Определение характеристик трещиностойкости стеклофибробетона на гипсоцементно-пуццолановом вяжущем

Фибробетон – это композит, который представляет собой бетонную матрицу, по всему объему которой равномерно распределены дискретные волокна. Матрица может быть изготовлена с применением различных заполнителей и на основе различных вяжущих. Вяжущие вещества могут быть органическими и минеральными (воздушными и гидравлическими). Армирующие волокна могут также быть минеральными, еще синтетическими или металлическими. Очевидно, что, комбинируя различные материалы из перечисленных категорий, можно получить широчайший спектр композитов, с совершенно разными свойствами и характеристиками. Однако, некоторые из возможных комбинаций оказываются неэффективными. Например, армирование стальной фиброй бетона на гипсовом вяжущем нецелесообразно, по- скольку в гипсовом камне недостаточно высокий уровень pH и стальная фибра будет корродировать. Армирование цементного бетона стеклянной фиброй также нецелесообразно, поскольку в цементном камне стеклянное волокно будет растворяться [1, 2].

При этом, стеклянное волокно является высокомодульным (72000-80000 МПа), его модуль упругости выше модуля упругости бетона, и обладает высокой прочностью (1100-3800 МПа), то есть этот вид волокна может выступать в качестве упрочните-ля [3]. Кроме того, стекловолокно имеет сравнительно невысокую стоимость. Применение волокна с такими характеристиками для дисперсного армирования бетона представляется перспективным, при условии обеспечения его сохранности в среде гидратирующего вяжущего.

Одним из возможных вариантов применения стекловолокна является дисперсное армирование бетона на гипсоцементно-пуццолановом вяжущем (ГЦПВ), которое является композиционным вяжущим, состоящим из гипса, портландцемента и активной минеральной добавки. При взаимодействии продуктов гидратации гипса и портландцемента может образовываться избыток эттрингита, что является негативным фактором [4-6]. Активная минеральная добавка вводится в состав ГЦПВ для связывания свободного оксида кальция в гидросиликаты, ограничивая таким образом образование эттрингита. ГЦПВ имеет высокую скорость схватывания и набора прочности, достаточно высокую прочность и водостойкость, а также сравнительно невысокую стоимость.

Подбор состава ГЦПВ можно провести в 2 этапа: определение содержания активной минеральной добавки и определение содержания портландцемента [5].

Определить содержание активной минеральной добавки можно по методике НИУ МГСУ [5]. Согласно положениям указанной методики, следует подготовить 3 пары препаратов, которые представляют собой водные растворы гипса, портландцемента и активной минеральной добавки. Содержание добавки в каждой паре препаратов должно отличаться. Необходимое содержание добавки определяется по результатам титрований соляной кислотой фильтратов проб на пятые и седьмые сутки. Содержание портландцемента определяется по результатам испытаний водостойкости. Следует принять такое минимальное содержание портландцемента, при котором обеспечится требуемая прочность и водостойкость.

После подбора состава гипсоцементно-пуццоланового вяжущего был произведен расчет состава тяжелого бетона на подо- бранном вяжущем. Расчет состава тяжелого бетона проводился согласно документу, который называется «Рекомендации по проектированию, изготовлению и применению изделий и конструкций из бетона на гипсоцементно-пуццолановых вяжущих».

В рамках настоящего исследования был подобран состав тяжелого бетона прочностью 10 МПа, из которого были изготовлены серии образцов-кубов и призм. Образцы-кубы, размерами 10×10×10 см испытывались на прочность при сжатии, а образцы-призмы, размерами 7×7×28 см, испытывались на прочность на растяжение при изгибе и трещиностойкость.

В настоящем исследовании применялись следующие материалы:

• 1.    Активная минеральная добавка зола-уноса, содержащая массовую долю SiO 2 – 60%, массовую долю Al 2 O 3 – 27%, массовую долю Fe 2 O 3 – 5%.

• 2.    Портландцемент ЦЕМ I 42,5 производства АО «Евроцемент груп».

• 3.    Гипс строительный Г-5 производства ООО «Пешеланский гипсовый завод».

• 4.    Гранитный щебень по ГОСТ 8267 «Щебень и гравий из твердых горных пород для строительных работ. Технические условия», смесь фракций 5-20.

• 5.    Кварцевый песок по ГОСТ 8736 «Песок для строительных работ. Технические условия» с модулем крупности М к = 2,2.

• 6.    Стеклянная фибра длиной 18 мм, диаметром 10–16 мкм, производства Qingdao Junfeng Industry Company Limited, из алюмоборосиликатного стекла (по маркировке производителя E-glass), представленная на рисунке 1.

• 7.    Поликарбоксилатный суперпластификатор «Макромер П-163».

• 8.    Лимонная кислота.

Полученный состав бетона, представлен в таблице 1.

Таблица 1. Состав тяжелого бетона на гипсоцементно-пуццолановом вяжущем

Лимонная кислота использовалась в качестве замедлителя схватывания, а суперпластификатор «Макромер П-163» – для увеличения подвижности смеси, расход добавок был подобран экспериментальным путем.

Содержание волокон в фибробетонных образцах составляло 1,0% по объему, а состав матрицы соответствовал данным таблицы 1.

Испытание трещиностойкости производилось в соответствии с положениями ГОСТ 29167. Методика данного ГОСТ предполагает проведение испытаний прочности образцов-призм на прочность на растяжение при трехточечном изгибе, в ходе которого необходимо контролировать прилагаемую к образцу нагрузку и его прогиб. По полученным значениям прогибов и нагрузок строится диаграмма деформирования. По полученной диаграмме следует провести дополнительные построения, которые представляют собой отрезки, пересекающиеся с диаграммой деформирования в ключевых точках, и образующие некоторые геометрические фигуры. По площадям этих фигур и координатам ключевых точек определяются силовые и энергетические характеристики трещино-стойкости [7].

Некоторые из полученных диаграмм представлены на рисунке 1.

пуццолановом вяжущем

Рис. 1. Диаграммы деформирования бетона и стеклофибробетона на гипсоцементно-

По представленным на рисунке 1 диаграммам видно, что поведение образцов бетона и фибробетона под нагрузкой име- ет схожий характер. В начале диаграмм имеется линейно возрастающий участок, описывающий упругое деформирование образцов. При приближении нагрузок к разрушающим значениям, на диаграммах наблюдается изменение характера на нелинейно возрастающий. На этом этапе развиваются упругопластические деформации образцов, происходит образование и слияние микротрещин, и формирование магистральной трещины. После достижения нагрузкой разрушающей величины, характер диаграмм деформирования меняется на нелинейно нисходящий. Нисходящие ветви диаграмм деформирования характеризуют развитие магистральных трещин, их рост и раскрытие. В момент приближения диаграммы деформирования к горизонтальной оси происходит деление образца на части. Диаграмма деформирования фибробетонного образца по всем ординатам превышает диаграмму деформирования бетонного образца, что свидетельствует об упрочняющем действии стекловолокна и его высокой эффективности. Численные значения характеристик трещиностойкости и прочности приведены в таблице 2.

Таблица 2. Характеристики трещиностойкости и прочности бетона и стеклофибробето- на на гипсоцементно-пуццолановом вяжущем

По таблице 2 видно, что удельные энергозатраты на статическое разрушение до момента начала движения магистральной трещины и удельные эффективные энергозатраты на статическое разрушение фибробетона превышают эти характеристики бетона, соответственно, в 3 и в 2,5 раза. Критический коэффициент интенсивности напряжений – силовая характеристика трещиностойкости, а J-интеграл – энергетическая. Эти величины позволяют оценить способность материала сопротивляться образованию и развитию трещин [8, 9]. Критический коэффициент интенсив- ности напряжений и J-интеграл фибробетона превышают эти характеристики бетона в 2,2 и 3 раза. Введение стеклофибры в состав тяжелого бетона на ГЦПВ привело к повышению прочности на растяжение при изгибе – на 91%, а прочности при сжатии – на 39%. Поскольку фибра распределяется равномерно по всему объему, то при образовании и развитии трещин она будет их пересекать, ограничивая их развитие и воспринимая нагрузку. Таким армирующим и упрочняющим действием и объясняется повышение перечисленных характеристик.