Физико-технические свойства сверхвысокопрочного сталефибробетона

3/2011_МГСу ТНИК

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СВЕРХВЫСОКОПРОЧНОГО СТАЛЕФИБРОБЕТОНА

PHYSICO-TECHNICAL PROPERTIES OF HIGH PERFORMANCE STEEL FIBER REINFORCED CONCRETE.

A.B. Мишина, И.А. Чилин, A.A. Андрианов

A.V. Mishina, I.A. Chilin, A.A. Andrianov

НИИСФ PAACH

В статье представлены результаты кратковременных испытаний сверхвысокопрочных сталефибробетонных образцов в разном возрасте. Получены кубиковая и призменная прочность, модуль упругости, коэффициент Пуассона, а так же диаграмма деформирования.

The article presents the short-term tests results of high performance steel fiber reinforced concrete specimens at different age. Obtained cube and prisms strength, elastic modulus, Poisson's ratio, as well as strain diagram.

Повышение эффективности строительного производства, снижение стоимости и трудоемкости технологических процессов, экономное использование материальных и технических ресурсов требует использования новых прогрессивных материалов. Все большее применение находят высокоэффективные, особенно, высокопрочные бетоны на основе новейших поликомпонентных органо-минеральных модификаторов [1]. Такие бетоны обладают повышенной прочностью, получаются с помощью подвижных смесей. Но наряду с очевидными преимуществами высокопрочных бетонов этот материал имеет существенный недостаток по сравнению с традиционными бетонами: хрупкость. Одним из вариантов решения этой проблемы является добавление в бетонную матрицу стальной фибры. Таким образом, создается пространственный каркас, повышающий стойкость бетона к трещинообразованию и вязкость разрушения бетона. Несмотря на то, как и в нашей стране, так и за рубежом исследования сталефибробетона ведется достаточно давно, информации о кратковременных и длительных физико-механических свойствах высокопрочных сталефибробетонов сравнительно немного.

Для экспериментального исследования этого вопроса в лаборатории № 16 НИИЖБ была разработана технология получения высокопрочного дисперсноармиро-ванного порошкового сталефибробетона. Она основана на использовании сверхвысокопрочной матрицы, состоящей из цемента, органо-минерального модификатора МБ

50К, кварцевого песка с максимальной крупностью зерен 0,63 мм и стальной фибры волнового профиля 00,3 мм, Ь = 15 мм. Выбор данной фибры основан на результатах ранее полученных исследований [2]. Применялся портландцемент марки ПЦ 500 Д0 (ОАО «Новоросцемент») соответствующий ГОСТ 10178 и модификатор бетона МБ 3-50К состоящий из микрокремнезема, золы-уноса и суперпластификатора на основе поликарбоксилатов.

В процессе разработки технологии получения высокопрочного дисперсноармиро-ванного порошкового сталефибробетона проведены экспериментальные работы по оптимизации составов бетона по критериям: прочность на сжатие матрицы и фибробе-тона, а также прочность на растяжение. Результаты экспериментов приведены ниже (см. рис. 1-4).

130,11

г

X

*

И 150.0

Ш

175,1

150.3 1К И

- _ 147,Б

гшь мъ ЛУК АО»

КОЛПМЧ  М<щиф ятир 9 ПТИЯКЬ» ц»н»нтд. %

Рис.1. Влияние дозировки МБ-К на прочность при сжатии в возрасте 28 суток

Рис. 2. Влияние дозировки песка на прочность при сжатии в возрасте 28 суток

1510

В

14В 0

(46 0

150.6

- -

1*1%

№

25'

Коллнчество фибры от массы цемента. %

Рис. 3 Влияние количества фибры на прочность при сжатии в возрасте 28 суток

Й

к %

ос

15

23,0 —1 21.3

1В.Д

21%

Количество фибры от мл«ы цем^нгя, %

Рис. 4 Влияние количества фибры на растяжение при изгибе в возрасте 28 суток

Как видно из рис. 1,2, оптимальной дозировкой модификатора бетона МБ-К в бетонной матрице является 40% количества модификатора от массы цемента, а наилучшим отношением вяжущего (Ц+МБ-К) к песку является соотношение 1,5:1. В дальнейшем полученные оптимальные отношения дозировок компонентов в бетонной матрице использовались для работ связанных с оптимизацией состава высокопрочного дисперсноармированного порошкового сталефибробетона.

Исходя из полученных (Рис 3, 4) при оптимизации высокопрочного дисперсноармированного высокоподвижного порошкового сталефибробетона данных видно, что введение разного количества стальной фибры практически не влияет на прочность при сжатии, однако прочность на растяжение при изгибе имеет максимальное значение при введении фибры в количестве 21% от массы цемента. Так же необходимо заметить, что при введении 21% фибры от массы цемента наблюдается ее равномерное распределение в теле бетона.

Оптимизированный состав бетонной смеси представлен в таблице 1.

Таблица 1.

Фактический состав бетонной смеси, кг/м3 Плотность бетонной смеси, кг/м3 Расплыв конуса через15 мин, см В/Ц В/В

Цемент Модификатор МБ3-50К Песок Стальная фибра Вода

850 350 830 180 180 2405 75 0,21 0,15

Прочностные и деформативные характеристики.

Для проведения эксперимента были изготовлены 5 серий образцов-призм размером 7x7x28 (см), по 3 образца в серии, и 5 серий образцов-кубов 7x7x7 (см) для оценки коэффициента призменной прочности. В дополнение забетонировали по 2 кубических образца размерами 10x10x10 и призменных образца размерами 10x10x40 (см) для оценки масштабного фактора в возрасте 28 суток. Испытания на кратковременное сжатие проводились в возрасте 3, 7,14, 28 и 90 суток в Лаборатории проблем прочности и качества в строительстве НИИСФ РААСН (рис. 5,6). Методика испытаний соответствует ГОСТ 10180, ГОСТ 24452. Загружение производили на гидравлическом прессе с максимальным усилием сжатия 500 тонн. Для измерения деформаций в

ВЕСТНИК 3/2011

продольном и поперечном направлениях на все грани образцов были установлены индикаторы часового типа с ценой деления 0,001 мм.

Рис. 5 Общий вид испытаний куба на сжатие

Рис. 6 Образец после разрушения

В результате эксперимента получили средние значения прочности, модуля упругости, коэффициента Пуассона для образцов каждого возраста. Результаты испытания представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Возраст бетона 1о, сут Прочность, МПа Модуль упругости Ех103, МПа Условный класс бетона при ко-эффи циенте вариации 13,5, В Коэффициент поперечной дефор мации, V Коэффи циент призмен-ной прочности, К= Къ/Я Относительные продоль ные деформации при уровне на-гружений а/Яъ= 0,9, 809иХ10-5

Куби-ковая Я Приз-менная Яъ

3 90,5 75,3 38,2 62 0,206 0,83 -

7 130,1 110,1 43,4 89 0,257 0,85 300

14 143,5 121,4 44,4 98 0,265 0,85 293

28 150,2 128,6 46,1 103 0,247 0,86 275

28 (10x10x40) 157,4 149,7 45,7 95 0,245 0,95 297

90 151,3 138,8 48,2 103 0,249 0,92 293

3/2011_МГСу ТНИК

Кубиковая прочность в возрасте 28 суток составила 150 МПа ив 90 суток изменилась незначительно. Призменная же прочность с 129 МПа в 28 суток к 90 возросла на 8% (и составила 139 МПа) (см. рис. 7).

Рис. 7 Кинетика призменной и кубиковой прочности, начального модуля упругости

Как видно из таблицы, коэффициент призменной прочности достаточно высокий, и с возрастом увеличивается. Рост модуля упругости с возрастом продолжается, но незначительно (см. рис. 7) .

Коэффициент Пуассона возрос в 14 суток до значения 0,265,а затем понизился до 0,247 и остался таким же в возрасте 90 суток (см. рис. 8).

Рис. 8 Изменение коэффициента попереч- Рис. 9 Предельные деформации сжатия ной деформации бетона

Предельные деформации сжатия (см. рис. 9) через 7, 14, 90 суток отличаются незначительно, только в возрасте 28 суток произошло небольшое понижение.

Диаграмма деформирования бетона при кратковременном сжатии представлена на рис. 10. Как видно, она практически линейная. Разрушение происходит с постоянным модулем упругости (см. рис. 11) Разрушение внезапное, но не взрывообразное, то есть добавление фибры в хрупкий бетон увеличивает вязкость материала, что замедляет разрушение конструкции. Из графика изменения коэффициента Пуассона и объемных деформаций (рис. 11,12) можно сделать вывод, что сталефибробетон имеет высокую верхнюю границу трещинообразования, = 0,88 Яъ.

'.1111411.1411* .............. И1' ГП I 144.

Рис. 10 Типовая диаграмма деформирования образца в возрасте 28 суток при кратковременном

осевом сжатии

Рис. 11 Диаграммы изменения модуля упругости и коэффициента Пуассона с ростом напряжений в возрасте 28 сут.

Выводы:

1). Оптимизированный состав высокопрочного дисперсноармирован-ного порошкового сталефибробетона из смесей высокой подвижности (расплыв конуса 75 см), прочностью на сжатие 150 МПа, на осевое растяжение 9,0 МПа, может быть получен с использованием следующих материалов: цемента марки ПЦ 500 Д0, модификатора МБ-К, песка кварцевого с максимальной крупностью зерен 0,63 мм, стальной латунированной фиброй волнового профиля 00,3 мм, Ь = 15 мм.

2). Получены основные физико-механические характеристики для сталефибробетона, а также их зависимости от возраста бетона. Полученный бетон обладает достаточно высокими значениями

Рис. 12 Изменение объемных деформаций с ростом напряжений

прочности, модуля упругости и коэффициента поперечных деформаций. Добавление в высокопрочную матрицу стальных волокон способствует повышению вязкости бетона, разрушение происходит внезапно, но не взрывообразно. Сталефибробетон обладает высокой верхней границей трещинообразования 0,88 Rb.

Литература:

1. Каприелов С.С., Шейнфельд А.В., Кардумян Г.С. Новые модифицированные бетоны. М., 2010

2. Рабинович Ф.Н. Композиты на основе дисперсноармированных бетонов. Вопросы теории и проектирования, технология, конструкции. М., 2004

Literature:

1. Kaprielov S.S., Sheinfeld A.V., Kardumyan G.S. New modified concretes. M., 2010

2. Rabinovich F.N. Composites based on concretes with dispersed reinforcement. Issues of theory and design, technology, structures. M., 2004.

Ключевые слова: сверхвысокопрочный сталефибробетон, прочность, модуль упругости, коэффициент Пуассона, деформация.

Key words: high performance steel fiber reinforced concrete, strength, elastic modulus, Poisson's ratio, strain.

E-mail авторов: amis25@mail.ru, pgsnik87@mail.ru, andalexalex@mail.ru