УДК 691.32 + 666.97
Д.С. СТАРЧУКОВ, канд. техн. наук, ВКА имени А.Ф. Можайского, г. Санкт-Петербург
Ключевые слова: высокопрочный бетон, кремнезоль, золь гидроксида железа (III), модифицирование, ударная прочность, сопротивление удару
Keywords: high strength concrete, silica sol, iron (III) hydroxide sol, modification, impact strength, impact resistance
В статье приведены методика проведения испытаний ударной прочности высокопрочных бетонов, а также результаты экспериментальных испытаний ударной прочности (сопротивления удару) бетона, модифицированного зольсодержащими растворами.
Из предыдущих публикаций [1-7] известно, что существует два метода упрочнения высокопрочного бетона зольсодержащими растворами. Первый – это традиционное введение зольсодержащих растворов внутрь бетонной смеси в виде добавок [1-4]. Второй – внешнее модифицирование поверхности высокопрочного бетона зольсодержащими растворами [4-7], когда тело бетонного камня уже начинает формироваться.
Данные методы модифицирования зольсодержащими растворами позволяют получить высокопрочный бетон с улучшенными показателями качества, одним из которых является ударная прочность.
Настоящая статья посвящена оценке повышения ударной прочности высокопрочного бетона при его объемном и поверхностном модифицировании зольсодержащими растворами.
Далее подробно рассмотрим эти оценки.
Оценка повышения ударной прочности высокопрочного бетона, модифицированного зольсодержащими растворами
В соответствии с задачей исследования были проведены экспериментальные испытания ударной прочности (сопротивления удару) модифицированного высокопрочного бетона при поверхностном упрочнении зольсодержащими составами.
Для поверхностного упрочнения как наиболее эффективный из разработанных [8, 9] с точки зрения упрочнения бетона был выбран модифицирующий состав на основе кремнезоля, технические условия на который приведены в библиографическом списке [9].
Этот показатель играет значительную роль, и его определяют в тех случаях, когда в процессе эксплуатации материалы в бетонных конструкциях подвергаются динамическим воздействиям, например, при расчете на действие ударной циклической нагрузки от транспорта.
Рассмотрим сначала само определение ударной прочности.
Ударная прочность (сопротивление удару) – это свойство материала сопротивляться разрушению при ударных нагрузках. Она характеризуется количеством работы, затраченной на разрушение стандартного образца, отнесенной к единице объема или площади поперечного сечения.
Другими словами, ударная нагрузка характеризуется удельной работой, затрачиваемой на разрушение бетона, то есть работой, отнесенной к единице объема. Берем объем, а не площадь поперечного сечения из-за того, что на практике имеем дело с объемными железобетонными конструкциями.
Необходимо отметить, что проведенный анализ существующих методов оценки ударной прочности высокопрочных бетонов показал полное отсутствие необходимых в данном случае ГОСТов. Выполненный литературный обзор показал, что существует не гостированная методика испытания на удар бетона, приведенная в [10]. Это обстоятельство можно объяснить тем, что ранее ударная прочность в бетонах не оценивалась.
Таблица 1. Результаты испытаний ударной прочности (сопротивления удару) модифицированного высокопрочного бетона на основе зольсодержащих растворов
| Вид бетона | Возраст, сут. | Условия твердения | Номер образца | Масса образца, г | Размеры образцов, см | Площадь, см2 | Объем образца, см3 | Плотность, г/см3 | Порядковый номер удара, разрушившего образец | Ударная прочность, Дж/см3 | Процент повышения ударной прочности | ||
| Диаметр | Высота | Отдельных образцов | Среднее | ||||||||||
| Обычный | 28 | естественные | 1 | 29,60 | 2,50 | 2,51 | 4,91 | 12,32 | 2,403 | 7 | 0,33 | 0,33 | – |
| 2 | 29,81 | 2,51 | 2,50 | 4,95 | 12,38 | 2,408 | 7 | 0,33 | |||||
| 3 | 29,39 | 2,49 | 2,51 | 4,87 | 12,22 | 2,405 | 7 | 0,34 | |||||
| Модифицированный (объемное упрочнение) | 28 | естественные | 1 | 29,63 | 2,50 | 2,50 | 4,91 | 12,28 | 2,413 | 10 | 0,72 | 0,72 | в 2,2 раза |
| 2 | 29,37 | 2,49 | 2,50 | 4,87 | 12,18 | 2,411 | 10 | 0,71 | |||||
| 3 | 29,75 | 2,50 | 2,51 | 4,91 | 12,32 | 2,415 | 10 | 0,73 | |||||
| Модифицированный (поверхностное упрочнение)* | 28 | естественные | 1 | 29,59 | 2,49 | 2,50 | 4,87 | 12,18 | 2,429 | 13 | 1,24 | 1,25 | в 3,8 раза |
| 2 | 29,73 | 2,50 | 2,50 | 4,91 | 12,28 | 2,421 | 13 | 1,24 | |||||
| 3 | 29,82 | 2,50 | 2,50 | 4,91 | 12,28 | 2,428 | 13 | 1,26 | |||||
* Был выбран модифицирующий состав на основе кремнезоля как наиболее эффективный из разработанных
Сегодня технология бетона активно развивается [11], он приобретает новые свойства. Следствием этого является необходимость разработки методов оценки полученных новых свойств.
Далее рассмотрим саму оценку ударной прочности высокопрочного бетона, которая производилась по методике, изложенной в [10].
Испытание на удар выполнялось на копре Педжа, который является наиболее распространенным среди существующих копров для высокопрочных бетонов (рис. 1).
Устройство копра Педжа
Копр состоит из массивной опоры массой около 50 кг, служащей также наковальней, и двух направляющих стержней.
На нем испытывались образцы в виде цилиндров с диаметром и высотой равными 25 мм. На наковальне устанавливался экспериментальный образец. По направляющим стержням передвигался стальной молот массой 2 кг. Удар молота по образцу производился через подбабок со сферической поверхностью, чтобы удар передавался строго в центр верхней грани образца. Первый удар наносился молотком, падающим с высоты 1 см, второй – с высоты 2 см, третий – с высоты 3 см и так далее до разрушения образца, то есть до появления первой трещины.
Методика испытаний
Показателем сопротивляемости бетонного образца удару служит порядковый номер удара, предшествующий разрушению образца.
Ударная прочность (сопротивление удару) бетона вычисляется как среднее арифметическое результатов испытаний трех образцов по следующей формуле:
, (1)
где n – порядковый номер удара, разрушившего образец, т.е. высота падения груза, см; (n-1) – порядковый номер удара, предшествующий разрушению; A – количество работы, затраченной на разрушение стандартного образца, Дж; m – масса стального молота, кг; V – объем образца, см3.
За результат испытаний принимают среднее арифметическое значение ударной прочности трех образцов.
Экспериментальные исследования
В работе испытанию подвергались образцы-цилиндры размером d=2,5 см и h=2,5 см, в возрасте 28 суток нормального твердения. Полученные результаты представлены в табл. 1.
Результаты экспериментальных испытаний показали, что фактическая ударная прочность высокопрочного бетона по своему составу на основе обычного бетона класса В30, но модифицированного комплексной добавкой на основе золя гидроксида железа (III) (объемное упрочнение) [12], в возрасте 28 суток нормального твердения составляет 0,72 Дж/см3, что соответствует фактическому повышению в 2,2 раза по сравнению с обычным бетоном.
Второй цикл экспериментальных испытаний показал, что фактическая ударная прочность высокопрочного бетона по своему составу на основе обычного бетона класса В30, но модифицированного кремнезолем (поверхностное упрочнение), в возрасте 28 суток нормального твердения составляет 1,25 Дж/см3, что соответствует фактическому повышению в 3,8 раза по сравнению с обычным бетоном.
Такое высокое повышение ударной прочности бетона подтверждает теоретические прогнозы о повышении ударопрочных свойств бетона за счет модифицирования зольсодержащими растворами.
Выводы:
1) Приведены методика и результаты экспериментальных испытаний ударной прочности высокопрочного бетона, модифицированного зольсодержащими растворами.
2) Ударная прочность высокопрочного бетона, модифицированного комплексной добавкой на основе золя гидроксида железа (III) (объемное упрочнение), в возрасте 28 суток нормального твердения составляет 0,72 Дж/см3, что соответствует фактическому повышению в 2,2 раза по сравнению с обычным, немодифицированным бетоном.
3) Ударная прочность высокопрочного бетона, модифицированного кремнезолем (поверхностное упрочнение), в возрасте 28 суток нормального твердения составляет 1,25 Дж/см3, что соответствует фактическому повышению в 3,8 раза по сравнению с обычным, немодифицированным бетоном.
4) При поверхностном упрочении бетона модифицирующим зольсодержащим составом на основе кремнезоля в нем образуется сверхпрочный поверхностный слой, который создает неорганическую монолитную минеральную обойму, значительно повышающую все остальные физико-механические свойства бетонного ядра.
Библиографический список
1. Старчуков Д.С. Разработка комплексной добавки на основе золя гидроксида железа, отличающейся повышенным активирующим и пластифицирующим эффектами действия / Д.С. Старчуков // Бетон и железобетон, №3, 2012, с. 11-12.
2. Старчуков Д.С. Оценка эффективности действия комплексной добавки на основе золя гидроксида железа для получения высокопрочного бетона // Бетон и железобетон, №5, 2012, с. 8-9.
3. Старчуков Д.С. Математическое моделирование эксперимента при получении высокопрочного тяжелого бетона с зольсодержащими добавками/ Д.С. Старчуков [и др.] // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века, №5, 2013, с. 58-64.
4. Старчуков Д.С. Метод модифицирования поверхностного слоя бетона кремнезолем в процессе твердения / Д.С. Старчуков // Транспортное строительство, №12, 2016, с. 22-24.
5. Старчуков Д.С. Математические модели модифицирования кремнезолем поверхностного слоя бетона в процессе твердения / Д.С. Старчуков // Транспортное строительство, №10, 2016, с. 20-21.
6. Сватовская Л.Б. Комплексная оптимизация технологических показателей при поверхностном модифицировании высокопрочного бетона зольсодержащими составми / Л.Б. Сватовская, Д.С. Старчуков, Р.Б. Шмаков // Труды Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского. – Вып. 663. / МО РФ; ВКА имени А.Ф. Можайского. – СПб., 2018, с. 211-217.
7. Старчуков Д.С. Математические модели описания физико-химических процессов поверхностного и объемного модифицирования высокопрочных бетонов зольсодержащими растворами / Д.С. Старчуков // Труды Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского. – Вып. 663. / МО РФ; ВКА имени А.Ф. Можайского. – СПб., 2018, с. 218-224.
8. ТУ 5743-010-98593931-2015 «Модифицирующий состав для бетона «Ferrozole» / Введены впервые, дата введения 25.10.2015 г.
9. ТУ 5743-011-98593931-2015 «Модифицирующий состав для бетона «Kremnezole» / Введены впервые, дата введения 25.10.2015 г.
10. Ковалев Я.Н. Строительные материалы. Лабораторный практикум: учеб.-метод. пособие / Я.Н. Ковалев [и др.] / под ред. д.т.н. Я.Н. Ковалева. – Минск: Новое знание; М.: ИНФРА-М, 2013, – 633 с.
11. Несветаев Г.В. Бетоны: уч. пособие / Г.В. Несветаев // Ростов-на-Дону: Феникс, 2011, – 383 с.
12. ТУ 5743-002-98593931-2014 «Добавка для бетонов и растворов «Zole»/ Введены впервые, дата введения 11.12.2014 г.
