Physical and mechanical properties of self-compacting lightweight concretes on hollow microspheres

Research article
DOI:
https://doi.org/10.60797/mca.2024.54.5
Issue: № 11 (54), 2024
Submitted :
22.10.2024
Accepted:
21.11.2024
Published:
21.11.2024
514
4
XML
PDF

Abstract

Introduction. Self-compacting concretes have been very popular in the world for the past ten years. However, in recent years there has been a tendency to reduce the weight of structures. For these purposes, construction scientists are actively developing technologies for high-strength structural lightweight self-compacting concretes (LWSСC). Such concrete will not be inferior to traditional heavy concrete in terms of its mechanical characteristics. However, the main difficulty in obtaining LWSСC is the tendency of the concrete mixture to delamination with a decrease in average density. An actual technological solution for the production of this concrete is the use of hollow microspheres as a lightweight filler. This article examines the physical and mechanical properties of structural lightweight concrete with high mobility and the factors that affect these properties.

Research methods and principles. The object of the study are concretes that were obtained after testing concrete mixtures on hollow microspheres for technological and rheological characteristics and mixtures without tests performed on them. The design average concrete density is 1400 kg/m3. The following composition is presented: Portland cement, ceramic microspheres, a complex silica additive, fractional sand, quartz flour, hyperplasticizer and water. The results of studies of the physical and mechanical characteristics of LWSSC, conducted in accordance with GOST 310.4—81, were obtained. The key parameters were: density, flexural and compressive strength.

Main results. The influence of W/C and CPl on the physical and mechanical characteristics and uniformity of hardened concrete varies depending on the type of external influence on the mixture before forming it. The regression equations established the negative impact of W/C on the strength and density of concrete.

Conclusion. It was found that mixtures of light concretes with a content of hollow microspheres at an W/C of < 0,6 and a CPl of < 1,0% do not have delamination, but external influence on the mixture before molding shifts the limits of uniformity. The limits of changes in the physical and mechanical properties of lightweight concrete on hollow microspheres in the selected range of variation in the W/C ratio and CPl were presented. It has been established that the specific bending and compressive strength of LWSСC can have comparable values with heavy concrete.

1. Введение

В современном строительстве основным материалом, используемым при проектировании и строительстве несущих элементов зданий и сооружений, служит тяжелый бетон. На протяжении уже не одного столетия бетон массово применяется в строительной индустрии как относительно удобный материал, способный в жидкой фазе принимать любу форму, заданную опалубкой, и с течением короткого времени переходить в твердую фазу, имея высокие прочностные показатели

,
. Большое количество исследований посвящено улучшению свойств бетонных смесей и бетонов
,
,
,
.

За последние десятилетия особый интерес в мировой практике приобрели самоуплотняющиеся бетоны (СУБ)

,
,
,
. Главной отличительной особенностью данного вида бетона является способность к самостоятельному течению и однородному заполнению объема опалубки без дополнительных технологических приемов. При этом наблюдается тенденция по облегчению конструкций для снижения нагрузки на несущие элементы зданий. Поэтому становится особенно актуальной комплексная задача по разработке технологии самоуплотняющихся легких бетонов (ЛСУБ), которые при меньшей плотности не уступают традиционному тяжелому бетону по своим механическим характеристикам
,
,
,
. Особый практический интерес вызывают высокопрочные лёгкие бетоны
,
,
,
на различных заполнителях. При этом особую перспективность имеют конструкционные легкие бетоны на полых заполнителях
,
.

Однако возможность получения самоуплотняющихся легких бетонов закономерно осложняется из-за растущей склонности бетонных смесей к расслоению при снижении средней плотности

,
,
. Настоящая работа посвящена исследованию физико-механических свойств самоуплотняющихся легких бетона на полых микросферах, и оценке влияния рецептурных факторов на них.

Как показано в

варьирование ключевых факторов для управления подвижностью бетонных смесей позволяет достигать высокой способности к самоуплотнению. Однако как известно, увеличение В/Ц-отношение, оказывая положительное влияние на текучесть смесей, негативно влияет на однородность, что сказывается на плотности и прочности бетона. В связи с этим возникает необходимость установления граничных значений варьируемых факторов, обеспечивающих как удовлетворительную подвижность, так и физико-механические свойства.

2. Методы и принципы исследования

Объектом исследований являются самоуплотняющиеся конструкционные лёгкие бетоны, полученные из бетонных смесей на основе портландцемента ЦЕМ I 42,5 (Ц), керамических микросфер ForeSphere (МС), микрокремнезема МК-85 (МКМ), фракционного песка фр. 0,16-0,63 мм (Пф), кварцевой муки (Пм), гиперпластификатора Melflux 2651F (Пл) и воды (В) в соотношении, необходимом для достижения проектной плотности бетона 1400 кг/м3 в соответствии с

(см. табл. 1). Приготовление бетонной смеси выполнялось в автоматическом растворосмесителе Automix.

Таблица 1 - Соотношение компонентов исследуемых смесей

Состав

Объемное содержание, %

ПЦ

МКМ

Пм

Пф

МС

1

Легкий бетон

20,0

3,1

2,2

6,5

46,4

2

Тяжелый бетон (прототип 1 и прототип 2)

14,1

41,0

0,0

Исследование физико-механических свойств ЛСУБ выполнено методом математического планирования эксперимента с использованием двухфакторного композиционный план, имеющего следующий вид модели:

img
(1)

В качестве варьируемых факторов выбраны В/Ц-отношение (X1) и концентрация пластификатора CД (X2). Основные уровни: В/Ц = 0,5 и CД = 1,4% с интервалом варьирования 0,1 и 0,4% соответственно.

В качестве прототипов для сравнительного анализа выбраны 2 состава самоуплотняющихся тяжелых бетонов, отличающихся отсутствием легкого заполнителя, при следующем В/Ц-отношении и концентрации пластификатора: прототип 1 – В/Ц = 0,5, СД = 1,4%; прототип 2 – В/Ц = 0,45, Сд = 1,2%. Состав бетонов-прототипов указан в табл.1.

Контролируемыми параметрами качества Y для поиска коэффициентов уравнения выбраны средняя плотность (Y1), прочность при изгибе (Y2) и сжатии (Y3), которые определялись по методике согласно ГОСТ 310.4 на стандартных образцах 40×40×160 мм в возрасте 28 суток.

Эксперименты по определению прочностных характеристик проводились согласно ГОСТ 310.4. В качестве образцов для определения механических и технических показателей бетона используются образцы-призмы 160×40×40 мм в возрасте 28 сут.

Целью настоящего исследования является установление влияния рецептурных факторов: количества воды и пластификатора, а также влияния внешних воздействий на физико-механические характеристики самоуплотняющегося конструкционного легкого бетона на полых микросферах и однородность структуры.

В работе исследованы 3 серии образцов, отличающиеся внешним воздействием до укладки бетонной смеси в формы:

· Серия 1 – образцы, отформованные в течение 1 минуты после приготовления бетонной смеси;

· Серия 2 – образцы, отформованные после испытания подвижности бетонных смесей (через 8 минут после приготовления);

· Серия 3 – образцы, отформованные после определения напряжения сдвига и вязкость бетонных смесей (через 25 минут после приготовления).

Перед определением механических характеристик бетона осуществлялся качественный анализ однородности структуры путем фиксации расслоения смеси. Пример образцов с признаками расслоения и образцов без этих признаков представлены на рис. 1. 

Внешний вид образцов конструкционного легкого бетона с однородной (а) и расслоившейся (б) структурой

Рисунок 1 - Внешний вид образцов конструкционного легкого бетона с однородной (а) и расслоившейся (б) структурой

Стандартное отклонение для средней плотности составила не более 3%, для прочности при изгибе и сжатии 6% и 5% соответственно.

3. Основные результаты

К ключевым требованиям к самоуплотняющимся бетонным смесям относится способность к сохранению однородности. Гомогенности структуры способствует множество факторов: качество и количество компонентов смеси, а также условия изготовления и внешние воздействия. В исследуемых бетонных смесях дополнительным фактором является различная плотность фазы (полых микросфер, кварцевого песка и цементного теста). Поэтому ограничением для применения составов легкого бетона с высокой способностью к самоуплотнению выступает склонность к расслоению.

В соответствии с математическим планом эксперимента каждая серия образцов подвергалась качественному анализу на наличие разнородных слоев. Результаты представлены в табл. 2.

Таблица 2 - Расслоение образцов исследуемого бетона

Состав согласно плану эксперимента

1

2

3

4

5

6

7

8

9

В/Ц

0,4

0,6

0,4

0,6

0,36

0,64

0,5

0,5

0,5

CД, %

1,0

1,0

1,8

1,8

1,4

1,4

0,83

1,97

1,4

Серия 1

нет

нет

нет

+

нет

+

нет

нет

нет

Серия 2

нет

нет

нет

+

нет

+

нет

нет

нет

Серия 3

нет

+

нет

+

нет

+

+

+

+

Примечание: «+» показывает наличие визуальных признаков сегрегации

Представленные в табл. 2 данные показывают, что при В/Ц ≤ 0,6 и CД ≤ 1,0% расслоение отсутствует на всех составах серии 1 и 2, заформованных сразу после приготовления (без уплотнения) и после испытаний на подвижность соответственно. При этом увеличение содержания пластификатора до 1,8% (состав № 4), а также В/Ц до 0,64 при количестве пластификатора 1,4% (состав № 6) отражается на проявлении расслоения у соответствующих образцов. Для серии 3, заформованных после испытаний на определение реологических свойств, лишь составы № 1, 3 и 5 при В/Ц ≤ 0,4 не имеют визуальных признаков расслоения. То есть можно отметить, что составы № 2, 7, 8 и 9 с В/Ц ≥ 0,5 претерпевают изменение структуры бетонной смеси после внешних воздействий, вызванных проведением испытаний. Это объясняется тиксотропным разжижением указанных бетонных смесей, связанным с уменьшением вязкости цементно-минеральной матрицы (дисперсной среды) под действием вибрационных усилий. Отсюда можно выдвинуть предположение о наличии порога однородности, выраженного предельной энергией, после воздействия которой структура бетонной смеси теряет свою гомогенность.

Таким образом, качественный анализ расслоения образцов исследуемого бетона показывает, что составы с В/Ц ≤ 0,4 характеризуются однородной структурой, в том числе при наличии внешнего воздействия. При В/Ц ≥ 0,6 и СД ≥ 1,4 бетонные смеси характеризуются склонности к сегрегации. Составы с В/Ц = 0,5 стремятся к расслоению после определенного порога внешнего воздействия.

Достижение высокой подвижности бетонных смесей без сохранения однородности не несет практической пользы, поэтому важным условием для самоуплотняющихся легких бетонов является получение однородной структуры и свойств в объеме затвердевшего композита. Для установления влияния ключевых факторов на физико-механические свойства и однородность были получены уравнения регрессии:

img
(2)
img
(3)
img
(4)

где Y1 – средняя плотность бетона, Y2 – прочность при изгибе, Y3 – прочность при сжатии.

Формальный анализ показывает, что уравнение Y1 = f(X1,X2) характеризуется статистически незначимым влиянием варьируемых факторов на среднюю плотность бетона. Существенным фактором, согласно модели, выступает лишь В/Ц-отношение, увеличение которого способствует закономерному снижению средней плотности. Анализ уравнений Y2 и Y3 позволяет сделать вывод о схожем влиянии содержания воды на прочность при изгибе и сжатии (отрицательное значение коэффициента B1). Роль пластификатора при этом становится более значимой, что выражается в положительном влиянии в количествах близких к границам варьируемого диапазона и совместном влиянии CД и В/Ц (коэффициенты B22 и B12).

Однако интерпретация полученных уравнений осложняется наличием сегрегированных составов при X1 и X2 ® 1 (см. табл. 2). Результаты эксперимента свидетельствуют о необходимости оптимизации исследуемых составов по параметрам В/Ц-отношения и концентрации пластификатора с целью получения бетонов с однородной структурой и высокими прочностными свойствами. При этом в соответствии с экспериментальным планом установлено, что физико-механические свойства исследуемых составов изменяются в диапазоне ρm = 1390…1470 кг/м3, Rизг = 2,66…5,71 МПа, Rсж = 25,8…44,5 МПа (см. табл. 3).

Таблица 3 - Физико-механические свойства исследуемых бетонов

Свойство

Серия

Составы

В/Ц = 0,5; СД = 1,4%

Прототип 1

Прототип 2

1

Средняя плотность, кг/м3

1

1420

2170

2110

2

2

1475

2190

2190

3

3

1455

2230

2240

4

Прочность при изгибе, МПа

1

3,42

7,39

6,33

5

2

5,34

8,17

7,89

6

3

4,13

8,91

8,49

7

Прочность при сжатии, МПа

1

28,6

56,3

47,3

8

2

34,3

59,4

58,8

9

3

39,1

63,5

61,1

Сравним физико-механические свойства полученных легких бетонов на полых микросферах с прототипами из тяжелого бетона высокой подвижности при различной степени воздействия на бетонную смесь. На рис. 2 показаны удельные механические характеристики тяжелого (прототип 1) и легкого (состав 9 по плану) бетона при В/Ц = 0,5 и СД = 1,4%, а также прототип 2 с меньшей величиной варьируемых факторов (В/Ц=0,45 и СД=1,2%).

Удельная прочность при изгибе (а) и сжатии (б) легких бетонов на полых микросферах в сравнении с прототипами

Рисунок 2 - Удельная прочность при изгибе (а) и сжатии (б) легких бетонов на полых микросферах в сравнении с прототипами

На рис. 2, видно, что у легкого бетона серии 1 (отформованного сразу после приготовления) удельная прочность меньше при изгибе на 29,2 и 19,7, при сжатии на 22,3 и 10,1%, чем у каждого из прототипов соответственно. Прочность при изгибе при этом составляет 3,42 МПа против 7,39 и 6,33 МПа, а при сжатии 28,6 МПа против 56,3 и 47,3 МПа соответственно. Для образцов серии 2, отформованных после испытания подвижности, величина удельной прочности при изгибе образцов тяжелого и легкого бетона сопоставимы 3,62...3,73 МПа, а прочность при сжатии отличается на 14,3 и 13,6% от прототипа 1 и прототипа 2 соответственно. Это может быть связано с доуплотнением бетонных смесей после встряхивания. Еще большее воздействие на бетонную смесь оказывает воздействие, которое они получили до формования после исследования реологических свойств, для тяжелых бетонов сказывает на повышении удельной прочности при изгибе и сжатии, а для легкого характеризуется снижением удельной прочности при изгибе до 2,84 МПа, но повышении удельной прочности при сжатии до 26,9 МПа. Объяснением указанного является неоднородность структуры сформированного образца легкого бетона, связанной с расслоением, как показано в табл. 2.

Таким образом, установлено, что самоуплотняющиеся легкие бетоны на полых микросферах могут иметь высокие прочностные характеристики. Удельная прочность таких бетонов сопоставима с тяжелыми бетонами без микросфер. Для использования самоуплотняющихся легких бетонов следует установить рецептурные ограничения, позволяющие обеспечить однородность структуры при различной степени внешнего воздействия.

4. Заключение

Полученные результаты позволяют сформулировать следующие выводы:

· Установлено, что смеси легких бетонов с содержанием полых микросфер 46,4% по объему при В/Ц ≤ 0,6 и CД ≤ 1,0% не имеют расслоения. Увеличение В/Ц-отношения или концентрации добавки приводит к нарушению однородности бетонной смеси. Наличие внешнего воздействия на смесь до формования смещает пределы однородности для варьируемых факторов в сторону меньших значений.

· Изменения физико-механических свойств легкого бетона на полых микросферах в выбранном диапазоне варьирования В/Ц-отношения и концентрации добавки составляет ρ = 1390…1470 кг/м3, Rизг = 2,66…5,71 МПа, Rсж = 25,8…44,5 МПа. При этом наличие расслоения при В/Ц ≥ 0,6 не позволяет корректно установить влияние варьируемых факторов.

· Удельная прочность при изгибе и сжатии самоуплотняющегося легкого бетона может иметь сопоставимые значения с тяжелым бетоном, что требует рецептурной оптимизации составов на полых микросферах.

Перспективным направлением развития темы является установление влияние объёмного содержания минерального заполнителя и полых микросфер на сохранение однородности структуры и прочностные свойства затвердевшего бетона.

Article metrics

Views:514
Downloads:4
Views
Total:
Views:514