В статье приведены результаты исследований по изучению технологических свойств сталефибробетонов с использованием добавок-суперпластификаторов. Проанализировано влияние факторов состава, в частности водоцементного отношения, содержания фибры, а также вида заполнителя. Получены экспериментальные зависимости водопотребности фибробетонных смесей, в т.ч. при использовании суперпластификатора. Изучены кинетика изменения подвижности фибробетонных смесей для обычного тяжелого и мелкозернистого бетонов, а также влияние подвижности бетонной смеси и продолжительности ее виброуплотнения на коэффициент расслоения.
УДК 691(075.3)
Л.И. ДВОРКИН, доктор техн. наук, профессор, О.М. БОРДЮЖЕНКО, канд. техн. наук, доцент, Т.В КОВАЛЬЧУК, аспирант, Национальный университет водного хозяйства и природопользования, г. Ровно, Украина
Ключевые слова: сталефибробетон, фибра, суперпластификатор, бетонная смесь, подвижность, расслоение
Keywords: steel-fiber concrete, fiber, superplasticizer, concrete mixture, fluidity, stratification
Одной из тенденций в современном строительстве является расширение масштабов использования фибробетонов, что обусловливает необходимость учета их технологических особенностей.
Воздействие основных технологических факторов на свойства фибробетонных смесей в большинстве работ изучалось без учета возможного влияния добавок-суперпластификаторов [1-3].
Целью данной работы было исследование технологических свойств крупно- и мелкозернистых сталефибробетонных смесей и влияния на эти свойства факторов состава с учетом присутствия суперпластификаторов основных типов и условий приготовления.
В качестве исходных компонентов бетонной смеси использовали цемент ЦЕМ II/А-Ш 42,5Н ПАО «Волынь-цемент», кварцевый песок с Мкр=2,1, гранитный щебень фр. 2…5 мм (для мелкозернистого бетона) и 5..20 мм. Расход фибры менялся в пределах 0,4…1,3% по объему. В бетонные смеси вводили суперпластификаторы нафталин-формальдегидного типа С-3 (Полипласт СП-1) и поликарбоксилатного типа (Melflux 2651F). Соотношение песка и щебня для обычного тяжелого бетона рассчитывали согласно известным рекомендациям [4]. Использовали волнистую фибру из низкоуглеродистой стали типа Fibax Ф1 60/1 (длина 60±6 мм, диаметр 1±0,1 мм).
На первом этапе бетонные смеси готовили при четырех различных значениях Ц/В. Подвижность смесей выдерживали в пределах 15 см. Результаты опытов приведены на рис. 1.
В пределах области постоянства водопотребности для исследуемых бетонов установлены зависимости водосодержания от подвижности бетонной смеси (рис. 4). Расход суперпластификатора Melflux 2651F составил 0,5%, С-3 – 1% от массы цемента. Как видно из приведенных данных, применение добавок-суперпластификаторов приводит к тому, что смеси (особенно мелкозернистые) становятся более чувствительными к изменению подвижности уже при небольших изменениях водосодержания. Для определения изменения водопотребности бетонных смесей за пределами правила постоянства водопотребности можно использовать эмпирическую формулу:
, (1)
где Во – водопотребность, установленная в пределах действия правила постоянства водопотребности; Кн.г. – нормальная густота цемента.
В табл. 1 приведены значения водосодержания бетонных смесей с использованием добавок-суперпластификаторов при Ц/В>(Ц/В)кр и различных показателях подвижности бетонной смеси, а также значения ∆В, вычисленные по формуле (1) и найденные экспериментально.
Таблица 1. Расчетные и экспериментальные значения увеличения водосодержания фибробетонных смесей за пределами правила постоянства водопотребности
ОК, см | В0, л при (Ц/В)кр=2.2 | Поправка на водосодержание ∆В, л (по формуле 1) при | Поправка на водосодержание ∆В, л (экспериментальная) при | ||
Ц/В=2,7 | Ц/В=3,1 | Ц/В=2,7 | Ц/В=3,1 | ||
Обычный фибробетон | |||||
5 | 185 | 14,6 | 26,4 | 15 | 27 |
10 | 205 | 25,7 | 46,4 | 24 | 42 |
15 | 218 | 36,0 | 65,1 | 32 | 61 |
20 | 225 | 42,9 | 77,5 | 43 | 75 |
Мелкозернистый фибробетон | |||||
5 | 192 | 17,9 | 32,4 | 16 | 31 |
10 | 210 | 29,3 | 53,0 | 26 | 50 |
15 | 225 | 42,9 | 77,5 | 43 | 76 |
20 | 238 | 58,4 | 105,5 | 56 | 103 |
Полученные результаты показывают хорошую сходимость по величине ∆В, рассчитанной по формуле (1) и найденной экспериментально. Значения ∆В, приведенные в табл. 1, можно использовать при проектировании составов высокопрочных фибробетонов, требующих высоких значений Ц/В.
Таблица 2. Составы смесей и прочностные показатели фибробетонов
№ | В/Ц | Расход основных компонентов, кг/м3 | Фибра, кг/м3 | Вид и содержание суперпластификатора, % | Прочность в возрасте 28 сут., МПа | ||||
Вода | Цемент | Песок | Щебень | растяжение при изгибе | сжатие | ||||
Бетон и фибробетон | |||||||||
1 | 0,46 | 230 | 500 | 655 | 1252 | – | – | 5,1 | 53,2 |
2 | 0,48 | 238 | 500 | 655 | 1252 | 60 | – | 7,9 | 55,6 |
3 | 0,36 | 178 | 500 | 655 | 1252 | 60 | С-3 (1%) | 10,8 | 83,5 |
4 | 0,27 | 135 | 500 | 655 | 1252 | 60 | Melflux (0,5%) | 12,1 | 102,1 |
Мелкозернистый бетон и фибробетон | |||||||||
5 | 0,53 | 263 | 500 | 1860 | – | – | 5,9 | 45,9 | |
6 | 0,50 | 248 | 500 | 1860 | 100 | – | 11,6 | 48,5 | |
7 | 0,38 | 188 | 500 | 1860 | 100 | С-3 (1%) | 14,3 | 69,5 | |
8 | 0,32 | 161 | 500 | 1860 | 100 | Melflux (0,5%) | 16,2 | 85,3 |
Примечание: в мелкозернистом бетоне соотношение фракций 2…5 мм и с Мк=2,1 составляло 1,22:1
Важным для фибробетонных смесей является прогнозирование потери подвижности – так называемой живучести или сохраняемости подвижности смеси во времени, которая позволяет вносить коррективы при назначении начальной удобоукладываемости и определять допустимую продолжительность транспортировки смеси. Для высокоподвижных бетонных и фибробетонных смесей в качестве показателя сохраняемости подвижности можно принять время, за которое среднее значение осадки конуса уменьшается от 20 до 15 см. Для сравнительной оценки сохранности подвижности смесей во времени были проведены испытания фибробетонных смесей, составы которых представлены в табл. 2.
Наибольшими потерями подвижности во времени (рис. 5) характеризуются смеси с добавками-суперпластификаторами, наименьшими – без добавок и с использованием фибры. Введение фибры приводит к некоторому уменьшению сохраняемости подвижности бетонных смесей во времени по сравнению со смесями без фибры. Длительность, при которой подвижность смесей остается практически постоянной, для составов 1-4 составляла соответственно 1,5, 1,35, 0,95 и 0,76 ч.
Наибольшими потерями подвижности во времени характеризуются мелкозернистые смеси с добавками-суперпластификаторами, причем кинетика изменения подвижности для составов с использованием обоих видов суперпластификаторов практически одинакова (рис. 6). Живучесть смесей для составов 5-8 составляет соответственно 1,34, 0,77, 0,51 и 0,49 ч. Длительность сохраняемости подвижности смесей, включающих суперпластификатор, можно существенно увеличить, используя дополнительное перемешивание после их приготовления. Для повышения живучести фибробетонных смесей целесообразно введение суперпластификаторов после предварительного (2-минутного) перемешивания бетонной смеси. Такой способ позволяет получить некоторую экономию добавки по сравнению с введением ее с водой затворения для получения смесей и бетонов с одинаковыми характеристиками.
Продолжительность действия пластифицирующей добавки повышается также при ее порционном введении в бетонную смесь. Эффективность порционного введения для получения высокоподвижных смесей можно объяснить с позиции необходимости обеспечения в жидкой фазе гидратируемого цемента некоторого избыточного количества пластификатора.
При изготовлении дисперсноармированных бетонов повышенное внимание необходимо уделять продолжительности вибрирования. Время виброобработки оказывает существенное влияние на равномерность распределения фибры по объему бетона. Превышение времени вибрирования бетонной смеси сверх установленного (в зависимости от его состава) может привести к расслоению фибробетонной смеси.
Были выполнены экспериментальные исследования, заключающиеся в установлении влияния содержания стальной фибры и продолжительности виброуплотнения на расслоение бетонной смеси различной подвижности. Исследования выполнялись на мелкозернистых бетонных смесях одинакового состава. Необходимая подвижность бетонной смеси обеспечивалась подбором содержания суперпластификатора поликарбоксилатного типа Melflux 2651F. Содержание стальной фибры составляло 60 и 100 кг на кубометр бетонной смеси. Равномерность распределения фибры по объему бетонной смеси оценивалась по коэффициенту расслоения, определяемому по методике, приведенной в [5].
Результаты экспериментального определения коэффициента расслоения мелкозернистого сталефибробетона приведены на рис. 7.
)Рис. 7. Зависимость коэффициента расслоения от продолжительности виброуплотнения мелкозернистого фибробетона при разной подвижности бетонной смеси (а – содержание фибры 60 кг/м3, б – 100 кг/м3)
Полученные результаты свидетельствуют о том, что наиболее существенными факторами, влияющими на коэффициент расслоения сталефибробетонных смесей, являются их подвижность и продолжительность виброуплотнения. Установлено, что при увеличении подвижности бетонной смеси необходимо существенно ограничивать продолжительность виброуплотнения. Для обеспечения необходимых значений коэффициента расслоения (0,75…0,8) оптимальная продолжительность виброуплотнения составляет не более 45 секунд для смесей, характеризующихся подвижностью 5…9 см, 15…30 секунд – для смесей с подвижностью 10…15 см и не более 15 секунд для смесей с подвижностью 16…21 см. Увеличение содержания фибры в исследованном диапазоне существенно не влияет на коэффициент расслоения мелкозернистого сталефибробетона. При постоянной подвижности бетонной смеси и продолжительности виброуплотнения увеличение содержания стальной фибры в диапазоне от 60 до 100 кг/м3 приводит к уменьшению коэффициента расслоения в среднем на 3…5%.
Выводы:
1. Экспериментально установлено, что для сталефибробетонов, как и для обычных бетонов, действует правило постоянства водопотребности, согласно которому при постоянной подвижности бетонной смеси водопотребность остается практически неизменной при цементно-водных отношениях, меньших некоторого критического значения (Ц/В<Ц/Вкр). Получены экспериментальные зависимости водопотребности фибробетонных смесей, в т.ч. при использовании добавок-суперпластификаторов в широком диапазоне подвижности бетонных смесей.
2. Изучена кинетика изменения подвижности фибробетонных смесей при применении обычного тяжелого и мелкозернистого бетонов. Исследованы диапазоны изменения подвижности бетонных смесей во времени с учетом факторов, характеризующих их состав.
3. Изучено влияние подвижности бетонной смеси и продолжительности ее виброуплотнения на коэффициент расслоения. Показано, что для мелкозернистого сталефибробетона при одинаковой продолжительности виброуплотнения расслоение меньше, чем для обычного тяжелого фибробетона. Применение мелкозернистого сталефибробетона даже при увеличенном содержании фибры позволяет существенно увеличить однородность смеси.
Библиографический список
1. Рабинович Ф.Н. Композиты на основе дисперсноармированных бетонов. Вопросы теории и проектирования, технологии, конструкции. Монография. – М.: Изд. АСВ, 2006, – 560 с.
2. Пухаренко Ю.В. Высокопрочный сталефибробетон / Ю.В. Пухаренко, В.Ю. Голубев // Промышленное и гражданское строительство, №9, 2007, с. 40-41.
3. Дорф В.А. Влияние содержания и характеристик фибры на коэффициент истираемости сталефибробетона с цементно-песчаной матрицей / В.А. Дорф, Р.О. Красновский, Д.Е. Капустин // Технологии бетонов, №12, 2013, с. 40-42.
4. Дворкин Л.И. Основы бетоноведения / Л.И. Дворкин, О.Л. Дворкин. – СПб.: Строй-Бетон, 2006, – 6 с.
5. СТО НОСТРОЙ 2.27.125 – 2013. Конструкции транспортных тоннелей из фибробетона. – М.: ЦИТП, 2015, – 3 с.