Исследование водопотребности модифицированной фибробетонной смеси и её влияния на физико-механические характеристики мелкозернистых бетонов

Мировой опыт свидетельствует, что перспективным направлением современного строительного материаловедения является дисперсное армирование композиционных материалов. На сегодняшний день достигнуты значительные успехи в области повышения активности цементных минеральных вяжущих веществ, что позволяет разрабатывать составы бетонов с пределом прочности на сжатие 100-150 МПа и выше [1; 2]. Однако прочность растворов и бетонов при растяжении остается во много раз ниже прочности на сжатие. В связи с этим, использование дисперсных волокон для армирования с целью повышения прочности при растяжении цементных композитов может послужить толчком к получению бетонов нового типа, с более широкими возможностями их применения в строительстве [1–4].

Несмотря на значительное количество научных исследований, применение дисперсного армирования в строительных изделиях сдерживается рядом причин: отсутствует достаточная нормативная база по проектированию и оптимальным методам распределения волокон в матрице вяжущего, расчету сырьевых составов, технологиям производства строительных изделий с использованием дисперсных волокон [5].

Наряду с дисперсным армированием, широкие перспективы открывает и использование в составах бетонов и растворов тонкодисперсных кремнийсодержащих минеральных добавок, таких как микрокремнезем и метакаолин, позволяющих увеличивать плотность цементного камня за счет микронаполнения и связывания (пуццоланический эффект) гидратной извести (портландита); стабилизировать бетонные смеси с высоким водосодержанием; усиливать эффективность работы поверхностно-активных веществ, вводимых в состав материала; а также получать повышенные физико-механические и эксплуатационные свойства цементных композитов при пониженных расходах цемента [6–8]. Другими востребованными модификаторами являются добавки гидроизоляционного типа, в частности система материалов «Пенетрон», позволяющая значительно повысить стойкость бетона к воздействию агрессивных сред [9].

Исследование водопотребности модифицированных дисперсно-армированных бетонных смесей и ее влияния на основные физико-механические характеристики цементных композитов является важным и актуальным. Фиброармирование композиций на основе цемента приводит к ухудшению удобоукладываемости смесей, вызывая кластеризацию и комкование [10; 11], а тем самым снижает эксплуатационные характеристики цементных композитов. Вместе с этим, введение в рецептуру бетонных смесей активных минеральных добавок с высокой удельной поверхностью еще в большей степени приводит к необходимости решения вопроса их водоредуцирования. Применение высокоэффективных суперпластификаторов на поликарбоксилатной основе не в полной мере позволяет решить данную проблему, что требует проведения дополнительных исследований по поиску наиболее оптимальных комплексов добавок и дисперсных волокон для получения цементных композитов с повышенными эксплуатационными требованиями.

В качестве вяжущего был использован портландцемент класса ЦЕМ I 42,5Б производства ОАО «Мордовцемент», мелкозернистого заполнителя – речной песок с размером зерна менее 5 мм, добываемый в поселке Смольный Ичалковского района Республики Мордовия. Для дисперсного армирования бетонов применялись волокна следующих видов: низкомодульное полипропиленовое волокно (ППН), высокомодульное полиакрилонитрильное волокно (ПАН), модифицированная астраленами базальтовая микрофибра под фирменным названием «Астрофлекс-МБМ» (МБМ). С целью полифункциональной модификации мелкозернистых бетонов использовались: микрокремнезем конденсированный уплотненный (МКУ), высокоактивный метакаолин (ВМК), гидроизоляционная добавка в бетонную смесь «Пенетрон Адмикс» (Адмикс). Для достижения требуемых реологических свойств в состав бетонных смесей вводился суперпластификатор Melflux 1641 F (MF 1641 F).

В исследовании варьировалось две группы факторов – вид и содержание используемых добавок (у 1 (МКУ), V 2 (ВМК), v₃ (Адмикс)), а также вид и содержание применяемой фибры (w 1 (nnH), w₂ (ПАН); w₃ (МБМ)). Для исследуемой системы «состав - свойства»

контролировалось выполнение следующих условий:

0 ≤ v i ≤ 1; ∑v i =1; i =1, 2, 3;    0 ≤ w i ≤ 1; ∑w i =1; i =1, 2, 3.                      (1)

Численные значения уровней варьирования исследуемых факторов представлены в таблице 1. Неизменными составляющими фибробетонной смеси оставались: доля речного песка – 65% от массы твердой фазы и содержание суперпластификатора Melflux 1641 F – 0,5% от массы вяжущего.

Таблица 1

Уровни варьирования исследуемых факторов экспериментального исследования

Факторы			Уровни варьирования
			0	0,333	0,5	1
к 5 и О	v 1	МКУ, % от массы цемента	0	6,667	10	20
	v 2	ВМК, % от массы цемента	0	2	3	6
	v 3	Адмикс, % от массы цемента	0	0,5	0,75	1,5
	w 1	ППН, % от массы цемента	0	0,333	0,5	1
	w 2	ПАН, % от массы цемента	0	0,5	0,75	1,5
	w 3	МБМ, % от массы цемента	0	1,667	2,5	5

В ходе эксперимента были исследованы: водопотребность, предел прочности при сжатии (ГОСТ 310.4) и на растяжение при изгибе (ГОСТ 310.4), плотность в нормальных влажностных условиях (ГОСТ 12730.1-78) в возрасте 28 суток. Прочностные характеристики мелкозернистых бетонов определялись на установке WilleGeotechnik® (модель 13-PD/401) для испытания строительных материалов [12]. Настройка основных параметров и фиксирование полученных экспериментальных результатов осуществлялось с применением программного обеспечения GEOSYS 8.7.8.

Для обработки результатов экспериментальных исследований применялись методы математической статистики, а для их графической интерпретации - треугольные диаграммы Гиббса-Розебома в виде двумерных карт линий уровня (изолиний) (рис. 1), построенные с применением программы Statistica 10.0.1011.

б)

а)

г)

в)

д)

е)

ж)

з)

к)

л)

и)

м)

Рис. 1. Треугольные диаграммы Гиббса-Розебома изменения водопотребности (а, б, в) (% от массы сухих компонентов); плотности в нормальных влажностных условиях (г, д, е) (кг/м³); предела прочности на растяжение при изгибе (ж, з, и) (МПа) и при сжатии (к, л, м) (МПа) дисперсно-армированных мелкозернистых бетонов в зависимости от содержания добавок (- 1 , v ₂ , v ₃ ) и фибры Oi, W 2 , w₃) (см. таблицу 1): а), г), ж), к) - i = 1,- 2 = 0, v₃ = 0; б), д), з), л) - i = 0,- 2 = 1, v₃ = 0

в), е), и), м) - 1 = 0,v₂ = 0, - з = 1.

Проведенный графический анализ изолиний показал, что увеличение содержания в составах высокоактивного метакаолина позволило получить цементные композиты с высокой плотностью (рис. 1, д). ВМК оказал наилучшее влияние и на исследуемые прочностные характеристики мелкозернистых дисперсно-армированных бетонов. Наибольшие результаты были зафиксированы при максимальном количестве метакаолина (и₂ = 1) и следующем содержании данных дисперсных волокон:

• -    для предела прочности на растяжение при изгибе - при равном соотношении полипропиленовой и полиакрилонитрильной фибр (w₂ = w₃ = 0,5) (рис. 1, з);

• -    для предела прочности при сжатии - при максимальном использовании ПАН-фибры (W 2 = 1) (рис. 1, л).

Напротив, повышение доли микрокремнезема приводит к снижению физикомеханических характеристик фибробетонов. Наиболее низкая плотность зафиксирована у цементных композитов, модифицированных добавкой микрокремнезема (v 1 = 1) и дисперсно-армированных комплексом волокон «ППН+МБМ» при долях фибр близких к равным (w 1 = w₃ = 0,5) (рис. 1, г). Самые низкие показатели исследуемых упругопрочностных характеристик имеют составы с МКУ и МБМ (v 1 = 1, w₃ = 1) (рис. 1, ж, к).

Высокие физико-механические показатели цементных композитов с метакаолином, армированных полиакрилонитрильным волокном и/или модифицированной базальтовой микрофиброй, обусловлены, в том числе и их сниженной водопотребностью по сравнению с составами с микрокремнеземом (рис. 1, а, б). Наиболее высокая водопотребность при применении микрокремнезема и метакаолина зафиксирована у бетонных смесей дисперсно-армированных модифицированной базальтовой микрофиброй и полипропиленовым волокном соответственно (рис. 1, а, б), а при использовании добавки Адмикс - у смесей с полиакрилонитрильной синтетической фиброй.

По результатам анализа линий равного влияния (рис. 1) можно сделать вывод о взаимозависимости исследуемых показателей модифицированных дисперсно-армированных бетонов. Наиболее высокие физико-механические характеристики были зафиксированы для составов с метакаолином, армированных полиакрилонитрильным волокном; данные составы обладают и пониженной водопотребностью. Замена в смесях, армированных ПАН-фиброй и МБМ, ВМК на МКУ приводило к повышению водопотребности смесей, снижению плотности и прочности цементных композитов на их основе. Данные факты свидетельствует о негативном влиянии МКУ на процессы структурообразования модифицированных мелкозернистых дисперсно-армированных бетонов по сравнению с другими видами применяемых добавок.