КОМПОЗИЦИОННЫЕ ВЯЖУЩИЕ ДЛЯ ФИБРОБЕТОНОВ

Клюев А.В.

Кандидат технических наук, старший преподаватель, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

Работа выполнена в рамках реализации стипендии Президента Российской Федерации СП - 5949.2013.1

КОМПОЗИЦИОННЫЕ ВЯЖУЩИЕ ДЛЯ ФИБРОБЕТОНОВ

Аннотация

В статье рассмотрены вопросы применения композиционных вяжущих для фибробетонов.

Ключевые слова: фибробетон, композиционное вяжущее, прочность

Klyuyev A.V.

Candidate of Technical Sciences, Belgorod State Technological, University named after Shukhov

FIBER-REINFORCED CONCRETE AND PRODUCTS ON ITS BASIS

Abstract

Acute questions composite binders using for fiber-reinforced concrete are considered in the article.

Keywords: fiber-reinforced concrete, composite binder, strength.

Перспективным направлением в получении модифицированных вяжущих, является активация портландцемента за счет его помола, причем может проводиться как помол чистого портландцемент, с получением на выходе тонкомолотого цемента (ТМЦ), так и совместный помол портландцемента с пластифицирующими добавками, и получением на выходе высокопрочного гидравлического вяжущего с низким уровнем водопотребности – вяжущее низкой водопотребности (ВНВ).

Проводилось исследование характеристик фибробетона, при использовании различных вяжущих [4 – 15]. В качестве базового вяжущего, был выбран портландцемент ЦЕМ I 42,5Н Белгородского цементного завода. На его основе были получены ТМЦ-70 и ВНВ-70. В качестве пластифицирующей добавки для получения ВНВ был выбран Полипласт СП-1.

Использование композиционных вяжущих вместо цемента с различными добавками, вводимыми в бетономешалку, значительно (в 2 – 3 раза) увеличивает время начала и окончания схватывания бетонной смеси, что позволяет перевозить ее на значительно большие расстояния. Это в свою очередь приведет к тому, что в целом по каждому району строительства  можно будет обходиться меньшим количеством бетонных заводов [1 –3, 27].

Применение композиционных вяжущих позволяет сократить в зимних условиях время ухода за бетонной смесью, а так же уменьшить продолжительность технологических перерывов, назначаемых обычно для набора прочности бетона. Может быть сокращено так же время ухода за свежеуложенным бетоном в жаркое время года и, естественно, снижены затраты труда, расход воды и т.д.

Одна из особенностей ВНВ заключается в его способности длительное время сохранять активность при хранении. Это является следствием микрокапсулирования активных поверхностей клинкерных минералов цемента модификатором при совместном помоле и созданием адсорбционной преграды, предотвращающей взаимодействие частиц цемента с влагой окружающей среды. В связи с этим установлен срок хранения ВНВ, составляющий не менее 3 месяцев.

Важное значение имеет кинетика набора прочности бетонов на основе ВНВ, заключающаяся в достижении высоких показателей в ранние периоды твердения. Это предопределяет существенное ускорение сроков строительства при возведении монолитных сооружений и возможность изготовления железобетонных конструкций в заводских условиях без использования термообработки, ВНВ-80 используют для высокопрочных бетонных и железобетонных конструкций, ВНВ-50  для конструкций средней прочности, ВНВ-30 для бетонных и пенобетонных блоков, так как при значительном снижении доли клинкера в вяжущем уменьшается выделение диоксида кальция при его твердении и возможно более быстрое уменьшение щелочности среды и снижение ее защитных свойств по отношению к стальной арматуре.

Таким образом, применение ВНВ позволяет получить технический и экономический эффект практически во всех областях применения цементных вяжущих и практически по всем элементам, составляющим разнообразие технологии бетонных работ. Также следует отметить, что наиболее энергоемким исходным материалом в бетоне является портландцемент, по энергоемкости доля цемента в бетоне составляет 70 %. Одним из основных направлений в решении задачи снижения затрат на производство вяжущих, является производство многокомпонентных цементов, при получении которых расход топлива и клинкера сокращается на 25 – 30 % по сравнению с чистоклинкерными цементами [16 – 26].

Исследуемые суспензии «ТМЦ – вода» с добавкой затворяли при постоянном значении В/В=0.35 и различных дозировках добавки. Оптимальным считается минимально возможное количество добавки, при котором достигается максимальное значение расплыва конуса. Составы суспензии и результаты испытаний представлены на рис. 1.

Рис. 1 - Зависимость расплыва миниконуса от количества добавки СП-1

Из рис. 1 видно, что кривая ТМЦ-70 выходит на насыщение при концентрации добавки равной 0,5. Это значит, что дефективная поверхность структуры кварцитов обуславливает более острый угол наклона кривой насыщения к оси Х.

Суспензии на основе ТМЦ-70 и ВНВ-70 являются типичным примером композиционных дисперсных материалов. Отличительная особенность этих наполненных твердой фазой дисперсных материалов состоит в том, что на начальной стадии их получения из дисперсных систем вследствие сильно развитой межфазной поверхности и высокой концентрации дисперсных фаз в жидкой дисперсионной среде самопроизвольно возникают термодинамически устойчивые пространственные коагуляционные структуры, образуемые частицами твердой фазы, разделенными равновесными прослойками жидкой дисперсионной среды.

Полные реологические кривые суспензий «ТМЦ – вода» при разных количествах добавки Полипласт СП-1 (0.1;0.3;0.5 процента от массы вяжущего) были получены на ротационном вискозиметре RHEOTEST 2.1 при однородном сдвиге исследуемых систем в узком зазоре между коаксиальными цилиндрами. На рис. 2 представлены зависимости касательного напряжения сдвига от градиента скорости сдвига.

Рис. 2 - Сравнительная характеристика реологических суспензий

ТМЦ – вода с различными концентрациями добавки

Таким образом, анализ полученных данных позволяет установить влияние поверхностно активной добавки СП-1 на вязкость суспензии «ТМЦ – вода». Введение в суспензию «ТМЦ – вода» 0,1; 0,3; 0,5% добавки привело к снижению τ₀ и с повышением содержания в суспензии добавки от 0,1 до 0,5% значение предельного напряжения сдвига снижается, что подтверждают сделанные ранее наблюдения о том, что по всей вероятности адсорбция ПАВ происходит на наиболее активных участках поверхности частиц, где в отсутствие ПАВ образуются наиболее прочные контакты между частицами в коагуляционной структуре. Количество добавки 0,5% от массы вяжущего можно считать оптимальным.

Сопоставляя зерновой состав ТМЦ-70 и ВНВ-70 можно видеть, что при одинаковой удельной поверхности вяжущих (Sуд=500 м²/кг), зерен крупностью от 5 до 20 мкм больше в ВНВ-70 (19,8%) по сравнению с ТМЦ-70 (17,9%), соответственно, доля частиц размером менее 5 мкм в ТМЦ-70 несколько выше чем в ВНВ-70 (рис. 3.). Зерновой состав получаемого при этом вяжущего ВНВ-70 отличается более высоким содержанием частиц крупностью от 5 до 20 мкм, что обеспечивает более высокую его активность. По полученным данным можно оценить и эффективность помола: помол цемента с пластифицирующей добавкой СП-1 в количестве 0,5% от массы цемента проходит интенсивнее; так требуемая величина удельной поверхности 500 м²/кг достигается через 3 ч. помола, а не через 4 ч., как в случае помола цемента без добавки.

Рис. 3 - Зависимости весовой доли частиц от их диаметра

Были определены основные характеристики разработанных вяжущих (табл. 1). Как видно из результатов исследований вяжущее ВНВ-70 характеризуется более высокой активностью по сравнению с цементом ЦЕМ I 42,5 Н и ТМЦ-70.

Таблица 1 - Физико-механические характеристики композиционных вяжущих

Результаты количественного анализа композитов на основе ВНВ и ТМЦ, полученные по одному участку, могут быть перенесены на весь образец и их можно считать достоверными, т.к. микроструктура синтезированных образцов однородна, то есть в любом месте образца при любом заданном увеличении повторяется один и тот же структурный мотив (характерный набор структурных элементов определенной формы, размера и взаимного расположения).

На РЭМ-изображениях четко различаются границы между частицами и порами (рис. 4), что благоприятствует проведению количественного анализа микроструктуры.

 

Рис. 4 - Изменение морфологии новообразований в зависимости от состава вяжущего

В нашей стране, на сегодняшний день, накоплено достаточно минеральных ресурсов в виде различных отходов промышленности и минеральных шламов, чтобы при эффективном их использовании и рациональном расходе цементных и композиционных вяжущих получать высококачественные дисперсно-армированные мелкозернистые бетоны.

Литература

1. Адамян И.Р. Напряженно-деформированное состояние сталебетонных брусьев прямоугольного поперечного сечения с составной обоймой при сжатии и изгибе: автореф. дис. канд. техн. наук. Белгород. – 2000. – 19 с.
2. Адамян И.Р. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния сталебетонных коротких колонн // Сооружения, конструкции, технологии и строит. мат. XXI века: Сб. докл. II Межд. конф.-шк.-сем. молодых ученых, аспирантов и докторантов. Белгород: Изд. БелГТАСМ. – 1999. – ч.2. – С.3 – 6.
3. Адамян И.Р. Экспериментальные исследования сталебетонных стержней при поперечном изгибе // Качество, безопасность, энерго- и ресурсосбережение в пром.-ти строит. мат. и строительстве на пороге XXI века: Сб. докл. Межд. научно-практической конф. Белгород: Изд-во БелГТАСМ. – 2000. – С.3 – 6.
4. Клюев С.В. Фибробетон и изделия на его основе // Международный научно-исследовательский журнал. – 2015. – № 3 – 1 (34). – С. 70 – 73.
5. Клюев С.В. Экспериментальные исследования фибробетонных конструкций с различными видами фибр // Международный научно-исследовательский журнал. 2015. – № 2 – 1 (33). – С. 39 – 44.
6. Клюев С.В. Разработка дисперсно-армированного мелкозернистого бетона на основе техногенного песка и композиционного вяжущего // Международный научно-исследовательский журнал. – 2014. – № 11 – 2 (30). – С. 27 – 29.
7. Клюев С.В. Высококачественный фибробетон для монолитного строительства // Международный научно-исследовательский журнал. – 2014. – № 11 – 2 (30). – С. 29 – 32.
8. Клюев С.В. Высокопрочный мелкозернистый фибробетон на техногенном сырье и композиционных вяжущих с использованием нанодисперсного порошка // Бетон и железобетон. – 2014. – №4. – С. 14 – 16.
9. Клюев А.В., Клюев С.В., Нетребенко А.В., Дураченко А.В. Мелкозернистый фибробетон армированный полипропиленовым волокном // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2014. – № 4. – С. 67 – 72.
10. Клюев С.В., Нетребенко А.В., Дураченко А.В., Пикалова Е.К. Монолитный фибробетон для полов промышленных зданий // Сборник научных трудов Sworld. – 2014. – Т. 19. – №1. – С. 29 – 32.
11. Клюев С.В., Нетребенко А.В., Дураченко А.В., Пикалова Е.К. Фиброармированные композиты на техногенном сырье // Сборник научных трудов Sworld. – 2014. – Т. 19. – №1. – С. 34 – 36.
12. Клюев С.В. Высокопрочный сталефибробетон на техногенных песках КМА // Строительные материалы, оборудование, технологии ХХI века. – 2013. – № 11. – С. 38 – 39.
13. Клюев С.В., Авилова Е.Н. Мелкозернистый фибробетон с использованием полипропиленового волокна для покрытия автомобильных дорог // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2013. – № 1. – С. 37 – 40.
14. Клюев С.В. Высокопрочный сталефибробетон на техногенных песках КМА // Технологии бетонов. – 2012. – №. 5 – 6. – С. 33 – 35.
15. Клюев С.В. Применение композиционных вяжущих для производства фибробетонов // Технологии бетонов. – 2012. – №1 – 2. – С. 56 – 58.
16. Клюев С.В. Фибробетон для каркасного строительства // Белгородская область: прошлое, настоящее и будущее: материалы научн.-практ. конф. Белгород: Изд-во БГТУ. – 2011. – Ч.3. – С. 37 – 38.
17. Клюев С.В. Мелкозернистый сталефибробетон на основе отсева кварцитопесчанника // Белгородская область: прошлое, настоящее и будущее: материалы научн.-практ. конф. – Белгород: Изд-во БГТУ. – 2011. – Ч.3. – С. 27 – 31.
18. Клюев С.В. Сталефибробетон на основе композиционного вяжущего // Белгородская область: прошлое, настоящее и будущее: материалы научн.-практ. конф. Белгород: Изд-во БГТУ. – 2011. – Ч.3. – С. 32 – 36.
19. Клюев С.В. Основы конструктивной организации природных и искусственных материалов // Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии: сб. студ. докл. Международного конгресса: В 2 ч. Ч. 1. Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова. – 2003. – С. 161 – 163.
20. Клюев С.В. Высокопрочный фибробетон для промышленного и гражданского строительства // Инженерно-строительный журнал. – 2012. – №8(34). – С. 61 – 66.
21. Клюев С.В. Экспериментальные исследования фибробетонных конструкций // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. – 2011. – №.4 – С. 71 – 74.
22. Клюев С.В., Хархардин А.Н. Расчет высокоплотной упаковки зерен мелкозернистого бетона // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2011. – № 1. – С. 34 – 37.
23. Клюев С.В. Ползучесть и деформативность дисперсно-армированных мелкозернистых бетонов // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2010. – № 4. – С. 85 – 87.
24. Клюев С.В., Авилова Е.Н. Бетон для строительства оснований автомобильных дорог на основе сланцевого щебня // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2013. – № 2. – С. 38 – 41.
25. Клюев С.В. Усиление и восстановление конструкций с использованием композитов на основе углеволокна // Бетон и железобетон. – 2012. – №3. – С. 23 – 26.
26. Клюев С.В., Гурьянов Ю.В. Внешнее армирование изгибаемых фибробетонных изделий углеволокном // Инженерно-строительный журнал. – 2013. – №1(36). – С. 21 – 26.
27. Серых И.Р. Прочность сталебетонного элемента с составной обоймой при внецентренном сжатии и изгибе // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2005. – № 10. – С. 442 – 445.

 References

1. Adamjan I.R. Naprjazhenno-deformirovannoe sostojanie stalebetonnyh brus'ev prjamougol'nogo poperechnogo sechenija s sostavnoj obojmoj pri szhatii i izgibe: avtoref. dis. kand. tehn. nauk. Belgorod. – 2000. – 19 s.
2. Adamjan I.R. Jeksperimental'nye issledovanija naprjazhenno-deformirovannogo sostojanija stalebetonnyh korotkih kolonn // Sooruzhenija, konstrukcii, tehnologii i stroit. mat. XXI veka: Sb. dokl. II Mezhd. konf.-shk.-sem. molodyh uchenyh, aspirantov i doktorantov. Belgorod: Izd. BelGTASM. – 1999. – Ch.2. – S.3 – 6.
3. Adamjan I.R. Jeksperimental'nye issledovanija stalebetonnyh sterzhnej pri poperechnom izgibe // Kachestvo, bezopasnost', jenergo- i resursosberezhenie v prom.-ti stroit. mat. i stroitel'stve na poroge XXI veka: Sb. dokl. Mezhd. nauchno-prakticheskoj konf. Belgorod: Izd-vo BelGTASM. – 2000. – S.3 – 6.
4. Kljuev S.V. Fibrobeton i izdelija na ego osnove // Mezhdunarodnyj na-uchno-issledovatel'skij zhurnal. – 2015. – № 3 – 1 (34). – S. 70 – 73.
5. Kljuev S.V. Jeksperimental'nye issledovanija fibrobetonnyh konst-rukcij s razlichnymi vidami fibr // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal. 2015. – № 2 – 1 (33). – S. 39 – 44.
6. Kljuev S.V. Razrabotka dispersno-armirovannogo melkozernistogo be-tona na osnove tehnogennogo peska i kompozicionnogo vjazhushhego // Mezhduna-rodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal. – 2014. – № 11 – 2 (30). – S. 27 – 29.
7. Kljuev S.V. Vysokokachestvennyj fibrobeton dlja monolitnogo stroi-tel'stva // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal. – 2014. – № 11 – 2 (30). – S. 29 – 32.
8. Kljuev S.V. Vysokoprochnyj melkozernistyj fibrobeton na tehnogen-nom syr'e i kompozicionnyh vjazhushhih s ispol'zovaniem nanodispersnogo po-roshka // Beton i zhelezobeton. – 2014. – №4. – S. 14 – 16.
9. Kljuev A.V., Kljuev S.V., Netrebenko A.V., Durachenko A.V. Melkozerni-styj fibrobeton armirovannyj polipropilenovym voloknom // Vestnik Bel-gorodskogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova. – 2014. – № 4. – S. 67 – 72.
10. Kljuev S.V., Netrebenko A.V., Durachenko A.V., Pikalova E.K. Mono-litnyj fibrobeton dlja polov promyshlennyh zdanij // Sbornik nauchnyh tru-dov Sworld. – 2014. – T. 19. – №1. – S. 29 – 32.
11. Kljuev S.V., Netrebenko A.V., Durachenko A.V., Pikalova E.K. Fibro-armirovannye kompozity na tehnogennom syr'e // Sbornik nauchnyh trudov Sworld. – 2014. – T. 19. – №1. – S. 34 – 36.
12. Kljuev S.V. Vysokoprochnyj stalefibrobeton na tehnogennyh peskah KMA // Stroitel'nye materialy, oborudovanie, tehnologii HHI veka. – 2013. – № 11. – S. 38 – 39.
13. Kljuev S.V., Avilova E.N. Melkozernistyj fibrobeton s ispol'zova-niem polipropilenovogo volokna dlja pokrytija avtomobil'nyh dorog // Vest-nik Belgorodskogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova. – 2013. – № 1. – S. 37 – 40.
14. Kljuev S.V. Vysokoprochnyj stalefibrobeton na tehnogennyh peskah KMA // Tehnologii betonov. – 2012. – №. 5 – 6. – S. 33 – 35.
15. Kljuev S.V. Primenenie kompozicionnyh vjazhushhih dlja proizvodstva fibrobetonov // Tehnologii betonov. – 2012. – №1 – 2. – S. 56 – 58.
16. Kljuev S.V. Fibrobeton dlja karkasnogo stroitel'stva // Belgorodskaja oblast': proshloe, nastojashhee i budushhee: materialy nauchn.-prakt. konf. Belgo-rod: Izd-vo BGTU. – 2011. – Ch.3. – S. 37 – 38.
17. Kljuev S.V. Melkozernistyj stalefibrobeton na osnove otseva kvar-citopeschannika // Belgorodskaja oblast': proshloe, nastojashhee i budushhee: mate-rialy nauchn.-prakt. konf. – Belgorod: Izd-vo BGTU. – 2011. – Ch.3. – S. 27 – 31.
18. Kljuev S.V. Stalefibrobeton na osnove kompozicionnogo vjazhushhego // Belgorodskaja oblast': proshloe, nastojashhee i budushhee: materialy nauchn.-prakt. konf. Belgorod: Izd-vo BGTU. – 2011. – Ch.3. – S. 32 – 36.
19. Kljuev S.V. Osnovy konstruktivnoj organizacii prirodnyh i iskus-stvennyh materialov // Sovremennye tehnologii v promyshlennosti stroi-tel'nyh materialov i strojindustrii: sb. stud. dokl. Mezhdunarodnogo kon-gressa: V 2 ch. Ch. 1. Belgorod: Izd-vo BGTU im. V.G. Shuhova. – 2003. – S. 161 – 163.
20. Kljuev S.V. Vysokoprochnyj fibrobeton dlja promyshlennogo i grazh-danskogo stroitel'stva // Inzhenerno-stroitel'nyj zhurnal. – 2012. – №8(34). – S. 61 – 66.
21. Kljuev S.V. Jeksperimental'nye issledovanija fibrobetonnyh konst-rukcij // Stroitel'naja mehanika inzhenernyh konstrukcij i sooruzhenij. – 2011. – №.4 – S. 71 – 74.
22. Kljuev S.V., Harhardin A.N. Raschet vysokoplotnoj upakovki zeren melkozernistogo betona // Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tehnolo-gicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova. – 2011. – № 1. – S. 34 – 37.
23. Kljuev S.V. Polzuchest' i deformativnost' dispersno-armirovannyh melkozernistyh betonov // Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tehnolo-gicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova. – 2010. – № 4. – S. 85 – 87.
24. Kljuev S.V., Avilova E.N. Beton dlja stroitel'stva osnovanij avtomo-bil'nyh dorog na osnove slancevogo shhebnja // Vestnik Belgorodskogo gosudar-stvennogo tehnologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova. – 2013. – № 2. – S. 38 – 41.
25. Kljuev S.V. Usilenie i vosstanovlenie konstrukcij s ispol'zovaniem kompozitov na osnove uglevolokna // Beton i zhelezobeton. – 2012. – №3. – S. 23 – 26.
26. Kljuev S.V., Gur'janov Ju.V. Vneshnee armirovanie izgibaemyh fibro-betonnyh izdelij uglevoloknom // Inzhenerno-stroitel'nyj zhurnal. – 2013. – №1(36). – S. 21 – 26.
27. Seryh I.R. Prochnost' stalebetonnogo jelementa s sostavnoj obojmoj pri vnecentrennom szhatii i izgibe // Vestnik Belgorodskogo gosudarstvenno-go tehnologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova. – 2005. – № 10. – S. 442 – 445.