Механические свойства мелкозернистых карбонатных бетонов с комплексной добавкой, включающей тонкодисперсный известняковый наполнитель и суперпластификатор

Полный текст

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.

Об авторах

Владимир Владимирович Белов

Тверской государственный технический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: vladim-bel@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-0761-6460

доктор технических наук, профессор, советник Российской академии архитектуры и строительных наук, заведующий кафедрой производства строительных изделий и конструкций

Тверь, Российская Федерация

Павел Викторович Куляев

Тверской государственный технический университет

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

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры конструкций и сооружений

Тверь, Российская Федерация

Темур Рауфович Баркая

Тверской государственный технический университет

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

кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой конструкций и сооружений

Тверь, Российская Федерация

Список литературы