Исследование динамической прочности и жесткости изделий из мелкозернистого бетона, модифицированного наноструктурным шунгитовым наполнителем

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ И ЖЕСТКОСТИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ МЕЛКОЗЕРНИСТОГО БЕТОНА, МОДИФИЦИРОВАННОГОНАНОСТРУКТУРНЫМ ШУНГИТОВЫМ НАПОЛНИТЕЛЕМ

Г.Э. Шаблинский, Н.П. Лукутцова, A.A. Пыкин, К.А. Цветков

МГСУ, БГИТА

Представлены результаты экспериментальных исследований динамической прочности и жесткости мелкозернистого бетона,

модифицированного наноструктурным шунгитовым наполнителем

Results of experimental researches of a dynamic strength and rigidness of fine-grained concrete are presented, modified nanostructural the shungite filling material

В настоящее время в России и за рубежом среди научно-исследовательских работ в области нанотехнологий большое внимание уделяется получению новых высокотехнологичных конструкционных строительных материалов, модифицированных углеродными нанодобавками (нанотрубками, фуллеренами, астраленами и др.).

Углеродные наноматериалы благодаря своим потрясающим индивидуальным характеристикам по жесткости, прочности, упругости, износостойкости, химической и коррозионной стойкости и т.д. позволяют получать бетоны с соответствующими свойствами. Так, введение нанотрубок в смесь мелкозернистого бетона в количестве до 1 % приводит к повышению его прочности на 60-85 % [3].

Однако дороговизна известных способов получения углеродных наночастиц делает их внедрение в промышленное производство практически нерентабельным.

В связи с этим, в настоящее время весьма перспективным направлением является исследование модификации композиционных цементных материалов такими природными неорганическими фуллероидными наносистемами, как шунгит-шунгизит.

Шунгит - древнейший углеродосодержащий минерал на планете, представляющий собой метаморфизованный каменный уголь, который является переходной стадией от антрацита к графиту. Характерной особенностью шунгита является структура его углерода, в основе которой лежит глобулярная матрица, содержащая фуллерено-подобные кластеры размером до 10 нм [2].

Структурное строение шунгитового углерода с его высоким внутренним энергетическим потенциалом характеризует минерал высокой плотностью

В аспекте вышеизложенных общих положений были выполнены эксперименты по модификации мелкозернистого бетона (МЗБ) шунгитовым наполнителем (ШН) и исследованы прочностные и деформативные свойства данного бетона в условиях динамического нагружения.

Исследования проводились в лаборатории динамической прочности строительных конструкций НИИ Экспериментальной механики МГСУ на испытательной установке, разработанной инж. МГСУ Безгодовым И.М. и к.т.н. МГСУ Цветковым К.А. и создающей импульсную нагрузку на образец бетона с регулировкой величины и длительности импульса [4].

Для приготовления МЗБ применялись портландцемент марки ПЦ 500 Д0 Маль-цовского цементного завода, намывной кварцевый песок (п. Свень, Брянская обл.), шунгитовый наполнитель в качестве добавки, полученный грубым измельчением шунгитового щебня Зажогинского месторождения (Карелия) фракции 3-10 мм в ще-ковой дробилке в течение 30 си тонким помолом в дисковой вибрационной мельнице ИВ1 в течение 1 чс последующим просеиванием через ситовой анализатор с ситами № 0,4; 0,2 и 0,09. Для исследований применялся остаток наполнителя на сите № 0,09 и пыль на поддоне. Содержание кварцевого песка (Кв.п.) во всех составах - 1500 г.

Испытания образцов модифицированного МЗБ осуществляли согласно матрице планирования, приведенной в табл. 1.

Таблица 1. Матрица планирования и результаты испытаний образцов из мелкозерни-

стого бетона, модифицированного шунгитовым наполнителем

№ Значения факторов Функции отклика

В безразмерной системе координат В натуральном масштабе У1 (П), мм У2 (Я3сж), МПа У3 (Я28сж), МПа У4 (Я28и) МПа Уз (РсрХ кг/м

X: Х2 Х3 ПЦ, г шн, % В/Ц

1 -1 -1 300 5 0,3 112 0,6 1,6 0,35 1397

2 -1 +1 300 5 0,5 133 1,6 2,8 0,5 1482

3 -1 +1 +1 300 15 0,5 120 3,6 9,1 0,5 1681

4 -1 +1 -1 300 15 0,3 100 0,3 0,9 0,2 1388

5 +1 -1 500 5 0,3 111 0,6 2,5 0,5 1516

6 +1 +1 500 5 0,5 131 10,1 20,4 2,6 2061

7 +1 +1 -1 500 15 0,3 96 2,0 3,7 0,8 1403

8 +1 +1 +1 500 15 0,5 121 8,9 18,4 1,4 1878

9 -1 0 0 300 10 0,4 113 1,6 4,6 0,8 1592

10 +1 0 0 500 10 0,4 104 6,3 10,1 1,1 1805

11 0 0 -1 400 10 0,3 99 0,9 2,8 0,8 1465

12 0 0 +1 400 10 0,5 118 4,5 6,3 1,0 1648

13 0 -1 0 400 5 0,4 110 2,4 2,8 0,4 1482

14 0 +1 0 400 15 0,4 104 1,1 2,6 0,2 1407

15 0 0 0 400 10 0,4 106 1,0 3,0 0,2 1496

Для испытаний на динамическую прочность были выбраны составы 1, 3, 5 и 6. При проведении экспериментов нагрузка фиксировалась при помощи высокочувствительного датчика силы, установленного между домкратом и образцом. Датчик силы представляет собой стальной цилиндр (испытания на сжатие), работающий уп-

руго в необходимом диапазоне нагрузок, на поверхности которого наклеены проволочные тензорезисторы. Благодаря особенностям конструкции датчика достигнута чувствительность к силе 0,01 МПа/1 мВ [3].

В ходе работы измерялись только продольные деформации образцов. Для измерения деформаций использовались проволочные тензорезисторы с базой 50 мм, наклеенные на четырех гранях образцов и включенных по мостовой схеме. Сигналы от раз-балансировки мостов при испытаниях образцов бетона подавались через усилители и многоканальный аналого-цифровой преобразователь на персональный компьютер, имеющий соответствующее программное обеспечение, позволяющее получать результаты испытаний в табличной и графической форме.

Методика испытаний образцов состоит из двух или трех этапов. Первый этап включал испытание статической нагрузкой до 0,2ЯЬ для получения значений начального статического модуля упругости; второй этап - динамическое нагружение образца для получения начального динамического модуля упругости и значений предельных деформаций, а также динамической призменной прочности бетона Ям. Если образен не разрушался от динамической нагрузки, проводился третий этап испытаний статической нагрузкой до разрушения с фиксацией деформаций на всем диапазоне нагрузок.

Таблица 2. Результаты испытаний образцов состава № 1 на действие однократной ди-_намической нагрузки и статической нагрузки до разрушения_

а, МПа а/ЯЬ е, е.о.д.  10-5 Де, е.о.д.  10-5 Е, МПа

Динамическое нагружение

0 0,00 0 - -

1,56 0,10 3,7 3,7 42,162

4,69 0,29 12,3 8,6 36,395

7,81 0,49 20,0 7,7 40,519

10,94 0,68 29,6 9,6 32,604

14,06 0,87 40,1 10,5 29,714

16,09 1,00 46,5 6,4 31,719

Статическое нагружение до разрушения

0 0,00 0 - -

1,56 0,05 3,2 3,2 48,750

3,1 0,10 7,4 4,2 36,667

4,68 0,16 - - -

7,81 0,26 22,1 14,7 32,041

9,37 0,32 - - -

14,06 0,47 42,1 20 31,250

17,19 0,58 52,7 10,6 29,528

20,31 0,68 64,6 11,9 26,218

23,43 0,79 77,3 12,7 24,567

26,56 0,89 92,95 15,65 20,000

Результаты экспериментов, представленные в табл. 2, показывают следующее:

- предварительное динамическое нагружение до уровня 0,5ЯЬ не оказывает влияние на прочностные и деформативные свойства бетона при последующем статическом нагружении;

- повышение скорости нагружения не влияет на начальный модуль деформирования бетона;

- влияние скорости нагружения на дифференциальный модуль деформаций бетона ощущается при достижении уровня напряжений 0,16 ЯЬ;

- в диапазоне напряжений от 0,16 ЯЬ до 0,54ЯЬ динамический дифференциальный модуль деформаций выше статического на 10 %.

При этом призменная прочность бетона равна ЯЬ = 29,69 МПа, начальный модуль деформаций - ЕЬ0= ЕЬ<ю = 36500 МПа, относительные продольные деформации на уровне 0,25ЯЬ (условно данный уровень может быть принят за нижнюю границу мик-ротрещинообразования) - Еь = Ем = 16 е.о.д. • 10-5, относительные продольные деформации на уровне 0,9ЯЬ (условно данный уровень может быть принят за верхнюю границу микротрещинообразования) - Еь = 95 е.о. д. • 10-5.

Таблица 3. Результаты испытаний образцов состава № 3 на действие динамической _нагрузки и статической нагрузки до разрушения_

а, МПа а/ЯЬ е, е.о.д. • 10-5 Де, е.о.д. • 10-5 Е, МПа

Динамическое нагружение

0 0,00 0 - -

1,25 0,05 8,5 - -

3,125 0,125 13,5 5 37,500

6,25 0,25 22,5 9 34,722

9,375 0,38 34 11,5 27,174

12,5 0,5 45,5 11,5 27,174

15,63 0,63 57,1 11,6 26,983

18,75 0,75 67,1 10 31,200

21,88 0,8752 77,1 10 31,300

18,75 0,75 68,9 -8,2 -

15,63 0,63 59,4 -9,5 -

12,5 0,50 49,9 -9,5 -

9,375 0,38 38,3 -11,6 -

6,25 0,25 26,2 -12,1 -

3,125 0,13 16,1 -10,1 -

Статическое нагружение до разрушения

0 0 0 - -

3,125 0,125 9,7 9,7 32,216

6,25 0,25 22 12,3 25,407

9,375 0,38 34,1 12,1 25,826

12,5 0,5 45 10,9 28,670

15,625 0,63 58,4 13,4 23,321

18,75 0,75 68,8 10,4 30,048

21,875 0,88 83,9 15,1 20,695

25 1 101,2 17,3 18,064

Деформирование бетона состава № 3 (табл. 3) при динамическом нагружении свидетельствует о возможности хрупкого разрушения (малые величины продольных деформаций, постоянство модуля, в том числе и при высоких уровнях напряжений). При этом получено существенное повышение динамического начального модуля деформаций (до 45 %) по сравнению со статическим, что не соответствует данным других исследователей и требует дополнительной экспериментальной проверки.

Для образцов состава № 5 можно отметить некоторое (до 10 %) снижение динамического модуля деформаций по сравнению со статическим (табл. 4). Деформирова-

ние происходит с практически неизменным при возрастании уровня нагружения значением модуля деформаций бетона вплоть до разрушения, что свидетельствует о хрупком характере разрушения бетона. Предельная деформативность модифицированного бетона данного состава существенно ниже предельной деформативности обычного мелкозернистого бетона. Динамическая прочность равна Ям = 6,65 МПа, начальный модуль деформаций - ЕЬ0 = 15400 МПа (получен как среднее значение для интервала нагружения от 0,02ЯЬ^ до 0,12ЯЬ^), относительные предельные продольные деформации - ЕЬш1 = 46 е.о.д.  10-5.

Таблица 4. Результаты испытаний образца составов № 5 на действие однократной ди-_намической нагрузки до разрушения_

а, МПа а/ЯЬ е, е.о.д.  10-5 Де, е.о.д.  10-5 Е, МПа

0 0,00 0 - -

0,625 0,09 3,7 3,7 16,892

1,875 0,28 12,3 8,6 14,535

3,125 0,47 20,0 7,7 16,234

4,375 0,66 29,6 9,6 13,021

5,625 0,85 40,1 10,5 11,905

6,65 1,00 46,2 6,1 16,803

В табл. 5 представлены результаты испытаний образцов № 6 на действие однократной динамической нагрузки до разрушения. Начальный модуль деформаций бетона данного состава равен при данной скорости ЕЬ0 = 12920 МПа, относительные предельные продольные деформации - ЕЬш1 = 61 е.о.д.  10-5.

Таблица 5. Результаты испытаний образцов состава № 6 на действие однократной ди-_намической нагрузки до разрушения_

а, МПа а/ЯЬ е, е.о.д.  10-5 Де, е.о.д.  10-5 Е, МПа

0 0,00 0 - -

2,5 0,49 19,4 19,4 12,887

3,75 0,74 32,9 13,5 9,259

5,081 1,00 60,8 27,9 4,771

Таким образом, результаты испытаний показали перспективность использования добавки шунгитового наполнителя для повышения прочности и динамической устойчивости мелкозернистого бетона. Установлено, что при введении 5 % шунгитового наполнителя в состав МЗБ и максимальном содержании цемента и воды прочность бетона при сжатии через 3 суток твердения возрастает в 4,4 раза по сравнению с контрольным составом (без добавки ШН); через 28 суток - в 1,5 раза.

Мелкозернистый бетон (ПЦ = 300 г, Кв. п. = 1500 г, В/Ц = 0,5) с максимальном содержанием ШН (15 %) показал увеличение динамического начального модуля деформаций до 45 %, что имеет особенно важное значение при строительстве зданий и сооружений в районах с повышенной сейсмической активностью.

Литература

1. Вертушков, Г.Н., Авдонин В.Н. Таблицы для определения минералов по физическим и химическим свойствам [Текст] / Г.Н. Вертушков, В.Н. Авдонин.- М.: Недра, 1980.- 295 с.

2. Комохов, П.Г, Александров, Н.И. Наноструктурированный радиационностойкий бетон и его универсальность [Текст] / П.Г. Комохов, Н.И. Александров // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века.- 2008.- № 5.- С. 38-40.

3. Наномодифицированный мелкозернистый бетон [Текст] / Н.П. Лукутцова, Е.Г. Матвеева, А.А. Пыкин, О.А. Чудакова // Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов: материалы V Международной научно-технической конференции, г. Волгоград, 23-24 апреля 2009 г. Часть I.- Волгоград: ВолгГАСУ, 2009.- С. 166-170.

4. Цветков, К.А. Влияние динамического нагружения на прочностные и деформативные свойства бетона при одноосных и двухосных напряженных состояниях [Текст]: дис. ... канд. техн. наук / К.А. Цветков; МГСУ.- М., 2007.- 248 с.

Ключевые слова: нанотехнологии, модифицированный мелкозернистый бетон, шунгит, фулле-рены, динамическая и статическая нагрузки, призменная прочность, модуль упругости, продольные деформации

Key-words: nanotechnologies, modified fine-grained concrete, shungite, fullerens, dynamic and static loadings, prismatic durability, elasticity module, longitudinal deformations

Рецензент: Серпик Игорь Нафтольевич, докт. техн. наук, профессор Брянской государственной инженерно-технологической академии

e-mail авторов: Шаблинский Г.Э.: gshablin@gmail.com, Лукутцова Н.П.: natluk58@mail.ru, Пыкин А.А.: leshkin22@rambler.ru, Цветков К.А.: redboxic@inbox.ru