Предлагается провести широкий круг исследований эффективных добавок, способных регулировать физико-механические и реологические характеристики бетона. Приводятся экспериментальные данные, доказывающие возможность решения вопросов управления свойствами бетонов.

И.М. БЕЗГОДОВ, научный сотрудник, Е.Н. ДМИТРЕНКО, канд. техн. наук, А.Н. НАЧАРОВА, студентка, Московский государственный строительный университет (МГСУ)

Ключевые слова: бетон, модифицированные добавки, деформативность, модуль упругости, ползучесть, структурное регулирование
Keywords: concrete, modified additives, deformability, elastic modulus, creep, structural regulation

В настоящее время все большее распространение получают модифицированные бетоны. Основными модификаторами бетонов служат добавки различного назначения [1-3]. Использование добавок определенного качества и в оптимальном количестве позволяет управлять процессами структурообразования и создавать бетоны с необходимыми свойствами. С помощью добавок можно регулировать свойства бетонной смеси, схватывание и твердение бетона, повышать прочность, морозостойкость, водонепроницаемость и другие свойства. Однако среди множества существующих добавок отсутствуют добавки, с помощью которых можно регулировать деформативные свойст­ва бетона: модуль упругости и предельную деформативность при сжатии и растяжении, ползучесть.

Следует отметить, что в ряде случаев низкий модуль упругости и повышенная деформативность могут играть положительную роль при расчетах бетонных и железобетонных конст­рукций и сооружений. Так, использование высокопрочной арматуры при центральном сжатии требует повышенной деформативности бетона, что приводит к увеличению несущей способности колонн [4, 5]. В условиях сейсмического и динамического воздействия бетон конструкции лучше сопротивляется, имея низкий модуль упругости и повышенную деформативность. В зонах концентраций напряжений перераспределение последних замедляет процесс трещинообразования. Повышенная трещиностойкость конструкций при условии сохранения показателя дефектности структуры [6] важна при работе гидротехнических сооружений. В ряде работ [7, 8] отмечается, что одним из перспективных направлений повышения долговечности аэродромных и дорожных покрытий из бетона является применение различных модифицированных добавок, изменяющих их деформативность.

К сожалению, перечня таких добавок и исследований их эффективности в настоящее время не существует. Данная проблема находится на стыке двух дисциплин: материаловедение и механика деформирования твердого тела.

Регулировать модуль упругости и предельную деформативность можно различными способами, но не всегда вслед за снижением модуля упругости повышается предельная деформативность при сжатии. Кроме того, возможны случаи, когда в условиях кратко­временного нагружения повышение предельной деформативности не наблюдается, а в условиях длительного воздействия отмечается существенное увеличение ползучести. Поэтому оценивать предельную деформативность необходимо также и в условиях длительного нагружения.

Регулировать модуль упругости и предельную деформативность можно несколькими способами. Например, используя низкомодульные крупные и мелкие заполнители, можно снизить модуль упругости, но не факт, что при этом увеличится предельная деформативность.

Используемые в промышленности воздухововлекающие добавки позволяют получать материалы с равномерно распределенным в них воздухом в виде мелких пузырьков, что приводит к снижению модуля упругости.

Введение некоторых добавок может изменить процесс кристаллизации цемента и привести к изменению реологических процессов в бетоне под нагрузкой. Возможно и комплексное использование низкомодульных заполнителей (щебня и песка), воздухововлекающей добавки и добавки, реагирующей с вяжущим, образуя более пластичные кристаллы.

Необходимо выявить возможный перечень добавок, их концентрацию и технологию введения в бетонную смесь, а также провести сравнительные эксперименты по оценке модуля упругости и предельной деформативности при кратковременном и длительном нагружении.

Если для определения модуля упругости имеется стандартная методика, то для оценки предельной относительной деформации бетона соответствующей призменной прочности в нашей стране не существует и приходится пользоваться экспериментальными установками.

Прогнозировать предельную относительную деформацию, соответствующую призменной прочности по результатам незаконченных измерений деформаций при стандартных испытаниях, весьма непросто, поскольку на последнем этапе разрушения деформации проявляются по-разному в зависимости от призменной прочности. При низких значениях призменной прочности на участке от 0,9 до 1,0 Rb деформации могут составлять 30-40% от предельной деформации, а для высокой призменной прочности – 15-20%. Для определения предельной относительной деформации бетона при сжатии, соответствующей призменной прочности, можно воспользоваться методикой, предложенной в статье [9].

Для сравнения модуля упругости и предельной деформативности двух составов бетона, которые имели близкую призменную прочность, но отличались тем, что во второй состав вводились газообразующая добавка
КЭ-30-04 и модификатор МБ-50С, были проведены эксперименты по методике получения полных диаграмм деформирования бетона при сжатии. Результаты данных опытов представлены в табл. 1 и на рис. 1. Как видно из табл. 1, для бетона с добавкой КЭ-30-04 и модификатором МБ-50С значение модуля упругости ниже на 23,7%, а предельная относительная деформация сжатия выше на 25,7%. Анализируя кривые на рис. 1, можно отметить, во-первых, что у бетонов с данной призменной прочностью отсутствует ниспадающая ветвь, что также было отмечено в работе [10]. Кроме того, линейность деформирования в зоне разрушения у бетона с добавкой КЭ-30-04 и модификатором МБ-50С выше.

Таблица 1

Состав бетона	Rb, МПа	Eb х 103, МПа	εb0 x 10-5
1	57,5	37,9	245
2	59,1	28,9	308

Известно, что песок, используемый в строительстве для изготовления бетонных и железобетонных конструкций, не должен иметь более 2-3% глинистых частиц. В то же время для придания пластических свойств раствору глину разрешается вводить в цементно-песчаный раствор в гораздо большем объеме. Вероятно, что столь жесткие требования важны для бетонов высоких классов, а для низких и средних классов влияние глины в песке не столь сильно сказывается, хотя на модуль упругости и предельную деформативность она может иметь существенное влияние.

Для выявления особенностей физико-механических характеристик бетона с наличием глинистых частиц были изготовлены три серии образцов-призм размером 7,07×7,07×28,0 см. Все три серии изготавливались из бетона состава 1:2.79:4.81 на портландцементе М500 в количестве 261 кг/м³ при В/Ц=0,69. В качестве заполнителя использовался фракционированный гранитный щебень 5-10, 10-20 мм и кварцевый песок средней крупности. Осадка конуса составляла 1-2 см.

В первый состав входил песок, который был отмучен и не имел глинистых частиц, а во второй состав входил песок с наличием глинистых частиц в количестве 6,8% от массы песка. Третий состав был изготовлен с наличием чистого песка и добавки глинисто-известковой в соотношении 10:1. Количество добавки составляло 6% от массы цемента. Данную добавку изготавливали следующим образом. Порошок глины и гашеной извести перемешивался, в него добавлялась вода до получения сметанообразной пасты, которая также перемешивалась и впоследствии высушивалась при 110°С. Перед бетонированием необходимое количество добавки растворялось в воде и вводилось в бетонную смесь.

Среднее значение плотности трех серий бетона и скорость ультразвука мало отличались и составили: плотность 2,35-2,37 г/см³, а скорость ультразвука: 4000-4200 м/сек. Причем у третьей серии плотность и скорость ультразвука были выше.

Все три состава были испытаны по методике [9] для получения призменной прочности, модуля упругости и предельной деформативности при сжатии, а также на уровне 0,85Rb на нисходящем участке. Кроме того, данные составы были нагружены длительной нагрузкой при относительном уровне 0,3 и 0,6Rb. Длительность эксперимента составила 30 суток.

Сравнительные эксперименты по исследованию физико-механических и реологических характеристик представлены в табл. 2, 3 и на графиках рис. 2. Как видно из табл. 2, значения призменной прочности для трех составов мало отличались, а модуль упругости у бетона на глинистом песке снизился на 17,2% по сравнению с составом на чистом песке. Сравнивая предельные деформации, соответствующие призменной прочности, можно отметить существенное увеличение до 23% у второго состава на глинистом песке и у третьего состава на глинисто-известковой добавке – (16%). Значения относительных деформаций на уровне 0,85Rb нисходящей ветви также более высокие у второго и третьего составов и превышали значения, полученные на чистом песке, на 29 и 33% соответственно.

Таблица 2

Состав	Rb, МПа	Eb х 103, МПа	εb0 x 10-5	εbH–0,85 x 10-5
1	28,8	33,7	176	233
2	26,9	27,9	217	301
3	27,1	31,8	204	311

На рис. 2 изображены полные диаграммы деформирования бетона при сжатии трех составов. Как видно из рисунка, пластические свойства у второго и третьего состава значительно выше по сравнению с составом на чистом песке.

Сравнивая деформации ползучести, можно отметить, что у второго состава с наличием глинистого песка при уровне 0,3Rb ползучесть была одинаковой с первым составом, а при уровне 0,6Rb увеличилась на 22%. В то же время у третьего состава на глинисто-известковой добавке деформации увеличились при 0,3Rb на 73%, а при уровне 0,6Rb – на 104%. При этом, если сравнить упругие деформации при уровне 0,3 и 0,6Rb, можно отметить значительное увеличение деформаций у второго состава на глинистом песке –18,5% при 0,3Rb и 17,1% при 0,6Rb.

Таблица 3

Состав	σ=0,3Rb			σ=0,6Rb
	εy	εп(30)	Σ(εy+εп)	εy	εп(30)	Σ(εy+εп)
1	26,5	6,7	33,2	56,7	27,0	83,7
2	31,4	6,6	38,0	66,4	33,0	99,4
3	27,8	11,6	39,4	57,9	55,2	113,1

Таким образом, результаты экспериментов показывают, что структурное регулирование физико-механических и реологических свойств вполне реально и необходимы дальнейшие исследования в данном направлении с целью выявления всех факторов, оказывающих влияние на изменение модуля упругости, предельную деформативность и ползучесть. Также необходимо теоретическое обоснование возможностей структурного регулирования физико-механических и реологических характеристик. Все это позволит направленно регулировать деформативные свойства бетона и повысить уровень трещиностойкости. Проблема разработки и поиска новых видов эффективных добавок для снижения модуля упругости и повышения деформативности позволит получить новые виды добавок, которые будут использоваться в строительной практике, что позволит повысить долговечность бетонных, железобетонных конструкций и инженерных сооружений, возводимых как из сборных, так и из монолитных бетонов.

Библиографический список

1. ГОСТ 24211-91. Добавки для бетонов. Общие технические ­требования. – М.: Издательство стандартов, 1992. – 17 с.

2. Касторных Л.И. Добавки в бетоны и строительные растворы: учебно-справочное пособие. – Ростов на Дону: Феникс, 2007. – 221 с.

3. Баженов Ю.М., Демьянова В.С., Калашников В.И. Модифицированные высококачественные бетоны. – М.: Издательство АСВ, 2006. – 368 с.

4. Щелкунов В.Г. Резервы прочности сжатых железобетонных элементов //Бетон и железобетон. – 1980. – №1. – С. 34-36.

5. Коркишко А.М. Длительная прочность стоек, армированных высокопрочной арматурой // Изв. вузов. Сер. «Строительство и архитектура». – 1980. – №5. – С. 15-19.

6. Безгодов И.М. О соотношении прочностных и деформативных ­характеристик бетона при сжатии, растяжении и растяжении при изгибе //Бетон и железобетон. – 2012. – №2. – С. 2-5.

7. Шейнин А.М. Цементобетон для дорожных и аэродромных покрытий. – М.: Транспорт, 1991. – 151 с.

8. Иноземцев С.С., Королев Е.В. Выбор минерального носителя наноразмерной добавки для асфальтобетона //Вестник МГСУ. 2014. №3. С. 158-167.

9. Безгодов И.М., Левченко П.Ю. К вопросу о методике получения полных диаграмм деформирования бетона //Технологии бетонов. – 2013. – №10. – С. 34-36.

10. Безгодов И.М. К вопросу оценки предельной относительной деформации бетона при сжатии для различных классов бетона //Бетон и железобетон. – 2015. – №5. – С. 9-11.