П.¹, Ждеро С.¹, Елроба Ш.М.¹
Учреждения:
1. Российский университет дружбы народов
Выпуск: Том 14, № 5 (2018)
Страницы: 396-403
Раздел: Экспериментальные исследования
URL: https://journals.rudn.ru/structural-mechanics/article/view/20205
DOI: https://doi.org/10.22363/1815-5235-2018-14-5-396-403

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Статистика

Аннотация

Актуальность. Базальтовые волокна все чаще изучаются для применения в промышленном и гражданском строительстве благодаря хорошим механическим свойствам, термической и химической стойкости, а также экологичности. Цель. Массовое производство высокопрочного бетона в России во многом связано с применением органоминеральных модификаторов серии МБ, содержащих в разных пропорциях микрокремнезем, золу-уноса, регулятор твердения и суперпластификатор С-3. Целью экспериментального исследования является изучение влияния базальтовых волокон в высокопрочном бетоне. Методы. Исследования физико-механических свойств базальто-волокнистого высокопрочного бетона проведены на образцах с размерами 100×100×100 и 100×100×400 мм с применением модификатора МБ10-30С. В рамках исследования определены: прочность на сжатие, прочность на растяжение при изгибе, прочность на осевое растяжение и момент трещинообразования в различные периоды твердения бетона (после 7, 14, 28 и 60 суток твердения). Выводы. Исследования показали, что добавление базальтовой фибры в высокопрочный бетон снижает прочность на сжатие на 18-20 %, однако позволяет повысить его поведение при растяжении на 42-48 %.

Ключевые слова

базальтовая фибра, высокопрочный бетон, прочность на сжатие, прочность на растяжение при изгибе, прочность на осевое растяжение, момент трещинообразования

Полный текст

Введение Базальтовые волокна представляют интерес для применения в строительстве благодаря их механическим характеристикам, основные из которых: диаметр волокон от 10 до 20 мкм, температура применения от -200 до +600 °С, плотность 2800 кг/м3, модуль упругости от 9100 до 1100 кг/мм2 [1]. В настоящее время базальтовое волокно применяется для изготовления базальтовых сеток и арматуры, которые используются при оштукатуривании поверхностей строительных конструкций, армировании стяжек пола и кровли, соединении многослойных стен и перегородок из различных материалов, каменной кладке [2], а также в качестве фибры (рубленых волокон различной длины и диаметра) для объемного армирования бетонных конструкций в дорожном, промышленном и гражданском строительстве [3]. Перспективным, но пока недостаточно изученным, является вопрос применения базальтовой фибры при изготовлении высокопрочных бетонов. Учеными в России проводятся исследования влияния базальтовой фибры на свойства различных типов бетона. Авторы работы [4] проанализировали целесообразность добавления базальтовой фибры в газобетон автоклавного твердения и пришли к выводу, что базальтовая фибра растворяется в процессе автоклавной обработки и не оказывает положительного влияния на трещиностойкость и долговечность газобетона. В работе [5] исследованы физико-механические свойства бетона, предназначенного для аэродромных покрытий, с добавлением базальтовой фибры длиной 6 мм (2 % от массы вяжущего). Прочность на сжатие образцов в 28-суточном возрасте составила: без добавления фибры - 51,2 МПа, с фиброй - 52,6 Мпа; прочность на растяжение при изгибе составила: без фибры - 4,69 МПа, с фиброй - 5,2 МПа. В работе [6] исследовано влияние базальтовой фибры длиной 12 мм и диаметром 10 мкм на прочность мелкозернистых фибробетонов. Испытания проведены на образцах-балочках 4×4×16 см. Наилучшие показатели прочности были получены при концентрации базальтовой фибры в бетоне в количестве 1,4 кг/м3, при этом прочность на сжатие составила 42,86 МПа, на растяжение при изгибе - 2,7 МПа. За рубежом также проводятся исследования свойств фибробетонов. Д. Брэнстон [7] обнаружил, что добавление базальтовой фибры в бетон является эффективным средством для предотвращения трещинообразования в результате снижения свободной усадки бетона, а также замедления роста трещин, если они все же возникают. Некоторые специалисты отмечают, что добавление базальтовой фибры в высокопрочный бетон повышает прочность на растяжение и критический коэффициент интенсивности напряжений [8; 9]. Исследования С. Хайта [10] свидетельствуют, что добавление базальтовой фибры в железобетонные конструкции повышает их модуль упругости. Экспериментальные исследования С. Джианга [11] показали, что добавление базальтовой фибры в бетон улучшили его прочность на растяжение, прочность на изгиб и ударную вязкость. З.О. Пехливанли [12] исследовал армированный базальтоволокнистый легкий автоклавный газобетон и обнаружил, что добавление базальтовой фибры в автоклавный газобетон повышает его прочность на сжатие и изгиб. Массовое производство высокопрочных бетонов в России во многом связано с применением органоминеральных модификаторов серии МБ, содержащих микрокремнезем, золу-уноса, регулятор твердения и суперпластификатор С-3 в разных пропорциях. Многие исследователи изучали физикоматериалами на органоминеральной основе, минеральная часть которых состоит из микрокремнезема и кислой золы-уноса, а органическая часть представлена суперпластификатором С-3 и регулятором твердения. Экспериментальные исследования проведены на следующем составе высокопрочного бетона: портландцемент марки М500 = 500 кг/м3, модификатор МБ10-30С = 125 кг/м3, песок с модулем крупности 2,7 = 585 кг/м3, щебень фракции 5-20 мм = = 1005 кг/м3, вода = 187,5 л/м3, для базальто-волокнистого высокопрочного бетона - рубленная базальтовая фибра длинной 12 мм = 24 кг/м3 (в количестве 1 % от веса бетона). Экспериментальные исследования проведены в соответствии с ГОСТ 10180-2012.1 В рамках исследования были изготовлены 16 серий образцов высокопрочного бетона вышеуказанного состава, из них 8 серий (по 4 серии с базальтовой фиброй и без нее) с размерами 100×100×100 мм и 8 серий с размерами 100×100×400 мм. В соответствии с планом эксперимента каждая серия состояла из 3-х образцов, по 12 образцов каждого типа, всего было изготовлено 48 образцов. Все образцы твердели до их распалубливания в течение первых 48 часов, укрытые пленкой для предотвращения испарения из них влаги, после распалубливания - под слоем систематически увлажняемых опилок в помещении при температуре 19-22 °С и влажности выше 50 %. Лабораторные испытания образцов проведены после 7, 14, 28 и 60 суток твердения в гидравлическом прессе с нагрузкой до 1500 кН на сжатие и до 150 кН на изгиб2. Прочность на сжатие определялась по формуле (1)1: c F механические свойства высокопрочных бетонов с использованием модификаторов серии МБ [13; Rc = α × , A (1) 14], однако влияние на эти свойства базальтовой фибры до сих пор мало исследовано. В связи с этим целью данного исследования является определение физико-механических характеристик, таких как: прочность на сжатие, прочность на растяжение при изгибе, прочность на осевое растяжение и момент трещинообразования базальто-волокнистого высокопрочного бетона с добавлением модификатора серии МБ. где α - масштабный коэффициент для приведения прочности бетона к прочности в образцах базовых размера и формы (α = 0,95 для образцовкубов с размерами 100×100×100 мм); Fc - разрушающая нагрузка, Н; A - площадь рабочего сечения образца, мм2. Прочность на растяжение при изгибе определялась по формуле (2) Материалы и методика исследования Rct = δ× Ft ×l , a ×b2 (2) Для изготовления высокопрочного бетона при проведении экспериментальных исследований был выбран модификатор марки МБ10-30С. Модификаторы серии МБ являются композиционными 1 ГОСТ 10180-2012. Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам. М., 2013. 2 СП 63.13330.2012. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. М., 2015. где δ - масштабный коэффициент для приведения прочности бетона к прочности в образцах базовых размера и формы (δ = 0,95 для призм с размерами 100×100×400 мм); Ft - разрушающая нагрузка, Н; l - расстояние между опорами при испытании образцов на растяжение при изгибе, мм; a, b - ширина и высота поперечного сечения призмы. Прочность на осевое растяжение определялась по формуле (3) Результаты и их обсуждение В рамках исследования были определены наиболее важные физико-механические характеристики, а именно: прочность на сжатие, прочность на растяжение при изгибе, прочность на осевое растяжение и момент трещинообразования высокопрочного бетона с модификатором МБ1030С с добавлением базальтовой фибры (1 % от веса образцов) и без нее. Во время экспериментальных исследований Rctf = Rct . 1, 75 (3) были испытаны следующие типы образцов: 1. 8 серий образцов-кубов (по 4 серии с базальтовой фиброй и без нее) с размерами Момент трещинообразования определен по формуле (4)3 bh2 100×100×100 мм для определения прочности на сжатие (табл. 1). 2. 8 серий образцов-призм (по 4 серии с ба- M crc = Rct × , 3, 5 (4) зальтовой фиброй и без нее) с размерами где b, h - ширина и высота поперечного сечения образца соответственно. 100×100×400 мм для определения прочности на изгиб (табл. 2). Таблица 13 Результаты лабораторных испытаний образцов из высокопрочного бетона с размерами 100×100×100 мм [Table 1. Results of the laboratory tests of high-strength concrete specimens of 100×100×100 mm] Время твердения, сутки [Curing Period, Days] Среднее значение Rc образцов без добавления базальтовой фибры, МПа [Average Rc of specimens without basalt fiber, MPa] Среднее значение Rc образцов с добавлением 1 % базальтовой фибры, МПа [Average Rc of specimens with 1 % basalt fibers, MPa] 7 69,68 56,73 14 86,45 69,86 28 100,23 80,52 60 102,72 82,21 110,0 Прочность на сжатие, МПа Compressive Strength, MPa 100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 0 10 20 30 40 50 60 70 Время твердения, сутки Curing Period, Days Без базальтовой фибры С 1 % базальтовой фибры Without Basalt Fiber With 1% Basalt Fibers Рис. 1. Прочность на сжатие образцов из высокопрочного бетона с размерами 100×100×100 мм в зависимости от времени твердения [Figure 1. Compressive strength of high-strength concrete specimens of 100×100×100 mm depending on the curing period] 3 СП 63.13330.2012. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. М., 2015. На рис. 1 показана диаграмма изменения прочности на сжатие образцов из высокопрочного бетона в зависимости от времени твердения. Анализ диаграммы на рис. 1 показывает, что прочность образцов из высокопрочного бетона растет плавно и равномерно, независимо от того, добавлена базальтовая фибра или нет. Исследования образцов из высокопрочного бетона (табл. 1 и рис. 1), проведенные с использованием модификатора МБ10-30С, свидетельствуют, что добавление в них базальтовой фибры снижает прочность на сжатие на 18-20 %. Результаты испытаний также показали, что прочность на сжатие образцов в возрасте 7 суток достигает 70 % от прочности в 28-суточном возрасте, независимо от того, добавлена базальтовая фибра или нет. Это дает возможность нагружать конструкции, такие как колонны и стены из высокопрочного бетона, на ранних стадиях твердения. Лабораторные испытания также показали, что у высокопрочного бетона, изготовленного с применением модификатора МБ10-30С, средняя прочность после 60 суток твердения увеличилась чуть более чем на 2 % по сравнению с прочностью в 28-суточном возрасте, независимо от того, добавлена базальтовая фибра или нет. Таблица 2 Результаты лабораторных испытаний образцов из высокопрочного бетона с размерами 100×100×400 мм [Table 2. Results of the laboratory tests of high-strength concrete specimens of 100×100×400 mm] Время твердения, сутки [Curing Period, Days] Образцы без добавления базальтовой фибры [Specimens without basalt fiber] Образцы с добавлением 1 % базальтовой фибры [Specimens with 1 % basalt fibers] Среднее значение Rct, МПа [Average Rct, MPa] Среднее значение Rctf, МПа [Average Rctf, MPa] Среднее значение Mcrc, Н·м [Average Mcrc, N·m] Среднее значение Rct, МПа [Average Rct, MPa] Среднее значение Rctf, МПа [Average Rctf, MPa] Среднее значение Mcrc, Н·м [Average Mcrc, N·m] 7 6,73 3,84 1099,46 9,83 5,60 1605,21 14 7,19 4,12 1216,80 10,35 5,93 1752,19 28 7,57 4,32 1236,69 11,13 6,35 1817,93 60 8,16 4,66 1332,80 11,99 6,85 1959,21 Прочность на растяжение при изгибе, МПа Tensile Strength at Bending, MPa 13,0 12,0 11,0 10,0 9,0 8,0 7,0 6,0 0 10 20 30 40 50 60 70 Время твердения, сутки Curing Period, Days Без базальтовой фибры С 1 % базальтовыми фибрами Without Basalt Fiber With 1% Basalt Fibers Рис. 2. Прочность на растяжение при изгибе образцов из высокопрочного бетона с размерами 100×100×400 мм в зависимости от времени твердения [Figure 2. Tensile strength at bending of high-strength concrete specimens of 100×100×400 mm depending on the curing period] Диаграммы на рис. 2, 3 и 4 показывают кинетику поведения при растяжении образцов из высокопрочного бетона в зависимости от времени твердения. Результаты испытаний образцов (табл. 2, рис. 2 и 3) показывают, что высокопрочный бетон, изготовленный с применением модификатора МБ1030С, приобретает к 28 суткам твердения прочность при растяжении примерно 7,5 % от прочности на сжатие, независимо от того, добавлена базальтовая фибра или нет. Анализируя диаграммы на рис. 2, 3 и 4, а также табл. 2, можно прийти к выводу, что добавление 1 % базальтовой фибры от массы высокопрочного бетона повышает его поведение при растяжении на 42-48 %. Анализ рис. 1-4, а также табл. 1 и 2 показывает, что физико-механические характеристики высокопрочного бетона, изготовленного с применением модификатора МБ10-30С, независимо от того, добавлена базальтовая фибра или нет, плавно и равномерно повышаются в течение первых 7 суток твердения, как и в обычном бетоне. Прочность на осевое растяжение, МПа Strength at Axial Tension, MPa 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 0 10 20 30 40 50 60 70 Время твердения, сутки Curing Period, Days Без базальтовой фибры С 1 % базальтовыми фибрами Without Basalt Fiber With 1% Basalt Fibers Рис. 3. Прочность на осевое растяжение образцов из высокопрочного бетона с размерами 100×100×400 мм в зависимости от времени твердения [Figure 3. Strength at axial tension of high-strength concrete specimens of 100×100×400 mm depending on the curing period] Момент трещинообразования, Н.м Cracking Moment, N.m 2000,0 1800,0 1600,0 1400,0 1200,0 1000,0 0 10 20 30 40 50 60 70 Время твердения, сутки Curing Period, Days Без базальтовой фибры С 1 % базальтовыми фибрами Without Basalt Fiber With 1% Basalt Fibers Рис. 4. Момент трещинообразования образцов из высокопрочного бетона с размерами 100×100×400 мм в зависимости от времени твердения [Figure 4. Cracking moment of high-strength concrete specimens of 100×100×400 mm depending on the curing period] Заключение 1. Основываясь на экспериментальных исследованиях высокопрочного бетона с применением модификатора МБ10-30С с добавлением 1 % базальтовой фибры и без нее, определены физикомеханические характеристики, такие как: прочность на сжатие, прочность на растяжение при изгибе, прочность на осевое растяжение, момент трещинообразования. 2. Добавление 1 % базальтовой фибры от массы высокопрочного бетона снижает прочность на сжатие на 18-20 %, но в то же время позволяет повысить его поведение при растяжении на 42-48 %.