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

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

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

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

Как показано в

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

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

(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. 

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

DOI:10.60797/mca.2024.54.5.2

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

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.

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:

(2)

(3)

(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).

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%).

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

DOI:10.60797/mca.2024.54.5.5

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.

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.