Наномодифицированный Сталефибробетон для мостовых конструкций

УДК 620.22-022.532

НАНОМОДИФИЦИРОВАННЫЙ СТАЛЕФИБРОБЕТОН ДЛЯ МОСТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Ю.В. Пухаренко, И.У. Аубакирова

NANOMODIFIED STEEL FIBER REINFORCED CONCRETE FOR BRIDGE

CONSTRUCTIONS

Y.V. Pukharenko, I.U. Aubakirova

Аннотация. Приводятся результаты экспериментальных исследований влияния стальных волокон «Челябинка» на формирование структуры и важнейшие свойства стале-фибробетона. Установлена эффективность наномодификаторов для усиления активной структурообразующей роли волокон, особенно в процессе формирования плотных и прочных межчастичных границ раздела, что способствует увеличению прочности и эксплуатационной надежности цементных бетонов. Впервые проведены исследования морозостойкости и водонепроницаемости сталефибробетона с учетом работы в условиях циклических нагрузок.

Ключевые слова: мостовые конструкции; сталефибробетон; наномодифицирование; прочность; морозостойкость; водонепроницаемость; циклические нагрузки.

Abstract: The results of experimental studies for the effect of «Chelyabinka» steel fibers on the formation of structure and essential properties of steel fiber reinforced concrete. The efficiency of nanomodifiers to enhance the active role of structure-forming fibers, especially in the formation of dense and strong interparticle boundaries that increases the strength and the operational reliability of the cement-based concrete. Firstly the research of frost resistance and water impermeability of steel fiber reinforced concrete with considering work in conditions of cyclic loads were conducted.

Key words: bridge construction; steel fiber concrete; system hardening; strength; frost resistance; water resistance; cyclic loads.

Железобетонные мостовые конструкции широко используются в современном строительстве, как в виде монолитных сооружений, так и сборных изделий. Отличительной особенностью таких элементов является высокая надежность в эксплуатации и долговечность, что определяется составом бетона, режимами твердения, качеством укладки и уплотнения бетонной смеси.

Целью работы являлось получение состава сталефибробетона с прочностью на растяжение при изгибе Яри>7,0 МПа, маркой по морозостойкости F2>300 и маркой по водонепроницаемости W>12 при подвижности бетонной смеси ОК = 8.. .10 см и расходе фибры «Челябинка не более 90 кг/м3.

Оптимизационные исследования проводились применительно к базовому составу, установленному в 1998-2002 г.г. ЮУрГУ и ОАО «ЦНИИС», с учетом замены цемента ПЦ500Д-20 на бездобавочный той же марки. Расход компонентов на 1 м3 бетонной смеси базового состава указан в табл. 1.

В условиях жестко фиксированного расхода фибры для достижения заданного результата исследовался ряд факторов, обычно оказывающих заметное влияние на прочность цементных бетонов, в том числе, и фиброармированных:

- влияние концентрации цементного камня путем изменения расходов цемента и воды в пределах обеспечения заданной подвижности;

- влияние соотношения между мелким и крупным заполнителем в составе бетонной матрицы;

- влияние тонкодисперсных наполнителей в составе сырьевой смеси;

- влияние более эффективных современных суперпластификаторов бетонной смеси поликарбоксилатного типа, в том числе наномодифицированных.

Комплекс проведенных на кафедре ТСМиМ СПбГАСУ исследований [1-5] показал, что из всех перечисленных факторов наиболее значимым и оказывающим позитивное влияние на физико-механические характеристики сталефибробетона базового состава является наноструктурное модифицирование смеси, которое осуществляется путем введения в фибро-бетонную смесь базового состава вместо стандартных суперпластификаторов добавки, модифицированной углеродными наночастицами фуллероидного типа. При этом, в качестве наномодификатора использовался «Концентрат модификатора добавок к бетонным смесям» (ТУ5745-001-76173097-2005). Концентрат представляет собой водную суспензию нанодис-персных форм неорганических и органических соединений и предназначен для улучшения формовочных свойств бетонных смесей, прочности и эксплуатационной надежности бетона строительных конструкций зданий и сооружений различного назначения.

В процессе приготовления наномодифицированных фибробетонных смесей в заводских условиях добавка и концентрат модификатора смешивались в пропорции Добавка: Концентрат - 100:1. Перемешивание производилось в емкостях объемом 1 м3 при помощи погружного насоса в течение 1,0-1,5 ч. Компоненты бетонной смеси дозировались в соответствии с разработанным составом. В начале в бетоносмеситель загружали песок и щебень, затем добавку и воду и перемешивали компоненты не менее 30 сек. Затем добавляли расчетное количество цемента и перемешивание продолжалось еще 60 сек. Фибра подавалась в готовую бетонную смесь и перемешивание продолжалось еще 60 сек до полной однородности.

Результаты сравнительных испытаний прочности образцов сталефибробетона базового и оптимизированного составов представлены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1 - Состав и свойства сталефибробетона с наномодифицированной _добавкой БК-63.30_

№ п/п Характеристика компонентов и смеси Расход компонентов, кг/м3 Осадка конуса бет. смеси, см Средняя плотность, кг/м3 Прочность в возрасте 28 суток, МПа

при изгибе При сжатии

1 Базовый состав: - цемент ПЦ 500 Д0 - песок (Мкр 2,2) - щебень гранитный (фр. 5-20) - фибра «Челябинка» - вода при В/Ц = 0,37 - суперпластификатор С-3 (0,5 % Ц) - СНВ (0,015%Ц) 420 598 1191 90 155 2,1 0,063 3.. 5 2465 5,6 62,3

Оптимизированный состав:

- цемент ПЦ 500 Д0 420 9...11 2480 7,5 65,8

2 - песок (Мкр 2,2) 600

- щебень гранитный (фр. 5-20) 1190

- фибра «Челябинка» 90

- вода при В/Ц = 0,39 164

- суперпластификатор БК-63.30 1,68

наномодифицированный

Таблица 2 - Состав и свойства сталефибробетона с наномодифицированной добавкой

81асЬешеп1 2061

№ Характеристика Расход Осадка Средняя Прочность в возрасте

пп компонентов и смеси компо- конуса бет. плотность, 28 суток, МПа

нентов, кг/м3 смеси, см кг/м3 при изгибе При сжатии

1 Базовый состав:

- цемент ПЦ 500 Д0 420 3...5 2460 6,1 59,7

- песок (Мкр 2,2) 598

- щебень гранитный (фр. 5-20) - фибра «Челябинка» 1191 90

- вода при В/Ц = 0,37 - суперпластификатор С-3 (0,5 % Ц) - СНВ (0,015%Ц) 155 2,1 0,063

Оптимизированный

2 состав:

- цемент ПЦ 500 Д0 420 9...11 2475 7,1 60,6

- песок (Мкр 2,2) 600

- щебень гранитный (фр. 5-20) - фибра «Челябинка» 1190

- вода при В/Ц = 0,39 - суперпластификатор 81асЬешей 2061 90 164 1,68

наномодифицированный

Из таблиц 1 и 2 следует, что наноструктурное модифицирование сталефибробетонной смеси способствует получению материала с заданной прочностью при использовании базового состава.

После твердения в течение 28 суток в нормальных условиях образцы подвергались испытаниям на морозостойкость и водонепроницаемость. В работе использовались ускоренные испытания определения морозостойкости дилатометрическим методом и водонепроницаемости по сопротивлению бетона прониканию воздуха. По окончании работы на оптимизированных составах сталефибробетона предполагается проведение стандартных испытаний.

Результаты испытаний на морозостойкость приведены в табл.3.

Таблица 3 - Морозостойкость сталефибробетона

Вид бетона Относительное увеличение разности объемной деформации бетонного и стандартного образцов 9 • 10-3 Марка по морозостойкости

отдельных образцов среднее значение

Сталефибробетон базового состава 0,158 0,166 0,150 0,158 Б1 600 300

Сталефибробетон оптимизированного состава 0,122 0,118 0,128 0,122 Б1 600 Б2 300

Из таблицы 3 следует, что образцы базового и оптимизированного состава соответствуют марке Б 600 по первому базовому методу и марке Б 300 по второму базовому методу. В таблице 4 приведены результаты испытаний на водонепроницаемость.

Таблица 4 - Водонепроницаемость сталефибробетона

Вид бетона Сопротивление бетона прониканию воздуха Марка по

тс, с/см водонепроницаемости

единичные среднее

значения значение

Сталефибробетон 28,5

базового состава 33,6

39,8

41,4 40,6 '14

45,9

55,3

Сталефибробетон 19,5

оптимизированно- 27,3

го состава 34,4

49,1 41,8 '14

63,3

85,4

Из таблицы 4 следует, что образцы базового и оптимизированного состава соответствуют марке '14 по водонепроницаемости.

Испытание сталефибробетона базового и оптимизированного состава на выносливость в условиях циклических нагрузок проводили на образцах-призмах размерами, мм:

- 100 х 100 х 400 - при оценке прочности в условиях циклических нагрузок;

- 100 х 100 х 100 - при исследовании морозостойкости (образцы вырезались из призм размером 100 х 100 х 400 мм после приложения циклической нагрузки);

- 150 х 150 х 600 - при определении водонепроницаемости после приложения циклической нагрузки.

Призменная прочность бетона определялась по ГОСТ 24452-80 до испытаний на выносливость и составила 46,7 МПа для сталефибробетона базового состава и 50,4 МПа для сталефибробетона оптимизированного состава. В виду того, что значения прочности оказались близкими, в дальнейшем при расчете уровня нагружения при циклических воздействиях было принято ее усредненное значение, равное 50 МПа.

ГОСТ 24545-81 «Бетоны. Методы испытаний на выносливость» устанавливает методы испытаний путем нагружения образцов стандартных размеров многократно повторяющейся осевой сжимающей нагрузкой. При этом, по одному из вариантов результатом испытаний является число циклов до разрушения образца.

Испытание на выносливость проводили при постоянных значениях частоты циклов многократно повторного нагружения / = 6 Гц и коэффициента асимметрии цикла рб= 0,1. В данных условиях выносливость сталефибробетона базового и оптимизированного состава при уровне нагружения, равном 0,9 Япр составила 3,0 млн циклов.

С учетом полученных данных впервые были исследованы морозостойкость и водонепроницаемость сталефибробетона с учетом работы в условиях циклических нагрузок. При этом были приняты следующие параметры приложения циклической нагрузки:

- частота циклов многократно повторного нагружения / = 6 Гц;

- коэффициент асимметрии цикла рб= 0,1;

- число циклов многократно повторного нагружения (база испытаний) 3,0 млн циклов для сталефибробетона обоих исследуемых составов.

В ходе исследований последовательно проводили испытания образцов на четырех уровнях нагружения, равных 0,6; 0,7 и 0,8 от разрушающей нагрузки. Возраст бетона к началу испытаний составлял 28 сут.

После приложения циклической нагрузки образцы испытывались на морозостойкость и водонепроницаемость.

Таблица 5 - Морозостойкость сталефибробетона с учетом работы в условиях

циклических нагрузок

Вид бетона Относительное увеличение разности Марка по морозостойкости при

объемной деформации бетонного и уровнях нагружения

стандартного образцов 9 • 10"

значения) при уровнях нагружения (до-

ля от Япр)

0 0,6 0,7 0,8 0 0,6 0,7 0,8

Сталефибробетон 0,176 0,195 0,224 0,232 Б: 600 600 500 400

базового состава Б2 300 Б2 300 Б2 200 Б2 200

Сталефибробетон 0,124 0,136 0,147 0,211 600 600 600 500

оптимизированного Б2 300 Б2 300 Б2 300 Б2 200

состава

Из таблицы 5 следует, что образцы сталефибробетона оптимизированного состава соответствуют марке Б 600 по первому базовому методу и марке Б 300 по второму базовому методу при уровне нагружения в пределах до 0,7 Япр включительно.

В таблице 6 приведены результаты испытаний на водонепроницаемость сталефибро-бетона с учетом работы в условиях циклических нагрузок.

Таблица 6 - Водонепроницаемость сталефибробетона с учетом работы в условиях __циклических нагрузок_

Вид бетона Сопротивление бетона прониканию воздуха (средние значения) тс, с/см3 Марка по водонепроницаемости при уровнях нагружения (доля

при уровнях нагружения

0 0,6 0,7 0,8 0 0,6 0,7 0,8

Бетон 41,6 15,7 7,8 3,9 ' 14 ' 10 ' 6 ' 2

Сталефибробетон 44,8 23,5 11,3 4,1 ' 16 ' 12 ' 8 ' 2

оптимизированного

состава

Из таблицы 6 следует, что образцы сталефибробетона оптимизированного состава соответствуют требуемой марке по водонепроницаемости (Ж 12) при циклических нагрузках до уровня нагружения в пределах до 0,6 Япр.

В таблице 7 представлены сводные данные по результатам всех проведенных исследований.

Таблица 7 - Составы смесей и результаты сравнительных испытаний сталефибробетона _на фибре «Челябинка»__

№ пп Наименование показателей Сталефибробетон базового состава Сталефибробетон оптимизированного состава

1 Расход компонентов на 1 м3 бетонной смеси, кг: - цемент ПЦ 500 Д0 - песок (Мкр 2,2) - щебень гранитный (фр. 5-20) - фибра «Челябинка» - вода при В/Ц = 0,37 . „0,39 - суперпластификатор С-3 (0,5 % Ц) - СНВ (0,015%Ц) - суперпластификатор БК - 63.30 (или 81аоЬешеП 2061.1») наномодифицированный (0,4% Ц) 420 598 1191 90 155 2,1 0,063 420 600 1190 90 164 1,68

2 Осадка конуса бетонной смеси, см 3.5 9.11

3 Средняя плотность, кг/м3 2460.2465 2475.2480

4 Предел прочности, МПа: - при сжатии - при изгибе 59,7.62,3 5,6.6,1 60,6.65,8 7,1.7,5

5 Призменная прочность, МПа 46,7 50,4

6 Марка по морозостойкости Б: 600 Б2 300 600 Б2 300

7 Марка по водонепроницаемости 14 14

8 Выносливость по ГОСТ 24545-81 при уровне нагружения 0,9 Rпр (/ = 6 Гц и рб= 0,1), млн цикл 3,0 3,0

9 Марка по морозостойкости после испытания циклической нагрузкой по ГОСТ 24545-81 (база испытаний 3,0 млн цикл) при уровне нагружения: 0,6 Rпр 0,7 Rпр 0,8 Rпр 600 / Б2 300 500 / Б2 200 400 / Б2 200 600 / Б2 300 600 / Б2 300 500 / Б2 200

10 Марка по водонепроницаемости после испытания циклической нагрузкой по ГОСТ 24545-81 (база испытаний 3,0 млн цикл) при уровне нагружения: 0,6 Rпр 0,7 Rпр 0,8 Rпр Ж12 Ж 8 Ж 2 Ж 12 Ж 8 Ж 2

Таким образом, в результате проведенных исследований получен сталефибробетон с высокими эксплуатационными характеристиками для мостовых конструкций ^>12; Б>300 в солях; прочность на растяжение при изгибе Яыь > 7МПа; марка по подвижности - П3). Разработанный состав сталефибробетона предусматривает применение принципов наномоди-фицирования для повышения прочности, морозостойкости, водонепроницаемости композита.

Впервые проведены исследования морозостойкости и водонепроницаемости сталефибробетона с учетом работы в условиях циклических нагрузок. Испытания показали, что

образцы сталефибробетона оптимизированного состава соответствуют марке Б 600 по первому базовому методу и марке Б 300 по второму базовому методу при уровне нагружения в пределах до 0,7 Япр включительно. Водонепроницаемость сталефибробетона исследуемых составов соответствует марке ' 12 при циклических нагрузках до уровня нагружения в пределах до 0,6 Япр.

С учетом полученных результатов разработан технологический регламент производства наномодифицированных сталефибробетонных смесей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бальмаков М.Д., Пухаренко Ю.В. Нанокомпозиционное материаловедение // Вестник гражданских инженеров, 2005. № 3(4). С. 53-57

2. Пухаренко Ю.В., Аубакирова И.У., Никитин В.А., Староверов В.Д. Структура и свойства наномодифицированных цементных систем // Современные проблемы строительного материаловедения и технологии: Материалы международного конгресса «Наука и инновации в строительстве», кн.2. Воронеж: ВГАСУ, 2008. С. 424-429.

3. Пухаренко Ю. В., Аубакирова И. У., Скобликов В. А. и др. Применение наносистем при получении сталефибробетона // Вестник гражданских инженеров, 2011. № 3 (28). С. 7781.

4. Пухаренко Ю.В., Голубев В.Ю. Высокопрочный сталефибробетон // Промышленное и гражданское строительство, 2007. № 9. С. 40-41

5. Ковалева А.Ю., Беляева Ж.В., Аубакирова И.У., Староверов В.Д. Опыт промышленного применения наномодифицированных бетонных смесей // Популярное бетоноведе-ние, 2008. №3(23). С. 28-29.

REFERENCES

1. Balmakov M.D., Pukharenko Y.V. Nanjkompozicionnoe materialovedenie [Nanocompo-site science] Vestnikgrazhdanskikh inzhenerov, 2005. No 3(4), pp. 53-57.

2. Pukharenko Y.V., Aubakirova, I. U., Nikitin V.A, Staroverov V.D. Struktura i svojstva nanomoditfitsirovannykh tsementnykh system [Structure and properties of nanomodified cement systems]. Sovremennyje problemy stroitelnogo meterialivedenija i tekhnologiimaterialy mezhdu-narodnogo kongressa «Nauka I innovatsii v stroiteVstve». V. 2, Voronezh, VGASU Publ., 2008, pp. 424-429.

3. Pukharenko Y. V., Aubakirova I.U., Skoblikov V.A. i dr. Primeneniye nanosistem pri poluchenii stalefibrobetona [Application of nanosystems in obtaining fiber concrete]. Vestnik grazhdanskikh inzhenerov, 2011. No 3 (28), pp. 77-81

4. Pukharenko Y.V, Golubev V.Y. Visokoprochniy stalefibrobeton [High-strength steel fiber reinforced concrete]. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitelstvo, 2007. No 9, pp. 40-41

5. Kovaleva A.Y., Beliaeva J.V., Aubakirova I.U, Staroverov V.D. Opit promishlennogo primenenia nanomodificirovannih betonnih smesei [Experience of industrial applications of nanomodified concrete mixtures]. Populiarnoe betonovedenie, 2008. No 3(23), pp. 28-29.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Пухаренко Юрий Владимирович Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, г. Санкт-Петербург, Россия, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой тех-

http://vestnik-nauki.ru

нологии строительных материалов и метрологии, член-корреспондент Российской академии архитектуры и строительных наук. E-mail: tsik@spbgasu.ru

Pukharenko Yury Vladimirovich Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering (SPSUACE), St. Petersburg, Russia, Doctor of Technical Science, Professor, Head of Department Technology of Building materials and Metrology, Corresponding member of the Russian academy of architecture and building sciences

E-mail: tsik@spbgasu.ru

Аубакирова Ирина Утарбаевна Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, г. Санкт-Петербург, Россия, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии строительных материалов и метрологии

E-mail: centeririna@spbgasu.ru

Aubakirova Irina Utarbaevna Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering (SPSUACE), St. Petersburg, Russia, PhD in Engineering, Associate Professor of Department Technology of Building materials and Metrology.

E-mail: centeririna@spbgasu.ru

Корреспондентский почтовый адрес и телефон для контактов с авторами статьи: 190005, Санкт-Петербург, ул. 2-я Красноармейская, 4, СПбГАСУ, каб. 307с. Пухаренко Ю.В.

8(812)316-78-72