Содержание к диссертации
Введение
1. Дисперсно-армированные высокопрочные бетоны. состояние вопроса, цель и задачи исследования 12
1.1. Опыт применения фибробетонов в России и за рубежом .. 12
1.2. Сравнение свойств фибробетонов различной структуры и состава 18
1.3. Принципы получения высокопрочных дисперсно-армированных бетонов 27
1.4. Выводы по главе 32
2. Характеристика исходных материалов. методы исследования и испытаний 34
2.1. Характеристика исходных материалов 34
2.2. Методы исследований, приборы и оборудование 39
3. Эффективность наполнителей и пластификаторов в цементных системах армированных базальтовым волокном 47
3.1. Химическое взаимодействие базальтового волокна с продуктами гидратации цемента 47
3.2. Расчет потребности микрокремнезема для регулирования влияния продуктов гидратации на базальтовое волокно 57
3.3. Особенности гидратации и формирования фазового состава цементного камня, армированного базальтовым волокном 61
3.4. Граничная зона базальтового волокна с цементным камнем 76
3.5. Технологические приемы введения волокна в цементное вяжущее 79
3.6. Выбор пластификатора с учетом оптимальной процедуры введения базальтового волокна 85
3.7. Кинетика твердения и свойства наполненного цементного вяжущего, армированного базальтовым волокном (базальтофиброцемента) 91
3.8. Выводы по главе 111
Оптимизация технологии получения высокопрочных тонкозернистых бетонов, армированных базальтовым волокном 113
4.1. Оптимизация гранулометрического состава песка для получения высокопрочного тонкозернистого бетона 113
4.2. Топологическая модель структуры тонкозернистого базальтофибробетона 119
4.3. Влияние базальтового волокна на технологические свойства тонкозернистого бетона с оптимальной гранулометрией заполнителя 123
4.4. Физико-механические свойства высокопрочного тонкозернистого бетона, армированного базальтовым волокном 125
4.5. Выводы по главе 128
5. Исследование усадки и конструкционных свойств модифицированного тонкозернистого базальтофибробетона. технико-экономическая оценка применения 129
5.1. Деформации влажностной усадки при твердении 129
5.2. Деформативные свойства при механическом нагружении (диаграмма а-є, модуль упругости, коэффициент Пуассона) 132
5.3. Технико-экономическая оценка изготовления изделий из базальтофибробетона (производственные испытания) 135
5.4. Выводы по главе 142
Общие выводы 143
Список использованных источников 146
- Опыт применения фибробетонов в России и за рубежом
- Химическое взаимодействие базальтового волокна с продуктами гидратации цемента
- Оптимизация гранулометрического состава песка для получения высокопрочного тонкозернистого бетона
- Деформативные свойства при механическом нагружении (диаграмма а-є, модуль упругости, коэффициент Пуассона)
Введение к работе
Актуальность работы.
Растущая потребность в высокопрочных бетонах обусловлена двумя факторами: во-первых, увеличением нагрузок на несущие и, особенно, пролетные конструкции высотных зданий, в которых тяжелый бетон классов В30-В50 уже не удовлетворяет конструктивным требованиям. К примеру, при возведении каркасов башен комплекса «Федерация», Москва-Сити, высотой 280 и 340м применялся бетон классов В80-90 общим объемом 86тыс.мЗ. Второй фактор -рост цен на все сырьевые материалы железобетона — выдвигает новый принцип бетонного строительства: «Экономить не цемент в бетоне, а бетон в конструкции». А это возможно только за счет уменьшения поперечных сечений несущих элементов, благодаря существенному росту прочности в них.
Однако применение высокопрочных бетонов влечет за собой ряд трудностей и рисков. Так, например, мелкозернистый бетон имеет недостаточную прочность на растяжение при изгибе, ее рост «отстает» от роста прочности на сжатие. К тому же высокопрочные бетоны требуют повышенного расхода цемента, что приводит к росту усадочных деформаций и внутренних напряжений, накоплению микродефектов, увеличивающих опасность хрупкого разрушения конструкций. Устранить эти недостатки высокопрочных бетонов можно с помощью фибры.
Чаще всего в цементных бетонах применяется стальная фибра длиной 2-4см, диаметром 0,7-1мм при коэффициентах армирования 2,5-4% от массы бетона. Это приводит к увеличению прочности на изгиб на 15-20% и снижению внутренних напряжений. Однако, потенциал дисперсного армирования полностью не реализуется, ввиду малой удельной поверхности стальной фибры,
невысокой адгезии к ней цементного камня и недостаточной прочности самого бетона, приводящей к «продергиванию» фибр при его разрушении.
Вместе с тем, в нашей стране мало применяется базальтовая фибра. Из соотношения фибр различных типов в общем объеме бетонного производства [1], базальтовая попадает в раздел «другие типы фибры» с общим потреблением 9%. По прочности оно превосходит сталь, и обладает, за счет малого диаметра волокон (9-12мкм), гораздо большей удельной поверхностью сцепления с цементным камнем, чем стальное, имея с ним химическое сродство. При этом относительное удлинение при разрыве базальтовой фибры в два раза ниже, чем стальной, что позволяет ей более эффективно препятствовать образованию микротрещин в бетоне при нагружении.
Использование базальтовой, как впрочем и остальных типов фибры, в бетонах классов ВЗО-50 приводит к незначительному эффекту дисперсного армирования. Как сказано выше, в рядовых тяжелых бетонах, эффект дисперсного армирования снижается за счет низкой прочности контактной зоны цементного камня с волокном. Также отрицательное влияние оказывает при этом крупный заполнитель, препятствующий равномерному распределению волокон в матрице бетона и созданию пространственного каркаса дисперсной арматуры. В связи с этим, дисперсное армирование базальтовым волокном эффективно применять в высокопрочных мелкозернистых бетонах.
В настоящее время по критерию прочности при сжатии бетоны предлагается разделить на 4 группы [2]:
I - рядовые бетоны с прочностью до 40 МПа;
II - высокопрочные бетоны (40-80 МПа);
III- особо высокопрочные бетоны (80-120 МПа); IV - сверхвысокопрочные бетоны (более 120 МПа).
Получение особо- и сверхвысокопрочных бетонов возможно путем модифицирования цементного камня и повышения плотности упаковки мелкозернистого и тонкозернистого заполнителей. При этом дисперсное волокно должно быть распределено именно в тонкозернистой структуре бетона и эффективно взаимодействовать с цементным камнем для обеспечения высокой адгезии и прочности материала на растяжение и увеличения его трещиностойкости.
Сочетание тонкозернистых бетонов с дисперсным базальтовым волокном может создать основу для получения особовысокопрочных материалов и обеспечения высокой технико-экономической эффективности и конкурентоспособности конструкций на их основе.
Однако, для реализации этого нужны научно обоснованные составы и эффективные технологии получения высокопрочных тонкозернистых дисперсно-армированных базальтовым волокном бетонов. Требуются исследования взаимодействия базальтового волокна с цементной матрицей, теоретические и экспериментальные исследования структуры тонкозернистых дисперсно-армированных бетонов. Разработка методов расчета конструкций получаемых из этого материала.
Цель работы. Разработка составов и технологии получения особовысокопрочных тонкозернистых цементных бетонов, дисперсно-армированных базальтовым волокном.
Для ее достижения были поставлены следующие задачи:
1. изучить химическую стойкость базальтового волокна в щелочной среде
гидратирующегося портландцемента, установить влияние на нее активных
пуццолановых добавок и различных пластификаторов;
2. разработать оптимальный технологический способ введения в
цементную матрицу базальтового волокна и оценить его влияние на
реологические свойства цементного теста и физико-механические свойства
цементного камня;
обосновать и выявить эффективность фракционирования заполнителя в тонкозернистом бетоне;
предложить топологическую модель структуры тонкозернистого бетона с оптимальной степенью дисперсного армирования коротким базальтовым волокном.;
5. оптимизировать составы тонкозернистых смесей, содержащих
базальтовую фибру, позволяющих достичь максимальных физико-механических
свойств, предъявляемых к особовысокопрочным бетонам.
Научная новизна.
1. Установлена высокая эффективность применения короткого (до 9 мм) тонкого (ФЮмкм) базальтового моноволокна в качестве дисперсно -армирующего компонента особовысокопрочных тонкозернистых цементных бетонов (класса В90 и выше), обеспечивающего высокую прочностью на изгиб
и растяжение;
Выявлен характер химического взаимодействия базальтового волокна с раствором Са(ОН)2 гидратирующего цемента и степень его влияния на прочность при разрыве (снижение на 8% за Юлет). Установлена возможность ослабления и предотвращения негативного влияния гидратной извести на прочность базальтового волокна путем введения тонкодисперсного микрокремнезема, химическая активность которого в десятки раз выше;
Выявлены закономерности и количественные зависимости снижения длины волокна при его совместном смешении-помоле с портландцементом и суперпластификаторами при изготовлении композиционного вяжущего. Установлено положительное влияние различных пластификаторов на сохраняемость волокна при этом процессе;
Предложена топологическая модель распределения базальтового волокна в каркасе тонкозернистого бетона. С учетом максимальной упаковки зерен заполнителя в элементарной кубической ячейке, произведен расчет количественного содержания волокон в объеме тонкозернистого бетона, совпадающего (с погрешностью 15%) с оптимальной дозировкой волокна (4% от массы вяжущего), полученной из экспериментальных данных.
Практическая значимость работы:
1. Разработаны составы и технология приготовления особовысокопрочных
базальтофибробетонов с применением короткого волокна из рубленного
ровинга, отличающихся высокой прочностью на изгиб и растяжение (отношение
Rrar:R«K=l:4; Краск:^сж=1:5;) с хорошими технологическими свойствами;
2. Установлены зависимости деформационных свойств базальтофибро-
бетона от содержания волокна (модуль упругости, коэффициент Пуассона,
призменная прочность), позволяющие проектировать составы для несущих
конструкций;
3. Опытно-промышленные испытания базальтофибробетона при изготовлении перемычек без стержневого армирования и буроиньекционных свай показали высокую техническую и экономическую эффективность его применения.
Достоверность результатов экспериментальных исследований и выводов обеспечена:
1. соответствием полученных результатов с общими положениями физико-
химии и структурообразования цементных композиций;
2. использованием поверенного испытательного оборудования при
испытании материалов и современных методов исследования структуры и
свойств цементного камня (РФА, ДТА, растровая электронная микроскопия,
потенциометрия) и статистической обработкой результатов измерений.
Корреляцией результатов, полученных разными методами.
Внедрение результатов.
Полученные в ходе исследований составы тонкозернистого базальтофибробетона использованы: при изготовлении буроиньекционных свай усиления фундаментов жилого дома в г.Казань; при изготовлении надоконных брусковых перемычек без стержневого армирования сталью.
Апробация работы.
Представленные в диссертации результаты исследований докладывались на: ежегодных республиканских научных конференциях Казанского государственного архитектурно-строительного университета (2005-2009 г.г.), конференции «Региональные аспекты стратегии развития транспорта» (Казань, 2006г.), Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых
«Теория и практика повышения эффективности строительных материалов» (Пенза, 2006г), III Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в проектировании и производстве изделий машиностроения» ИТМ-2008 (Казань, 2008г), Международной научно-практической конференции «Строительный комплекс России: Наука, образование, практика» (Улан-Удэ, 2008г), Международном конгрессе «Наука и инновации в строительстве», (Воронеж, 2008).
Публикации.
Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 9 научных публикациях (в том числе в журналах по списку ВАК РФ - 2 статьи).
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка используемых источников из 180 наименований и 2 приложений. Содержит 163 страницы машинописного текста, в том числе 62 рисунка, 32 таблицы.
Работа выполнена на кафедре технологии строительных материалов, изделий и конструкций Казанского государственного архитектурно-строительного университета под руководством доктора технических наук, профессора В.Г. Хозина.
Автор благодарит к.т.н., ст. преподавателей кафедры Хохрякова О.В. и Морозова Н.М. за ценные замечания и помощь при выполнении диссертации, а также всех коллег по кафедре ТСМИК за доброжелательность и постоянное внимание.
Опыт применения фибробетонов в России и за рубежом
Современное строительство неразрывно связано с задачами повышения эффективности строительного производства, снижения стоимости и трудоемкости технологических процессов, экономного использования материальных и энергетических ресурсов, применения новых прогрессивных материалов [2]. Рубеж XXI века в строительной отрасли проявился значительными достижениями [3-14].
Мировые тенденции строительства зданий с повышенной этажностью и других высоконагруженных сооружений, таких как большепролетные мосты, морские нефтяные платформы и др., связаны с применением бетонов с ранее недосягаемым комплексом свойств, включающих: высокую прочность (класс В80 и выше), трещиностойкость и долговечность, с большой подвижностью исходной бетонной смеси [15-23].
Таким образом, по мнению ряда авторов получение сверхвысокопрочных бетонов возможно при условии отказа от крупного заполнителя, имеющего максимальную прочность на сжатие 120-130МПа и обладающего при этом высокодефектной структурой [24, 25].
На данный момент сверхвысокопрочные бетоны по фракционному составу заполнителей можно разделить на два вида [26]: мелкозернистые бетоны с максимальной крупностью зерна 5-1,5мм и тонкозернистые бетоны с размером зерна менее 1,5мм. Однако мало сведений о фракционном составе рекомендуемых заполнителей. В основном речь идет о применении различных видов суперпластификаторов и их влиянии на технологические свойства смесей. Для повышения прочности на растяжение, трещиностойкости, ударной прочности рекомендуется фибра: стальная, стеклянная и полимерная.
Мировая практика строительства выявила фибробетон как один из перспективных строительных материалов XXI века [27-29]. Опыт таких развитых стран, как США, Великобритания, Япония, Германия, Италия, Франция и Австралия [30-34], убедительно показал технико-экономическую эффективность применения фибробетона в строительных конструкциях и сооружениях. Возрос объем научно-технических публикаций, посвященных различным аспектам дисперсного армирования строительных материалов [35]. Стали проводиться конференции и научно-технические семинары, на которых докладываются результаты научно-исследовательских работ, а также вопросы практического использования дисперсно-армированных бетонов в строительстве [36 -37]. Этой же проблеме были посвящены международные конгрессы и симпозиумы [38-40].
За рубежом наиболее часто фибробетоны применяют при строительстве туннелей, мостов и дорог, возведении морских платформ нефтедобывающих и перекачивающих станций, также в устройстве полов промышленных зданий и сооружений [41]. В Японии широко применяется фибробетон для возведения зданий в сейсмоопасных районах.
Значимыми примерами использования фибробетонов можно считать: газопроводные туннели под дном Северного моря в Норвегии; множество железнодорожных туннелей в Канаде, автомобильный тоннель протяженностью около 6,5 км, проложенный на глубине до 1 км в Японии и т.п. [42].
Фирмы "Alfanor" и "Norcem Cement" (Норвегия) изготовили опытные партии сталефибробетонных труб диаметром 800 мм, предназначенных для отвода промышленных и других сточных вод [43]. В Австралии одной из основных областей применения сталефибробетона является устройство покрытий дорог и тротуаров с интенсивным движением людей и транспорта, полы цехов заводов и фабрик, тротуары, дорожные покрытия) [44, 45]. В Германии свыше 25% индустриальных полов возведено из сталефибробетона [43].
В последние годы в зарубежной практике всё большее применение находят фибробетоны с армированием из синтетических волокон, в т.ч. высокопрочными и высокомодульными, коррозионно-стойкими во многих средах [46]. Волокна находят применение в бетоне для промышленных складов, гидротехнических сооружений, наружных площадок, в бетонных плитах перекрытий, объектах нефтехимической промышленности, мостах, монолитных конструкциях, бетонных плитах фундаментов, железобетонных сваях, прессованных и отливаемых изделиях, в строительных растворах и штукатурке, торкретбетоне, в декоративном бетоне, в материалах для ремонта бетона, а также в местах повышенной сейсмической активности [47, 48].
Имеется достаточно широкий опыт применения фибробетона и в отечественном строительстве. Были разработаны и применены фибробетоны на стальной, стеклянной, базальтовой и полипропиленовой фибре. Перечень эффективно апробированных конструкций из фибробетонов приведен в табл. 1.1. [33,49,50,51,52,53].
Над созданием дисперсно-армированных бетонов и конструкций на их основе, теорий расчета и проектирования фибробетонных конструкций работали и работают отечественные и зарубежные ученые: В.В. Бабков, Ю.М. Баженов, О.Я. Берг, Г.П. Бердичевский, В.М. Бондаренко, И.В.Волков, А.А. Гвоздев, Ю.В. Зайцев, Л.Г. Курбатов, Б.А. Крылов, И.А. Лобанов, К.В., Михайлов, Р.Л. Маилян, Л.Р. Маилян, Р.А. Малинина, Ю.В. Пухаренко, Ф.Н. Рабинович, Б.Г. Скрамтаев, К.В.Талантова, Т.К. Хайдуков, М.М. Холмян-ский, В.П. Харчевников, Ф.П. Янкелевич, Е.М. Чернышов и зарубежные ученые - Э. By, Г.С. Холистер, СТ. Милейко, Дж. Купер и др.
В России использование фибробетона сводится, в основном, к изготовлению сборных конструкций и практически не применяется в монолитном строительстве [54]. Впервые в России фибробетон был применен в Ленинграде в 1979г. при устройстве днища резервуара технической воды. Расход фибры составлял 1,5% по объему бетонной смеси [38].
В основном исследования проводились в области применения и расчета конструкций из стелефибробетона [55, 56]. Подготовлена необходимая для массового внедрения нормативная база по технологии приготовления, расчету и проектированию таких бетонов [35].
Химическое взаимодействие базальтового волокна с продуктами гидратации цемента
Как показано выше, базальтовое волокно с течением времени теряет часть прочности находясь в среде гидратирующегося портландцемента. Разрушение поверхности волокна происходит при взаимодействии его с выделяющейся в процессе гидратации гидратной известью. Таким образом, вводя активные пуццолановые добавки, способные связывать образующийся Са(ОН)2, можно снизить опасность разрушения базальтового волокна в среде твердеющего цемента.
Как известно из литературы [95] при протекании реакций гидратации известь выделяется при лишь при взаимодействии минералов алита и белита с водой. Реакция алита при гидратации портландцемента по Волженскому А.В. имеет следующий вид: 2[3CaOSi02] + 6Н20 - 3Ca02Si02-3H20 + ЗСа(ОН)2; Получаем, что из 100г алита выделяется при гидратации 48,7г Са(ОН)2. Реакция белита имеет по [171] следующий вид: 2[2CaOSi02] + ЗН20 - 3,3Ca02Si02-2,3H20 + 0,7Са(ОН)2 ; Получаем, что из 100г белита выделяется при гидратации 15,3г Са(ОН)2. Известно, что в портландцементе Вольского цементного завода алита содержится 62%, а белита 17%. Таким образом, получаем из 100г цемента из алита выделяется 48,7-0,62=30,2г, а из белита 15,3-0,17=2,6г гидратной извести. Суммарное выделение извести, при условии 100% гидратации цемента, равно 32,8г. По данным Баженова Ю.М. [1] степень гидратации алита на 28 сутки твердения цементного камня составляет 73%, а белита 48%. Дальнейший процесс гидратации происходит гораздо медленнее, и за 180 суток степень гидратации с 73% увеличивается лишь на до 74%. Таким образом, количество выделяемой гидратнои извести из алита на 28 сутки нормальных условий твердения соответствует: - для алита, 30,2 0,73=22г; - для белита, 2,6 0,48=1,2 Суммарное выделение гидратнои извести на 28 сутки нормально-влажностных условий хранения цементного камня равно 23,2г. Химическая основа действия активных минеральных добавок заключается в связывании входящей в состав вяжущего или образующегося в процессе твердения гидроксида кальция. В качестве добавок были взяты: молотый кварцевый песок с удельной поверхностью 600 м2/кг, микрокремнезем МК-85 (8уд=47000м2/кг), Силином-ДБС (18500 м2/кг). Активность добавок определяли по поглощению СаО из раствора. 1 Как видно из рис. 3.9. наиболее эффективным наполнителем по отношению к поглощаемому СаО является микрокремнезем МК-85. В течении 28 суток 1г МК-85 связывает 0,45г СаО, либо в пересчете на Са(ОН)2 - 0,7г. Наиболее близка к нему по активности добавка «Силином-ДБС». В течении 28 суток 1г Силинома вступает в реакцию с 0,43г СаО, либо в пересчете на Са(ОН)г — 0,67г. Химическая же активность базальтового волокна в десятки раз ниже, за этот срок оно способно связать лишь 0,019г СаО, либо в пересчете на Са(ОН)2 - 0,3г. На рис.3.10. базальтовое волокно принято в объеме 4% от массы цемента, как максимально возможная дозировка, которая определяется из предположения о наилучшем распределении его в среде цемента. Как видно из рис.3.10 при добавлении в портландцемент 10% микрокремнезема несвязанная известь находится в системе не более 7 суток в объеме до 5г на 100г исходного портландцемента. В дальнейшие сроки твердения портландцемента вся выделяемая в процессе гидратации известь связывается микрокремнеземом, как более активной минеральной добавкой. Практически та же картина наблюдается и при добавлении добавки Силином-ДБС. Волокно за промежуток времени в 7-9 дней вступает в реакцию с 16мг Са(ОН)2, при условии что волокна в системе находится 4% от массы цемента, т.е. 4г. Полученные расчетные данные были проверены измерением рН-среды водной вытяжки цементного камня (табл. 3.1.) Как видно из табл. 3.1, при ведении в цементное тесто 10% микрокремнезема рН среды снижается более значительно и, как предполагалось расчетом, максимальное значение, равное 12,02 приходиться на 7 сутки твердения цементного камня. На 28 сутки твердения цементного камня рН водной вытяжки составляет 11,96, что ниже рН среды на 7 сутки. Введение базальтового волокна в систему вызывает уменьшение рН раствора с 12,2 до 12,16 уже в первые сутки твердения. Это говорит о химическом взаимодействии базальтового волокна с продуктами гидратации портландцемента, т.е. идет химическая реакция СаО с SiC 2 с образованием гидросиликатов кальция.
Введение микрокремнезема в цементную систему снижает рН водной вытяжки на 28 сутки твердения относительно состава без микрокремнезема на 3%, что говорит о снижении в системе содержания СаО, и лучшей сохраняемости базальтового волокна. Это подтверждается отсутствием изменений в рН водных вытяжек составов с волокном и без волокна в составах, содержащих МК-85 на все сроки твердения цементного камня.
Оптимизация гранулометрического состава песка для получения высокопрочного тонкозернистого бетона
При исследований влияния дисперсного армирования на свойства цементного камня и бетона, наибольший интерес вызывают физико-механические свойства. В данном разделе рассмотрены прочностные и деформативные свойства пластифицированного цементного камня модифицированного наполнителями и армированного базальтовым волокном.
Влияние базальтового волокна на прочность при сжатии цементного камня оценивалось на образцах кубах размером 2x2x2 см, приготовленных из цементного теста, как нормальной густоты, так и при постоянном водоцементном отношении. За исследуемый параметр было принято процентное содержание волокна в смеси, принимаемое по массе от навески цемента. Результаты представлены на рис. 3.30., 3.31.
Как видно из рис. 3.30 наибольшую прочность цементный камень имеет при 4% содержании волокна - прирост прочности во все сроки твердения превосходит контрольный. На 3 сутки нормальных условий хранения цементного камня прирост прочности по сравнению с контрольным составом без волокна составляет 28% (73 МПа), на 7 сутки - 32% (84 МПа), на 28 сутки — 34% (98 МПа). Несмотря на увеличение водоцементного отношения с 0,24 (нормальная густота контрольного состава без волокна) до 0,26 (при 4% содержании волокна в цементном тесте) происходит увеличение прочности. Следует отметить, что при увеличении времени выдержки в нормальных условиях хранения прирост прочности по сравнению с контрольным составом увеличивается, что позволяет сделать вывод об увеличении прочности сцепления цементного камня с базальтовым волокном и более полного использования волокна в цементном камне. В составах с содержанием волокна 5 и 6% наблюдается снижение прочности из-за значительного увеличения водоцементного отношения до 0,28 и 0,33 соответственно.
Рис. 3.31. отображает кинетику твердения цементного камня армированного базальтовым волокном при неизменном водоцементном отношении. Все образцы изготавливались при постоянном водоцементном отношении 0,25. Наибольшую прочность при таких условиях формирования показал состав с 3% содержанием волокна от массы цемента. Прочность состава с 3% содержанием волокна составила на 3 сутки — 59 МПа, 7 сутки — 71 МПа, 28 сутки — 85 МПа, что превосходит контрольный состав без волокна на 8%, 16%, 19% в соответствующие сроки твердения. В составах с 4% и 5% содержанием волокна при неизменном водоцементном отношении (В/Ц=0,25) наблюдалось комкование фибры, вследствие чего ухудшалась формуемость образцов и уменьшалась их плотность (табл. 3.7).
Влияние пластификаторов на физико-механические характеристики цементного камня армированного базальтовым волокном оценивалось на образцах балочках размерами 20x20x80мм и образцах кубах размерами 20x20x20мм. Выбор пластифицирующих добавок производился по их составу. Были выбраны следующие добавки: - на основе продуктов конденсации нафталинсульфокислоты, С-3; - на основе поликарбоксилата, Melflux 265IF; - на основе меламиноформальдегидных смол, Melment F15. С целью выявления наиболее эффективных дозировок пластификаторов образцы изготавливались при 4% содержании базальтового волокна от массы цемента. Процедура подготовки компонентов соответствовала наиболее оптимальной согласно п.3.5. Оценка подвижности составов производилась по расплыву стандартного конуса. Расплыв стандартного конуса, соответствующий нормальной густоте цементного теста по прибору Вика, составляет 94-95см. С целью определения оптимальной дозировки был выбран интервал содержания пластификатора от 0% до 3% с шагом 0,5% от массы цемента. Результаты исследования представлены на рис. 3.32-3.41. Как видно из графиков 3.32-3.33 на 3-й и 28-е сутки твердения образцов в нормально влажностных условиях наибольшую прочность при сжатии показал состав с 2,5% суперпластификатора С-3 и 4% базальтового волокна от массы цемента. Прочность его на 3-й сутки составила 105 МПа, а на 28-е сутки - 147 МПа, что на 62% и на 67% превосходит контрольный состав с 2,5% С-3 в соответствующие сроки твердения. Как видно из графиков прирост прочности над контрольным составом с течением времени увеличивается, что говорит о более полном использовании волокон с увеличением прочности самой матрицы. Однако следует отметить, что разница в увеличении прочности в составах с 2 и 2,5% суперпластификатора С-3 составляет 3%, что говорит о пределе пластифицирования цементного На рис.3.34 и 3.35 изображен характер изменения прочности на изгиб и на растяжение при раскалывании пластифицированного цементного камня от содержания в нем базальтового волокна и суперпластификатора С-3 в 28 суточном возрасте. Здесь наибольшая прочность на растяжение достигается при 4% содержании волокна в цементной системе и составляет 19,2 МПа. Это превосходит контрольный состав с той же дозировкой суперпластификатора на 108%. Здесь также следует отметить, что при увеличении массы вводимого волокна в цементную систему 4% содержание является оптимумом независимо от содержания суперпластификатора в системе. Прочность составов с большим или меньшим количеством волокна имеют более низкие показатели. Однако для каждой дозировки волокна существует оптимальная дозировка суперпластификатора, при которой достигается наибольшая прочность и при дальнейшем увеличении дозировки суперпластификатора прочность либо не возрастает, либо возрастает незначительно. Так, например, для 1% базальтового волокна наиболее оптимальной дозировкой С-3 является 1,5%, для 2% базальтового волокна -2% С-3 и т.д. Изменение прочности на растяжение при раскалывании пластифицированного цементного камня имеет тот же характер. Наибольшая прочность достигается также при 4% содержании базальтового волокна и составляет 14,9 МПа, что превосходит контрольный состав на 124%.
Деформативные свойства при механическом нагружении (диаграмма а-є, модуль упругости, коэффициент Пуассона)
Для замоноличивания стальных колодцев свай (ФВнутр=150мм) был изготовлен мелкозернистый бетон с соотношением Ц:П = 1:4. В качестве вяжущего использовался портландцемент (5 00 ДО), в котором было предварительно распределено базальтовое волокно (3% по массе) путем их совместного помола-смешения в присутствии суперпластификатора С-3 (1%).
Приготовление мелкозернистого бетона производилось на строительной площадке, порционно на каждую сваю в объемом 70л. С этой целью расфасованное заранее по 31кг вяжущее смешивалось с 124кг песка в смесителе принудительного действия. Песок соответствовал ГОСТ 8736-93 (модуль крупности Мкр=2,0). После предварительного смешения сухих компонентов (90с) производилось их затворение 39л воды с последующим смешением в течение 3 минут. Полученный мелкозернистый бетон имел подвижность П4 (по ГОСТ 28013-98).
Заливка мелкозернистого бетона в колодцы свай осуществлялась с помощью воронки. Твердение мелкозернистого бетона происходило в стальной трубе-колодце при температуре 15-18С. Параллельно изготавливались контрольные образцы для оценки механических свойств мелкозернистого бетона. Результаты испытаний контрольных образцов следующие: Прочность при сжатии в 28 суточном возрасте - 62 МПа; Прочность на растяжение при изгибе в 28 суточном возрасте - 12 МПа; Общий объем опытной партии вяжущего составил около 200кг, на основе которого было изготовлено 0,45м мелкозернистого бетона. Применение дисперсно-армированного базальтовым волокном вяжущего позволило сократить расход стальной арматуры (замена Ф16А-Ш на Ф10А-Ш) на 45%, и снизить себестоимость свай на 19%. 1. Установлено существенное влияние базальтовой фибры на деформационные показатели тонкозернистого бетона: линейную усадку при твердении, характер деформирования при нагружении (диаграмма о-є), модуль упругости и коэффициент Пуассона. Кривые усадки, апроксимируемые уравнениями 4го порядка, указывают на ее снижение, которое при 5% базальтового волокна достигает 61%. Коэффициент Пуассона возрастает в 2 раза, модуль упругости увеличивается на 20%. Введение базальтового волокна не только повышает разрушающее напряжение, но и меняет характер деформирования бетона, многократно увеличивая долю псевдопластических деформаций при нагружении, и тем самым, работу разрушения (в 2,4раза), что свойственно всем фиброцементным бетонам и что, в свою очередь предопределяет их высокую ударную прочность. 2. Из тонкозернистого базальтофибробетона была изготовлена партия надоконных перемычек 2ПБ-25 (размерами 2460x120x140мм) серии 1.038.1-1в количестве 8шт. Натурные испытания перемычек показали увеличение несущей способности относительно нормативной в 1,5раза. Снижение себестоимости перемычек из базальтофибробетона по сравнению с железобетонными составило 26%. При изготовлении из базальтофибробетона 6 буроиньекционных свай усиления фундаментов жилого дома, за счет увеличения прочности на изгиб в 1,6 раза и прочности на сжатие на 60% было произведено сокращение расхода стальной арматуры на 45% и снижена себестоимость свай на 19%. 1. С целью разработки особовысокопрочного тонкозернистого базальтофибробетона исследовано химическое взаимодействие базальтовых волокон с продуктами гидратации портландцемента путем 3 летней выдержки и кипячения в насыщенном растворе гидрата окиси кальция. Установлено, что прочность на разрыв моноволокна после эквивалентной 10 годам экспозиции в растворе Са(ОН)2 снижается на 8%, а его армирующее действие на цементный камень - на 10% ниже, чем исходного волокна. 2. Установлено, что введение в цементное вяжущее тонкодисперсных минеральных добавок - микрокремнезема МК-85. и Силинома-ДБС, активности которых в десятки раз выше активности базальтового волокна, позволяет снизить агрессивное влияние извести на базальтовое волокно и предотвратить его ослабление в матрице -цементного камня. 3. Установлен оптимальный способ введения базальтового волокна в цементное вяжущее путем кратковременного (50-60с) смешения всех компонентов (цемента, суперпластификатора, микрокремнезема и волокна) в мельнице, что обеспечивает не только равномерное распределение волокна в композиционном вяжущем, но и его механоактивацию. 4. Разработан оптимальный состав композиционного цементного вяжущего с коротким (до 9мм) и тонким (Юмкм) базальтовым волокном (5% от массы цемента), гиперпластификатором Melflux 2651 (2%) и микрокремнеземом МК-85 (10%). Нормативная (28сут) прочность на сжатие составляет 184МПа, а при изгибе 27МПа, что в 1,5 и 3,5раза выше прочности исходного портландцемента. 5. Экспериментальным и расчетным методами оптимизирован гранулометрический состав тонкозернистого кварцевого заполнителя, состоящего из четырех фракций (1,25-0,63; 0,63-0,315; 0,315-0,14; 0,14 0,063), имеющего наибольшую объемную плотность (1810 кг/м) и пустотность 31,6%. Тонкозернистый бетон на заполнителе оптимального гранулометрического состава и немодифицированного цемента превосходит бетон на исходном немодифицированном песке по прочности на сжатие в 1,5раза, на изгиб — в 1,9раза. Замена портландцемента ПЦ500Д0 на композиционное вяжущее с базальтовым волокном увеличивает прочность бетона на фракционированном заполнителе при сжатии в 1,5раза, при изгибе - в 2,2раза.