Строительство и архитектура/4. Современные строительные материалы

Иноземцев А.С., к.т.н., м.н.с.

НОЦ «Наноматериалы и нанотехнологии», НИУ МГСУ, Россия

Модель высокопрочных легких бетонов с повышенными эксплуатационными свойствам. Часть 2 – Микродисперсное армирование*

* Работа выполнена при поддержке Гранта Президента РФ молодым российским ученым – кандидатам наук МК-5950.2015.8

Как показывают исследования [1-3] моделирование является информативным математическим инструментом для анализа структуры и свойств строительных материалов. Установленные закономерности позволяют определить оптимальные диапазоны значений для управляющих рецептурных или технологических факторов, спрогнозировать свойства материала и оценить их эффективность.

В работе установлены экспериментально-статистические модели высокопрочных легких бетонов, приготовление которых в отличие от [4] осуществляется с применение традиционных методов модифицирования цементных бетонов – введение микродисперсных волокон (фибры) – для оптимальных составов мелкозернистой смеси высокопрочного легкого бетона [5-6].

С целью оценки эффективности применения микроармирования высокопрочного легкого бетона для получения материала с повышенными эксплуатационными свойствами сформирован двухфакторный композиционный план, описываемый уравнением квадратичной регрессии

,

где X₁ и X₂ – варьируемые факторы с начальными условиями представленными в таблица 1.

Таблица 1 – Условия для построения экспериментально-теоретической модели

Варьируемые факторы	X1 – количество полипропиленовой фибры	X2 – концентрация пластификатора
Единица измерения	% от массы цемента	% от массы цемента
Основные уровни	0,40	1,00
Интервалы варьирования	0,20	0,20

Для каждой из девяти точек выбранного плана и контрольного состава, в качестве которого выбран высокопрочный легкий бетон без фибры, оценивались подвижность, предел прочности при изгибе и сжатии, коэффициент трещиностойкости (отношение предела прочности при изгибе к пределу прочности при сжатии).

Результаты экспериментальных даны по исследованию подвижности и прочностных характеристик высокопрочного легкого бетона позволили получить экспериментально-статистические модели (уравнение 1-4, рисунок 1), описывающие зависимость контролируемых параметров от количества фибры и концентрации пластифицирующей добавки.

;	(1)
;	(2)
;	(3)
;	(4)

Анализ уравнения (1) и рисунка 1а, где представлена модель, описывающая изменение подвижности бетонной смеси высокопрочного легкого фибробетона, показывает, что введение фибры оказывает закономерно отрицательное влияние на свойство бетонной смеси к растеканию. Это объясняется увеличением суммарной площади поверхности сухих компонентов в составе смеси, которые необходимо смочить постоянным количеством воды. Большое значение коэффициента B₂ свидетельствует об эффективности исследуемого пластификатора, введение которого до определенного предела (незначимый коэффициент B₂₂ свидетельствует о неэффективном введении избыточного количества пластификатора) позволяет не только компенсировать снижение диаметра расплыва, вызванного введением фибры, но и существенно улучшить подвижность смеси.

а	б
в	г
Рисунок 1 – Зависимость диаметра расплыва бетонной смеси (а), предела прочности при изгибе (б), предела прочности при сжатии (в) и коэффициента трещиностойокости (г) высокопрочного легкого фибробетона от содержания фибры Cф и концентрации пластифицирующей добавки Cд

Очевидно, что бетонная смесь с лучшей подвижностью обеспечивает наилучшее формирование структуры бетона. Такая закономерность прослеживается на полученных моделях прочности при изгибе и сжатии для высокопрочного легкого фибробетона (уравнение 2, 3 и рисунок 1б, в). Видно, что наилучшие показатели прочностных характеристик характерны для составов бетона приготовленных при расходе полипропиленовой фибры более 0,4 % и концентрации пластификатора не менее 1,0 %. В этом диапазоне концентраций варьируемых рецептурных факторов бетонная смесь обладает подвижностью более 180 мм по диаметру расплыва конуса, что в свою очередь позволяет сформировать плотную структуру бетона с высокими прочностными характеристиками: предел прочности при изгибе – более 2,8 МПа, предел прочности при сжатии – более 58,0 МПа. При этом коэффициент трещиностойкости, являющийся комплексной характеристикой для оценки соотношения указанных выше прочностных характеристик, составляет не менее 0,045.

Таким образом, получены математические модели высокопрочного легкого фибробетона, описывающие изменение подвижности бетонной смеси (по диаметру расплыва) и прочности (при изгибе и при сжатии). Модели позволяют сделать вывод о том, что совместное использование полипропиленовой фибры и пластифицирующих добавок, как управляющие рецептурные факторы для приготовления высокопрочного легкого бетона (средней плотностью 1400 кг/м³), в диапазоне 0,4…0,6 % и 1,0…1,2 % соответственно, обеспечивает возможность получения строительного материала с повышенными эксплуатационными свойствами: R_изг=2,8…3,1 МПа, R_сж=58,0…62,0 МПа и k_тр=0,045…0,050. Полученные зависимости позволяют выполнить анализ и проектирование составов высокопрочного легкого фибробетона с заданными свойствами.

Литература:

1. Королев Е.В., Смирнов В.А., Иноземцев А.С. Динамическое моделирование наноразмерных систем // Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал. – 2012. – № 3. – С. 26-34.

2. Смирнов В.А., Королев Е.В., Евстигнеев А.В. Моделирование и инструментальные средства численного анализа в нанотехнологии материаловедения: обзор // Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал. – 2014. – Т. 6. – № 5. – С. 34-58.

3. Смирнов В.А., Королев Е.В., Иноземцев С.С. Стохастическое моделирование наноразмерных систем // Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал. – 2012. – № 1. – С. 6-14.

4. Бикмаева А.К., Иноземцев А.С. Модель высокопрочных легких бетонов с повышенными эксплуатационными свойствам. Часть 1 – Наномодифицирование // Материалы XII Международной научно-практической конференции «Динамика современной науки – 2016» – София, Болгария, 2016.

5. Патент РФ 2548303. Высокопрочный легкий фибробетон / Иноземцев А.С., Королев Е.В. Заявл. 11.04.2014. Опубл. 20.04.2015.

6. Иноземцев А.С. Высокопрочных легких фибробетон на полых микросферах / Современное общество, образование и наука – сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции: в 16 частях, 2015. С. 67-70.