Высокопрочный самоуплотняющийся бетон с использованием щебня фракции 5 - 10

Вісник ПДАБА

/ А. В. Радкевич. - Дніпропетровськ, 2006. - 35 с.

14. Савйовський В. В. Методологічні принципи організаційно-технологічного проектування реконструкції цивільних будівель : автореф. дис. на здобуття наук. ступ. докт. техн. наук : спец. 05.23.08 «Технологія та організація промислового та цивільного будівництва» / В. В. Савйовський - Харків, 2010. - 44 с.

15. Современное высотное строительство : монография / [Айрапетов А. Б., Абрамов А. М., Айрумян Э. Л. и др.]; под ред. Н. М. Щукиной. - М. : ГУП «ИТЦ Москомархитектуры», 2007. -440 с.

16. Тугай О. А. Система адаптації організації будівництва до євростандартів: автореф. дис. на здобуття наук. ступ. докт. техн. наук: спец. 05.23.08 «Технологія та організація промислового та цивільного будівництва» / О. А. Тугай. - Харків, 2008. - 33 с.

17. Шаленный В. Т. Организационно-технологические основы формирования энергосбережения на определяющих этапах жизненного цикла гражданских зданий : дисс. ... докт. техн. наук : 05.23.08 / Шаленный Василий Тимофеевич. - Днепропетровск, 2004. - 406 с.

18. Шутенко Л. Н. Технологические основы формирования и оптимизации жизненного цикла городского жилого фонда : дисс. ... докт. техн. наук : 05.23.08 / Шутенко Леонид Николаевич. - Харьков, 2002. - 550 с.

УДК 691.545 / 691.328

ВЫСОКОПРОЧНЫЙ САМОУПЛОТНЯЮЩИЙСЯ БЕТОН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

ЩЕБНЯ ФРАКЦИИ 5 - 10

А. П. Приходько, д. т. н., проф., Н. В. Шпиръко, д. т. н., проф.,

Т. В. Улъченко*, к. т. н., доц., Ю. Г. Берегий, асп., Д. Н. Шпиръко, инж.

* Днепропетровский государственный университет железнодорожного транспорта

им. академика В. Лазаряна

Ключевые слова: высокопрочный бетон, самоуплотняющийся бетон, микрокремнезем, активные добавки для бетона, рентгенофазовый анализ, электронная микроскопия

Введение. В настоящее время за рубежом и в Украине широко ведется разработка высококачественных самоуплотняющихся реакционно-порошковых и т. д. бетонов и их внедрению в производство строительных изделий и конструкций. Несмотря на большое содержание в таких бетонах цемента и реакционно-способных микронаполнителей, конструкции из них требуют меньшего расхода материалов и характеризуются высокой прочностью, трещиностойкостью, износостойкостью и морозостойкостью. Конструкции из таких бетонов применяются для ответственных и уникальных сооружений. Изготовление приведенных бетонов и конструкций из них требует высокой производственной культуры и чистых заполнителей. Такие бетоны могут изготавливаться как без крупного заполнителя, так и с ним. В качестве крупного заполнителя применяется щебень фракции 3 - 12 мм, а в качестве мелкого заполнителя - песок с размером частиц до 0,5 - 0,6 мм, при этом для обеспечения текучести содержание в них песка и щебня в сумме значительно меньше, чем в традиционных бетонах, и составляет 1 200 - 1 300 кг/м3, а цемента и реакционно способных микронаполнителей вместе 1 000 - 1 100 кг/м3.

Анализ публикаций. Вопросами применения высокодисперсных реакционно-активных наполнителей с целью улучшения физико-химических показателей бетонов занимались ряд авторов, в том числе Е. В. Сахошко, Н. М. Зайченко показали, что, применяя пуццоланизирующие добавки совместно с высокоэффективными пластификаторами нового поколения, можно получить высокоэффективные высокопрочные бетоны [1]. О влиянии аморфизованного микрокремнезема на формирование микропористой уплотненной структуры цементного камня посвящены работы Р. Фельдмана [2; 3], где показано, что при введении в состав бетона микрокремнезема происходит сдвиг радиуса пор в область 50 - 100 х 10 - 10 м. В работе [4] подтверждается влияние пуццолановых заполнителей на структурообразование цементного камня. Утверждается, что пористость в раннем возрасте у таких смесей выше, чем у смесей на обычном портландцементе, но с возрастом пористость уменьшается с тенденцией образования микропористой структуры за счет реакции пуццоланового наполнителя с продуктами гидратации цемента. Снижение проницаемости цементного камня свидетельствует о том, что увеличивается количество замкнутых пор. Делается вывод, что можно управлять

8

№ 11 листопад 2012

процессом порообразования путем введения микронаполнителей. Вопросом определения плотности упаковки зерен заполнителей занимался исследователь I. Markovic, в своей работе [5] он показал модель сжимаемой упаковки, которая достаточно достоверным образом описывает процесс упаковки заполнителей с разным размером зерен.

В течение последних десятилетий микрокремнезем занял уверенное место в качестве высокотехнологичной добавки, которая использовалась в ряде крупных проектов, таких как мост Цин Ма в Гонконге, Саут-Уокер-драйв, 311, в Чикаго, мост Сторебелт в Дании [6].

Цель статьи. Путем проведения комплекса физико-механических исследований получить эффективный состав для высокопрочного самоуплотняющегося бетона, пригодного для использования в качестве верхнего слоя двухслойных бетонных полов.

Материалы и методы. При разработке бетонных смесей для высокопрочного бетона нами применялся мытый щебень фракции 5 - 10 Любимовского карьера с плотностью зерен 2,67 г/см3 и днепровский речной песок с модулем крупности 1,45 и плотностью зерен 2,62 г/см3. Структура самоуплотняющейся смеси и бетона из нее, как правило, «плавающая», т. е. с определенной прослойкой связки из цемента и микронаполнителей между зернами песка и щебня. В качестве микронаполнителей для этих бетонных смесей, в основном, применяется микрокремнезем и мука из молотых горных пород. Так как затраты на помол значительны, то при разработке самоуплотняющейся бетонной смеси для высокопрочного бетона из ее состава нами была исключена мука из горных пород и использован только микрокремнезем, являющийся побочным продуктом Стахановского завода ферросплавов.

Для получения высокой однородности структуры и прочности бетонов необходима плотная упаковка зернового состава заполнителей, поэтому нами вначале определялась наиболее плотная упаковка щебня и песка. Для выявления зависимости плотности упаковки щебня и песка проводили исследование влияния доли песка на плотность смеси заполнителей. Для этого варьировали содержание песка от 0 до 100 % в смеси и щебня от 100 до 0 %. Щебень с песком смешивались в определенных количествах и смесь помещалась в стальной цилиндр диаметром 124 мм, высотой 120 мм, а затем проводилось виброуплотнение с пригрузом. Масса пригруза составляла 3 - 5 кг, время виброуплотнения - 60 секунд.

Удобоукладываемость и прочность высокопрочных бетонов достигается за счет применения цемента, микрокремнезема, суперпластификатора и воды. Для приготовления бетонной смеси использовался портландцемент ПЦ I 500 Балаклеевского цементного завода с активностью 330 кг/м3. В качестве суперпластификатора - Sika 20 НЕ. Для определения оптимального состава бетонной смеси применялось планирование эксперимента на симплексе. Варьировали расход цемента, смешанного заполнителя при отношении щебень / песок = 1,5 и микрокремнезема при постоянном расходе воды 190 л и суперпластификатора 12 кг. Цемент варьировался в пределах 600 - 800 кг, микрокремнезем от 0 до 200 кг, смешанный заполнитель 1 437 - 1 637 кг/м3.

Результаты и их обсуждение. Проведенные исследования по определению плотности упаковки зерен песка показали, что масса пригруза и время виброуплотнения не оказывают влияния на характер зависимости плотности упаковки смеси заполнителей от количества песка. При этом плотность упаковки повышается с увеличением пригруза и наибольшая плотность упаковки достигается при 40 % содержании песка (рис. 1).

Плотность упаковки

1,000

0,900

0,800 •С 4

0,700

0,600

^ 0,5 00

0,400

0,300 X

0,200

0,100 0,000

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00

Доля песка

Рис. 1. Диаграмма плотности упаковки

9

Вісник ПДАБА

По результатам эксперимента по определению оптимального состава бетонной смеси была получена математическая модель, описанная полиномом третьей степени,

У = в1Х1 + Pi Х2 + в3 Х3 + в,2 Х,Х2 + в,3 Х,Х3 + в23 Х2 Х3 + в,23 Х,Х2 Х3>

в, = 7,в = Чв = Y3;

где:

в12 = 4Y,2 - 27, - 2Y2;Pi3 = 4Y,3 - 27, - 2/3^3 = 47^ - 2^ - 2/3;

в,23 = 277,23 -12(7,2 + Y,3 + /23) + 3(7, + 7, + /3),

которая адекватно отображает экспериментальные результаты.

По математической модели построена диаграмма «Состав бетонной смеси - прочность», приведенная на рисунке 2.

Наибольшая прочность бетона, более 90,63 МПа, достигается при содержании смешанного заполнителя 1 435 кг, цемента 600 кг/м3 и микрокремнезема 150 кг. Таким образом, при использовании цемента активностью 330 кг прочность бетона по сравнению с прочностью цемента была повышена в 2,74 раза, что достигнуто за счет применения смешанного вяжущего и суперпластифицирующей добавки.

Данная бетонная смесь соответствовала подвижности S5 по осадке конуса, F4 по расплыву конуса, а бетон из нее соответствовал классу прочности С70/85 (ДСТУ БВ.2.7-!76:2008).

Рис. 2. Состав бетонной смеси - прочность

Анализ диаграммы «состав - прочность» показывает, что с увеличением содержания цемента и микрокремнезема, а также в результате действия суперпластифицирующей добавки прочность бетона увеличивается. Для объяснения данного явления нами было проведено исследование фазового состава вяжущего рентгенофазовым, термическим и электронномикроскопическим анализами. Для проведения рентгенофазового и термического анализов образцы бетона раскалывались и производилось отделение вяжущего от заполнителей путем соскабливания с последующим растиранием в порошок. Для проведения электронномикроскопического исследования образцы бетона раскалывались на мелкие кусочки, которые подвергались электронномикроскопическому исследованию.

Дифрактограмма вяжущего из цемента представлена на рисунке 3, а дифрактограмма смешанного вяжущего с микорокремнеземом оптимального состава - на рисунке 4.

І0

№ 11 листопад 2012

Рис. 3. Рентгеновская дифрактограмма цементного камня оптимального состава из цемента ПЦ1500 и воды

Рис. 4. Рентгеновская дифрактограмма цементного камня оптимального состава из цемента ПЦ1500, микрокремнезема и воды

Термограммы цементного камня из цемента и воды представлены на рисунке 5, а цементного камня оптимального состава из цемента, микрокремнезема и воды - на рисунке 6.

Рентгенофазовым анализом выявлено, что, как в бетоне с цементным камнем только из цемента, так и в бетоне с цементным камнем из цемента и микрокремнезема присутствует C - S - H - I (d = 1,262 нм, 0,303 нм, 0,307 нм, 0,2788 нм, 1,81 нм). Из большей интенсивности относительного максимума с d = 1,262 (являющегося характерным для C - S - H-I) у вяжущего, содержащего микрокремнезем, следует, что в цементном камне, включающем цемент и микрокремнезем, содержится больше C - S - H - I.

тlOOG/Ій ДТА-500 ТВ - 2 СЮ шкйа -0j6W

т 1000/10 потеря массы

ДТА -100 42/1 мг - 0%

TG -200

Рис. 5. Термограммы цементного камня из цемента и воды

Рис. 6. Термограммы цементного камня оптимального состава из цемента, микрокремнезема и воды

В цементом камне как из цемента, так и из смешанного вяжущего, присутствует Ca(OH)2 (d = 0,493 нм, 0,263 нм, 0,193 нм). Исходя из интенсивности дифракционных максимумов (d = 0,263 нм), в цементом камне, содержащем микрокремнезем, Ca(OH)2 присутствует в меньшем количестве. В цементом камне также присутствует CaCO3 (d = 0,303 нм, 0,208 нм, 0,191 нм). Однако из-за накладывающихся дифракционных максимумов с d = 0,303 нм, принадлежащих как 3CaO SiО2, так и CaCO3, оценить их содержание в цементном камне бетона невозможно. Поэтому содержание CaCО3 определяли по термогравиметрической кривой.

11

Вісник ПДАБА

В цементом камне также содержится трехкальциевый силикат (d = 0,303 нм, 0,278 нм, 0,218 нм, 0,187 нм, 0,175 нм) и двукальциевый силикат (d = 0,278 нм, 0,274 нм, 0,261 нм, 0,218 нм). В камне из смешанного вяжущего не содержится C3S, а остаток C2S меньше, что определено по более интенсивному максимуму (d = 0,274 нм) в цементном камне, не содержащем микрокремнезем. На рентгенограммах цементного камня, приведенных на рисунках 3 и 4, присутствуют дифракционные максимумы, принадлежащие кварцу SiO2. Это связано с тем, что при подготовке образцов вяжущих в них попали частицы песка.

По приведенным на рисунках 5 и 6 термограммам цементного камня, не содержащего и содержащего микрокремнезем, определено, что как в камне, содержащем микрокремнезем, так и без него присутствуют:

- гель гидросиликатов кальция, определенный по эндоэффекту при 110 и 120°С и потере массы в интервале 100 - 200°С;

- Ca(OH)2, определенный на кривых DTA по эндоэффекту при температуре 500°С и потере массы в интервале 490 - 550°С;

- CaCO3, определенный по эндоэффектам при температурах 780 и 800°С и потере массы в интервале 780 - 890°С.

В результате обработки термогравиметрических кривых определено, что в цементном камне, не содержащем микрокремнезем, присутствует 10 % Ca(OH)2, а в цементном камне, содержащем цемент и микрокремнезем, содержится 6 % Ca(OH)2. В цементном камне, содержащем микрокремнезем, присутствует меньшее количество CaCO3, чем в цементном камне, не содержащем микрокремнезем, что приводит к меньшей усадке.

Микроструктура цементного камня из смешанного вяжущего приведена на рисунках 7, 8.

Рис. 7. Мезоструктура бетона, длина масштабной полоски 1 мм

На рисунке 7 видно, что мезоструктура бетона представлена зернами песка, непрореагировавшего цемента, гидросиликатами кальция и имеет трещины, образовавшиеся в результате микропластической усадки шириной 1,5 мкм. На рисунке 8 приведена микроструктура цементного камня, представленная гидросиликатами кальция.

Несмотря на то, что цементный камень имеет трещиноватую микроструктуру, достигнута повышенная прочность бетона. С целью повышения трещиностойкости цементного камня следует ввести в бетонную смесь стальную микрофибру.

12

№ 11 листопад 2012

WD=10.1mm

20.00kV xS.OOk 5um

Рис. 8. Микроструктура цементного камня, длина масштабной полоски 5 мкм

Выводы. Таким образом, в результате проведенных исследований разработан высокопрочный самоуплотняющийся бетон, содержащий крупный заполнитель фракции 5 - 10, который может быть применен в качестве верхнего слоя двухслойных бетонных полов.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Сахошко Е. В., Зайченко Н. М. Самоуплотняющийся бетон в современном монолитном домостроении // Вісник Донбас. держ. акад. будівниц. і архітект.: Сучасні будівельні матеріали.

- Макіївка, 2009. - Вип. 1 (75). - C. 112 - 116.

2. Feldman R. F. Influence of Condensed Silica Fume and Sand/Cement Ratio on Pore Structure and Frost Resistance of Portland Cement Mortar / reprinted from «Fly Ash, Silica Fume, Slag, and Natural Pouolans in Concrete» Proceedings Second International Conference Madrid, Spain, 1986, ACI, SP - 91 - 47.- Vol. 2. - P. 973 - 989 (IRC Paper No. 1397).

3. Feldman R. F. Pore Structure, Permeability and Diffusivity as Related to Durability / 8th International Congress on the Chemistry of Cement, Rio de Janeiro, Brazil, September 22 - 27, 1986.

- Р. 1 - 21.

4. Guang Ye, Klaas van Breugel. Simulation of connectivity of capillary porosity in hardening cement-based systems made of blended materials / HERON, 2009. - Vol. 54. - № 2/3. - P. 163 - 184.

5. I. Markovic. High-Performance Hybrid-Fiber Concrete - Development and Utilisation. DUP Science. The Netherlands. 2006. ISBN 90 - 407 - 2621 - 3

6. Coppola L., Cerulli T., Troli R. and Collepardi M. «The Influence of Raw Materials on Performance of Reactive Powder Concrete», International Conference on High-Performance Concrete, and Performance and Quality of Concrete Structures, Florianopolis, 1996. - P. 502 - 513.

УДК 539.3

ВАРИАНТ ГЕОМЕТРИЧЕСКИ НЕЛИНЕЙНОЙ ИТЕРАЦИОННОЙ ТЕОРИИ СЛОИСТЫХ ПОЛОГИХ ОБОЛОЧЕК

А. В. Плеханов, д. т. н., проф.

Ключевые слова: пологая оболочка, итерационная теория, уравнения

Анализ исследований. Цель работы. В работе [1], используя для реализации вариационного уравнения Рейсснера метод варьирования по определяемому состоянию, получили двумерные уравнения итерационной теории слоистых пологих оболочек. Как показали исследования [3], сходимость решений на основе этих уравнений ухудшается при

13