Влияние циклов замораживания-оттаивания на прочностные характеристики мелкозернистого бетона дисперсно-армированного базальтовой фиброй

УДК 691.322.7

К.Н. Алексеев, А.С. Курилко

влияние циклов замораживания-оттаивания на прочностные характеристики мелкозернистого бетона дисперсно-армированного базальтовой фиброй

Аннотация. Приведены некоторые результаты исследований по определению влияния базальтовой фибры длиной 6 мм и диаметром 23 мкм на прочность мелкозернистого бетона (цементно-песчаной матрицы) при изгибе и сжатии, в том числе после знакопеременных температурных воздействий. Установлено, что наибольшее увеличение прочности мелкозернистого бетона при изгибе на 31^36% наблюдается при содержании фибры в количестве 4^-6% от массы сухих компонентов смеси (цемент + песок). Существенного прироста предела прочности при сжатии — не наблюдается, кроме того, при содержании фибры в количестве 6% происходит снижение прочности на 16% от образцов исходной (неармированной) серии. Воздействие 5 циклов замораживания-оттаивания по третьему ускоренному методу (температура замораживания минус 50±5 °С, ГОСТ 10060.2-95) привело к снижению прочности при изгибе образцов неармированной серии на 73% от исходной, в то время как прочность образцов содержащих фибру в количестве 2 и 4% снизилась на 40 и 35% соответственно. При испытаниях на сжатие воздействие 5 циклов замораживания-оттаивания привело к снижению прочности образцов контрольной неармированной серии на 47%, в то время как, снижение прочности у образцов содержащих фибру в количестве 2% составило 5% от контрольной, что в соответствии с ГОСТ 10060.0-95 соответствует марке морозостойкости F200. Полученные результаты свидетельствуют, что дисперсное армирование мелкозернистого бетона базальтовой фиброй способно увеличить его морозостойкость, сопротивляемость нагрузкам при изгибе и сжатии и тем самым расширить область его применения.

Ключевые слова: фибра, базальтовое волокно, мелкозернистый бетон, фибробетон, композит, предел прочности при изгибе и сжатии, морозостойкость.

DOI: 10.25018/0236-1493-2018-11-0-56-62

Введение

Одним из перспективных способов повышения удельной прочности строительных материалов на цементном вяжущем является введение в их состав различных армирующих волокнистых наполнителей (фибры) и получения на этой основе дисперсно-армированного композиционного материала обладающего повышенными физико-механическими характеристиками, такими как

прочность при изгибе и растяжении, истираемость и др. [1—10].

Номенклатура применяемых волокон весьма обширна [8—10], однако стоимость армирующих материалов и объемы их производства также имеют немаловажное значение. Сравнительно доступными для применения в массовом строительстве являются такие типы волокон как стальное, базальтовое, полипропиленовое и др. [1—4]. Используе-

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2018. № 11. С. 56-62. © К.Н. Алексеев, А.С. Курилко. 2018.

мые волокна должны отвечать ряду требований: обладать высокой прочностью, химической стойкостью к воздействиям агрессивной среды, способностью равномерно распределятся в объеме цементного теста или бетона. В этой связи, заслуживает внимание базальтовая фибра в качестве наполнителя (армирующи-ей фазы) бетонных конструкций.

Практика эксплуатации различных бетонных конструкций в условиях климата Севера свидетельствует, что они испытывают многократное воздействие циклов замораживания-оттаивания, что приводит к снижению их прочности вплоть до саморазрушения [11].

Проведенными в ИГДС СО РАН исследованиями установлено, что применение базальтовой фибры в качестве дисперсной армирующей фазы мелкозернистого бетона способно повысить его сопротивляемость динамическим (ударным) нагрузкам до 2^2,2 раз. Кроме того, в некоторых случаях энергоемкость разрушения фибро-армированных образцов бетона после воздействия знакопеременных температур превосходит энергозатраты на разрушение образцов контрольной неармированной серии не подвергавшейся циклам замораживания-оттаивания [12].

В статье приведены исследования влияния циклов замораживания-оттаивания на пределы прочности мелкозернистого бетона в зависимости от содержания базальтового волокна. Таблица 1

Расход компонентов смеси «Цемент/Песок" = 1/1

Описание используемых

материалов

Для изготовления образцов были использованы следующие материалы:

• цемент М400 производства ОАО ПО «Якутцемент», насыпная плотность 1194 кг/м3, истинная плотность 3121 кг/м3;

• песок речной, карьер «Пригородный» (г. Якутск), сод. ГИП = 0,39%, насыпная плотность 1417,9 кг/м3, Мк = = 1,2;

• фибра базальтовая марки ВС23-6-61 (длина 6 мм, 023 мкм) производства ООО «ТД «Русский базальт.

Методика проведения испытаний,

проведение опытов

Изготовление образцов и исследование их прочностных характеристик при изгибе и сжатии проводилось в соответствии с нормативными документами ГОСТ 10180-90, ГОСТ 310.4-81, ГОСТ 53231-2008.

Предел прочности при изгибе определялся на образцах балочках размерами 40x40x160 мм, на половинках образцов балочек определялся предел прочности при сжатии.

Содержание базальтового волокна в смеси варьировалось от 1 до 6% от массы сухих компонентов смеси (табл. 1), водо-цементное отношение составляло 0,5.

Смешивание компонентов смеси производилось при помощи миксера.

Готовая смесь укладывалась в формы 3ФБ-40 и уплотнялась на виброплощад-

Содержание базальтового волокна,% Расход компонентов, кг/м3

цемент песок вода БВ

0 792,1 940,3 396 0

1 17,3

2 34,6

4 69,3

6 103,9

Таблица 2

Влияние базальтовой фибры на физико-технические характеристики мелкозернистого бетона

Influence of basalt fiber on the physical and technical characteristics of fine-grained concrete

Содержание базальтового волокна,% Плотность G изг G сж

кг/м3 % МПа % V *, % m ' МПа % V , % m'

0 2131 100 6,7 100 6,5 33,8 100 8,0

1 2124 100 7,3 109 10,4 35,4 105 14,0

2 2148 101 6,7 100 3,6 33,2 98 10,9

4 2172 102 8,8 131 6,7 37,5 111 8,7

6 2177 102 9,1 136 3,2 28,5 84 5,2

Vm* - коэффициент вариации ГОСТ 53231-2008.

ке СМЖ-539. Образцы выстаивались в условиях 100% влажности, г = 20±1 °С и испытывались на установке «UTS-250» в возрасте 28 суток, при комнатной температуре. Результаты проведенных испытаний представлены в табл. 2 и на рис. 1, 2.

Как видно из данных табл. 2 и диаграмм представленных на рис. 1 наибольшее увеличение прочности мелкозернистого бетона при изгибе на 31-36% наблюдается при содержании фибры в количестве 4-6%. Необходимо отметить, что содержание фибры в матрице исследуемых образцов бетона практически не оказывает влияние на их плотность (табл. 2).

Предел прочности при сжатии образцов с содержанием фибры 4% возрос на 11% (табл. 2). При содержании фибры в количестве 6% происходит снижение прочности исследуемых образцов бетона на 16% от исходной неармиро-ванной, что свидетельствует по нашему мнению, о достижении предельной концентрации фибры в матрице мелкозернистого бетона для применяемого метода смешения компонентов.

В связи с вышеописанным, испытаниям на морозостойкость подвергались образцы мелкозернистого бетона содержащего фибру в количестве 0, 2 и 4%. По достижении 28 суток твердения, основные и контрольные образцы

140 120 100 80 | 60 40 20 О

1 1 Юи IVrr

100 LUy У j 100

1 1

1 i зг — 1, %

1 n

У -2-1 ~2l 4 -2-, Ш 3 —

0 12 4 6

Рис. 1. Относительные изменения предела прочности при изгибе мелкозернистого бетона в зависимости от содержания базальтового волокна

Fig. 1. Relative changes in the ultimate strength in the bending of fine-grained concrete, depending on the content of basalt fiber

Таблица 3

Влияние циклического замораживания-оттаивания на пределы прочности мелкозернистого бетона в зависимости от содержания базальтового волокна Effect of cyclic freeze-thawing on the strength limits of fine-grained concrete depending on the content of basalt fiber

Количество циклов замораживания-оттаивания Содержание базальтового волокна,% G изг G сж

МПа % V , % ПГ МПа % V , % ПГ

0 0 8,4 100 6,3 31,7 100,0 19,9

2 8,9 106 12,8 36,7 115,6 15,1

4 9,2 110 4,1 30,8 97,1 20,4

5 0 2,2 27 8,4 16,7 52,8 18,8

2 5,0 60 13,3 30,1 95,0 9,9

4 5,4 65 19,9 24,3 76,5 24,5

12 0 0,3 4 33,8 6,4 20,2 35,3

2 2,5 29 13,3 16,4 51,6 13,1

4 2,1 25 14,8 17,6 55,4 22,7

насыщались 5% раствором хлористого натрия в течение 2 суток, а затем подвергались 0, 5 и 12 циклам замораживания-оттаивания в соответствии с ГОСТ 10060.0-95 и 10060.2-95, по третьему ускоренному методу (температура замораживания минус 50±5 °С). Результаты проведенных исследований представлены в табл. 3 и на рис. 2, 3.

Как видно из диаграмм представленных на рис. 2 образцы дисперсно-

армированных серий обладают более высокой сопротивляемостью изгибающим нагрузкам, в том числе после воздействия знакопеременных температур. Воздействие 5 циклов замораживания-оттаивания привело к снижению прочности при изгибе образцов неармирован-ной серии на 73% от исходной, в то время как прочность образцов содержащих фибру в количестве 2 и 4% снизилась на 40 и 35% соответственно. Воздействие

Количество циклов замораживания оттаивания

Рис. 2. Влияния циклов замораживания-оттаивания на предел прочности при изгибе мелкозернистого бетона, в зависимости от содержания базальтового волокна

Fig. 2. Effects of freeze-thaw cycles on the ultimate strength of bending fine-grained concrete, depending on the content of basalt fiber

а)

б)

Рис. 3. Состояние образцов мелкозернистого бетона после 12 циклов замораживания-оттаивания: 0% — неармированная серия

12 циклов привело к появлению отколов, а также снижению прочности образцов неармированной серии на 96% (рис. 3).

Из данных табл. 4 и рис. 3 видно, что воздействие 5 циклов замораживания-оттаивания приводит к снижению прочности на сжатие образцов контрольной неармированной серии в 2 раза. В то же время, воздействие 5 циклов на образцы содержащие фибру в количестве 2% приводит к снижению их прочности только на 5% от контрольной (неармированной) серии, что в соответствии с ГОСТ 10060.0-95 соответствует марке морозостойкости F200.

Заключение

Результаты исследований свидетельствуют, что дисперсное армирование мелкозернистого бетона базальтовой фиброй способно увеличить его сопротивляемость нагрузкам при изгибе и сжатии, в том числе после знакопеременных температурный воздействий и тем самым расширить область его применения. По нашему мнению, базальтовая фибра может быть рекомендована в качестве дисперсной армирующей добавки в мелкозернистый бетон при строительстве различных сооружений и бетонных конструкций в условиях Севера и рудников криолитозоны.

О 5 12

Количество циклов замораживания оттаивания

Рис. 4. Влияния циклов замораживания-оттаивания на предел прочности при сжатии мелкозернистого бетона, в зависимости от содержания базальтового волокна

Fig. 4. Effects of freeze-thaw cycles on the compressive strength of fine-grained concrete, depending on the content of basalt fiber

список ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алексеев К. Н., Курилко А. С. Перспективы применения легкого теплозащитного фиб-роармированного токрет-бетона // Горный информационно-аналитический бюллетень. —

2017. — СВ 24. — С. 254—263.

2. Боровских И. В., Морозов Н. М., Галеев А. Ф. Влияние базальтовой фибры на долговечность бетона / Инновационное развитие современной науки. Материалы международной научно-практической конференции. — Уфа: Изд-во ООО «Омега Сайнс», 2015. — С. 25—27.

3. Afroughsabet V., Ozbakkaloglu T. Mechanical and durability properties of high-strength concrete containing steel and polypropylene fibers / Construction and Building Materials, 2015, Vol. 94, pp. 73—82.

4. Boulekbache B., Hamrat M., Chemrouk M., Amziane S. Flexural behaviour of steel fibre-reinforced concrete under cyclic loading / Construction and Building Materials, 2016, Vol. 126, pp. 253—262.

5. Алексеев К. Н., Курилко А. С., Захаров Е. В. Влияние базальтового волокна (фибры) на вязкость и энергоемкость разрушения мелкозернистого бетона // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2017. — № 12. — С. 56—63.

6. Cory H., Hatem M. Seliem, Adel El-Safty, Sami H. Rizkalla Use of basalt fibers for concrete structures / Construction and Building Materials, 2015, Vol. 96, pp. 37—46.

7. Соловьев В. Г., Бамматов А.А., Кухарь И.Д., Нуртдинов М. Р. Эффективность взаимодействия различных видов фибры с бетонной матрицей // Наука и бизнес: пути развития. —

2018. — № 5. — С. 57—61.

8. Saber F., Mahdi N. Mechanical properties and durability of high-strength concrete containing macro-polymeric and polypropylene fibers with nano-silica and silica fume / Construction and Building Materials, 2017, Vol. 132, pp. 170—187.

9. Ахмед А. А. А., Лесовик Р. В., Сопин Д. М. Фибробетон с углеродным волокном на сырьевых ресурсах республики Ирак // Вестник ОСН РААСН. — 2014. — № 13. — С. 63—66.

10. Козлов С.Д., Матюхина М.А., Абрамов Н. М., Захарченко О. В. Стеклофибробетон / Инновационное подходы в современной науке. Материалы I международной научно-практической конференции. — М.: Изд-во ООО «Интернаука», 2017. С. 9—13.

11. Добшиц Л. М. Физико-математическая модель разрушения бетонов при попеременном замораживании и оттаивании // Жилищное строительство. — 2017. — № 12. — С. 30—36.

12. Курилко А. С., Алексеев К. Н., Захаров Е. В., Свинобоев А. К. Исследование удельной энергоемкости разрушения и ударной вязкости армированного базальтовой фиброй бетона при отрицательных температурах и после воздействия циклов замораживания-оттаивания: отчет о НИР по проекту РФФИ №15-45-05101 «р_восток_а» (закл. отчет). ФГБУН Ин-т горн. дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН. — Якутск, 2018. — 31 с. li^re

коротко ОБ АВТОРАХ

Алексеев Константин Николачевич1 — младший научный сотрудник, e-mail: const1711@mail.ru,

Курилко Александр Сардокович1 — доктор технических наук,

зав. лабораторией, заместитель директора ИГДС СО РАН, e-mail: a.s.kurilko@igds.ysn.ru, 1 Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения РАН.

ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2018. No. 11, pp. 56-62.

Effect of freezing—thawing cycles on strength characteristics of fine-grained dispersely reinforced concrete with basalt fiber

Alekseev K.N.1, Junior Researcher, e-mail: const1711@mail.ru, Kurilko A.S.1, Doctor of Technical Sciences, Head of Laboratory, Deputy Director, e-mail: a.s.kurilko@igds.ysn.ru,

1 Chersky Mining Institute of the North, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 677980, Yakutsk, Republic of Sakha (Yakutia), Russia.

Abstract. The article presents some research findings on the effect of basalt fiber 6 mm in length with a diameter of 23 |im on strength of fine-grained concrete (cement-and-sand matrix) under bending, compression and alternating thermal forces. It is found that the maximum increase in the bending strength of concrete by 31-36% is reached at the fiber content of 4-6% of dry mixture weight (cement+sand). There is no considerable increment in the compressive strength; moreover, at the fiber content of 6%, the compressive strength decreases by 16% as compared with the initial (non-reinforced) specimens. Exposure to 5 accelerated freezing-thawing cycles (freezing temperature 50±5°C, State Standard GOST 10060.2-95) resulted in the reduction in the bending strength of non-reinforced specimens by 73% as against the untreated specimens whereas the strength of the specimens with the fiber content of 2 and 4% lowered by 40 and 35%, respectively. In the compression testing, 5 freezing-thawing cycles decreased the strength of the check non-reinforced specimens by 47% while the decrease in the strength of the reinforced specimens with the fiber content of 2% made 5% as against the check specimens, which corresponded to the freeze resistance grade F200 in compliance with GOST 10060.2-95. The obtained results prove that disperse reinforcement of fine-grained concrete with basalt fiber can increase freezing resistance of concrete and its resilience under bending and compression, which expands application field of concrete.

Key words: fiber, basalt fiber, fine-grained concrete, fiber-reinforced concrete, composite, bending and compression strength, freeze resistance.

DOI: 10.25018/0236-1493-2018-11-0-56-62

REFERENCES

1. Alekseev K. N., Kurilko A. S. Perspektivy primeneniya legkogo teplozashchitnogo fibroarmirovan-nogo tokret-betona [Application prospects for light heat-protective fiber-reinforced shotcrete]. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. Special edition 24, pp. 254—263. [In Russ].

2. Borovskikh I. V., Morozov N. M., Galeev A. F. Vliyanie bazal'tovoy fibry na dolgovechnost' betona [Effect of basalt fiber on endurance of concrete]. Innovatsionnoe razvitie sovremennoy nauki. Materialy mezhdun-arodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii. Ufa, Izd-vo OOO «Omega Sayns», 2015, pp. 25—27. [In Russ].

3. Afroughsabet V., Ozbakkaloglu T. Mechanical and durability properties of high-strength concrete containing steel and polypropylene fibers. Construction and Building Materials, 2015, Vol. 94, pp. 73—82.

4. Boulekbache B., Hamrat M., Chemrouk M., Amziane S. Flexural behaviour of steel fibre-reinforced concrete under cyclic loading. Construction and Building Materials, 2016, Vol. 126, pp. 253—262.

5. Alekseev K. N., Kurilko A. S., Zakharov E. V. Vliyanie bazal'tovogo volokna (fibry) na vyazkost' i ener-goemkost' razrusheniya melkozernistogo betona [Influence of basalt fiber on viscosity and energy input of fine-grained concrete destruction]. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017, no 12, pp. 56— 63. [In Russ].

6. Cory H., Hatem M. Seliem, Adel El-Safty, Sami H. Rizkalla Use of basalt fibers for concrete structures. Construction and Building Materials, 2015, Vol. 96, pp. 37—46.

7. Solov'ev V. G., Bammatov A. A., Kukhar' I. D., Nurtdinov M. R. Effektivnost' vzaimodeystviya razlichnykh vidov fibry s betonnoy matritsey [Efficiency of interaction between different fibers and concrete matrix]. Nau-ka i biznes: puti razvitiya. 2018, no 5, pp. 57—61. [In Russ].

8. Saber F., Mahdi N. Mechanical properties and durability of high-strength concrete containing macro-polymeric and polypropylene fibers with nano-silica and silica fume. Construction and Building Materials, 2017, Vol. 132, pp. 170—187.

9. Akhmed A. A. A., Lesovik R. V., Sopin D. M. Fibrobeton s uglerodnym voloknom na syr'evykh resursakh respubliki Irak [Carbon fiber-reinforced concrete made of Iraqi raw materials]. Vestnik OSN RAASN. 2014, no 13, pp. 63—66. [In Russ].

10. Kozlov S. D., Matyukhina M. A., Abramov N. M., Zakharchenko O. V. Steklofibrobeton [Glass fiber-reinforced concrete]. Innovatsionnoe podkhody v sovremennoy nauke. Materialy I mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii, Moscow, Izd-vo OOO «Internauka», 2017, pp. 9—13.

11. Dobshits L. M. Fiziko-matematicheskaya model' razrusheniya betonov pri poperemennom zamorazhi-vanii i ottaivanii [Physical-and-mathematical model of concrete failure under alternate freezing and thawing]. Zhilishchnoe stroitel'stvo. 2017, no 12, pp. 30—36. [In Russ].

12. Kurilko A. S., Alekseev K. N., Zakharov E. V., Svinoboev A. K. Issledovanie udel'noy energoemkosti razrusheniya i udarnoy vyazkosti armirovannogo bazal'tovoy fibroy betona pri otritsatel'nykh temperaturakh i posle vozdeystviya tsiklov zamorazhivaniya-ottaivaniya [Analysis of specific destruction energy input and impact viscosity of basalt fiber-reinforced concrete under negative temperatures and after exposure to freezing-thawing cycles], Research report. Yakutsk, IGDS SO RAN, 2018, 31 p. [In Russ].