Исследование влияния кварцевой и мраморной муки на свойства сверхвысокопрочного бетона и сталефибробетона
Исследование влияния кварцевой и мраморной муки на свойства сверхвысокопрочного бетона и сталефибробетона
Аннотация
Одним из основных компонентов сверхвысокопрочных бетонов и сталефибробетонов является инертная минеральная добавка, получаемая путем тонкого измельчения различных горных пород, основная роль которой заключается в увеличении плотности упаковки порошкообразных частиц и уменьшении расхода вяжущего. В статье представлены результаты сравнительных испытаний бетонов с кварцевой и мраморной мукой с удельной поверхностью и средним размером частиц в диапазоне 188,7–798,5 м2/кг и 3,3–22,7 мкм, соответственно. Были определены следующие характеристики: прочность при сжатии, изгибе, энергия разрушения при изгибе, прочность сцепления стальной волновой фибры с бетоном и водопоглощение. Установлено, что удельная поверхность инертного наполнителя не оказывает существенного влияния на указанные характеристики. Составы с кварцевой мукой имеют немного более высокую прочность при сжатии и изгибе (до 4,7–9,5%), чем составы с мраморной мукой. При введении стальной фибры разница в прочности полностью нивелируется, что обусловлено сопоставимыми значением прочности сцепления фибры с бетоном. В результате проведенных исследований установлено, что для получения сверхвысокопрочных бетонов и фибробетонов возможна замена традиционного применяемой кварцевой муки на мраморную даже с более низкой удельной поверхностью, что позволит снизить себестоимость подобных бетонов.
1. Введение
С конца прошлого столетия активно исследуется и внедряется в строительную отрасль новый вид конструкционных материалов, сочетающий в себе все преимущества самоуплотняющихся, высокопрочных и дисперсно-армированных бетонов, который в отечественной научно-технической литературе обозначается как сверхвысокопрочный бетон (СВБ) и фибробетон (СВФБ)
, , . Вследствие высоких физико-механических характеристик и долговечности материал находит применение при строительстве объектов транспортной инфраструктуры: элементов автомобильных, железнодорожных и пешеходных мостов с улучшенными прочностными характеристиками и долговечностью, оптимизированными геометрическими размерами и увеличенным сроком безремонтной эксплуатации . Перспективным является использование СВФБ для устройства покрытия автомобильных дорог, что позволяет увеличить несущую способность конструкции основания и одновременно обеспечить надежную гидроизоляцию . В работе сообщается о возможности применения СВФБ для ремонта стальных конструкций, подвергнутых коррозии, что обеспечивает возможность полного восстановления их несущей способности. Также широко распространена практика омоноличивания стыков между сборными железобетонными элементами при помощи СВФБ .Прочность при сжатии и растяжении СВФБ может достигать 192–250 и 14,0–19,6 МПа, соответственно
, , , что возможно благодаря тщательной оптимизации гранулометрического состава входящих в состав бетона компонентов, снижения водоцементного соотношения до экстремально низких значений (0,18–0,25) и применения стальной фибры различной формы и размеров до 6–11% от общего объема смеси , . Одним из основных компонентов СВФБ является инертный наполнитель, в качестве которого обычно применяется кварцевая мука, роль которой заключается в увеличения плотности упаковки частиц тонкомолотых компонентов и улучшении за счет этого удобоукладываемости смеси, а также снижения расхода портландцемента, содержание которого может превышать 1000 кг/м3 . Кроме того, при тепловой обработке при температуре +250 °C кварцевая мука проявляет реакционную способность и приводит к дополнительному уплотнению структуры и увеличению прочностных характеристик сверхвысокопрочного бетона . Как правило, удельная поверхность применяемой кварцевой муки выше, чем у цемента, что позволяет частицам наполнителя встраиваться между зернами портландцемента и эффективно снижать межзерновую пустотность. Однако помол кварцевой муки для получения частиц требуемого размера требует высоких энергозатрат, в результате чего стоимость муки и бетона, в составе которого она содержится, существенно возрастают. Одной из возможных альтернатив является мраморная мука, обладающая меньшей твердостью и прочностью, в результате чего энергозатраты на помол единицы массы оказываются существенно ниже. Кроме того, мраморная мука является отходом, образующимся при производстве облицовочных плит, песка или щебня, что дополнительно уменьшает ее стоимость. Так, например, 1 тонна кварцевой муки с удельной поверхностью 300–400 м2/кг стоит 10200–16400 руб., в то время как мраморная мука сопоставимой тонкости помола — 3500–9100 руб. в зависимости от производителя. В работе проведено сравнительное исследование свойств СВБ с различными отходами камнедробления, таких как гранитная, базальтовая, мраморная и известняковая мука. Было установлено, что замена до 20% портландцемента на мраморную муку позволяет значительно улучшить реологические характеристики смеси при сохранении прочности и непроницаемости затвердевшего бетона относительно контрольного состава. В статье авторами также обнаружен положительный эффект известняковой муки на механические свойства рядовых и высокопрочных бетонов при ее содержании до 15% от массы цемента и удельной поверхности не менее 600 м2/кг. Авторами получены схожие результаты, где замена 20% портландцемента на известняковую муку позволило незначительно повысить прочностные характеристики мелкозернистого бетона при одновременном уменьшении его себестоимости. В исследованиях и также отмечается возможность эффективного использования тонкомолотых карбонатных пород в технологии высокопрочных и сверхвысокопрочных бетонов, наличие которых в твердеющей цементной системе приводит к изменению кристаллохимического строения гидратных новообразований, уменьшению их толщины на поверхности зерен и образованию новых контактов срастания AFm фаз, Ca(OH)2 и CaCO3, что способствует уплотнению и упрочнению структуры.Опыт отечественных и зарубежных исследований явно свидетельствует о перспективности использования карбонатных горных пород в качестве инертного наполнителя в сверхвысокопрочных бетонах и фибробетонах. При этом не было обнаружено работ, в которых бы было представлено сравнение свойств фибробетонов, содержащих кварцевый и карбонатный наполнитель, а также стальную волновую фибру в качестве дисперсного армирования, которая на сегодняшний день является одной из наиболее распространенных на территории Российской Федерации. Таким образом, в рамках данной работы были проведены испытания составов СВБ и СВФБ с кварцевой и мраморной мукой различной удельной поверхности, в рамках которых были определены основные физико-механические характеристики, такие как прочность при сжатии, изгибе, прочность сцепления стальной фибры с бетонной матрицей и водопоглощение. Целью работы являлось установление возможности замены дорогостоящей кварцевой муки на более дешевый и доступный аналог без существенного ухудшения основных свойств материала. Более подробное описание применяемых материалов и методов исследования представлено в следующих разделах.
2. Материалы и методы
2.1. Применяемые материалы и составы смесей
Для приготовления смесей использовался серый портландцемент ЦЕМ I 52,5 Н производства ООО «Аккерман Цемент» с прочностью на сжатие в возрасте 28 суток, определенной по ГОСТ 30744, 55,0 МПа и удельной поверхностью по прибору ПСХ 353,3 м2/кг. В качестве заполнителя применялся кварцевый песок фракций 0,1–0,4 и 0,4–0,8 в соотношении 30:70 по объему, при котором обеспечивается наименьшая пустотность смеси в рыхло-насыпном состоянии. Объемное содержание кварцевого песка было принято постоянным во всех составах и составляло 0,4 м3. В качестве активной минеральной добавки использовался микрокремнезем МКУ-85, соответствующий ГОСТ Р 58894-2020. Удобоукладываемость смесей регулировалась при помощи суперпластификатора на основе эфиров поликарбоксилатов Sika® ViscoCrete® E-35 производства ООО «Зика» (Sika Россия). Содержание добавки подбиралась таким образом, чтобы диаметр расплыва смеси, определенный по конусу Хегерманна, составлял 230–250 мм. Водоцементное соотношение с учетом содержания воды в суперпластифицирующей добавке не изменялось и для всех смесей составляло 0,22. В качестве инертных наполнителей использовалась кварцевая мука с удельной поверхностью 188,7 и 429,6 м2/кг (средний диаметр частиц 22,70 и 12,77 мкм), в дальнейшем обозначаемые как КМ-200 и КМ-400, соответственно, и мраморная мука (микрокальцит) с удельной поверхностью 281,2 и 798,5 м2/кг (средний диаметр частиц 20,75 и 3,30 мкм), в дальнейшем обозначаемые как МКТ-300 и МКТ-800, соответственно. Содержание инертных минеральных добавок во всех составах составляло 20% от массы цемента. Интегральные кривые распределения частиц наполнителей по размерам, определенные методом лазерной дифракции на приборе Fritsch Analysette 22, представлены на графике рисунка 1.
Интегральные кривые распределения частиц наполнителей по размерам
Таблица 1 - Составы смесей, подвергнутых испытаниям
Компонент | КМ | КМ-Ф | МКТ | МКТ-Ф |
Цемент, кг | 826 | 798 | 826 | 798 |
Вода, кг | 173 | 168 | 173 | 168 |
Инертный наполнитель, кг | 165 | 160 | 165 | 160 |
Микрокремнезем, кг | 165 | 160 | 165 | 160 |
Кварцевый песок 0,1-0,4 мм, кг | 315 | 315 | 315 | 315 |
Кварцевый песок 0,1-0,4 мм, кг | 736 | 736 | 736 | 736 |
Суперпластификатор, кг | 25 | 24 | 25 | 24 |
Стальная фибра, кг | - | 156 | - | 156 |
Твердение образцов после их формования осуществлялось по следующему режиму: 48 часов - в лабораторных условиях, 48 часов — в камере тепловлажностной обработки при температруе +80°C. После пропаривания образцы плавно охлаждались до комнатной температуры и затем хранились в лаборатории в течение 3 суток до момента проведения испытаний.
2.2. Методы исследования
Прочность при сжатии определялась на образцах-кубах с размером ребра 50 мм. Скорость нагружения образцов во время испытаний составляла 2 МПа/с. Прочность при сжатии серии образцов определялась как среднее арифметическое результатов трех испытаний.
Прочность при изгибе определялась на образцах-призмах размером 40х40х160 мм. Испытание проводилось на электромеханическом прессе, при этом скорость перемещения траверсы составляла 0,4 мм/мин. Прочность при изгибе серии образцов определялась как среднее арифметическое результатов трех испытаний.
Прочность сцепления стальной фибры с бетоном определялась путем выдергивания единичного волокна, погруженного на 10 мм в бетонную матрицу. Для проведения испытания были подготовлены образцы в виде половинок восьмерок, внешний вид которых представлен на рисунке 2-а, а способ захвата образца в испытательной машине — на рисунке 2-б. Выдергивание фибры из бетона осуществлялось на разрывной машине Instron 3382, скорость перемещения траверсы при этом составляла 0,4 мм/мин. В процессе испытания регистрировалась диаграмма «нагрузка-перемещение», при помощи которой определялось значение максимальной нагрузки и затем рассчитывалась прочность сцепления по формуле:
где F — максимальное значение нагрузки по диаграмме, Н;
df — диаметр фибры, мм;
le — глубина заделки фибры в бетон, мм.
Прочность сцепления фибры с бетоном определялась как среднее арифметическое результатов 6 параллельных испытаний.
Определение прочности сцепления фибры с бетоном:
а – внешний вид образца; б – внешний вид образца в захватах испытательной машины
Для составов, не содержащих стальную фибру, определялось водопоглощение по массе и объему в соответствии с ГОСТ 12730.3. Среднее значение каждого из параметров определялось по результатам 3 параллельных испытаний образцов-кубов с размером ребра 50 мм.
3. Результаты и обсуждение
3.1. Прочность при сжатии
Результаты определения прочности при сжатии:
а – составов без стальной фибры; б – составов с стальной фиброй
3.2. Прочность сцепления волновой стальной фибры с бетоном
Результаты определения прочности сцепления стальной волновой фибры с бетоном:
а – диаграмма «нагрузка-смещение фибры» для состава с наполнителем КМ-200; б – диаграмма «нагрузка-смещение фибры» для состава с наполнителем КМ-400; в – диаграмма «нагрузка-смещение фибры» для состава с наполнителем МКТ-300; г – диаграмма «нагрузка-смещение фибры» для состава с наполнителем МКТ-800
При изменении вида инертного наполнителя прочность сцепления волновой фибры изменяется в узком диапазоне 19,4–20,9 МПа, при этом немного большая величина сцепления была получена при использовании мраморной муки, обладающей большей удельной поверхностью и, соответственно, меньшим средним размером частиц. В процессе производства стальной фибры на её поверхности могут возникать различные дефекты, такие как царапины и вмятины. На фотографиях рисунка 5-а представлены характерные дефекты, обнаруженные на поверхности стальной фибры. На диаграмме рисунка 5-б представлена частота распределения ширины дефектов, которая определялась при помощи программы ImageJ по полученным снимкам. Из представленного графика видно, что ширина дефектов варьируется в диапазоне 0,4–2,2 мкм. При увеличении удельной поверхности наполнителя увеличивается доля частиц, способных заполнить указанные дефекты и, таким образом, увеличить механическую анкеровку фибры в бетонной матрице. Однако в связи с небольшим количеством дефектов на поверхности волокна увеличение тонкости помола не приводит к существенному улучшению сцепления, а наблюдаемая разница между различными составами лежит в пределах стандартного отклонения отдельных серий образцов, которое составляет 1,8–2,9 МПа.
Результаты исследования поверхности стальной фибры:
а – характерные дефекты на поверхности волокна; б – частота распределения ширины дефектов на поверхности волокна
Результаты определения прочности при изгибе:
а – составов без стальной фибры; б – составов с стальной фиброй
3.4. Водопоглощение
Результаты определения водопоглощения образцов сверхвысокопрочного бетона по массе и объему
4. Заключение
В статье приведены результаты определения физико-механических свойств сверхвысокопрочных бетонов (СВБ) и фибробетонов (СВФБ) с кварцевым и мраморным наполнителем. По полученным данным могут быть сделаны следующие выводы:
1. Прочность при сжатии СВБ и СВФБ не зависит от удельной поверхности кварцевой или мраморной муки. При использовании кварцевой муки взамен мраморной прочность при сжатии на 3,7-4,5% выше.
2. Вид инертного наполнителя не оказывает существенного влияния на прочность сцепления между стальной волновой фиброй и сверхвысокопрочным бетоном. Экспериментальное значение прочности составляет 19,4–20,9 МПа, а разница между составами лежит в пределах стандартного отклонения серии испытаний, которое составило 1,9–2,9 МПа.
3. Прочность при изгибе сверхвысокопрочного бетона без фибры в среднем на 9,5% выше в случае, если в качестве инертного наполнителя используется кварцевая мука. Прочность при изгибе сталефибробетона не зависит от вида минеральной добавки, что находится в соотвестствии с прочностью сцепления отдельного волокна.
4. Водопоглощение по массе и объему также не зависит от вида инертного наполнителя и для испытанных составов составляет в среднем 0,28 и 0,66%, соответственно.
Было установлено, что удельная поверхность и вид инертного наполнителя не оказывают существенного влияния на ключевые свойства СВБ и СВФБ, что позволяет рекомендовать мраморную муку в качестве альтернативы вследствие ее более низкой стоимости по сравнению с кварцевой.