ДЕФОРМАЦИОННО-УПРОЧНЯЮЩИЙСЯ ЦЕМЕНТНЫЙ КОМПОЗИТ С ПОЛИПРОПИЛЕНОВЫМ ВОЛОКНОМ
DEFORMATION-HARDENING CEMENT COMPOSITE WITH POLYPROPYLENE FIBER

Изобретение относится к  составам дисперсно-армированных цементных композитов и может найти применение в строительстве при изготовлении или ремонте бетонных или железобетонных изделий  и конструкций.
2
Известен высокопрочный легкий фибробетон (патент RU № 2548303 опубл. 20.04.2015), полученный из смеси, содержащей, мас.%.: портландцемент 34,5-52,7, микрокремнезем со средним размером частиц 0,01-1 мкм 7,0-13,65, молотый кварцевый песок с удельной поверхностью 700-800 м/кг  1,5-11,9,  кварцевый песок фракции 0,16-0,63 мм 5,1-31,3, гиперпластификатор на поликарбоксилатной основе 0,3-0,48, полипропиленовое волокно 0,3-0,9,  наполнитель микросферы 4,3-19,2 и воду - остальное.
Недостатком состава является недостаточный предел прочности при сжатии, предел прочности при изгибе, низкие значения удельной работы разрушения, отсутствует деформационное упрочнение после образования первой микротрещины, недостаточная величина прогиба.
Известен цементный композит (патент RU № 2618819, опубл.  11.05.2017), полученный из смеси, содержащей, мас.%: портландцемент 32,26-35,77, микрокремнезем в уплотненном виде 0,81-3,17, доломитовая мука фракции до 0,1 мм 21,36-26,52, гранулированное пеностекло с размером фракций 0,1-4 мм 16,67-19,7, стекловолокно длиной 6 мм и диаметром до 14 микрон 0,20-0,30, фибра пропиленовая длиной 6 мм и диаметром до 18 микрон 1,21-2,03, пластификатор Synergy RC 160 Plv 0,08-0,12, формиат кальция 0,64-0,81, вода 18-20,6.
Недостатком состава является недостаточный предел прочности при сжатии, предел прочности при изгибе, низкие значения удельной работы разрушения, отсутствует деформационное упрочнение после образования первой микротрещины, недостаточная величина прогиба.
К
Известен фибробетон (патент RU № 2583965, опубл. 10.05.2016), получаемый из смеси, содержащей, мас.%.: портландцемент 19,00-22,00, микрокремнезем 1,50-2,50, пластификатор Stachement 2061/151.2   0,15-0,60 , полипропиленовое волокно длиной 18 мм и диаметром 20 мкм 0,02-0,15, песок крупный с модулем крупности М=2,5-3,0 в нефракционированном виде  65,00-75,00 и воду остальное.
Недостатком состава является недостаточный предел прочности при сжатии, предел прочности при изгибе, низкие значения удельной работы разрушения, отсутствует деформационное упрочнение после образования первой микротрещины, недостаточная величина прогиба.
Известен фибробетон (патент РФ №2502709, опубл. 27.12.2013), получаемый из смеси, содержащей, об.%.: портландцемент 10,0-22,0, гранулированное пеностекло с размером фракций 0,1-5 мм 40,0-70,0, микрокремнезем в уплотненном или неуплотненном виде 0,5-3,0, суперпластификатор поликарбоксилатный эфир Sika Viscocrete 105Р  0,1-0,3% от массы вяжущего, полипропиленовое волокно 0,5-4,0 г на 1 литр готовой смеси, вода остальное.
Недостатком состава этого бетона является недостаточный предел прочности при сжатии, предел прочности при изгибе, низкие значения удельной работы разрушения, отсутствует деформационное упрочнение после образования первой микротрещины, недостаточная величина прогиба.
Известен бетон (патент RU № 2247092, опуб. 27.02.2005), получаемый из смеси, содержащей, мас.%.: цемент 300-520 кг/куб.м, заполнитель 1590-2030 кг/куб.м, воду 105-200 кг/куб.м и добавку, содержащую следующие компоненты, мас.ч.: суперпластификатор С-3 0-40; пеногаситель-139-282 в количестве 0,02-0,06; Лигнопан с молекулярной массой 10-50  кДа 10-20; тиосульфат натрия и/или роданистый аммоний или натрий 40-55; углекислый натрий 1-2, а содержание добавки составляет 0,6-1,5 % от массы цемента.
Недостатком состава этого бетона является недостаточный предел прочности при сжатии, предел прочности при изгибе, низкие значения удельной работы разрушения, отсутствует деформационное упрочнение после образования первой микротрещины, недостаточная величина прогиба.
2
Известна бетонная смесь (патент RU № 2482086, опубл.  20.05.2013) принятая за прототип, содержащая, мас.%: портландцемент 30,83-33,94, песок речной с модулем крупности 1,9   55,5-56,00, тонкодисперсный молотый кварцевый песок  с содержанием диоксида кремния SiO более 94%, в котором содержание тонкодисперсных частиц со средним диаметром менее 3,9 мкм составляет более 50%  1,78-3,55, добавку  «Петролафс» 0,28-0,42 и воду остальное.
Недостатком состава является недостаточный предел прочности при сжатии, предел прочности при изгибе, низкие значения удельной работы разрушения, отсутствует деформационное упрочнение после образования первой микротрещины, недостаточная величина прогиба.
Техническим результатом является создание композита с повышенным пределом прочности при сжатии и изгибе, с повышенной удельной работой разрушения, с деформационным упрочнением после образования первой микротрещины, с повышенной величиной прогиба при обеспечении подвижной удобоукладываемости.
2
Технический результат достигается тем, что дополнительно содержит полипропиленовое волокно диаметром 20 мкм и длиной 6 мм, молотый кварцевый песок с содержанием диоксида кремния SiO более 94%, в котором микрочастиц размером менее 11 мкм более 96%, а в качестве заполнителя используют песок кварцевый фракции от 0,06 до 2 мм, а в качестве добавки используют пластификатор MC PowerFlow 7951(5), при следующем соотношении компонентов, об.%:
Портландцемент
43,60-45,90
тонкодисперсный молотый кварцевый песок
c микрочастицами размером менее 3,9 мкм более 50%
5,29-5,34
тонкодисперсный молотый кварцевый песок
с микрочастицами размером менее 11 мкм более 96%
5,28-5,33
кварцевый песок  фракции от 0,06 до 2 мм
5,45-5,53
пластификатор MC PowerFlow 7951(5)
3,3-3,4
полипропиленовое волокно
3,5-6,0
вода
остальное
Состав поясняется следующими фигурами:
фиг. 1 – график деформирования трех образцов цементного композита с расходом полипропиленовой микрофибры в количестве 4,4% по объему;
фиг. 2 – график деформирования трех образцов цементного композита с расходом полипропиленовой микрофибры в количестве 5,5% по объему.
Заявляемый состав цементного композита включает в себя следующие реагенты и товарные продукты, их содержащие:
- портландцемент ЦЕМ I 42,5Н (ГОСТ 31108-2016). Производство «Петербургцемент» холдинга «ЕВРОЦЕМЕНТ груп» от 43,60 до 45,90;
2
- кварцевый песок месторождения «Овсянкино» Лужского горно-обогатительного комбината фракции 0,06-2 мм с содержанием диоксида кремния SiO более 94%  соответствовал ГОСТ 8736-93 «Песок для строительных работ» от 5,45 до 5,53;
2
- тонкодисперсный молотый кварцевый песок с содержанием диоксида кремния SiO более 94%, в котором содержание микрочастиц размером менее 3,9 мкм составляет более 50%,  используют в составе смеси от 5,29 до 5,34;
2
- тонкодисперсный молотый кварцевый песок с содержанием диоксида кремния SiO более 94%, в котором содержание микрочастиц размером менее 11 мкм составляет более 96%,  используют в составе смеси от 5,28 до 5,33;
- пластификатор MC PowerFlow 7951(5) соответствовал ГОСТ 24211-2008 «Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия» от 3,3 до 3,4;
- полипропиленовое волокно по ТУ 5743-001-33181456-2006 «Добавка армирующая для бетонов (фибра полипропиленовая)» от 3,5 до 6,0;
- вода затворения – водопропроводная питьевая вода соответствовала ГОСТ 23732-2011 «Вода для бетонов и строительных растворов» остальное.
Бетонную смесь готовят следующим образом.  Отдозированную добавку вводят в отдозированную воду затворения, отдозированные сухие компоненты, кроме полипропиленового волокна помещают в лабораторный автоматический растворосмеситель для цементного раствора фирмы Tinius Olsen, где осуществляется перемешивание сухих компонентов, затем вводится вода, содержащая добавку, и осуществляется перемешивание всех компонентов в течение одной минуты, затем вводится полипропиленовое волокно и производится перемешивание в течение 4 минут.
Для исследования свойств композита, полученного с помощью заявляемого состава, были приготовлены составы с расплывом конуса от 130 до 186 мм.  Готовили образцы-балочки размером 4×4×16см для испытания на  прочность при изгибе и сжатии. Образцы твердели при t=20°С и 100% влажности воздуха и в возрасте 28 суток были испытаны на растяжение при изгибе и сжатие. Были также проведены испытания  состава, изготовленного в соответствии с прототипом.  Исследование по определению механических свойств выполнено с помощью сервогидравлической системы MTS 816. Оборудование позволяет проводить испытания образцов на сжатие и на трехточечный изгиб. Три образца были испытаны для каждого состава в возрасте 28 дней. Расчет удельной работы разрушения был рассчитан как отношение площади под кривой деформирования к объему образца. Деформационное упрочнение после образования первой микротрещины определялось как разница между прочностью, соответствующей разрушению образца и прочностью, соответствующей первой микротрещине.
Таблица 1 –  составы и свойства цементных композитов с молотым кварцевым песком c микрочастицами размером менее 3,9 мкм 100% и с молотым кварцевым песком c микрочастицами размером менее 11 мкм 100%
Состав
Прототип
1
2
3
4
5
ЦEM I 42.5
30.83
45,9
45,7
44,92
44,2
43,6
Тонкодисперсный молотый кварцевый песокc микрочастицами размером менее 3,9 мкм 100%
3,55
5,29
5,3
5,32
5,33
5,34
Тонкодисперсный молотый кварцевый песокc микрочастицами размером менее 11 мкм 100%
-
5,28
5,3
5,31
5,32
5,33
Кварцевый песок фракции 0,06-2 мм
-
5,51
5,49
5,47
5,45
5,53
Песок речной с модулем крупности 1,9
56,00
-
-
-
-
-
Суперпластификатор MC PowerFlow 7951(5)
-
3,4
3,4
3,3
3,3
3,4
Добавка Петролафс
0,42
-
-
-
-
-
Полипропиленовое волокно
-
3,5
4,0
4,4
5,5
6,0
Вода
9,2
31,12
30,81
31,28
30,9
30,8
Плотность в возрасте 28 суток, кг/м<sup>3</sup>
2421
2238
2184
2120
2070
2018
Предел прочности при сжатии, MПa
73,2
84,1
82,7
79,6
68,1
67,2
Предел прочности на растяжение при изгибе,  MПa(при первой микротрещине)
8,10
8,56
8,42
7,93
5,81
5,79
Удельная работа разрушения,Дж/м<sup>3</sup>
34,1
21226,3
21857,7
22200,4
23176,9
23978,3
Деформационное упрочнение после образования первой микротрещины, МПа
0
0
0
0
0,64
0,69
Величина прогиба, мм
0,002
1,13
1,14
1,15
1,17
1,18
Результаты Таблицы 1 показывают, что использование волокна в количестве 3,5-4% по объему способствует повышению предела прочности при изгибе. Дальнейшее увеличение расхода волокна с 4,4% до 6% по объему в цементных композитах привело к снижению предела прочности при изгибе. В случае использования полипропиленового волокна в большем количестве увеличивается площадь поверхности раздела между волокном и матрицей и, возможно, начинает оказывать преобладающее значение прочность контактной зоны между волокном и цементной матрицей. Зона деформационного упрочнения появляется на кривых всех заявляемых составов (фиг. 1, 2). Однако, эта зона в составах с 5.5% и 6% волокна представляет интерес, поскольку прочность при изгибе, соответствующая разрушению образца превышает предел прочности при изгибе соответствующий первой микротрещине.
Таблица 2 – составы и свойства цементных композитов с молотым кварцевым песком c микрочастицами размером менее 3,9 мкм 75% и с молотым кварцевым песком c микрочастицами размером менее 11 мкм 98%
Состав
Прототип
6
7
8
9
10
ЦEM I 42.5
30.83
45,9
45,7
44,92
44,2
43,6
Тонкодисперсный молотый кварцевый песокc микрочастицами размером менее 3,9 мкм 75%
3,55
5,29
5,3
5,32
5,33
5,34
Тонкодисперсный молотый кварцевый песокc микрочастицами размером менее 11 мкм 98%
-
5,28
5,3
5,31
5,32
5,33
Кварцевый песок фракции 0,06-2 мм
-
5,51
5,49
5,47
5,45
5,53
Песок речной с модулем крупности 1,9
56,00
-
-
-
-
-
Суперпластификатор MC PowerFlow 7951(5)
-
3,4
3,4
3,3
3,3
3,4
Добавка Петролафс
0,42
-
-
-
-
-
Полипропиленовое волокно
-
3,5
4,0
4,4
5,5
6,0
Вода
9,2
31,12
30,81
31,28
30,9
30,8
Плотность в возрасте 28 суток, кг/м<sup>3</sup>
2421
2236
2185
2124
2069
2014
Предел прочности при сжатии, MПa
73,2
83,9
82,6
79,3
68,4
67,3
Предел прочности на растяжение при изгибе,  MПa(при первой микротрещине)
8,10
8,51
8,32
7,82
5,87
5,85
Удельная работа разрушения,Дж/м<sup>3</sup>
34,1
21234,2
21832,9
22286,9
23221,7
23954,8
Деформационное упрочнение после образования первой микротрещины, МПа
0
0
0
0
0,65
0,68
Величина прогиба, мм
0,002
1,13
1,15
1,15
1,16
1,17
Таблица 3 – составы и свойства цементных композитов с молотым кварцевым песком c микрочастицами размером менее 3,9 мкм 50% и с молотым кварцевым песком c микрочастицами размером менее 11 мкм 96%
Состав
Прототип
11
12
13
14
15
ЦEM I 42.5
30.83
45,9
45,7
44,92
44,2
43,6
Тонкодисперсный молотый кварцевый песокc микрочастицами размером менее 3,9 мкм 50%
3,55
5,29
5,3
5,32
5,33
5,34
Тонкодисперсный молотый кварцевый песокc микрочастицами размером менее 11 мкм 96%
-
5,28
5,3
5,31
5,32
5,33
Кварцевый песок фракции 0,06-2 мм
-
5,51
5,49
5,47
5,45
5,53
Песок речной с модулем крупности 1,9
56,00
-
-
-
-
-
Суперпластификатор MC PowerFlow 7951(5)
-
3,4
3,4
3,3
3,3
3,4
Добавка Петролафс
0,42
-
-
-
-
-
Полипропиленовое волокно
-
3,5
4,0
4,4
5,5
6,0
Вода
9,2
31,12
30,81
31,28
30,9
30,8
Плотность в возрасте 28 суток, кг/м<sup>3</sup>
2421
2242
2169
2148
2077
2013
Предел прочности при сжатии, MПa
73,2
84,0
82,4
79,9
67,7
66,8
Предел прочности на растяжение при изгибе,  MПa(при первой микротрещине)
8,10
8,47
8,39
7,82
5,79
5,73
Удельная работа разрушения,Дж/м<sup>3</sup>
34,1
21312,1
21798,6
22311,1
23241,5
23964,2
Деформационное упрочнение после образования первой микротрещины, МПа
0
0
0
0
0,64
0,69
Величина прогиба, мм
0,002
1,14
1,15
1,15
1,17
1,16
Анализ данных, представленных в Таблицах 1-3, показывает, что мелкозернистый дисперсно-армированный бетон, получаемый из бетонной смеси согласно данному изобретению, по сравнению с прототипом имеет повышение прочности на растяжение при изгибе в возрасте 28 суток на  5,6% при расходе волокна от 3,5 до 4% по объему, повышение удельной работы разрушения при изгибе в пределах от 622 до 703 раз, деформационное упрочнение после образования первой микротрещины в пределах от 0,64 до 0,69 МПа, повышение величины прогиба в пределах от 565 до 585 раз.