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)

[1][2][3][4][5][6][7]

Прочность при сжатии и растяжении СВФБ может достигать 192–250 и 14,0–19,6 МПа, соответственно

[8][9, С. 581][10, С. 59, 62][11, С. 152][12, С. 28][12, С. 28] [13, С. 1507][14][15][16, С. 167–168][17, С.262–263][18, С. 224–225]

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

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 м2Missing Mark : sup/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 м3Missing Mark : sup. 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 м2Missing Mark : sup/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 м2Missing Mark : sup/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.

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.

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;

dfMissing Mark : sub — диаметр фибры, мм;

leMissing Mark : sub — глубина заделки фибры в бетон, мм.

Прочность сцепления фибры с бетоном определялась как среднее арифметическое результатов 6 параллельных испытаний.

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

Результаты определения прочности при сжатии составов с стальной фиброй и без фибры представлены на рисунке 3-а и 3-б, соответственно.

[19], [20, С. 17407]

На графиках рисунка 4-а-г представлены диаграммы «нагрузка-смещение фибры», полученные при выдергивании волокон из бетонных матриц с различным видом инертного наполнителя, а на диаграмме рисунка 4-д — среднее значение прочности сцепления волновой фибры для всех испытанных серий образов, определенное по формуле (1).

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. 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 определения прочности при изгибе образцов со стальной фиброй и без представлены на рисунке 6-а и 6-б, соответственно.

Результаты определения водопоглощения образцов сверхвысокопрочного бетона представлены на рисунке 7.

[21]

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.

The additional file for this article can be found as follows: