Фибробетон с добавкой нанодисперсного кремнезема

ВЕСТНИК

3/2013

УДК 666.974

Е.Г. Матвеева, Е.Л. Королева

ФГБОУ ВПО «БГИТА»

ФИБРОБЕТОН С ДОБАВКОЙ НАНОДИСПЕРСНОГО

КРЕМНЕЗЕМА

Приведены результаты исследований образцов фибробетона, модифицированного добавкой нанодисперсного кремнезема. Спроектированы составы модифицированного фибробетона, обладающего высокими физико-механическими характеристиками. Проведена оценка влияния качественного состава новообразований на прочностные характеристики фибробетона.

Ключевые слова: бетон, фиброволокно, цементная матрица, нанодисперс-ный кремнезем.

Интегральные свойства фибробетона, как и любого композита, обусловливаются свойствами его компонентов (фибры и бетона-матрицы), а также наличием и степенью их совместной работы. Экспериментально-теоретические исследования показали, что модифицированный высокопрочный бетон — наиболее приемлемая матрица для фибробетона с современной фиброй различных видов. Для получения фибробетона с высокими эксплуатационными характеристиками и долговечностью необходимо оптимально подобрать состав, достигнуть технологической совместимости фибры и цементной матрицы, обеспечить коррозионную стойкость фибры в среде цементной матрицы и требуемую долговечность получаемого фибробетона.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования показали, что бетоны, упрочненные полимерными и базальтовыми волокнами, имеют высокие значения физико-механических характеристик. Армирование высокодисперсными волокнистыми наполнителями позволяет компенсировать главные недостатки обычного бетона: низкую прочность при растяжении и хрупкость разрушения (трещиностойкость). Применение высокодисперсных волокнистых наполнителей в цементных бетонах оказывает положительное влияние на процессы структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства бетона. Это достигается за счет улучшенной адгезии волокон к цементной матрице, сравнительно высокой прочности и модуля упругости волокон, их стойкости по отношению к щелочной среде [1].

Целью работы является исследование прочностных и структурных характеристик модифицированного фибробетона и подбор его оптимального состава, обеспечивающего высокие физико-механические показатели.

В работе проводилось исследование образцов мелкозернистого и тяжелого фибробетона на белорусском портландцементе ЦЕМ I 42,5, кварцевом песке М =1,6, с полипропиленовым фиброволокном марки S6 длиной 6 мм и толщиной 10.. .15 мкм. Для изучения микроструктуры использовался растровый ионно-электронный микроскоп Quanta 200 3D. Рентгенофазовый ана-

Строительное материаловедение

VESTNIK

MGSU

лиз исследуемых образцов проводили на дифрактометре ARL X'TRA фирмы Thermo Scientific (Швейцария). Подбор оптимального состава тяжелого бетона проводился путем полного центрального ортогонального планирования эксперимента.

Синтезирование добавки нанодисперсного кремнезема (НДК) проводили химическим поликонденсационным методом с последующей стабилизацией ацетат-ионами. Добавку вводили в количестве 5 %, содержание кремнезема составляет 0,23 %. Регулирование подвижности бетонной смеси осуществляли суперпластификатором Sika 20 HE в количестве 0,5 %. Суперпластификатор адсорбируется на поверхности частиц цемента, что приводит к эффекту межмолекулярного отталкивания цементных частиц и повышению подвижности смеси при снижении водоцементного отношения, что способствует последующему увеличению плотности и прочности композита.

Для определения оптимального состава тяжелого фибробетона получили экспериментально-статистические модели в виде уравнений регрессии на основе методологии планирования эксперимента, что позволяет при рациональном числе опытов после соответствующего статистического анализа варьируемых исследуемых факторов получить полиномиальные уравнения, по которым оценивают эффекты влияния каждого из факторов и их взаимодействия на изучаемые выходные параметры. В качестве факторов варьирования выбраны содержание фибры, %, В/Ц и расход цемента, кг/м3.

Уровни варьирования факторов приведены в табл. 1.

Табл. 1. Факторы и уровни их варьирования

Факторы Уровни варьирования Интервал варьирования

+1 0 -1

Содержание фибры, % 0,025 0,028 0,031 0,003

В/Ц 0,4 0,5 0,6 0,1

Расход цемента, кг/м3 200 250 300 50

Были получены следующие уравнения регрессии по проведенному эксперименту:

уравнение регрессии прочности через 28 сут:

У1 = 26,61 + 9,96Ц - 0,039х2 + 0,495х3 + 8,49х12 + 9,03х32 +2,59х23 -

- 3,34х1х2 + 2,56х1х3 +1,33х2х3; (1) уравнение регрессии прочности через 3 сут:

Y2 = 9,8 + 3,450х1 + 0,23х2 + 0,05х3 + 3,190х12 + 3,31х22 + 1,21х32 -

- 1,088х1х2 +0,89х1х3 + 0,51х2х3. (2) Получены номограммы зависимости свойств от варьируемых факторов

(рис. 1).

Анализ уравнений и номограмм показывает, что предел прочности через 3 и 28 сут увеличивается с ростом В/Ц и расхода цемента и при снижении содержания фибры. Установлены оптимальные значения варьируемых факторов: цемент — 300 кг; 0,03% фибры, В/Ц 0,4.

Рис. 1. Зависимость предела прочности при сжатии через от В/Ц, содержания фибры и расхода цемента: а — через 28 сут твердения; б — через 3 сут твердения

Применение полипропиленового фиброволокна способствует образованию не расслаиваемой однородной смеси с высокой пластичностью. Полученный фибробетон имеет пространственно армированную микроструктуру цементного камня, препятствующую образованию усадочных трещин [2—12].

В результате проведенного качественного и количественного фазового анализа по методу Ритвельда модифицированной цементной матрицы установлено снижение интенсивности отражения портландита в модифицированных образцах на 14 % (4,91; 2,63; 2,75; 2,70 А), повышение интенсивности отражения эттрингита (9,81; 3,86; 2,57; 5,62 А) на 8 %, увеличение отражения гидроксидов типа СSH (12,6; 11,84; 10,2; 3,07 А) на 18 % по сравнению с контрольным образцом.

Исследование микроструктуры модифицированного цементного камня, выполненные на сканирующем электронном микроскопе, показали, что состав с оптимальной дозировкой нанодисперсного кремнезема отличается особенной морфологией новообразований (рис. 2), характерных для гидросиликатов кальция. Это, вероятно, объясняется тем, что реакционноспособный активный кремнезем, связывает выделяющийся при гидратации портландит с образованием гидросиликатов кальция.

Таким образом, комплексное использование модифицирующей добавки нанодисперсного кремнезема и суперпластификатора Sika 20 НЕ в составе фи-бробетона приводит не только к модификации структуры цементного камня за счет снижения В/Ц, повышения плотности композита и образования дополнительного количества гидросиликатов кальция. Это способствует снижению пористости и обеспечивает улучшение структурных и прочностных параметров фибробетона.

Строительное материаловедение VESTNIK

_MGSU

Рис. 2. Морфология новообразований модифицированного цементного камня

Библиографический список

1. Перфилов В.А., Аткина В.А., Кусмарцева О.А. Фибробетоны с высокодисперсными волокнистыми наполнителями // Малоэтажное строительство» в рамках Национального проекта «Доступное и комфортное жилье гражданам России ; технологии и материалы, проблемы и перспективы развития в Волгоградской области : Междунар. науч.-практ. конф. Волгоград : ВолгГАСУ, 2009. С. 89—91.

2. Рабинович Ф.Н. Дисперсно-армированные бетоны. М. : Стройиздат, 1989. 176 с.

3. Рабинович Ф.Н. О некоторых особенностях работы композитов на основе дисперсно-армированных бетонов // Бетон и железобетон. 1998. № 6. С. 19—23.

4. Bischoff P.H., Perry S.H. Compressive behaviour of concrete at high strain rates // Materials and Structures. 1991. Vol. 24. Рр. 425—450.

5. Malvar L.J., Crawford J.E. Dynamic increase factors for concrete // Twenty-Eighth DDESB Seminar Orlando, FL, August 98.

6. Akopov F., Bragov A.M., Demenko P., Kruszka L., Lomunov A.K., Mineev V, Sergeichev L.V. Static and dynamic response of ceramics and zirconium alumina concrete materials // Journal de Physique IV. France. 2003. Vol. 110. Pp. 225—230.

7. Klepaczko J.R. On a very high rate sensitivity of concrete failure at high loading rates and impact // Proc. Int. Symp. Brittle Matrix Composites 7, Warsaw, 2003. Рр. 1—27.

8. Chujie Jiao, Wei Sun, Shi Huan, Guoping Jiang. Behavior of steel fiber-reinforced high-strength concrete at medium strain rate // Front. Archit. Civ. Eng. China. 2009. Vol. 3. № 2. Рp. 131—136.

9. Kolsky H. An investigation of the mechanical properties of material at very high rates of loading // Proc. Phys. Soc. (London). 1949. Vol. 62B. Рp. 676—700.

10. Campbell J.D., Dowling A.R. The behaviour of materials subjected to dynamic incremental shear loading // J. Mech. Phys. Solids. 1970. Vol.18. Pp. 43—63.

11. Dharan C.K.H., Hauser F.E. Determination of stress-strain characteristics at very high strain rates // Exp. Mech. 1970. Vol.10. Pp. 370—376.

12. Nicholas T. Tensile testing of materials at high rates of strain // Exp. Mech. 1981. Vol. 21. № 5. Pp. 177—195.

Поступила в редакцию в ноябре 2012 г.

Об авторах: Матвеева Елена Геннадьевна — кандидат технических наук, ассистент кафедры производства строительных конструкций, ФГБОУ ВПО «Брянская государственная инженерно-технологическая академия» (ФГБОУ ВПО «БГИТА»), г. Брянск, проспект Ст. Димитрова, д. 3, molekulka.22@mail.ru;

ВЕСТНИК

3/2013

Королева Елена Леонидовна — кандидат технических наук, доцент кафедры производства строительных конструкций, ФГБОУ ВПО «Брянская государственная инженерно-технологическая академия» (ФГБОУ ВПО «БГИТА»), г. Брянск, проспект Ст. Димитрова, д. 3, korol63@mail.ru.

Для цитирования: Матвеева Е.Г., Королева Е.Л. Фибробетон с добавкой нано-дисперсного кремнезема // Вестник МГСУ 2013. № 3.С. 140—145 .

E.G. IWatveeva, E.L. Koroleva

FIBRE CONCRETE HAVING A NANODISPERSE SILICA ADDITIVE

The objective of the project described in this article was to design the fiber concrete having an optimized structure and high strength characteristics. In the course of the project development, the fibre concrete was modified by the nanodisperse silica additive. As a result, the authors designed several modified fibre concrete compositions having optimal physical and mechanical properties. Electronic microscope Quanta 200 3D was used to study the microstructure of samples. Diffractometer ARL X'TRA was used to perform the X-ray analysis of samples. Selection of the optimal composition of the concrete was performed using the orthogonal experimental design technique. The nanodisperse silica additive was synthesized using method of chemical polycondensation followed by subsequent stabilization of acetate. This super-plasticizer improves the density and strength properties of the composite. Experimental and statistical models were generated as regression equations to determine the optimal composition of the fibre concrete.

Key words: concrete, fiberglass, cement matrix, nanodisperse silica.

References

1. Perfilov V.A., Atkina V.A., Kusmartseva O.A. Fibrobetony s vysokodispersnymi voloknistymi napolnitelyami [Fibre Concretes Having Fine-grained Fibre Fillers]. "Maloetazh-noe stroitel'stvo" v ramkakh Natsional'nogo proekta "Dostupnoe i komfortnoe zhil'e grazhda-nam Rossii"; tekhnologii i materialy, problemy i perspektivy razvitiya v Volgogradskoy oblasti. Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. [Low-rise Construction within the Framework of Affordable and Comfortable Housing for Russian Citizens National Project. Technologies and Materials, Problems and Prospects for Development of the Volgograd Region. An International Scientific and Practical Conference]. Volgograd, VolgGASU Publ., 2009, pp. 89—91.

2. Rabinovich F.N. Dispersno-armirovannye betony [Fibre-reinforced Concretes]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1989, 176 p.

3. Rabinovich F.N. O nekotorykh osobennostyakh raboty kompozitov na osnove dis-persno-armirovannykh betonov [Particular Behaviour of the Composites Containing Fibre-reinforced Concretes]. Beton i zhelezobeton [Concrete and Reinforced Concrete]. 1998, no. 6, pp. 19—23.

4. Bischoff P.H., Perry S.H. Compressive Behaviour of Concrete at High Strain Rates. Materials and Structures. 1991, vol. 24, pp. 425—450.

5. Malvar L.J., Crawford J.E. Dynamic Increase Factors for Concrete. Twenty-Eighth DDESB Seminar. Orlando, FL, August 1998.

6. Akopov F., Bragov A.M., Demenko P., Kruszka L., Lomunov A.K., Mineev V., Ser-geichev L.V. Static and Dynamic Response of Ceramics and Zirconium Alumina Concrete Materials. Journal de Physique IV. France, 2003, vol. 110, pp. 225—230.

7. Klepaczko J.R. On a Very High Rate Sensitivity of Concrete Failure at High Loading Rates and Impact. Proc. Int. Symp. Brittle Matrix Composites 7, Warsaw, 2003, pp. 1—27.

8. Chujie Jiao, Wei Sun, Shi Huan, Guoping Jiang. Behavior of Steel Fiber-reinforced High-strength Concrete at Medium Strain Rate. Front. Archit. Civ. Eng. China, 2009, vol. 3, no. 2, pp. 131—136.

Строительное материаловедение

VESTNIK

MGSU

9. Kolsky H. An Investigation of the Mechanical Properties of Material at Very High Rates of Loading. Proc. Phys. Soc. London, 1949, vol. 62B, pp. 676—700.

10. Campbell J.D., Dowling A.R. The Behaviour of Materials Subjected to Dynamic Incremental Shear Loading. J. Mech. Phys. Solids. 1970, vol.18, pp. 43—63.

11. Dharan C.K.H., Hauser F.E. Determination of Stress-strain Characteristics at Very High Strain Rates. Exp. Mech. 1970, vol.10, pp. 370—376.

12. Nicholas T. Tensile Testing of Materials at High Rates of Strain. Exp. Mech. 1981, vol. 21, no. 5, pp. 177—195.

About the authors: Matveeva Elena Gennad'evna — Candidate of Technical Sciences, assistant lecturer, Department of Production of Structural Units, Bryansk State Academy of Engineering and Technology (BGITA), 3 pr. Stanke Dimitrova, Bryansk, 241037, Russian Federation; molekulka.22@mail.ru.

Koroleva Elena Leonidovna — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Production of Structural Units, Bryansk State Academy of Engineering and Technology (BGITA), 3 pr. Stanke Dimitrova, Bryansk, 241037, Russian Federation; korol63@mail.ru.

For citation: Matveeva E.G., Koroleva E.L. Fibrobeton s dobavkoy nanodispersnogo krem-nezema [Fibre Concrete Having a Nanodisperse Silica Additive]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 3, pp. 140—145.