Строительство и архитектура/4. Современные строительные материалы

Иноземцев А.С., к.т.н., м.н.с.

НОЦ «Наноматериалы и нанотехнологии» НИУ МГСУ, Россия

Применение микрофибры в легких бетонах на полых микросферах^*

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

Как показано в [1-3] полые микросферы являются эффективным наполнителем для получения легких бетонов. При этом формирующаяся граница раздела фаз при высокой степени наполнения является наиболее дефектной зоной, упрочнение которой с помощью специальных наноразмерных добавок позволяет создать материал с высокими прочностными показателями. Предложенная авторами методика заключается в нанесении на поверхность полого наполнителя реакционного модификатора, который при приготовлении бетонной смеси участвует в процессах формирования новых соединений в зоне контакта с цементной матрицей. Однако такой подход, несмотря на свою высокую эффективность, требует дополнительных коммерческий усилий для организации промышленного производства. Наиболее реализуемыми на практике методами является использование различных добавок и модификаторов уже представленных на рынке, одной из которых является микрофибра.

Методы и материалы

Модифицирование составов высокопрочного легкого бетона [4] средней плотность 1400 кг/м³ для формирования пространственного каркаса осуществлялось с использованием базальтовой (длинна – 12 мм, диаметр волокна – менее 30 мкм) и полипропиленовой фибры (длинна – 12 мм, диаметр волокна – менее 30 мкм).

Оценка влияния предложенного модификатора оценивалось по показателям подвижности бетонной смеси, предела прочности при изгибе и сжатии, удельной прочности и коэффициента трещиностойкости.

Результаты

В исследование устанавливалось влияние вида и концентрации модификатора на подвижность бетонной смеси, среднюю плотность, предел прочности при изгибе и сжатии, а так же в качестве дополнительных параметров фиксировалось изменение удельной прочности и коэффициента трещиностойкости. Результаты испытаний представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Изменение свойств бетонной смеси и бетонов, наполненных полыми микросферами, в зависимости от вида и концентрации микрофибры

№ п/п	Сфиб, г	Др, мм	ρбет, кг/м^3	Rизг, МПа	Rсж, МПа	Rуд, МПа	kтр
1	0,00	249,3	1440	2,8	40,5	28,1	0,069
Базальтовая микрофибра
2	0,20	240,0	1445	4,1	50,3	34,8	0,082
3	0,60	221,8	1425	3,2	47,1	33,1	0,068
4	1,00	204,0	1410	2,8	44,9	31,8	0,062
Полипропиленовая микрофибра
2	0,15	182,8	1400	1,1	55,1	39,4	0,020
3	0,40	185,5	1405	2,5	59,1	42,1	0,042
4	0,65	160,3	1440	3,1	62,6	43,5	0,050
Примечания: Сфиб – концентрация фибры, Др – диаметр расплыва, ρбет – средняя плотность бетона, Rизг – предел прочности при изгибе, Rсж – предел прочности при сжатии, Rуд – удельная прочность, рассчитанная как отношение предела прочности при сжатии к средней плотности, kтр – коэффициент трещиностойкости, рассчитанный как отношение предела прочности при изгибе к пределу прочности при сжатии

Установлено, что полипропиленовая фибра, в отличие от базальтовой в большей степени изменяет водопотребность смеси, что приводит к снижению подвижности. При этом в исследуемом диапазоне концентраций фибры диаметр расплыва бетонной смеси с полипропиленовым волокном находится в диапазоне 160…185 мм, а для смесей с базальтовой фиброй – 204…240 мм. Несмотря на такое изменение реологических свойств бетонной смеси, по показателям физико-механических свойств высокопрочные легкие бетоны с полипропиленовой фиброй обладают лучшим приростом прочности при сжатии (увеличение на 36,0-54,5 % по сравнению с контрольным составом). Однако при малых концентрация не позволяют повысить сопротивляемость бетона к изгибающим нагрузкам. Это можно объяснить тем, что концентрации более 0,4 % в объеме формируется каркас из волокон фибры, который приводит к распределению нагрузки по всему сечению образца, что препятствует их выдергиванию. Для составов с базальтовой фиброй зависимость имеет противоположенный вид. С увеличением концентрации до 1 % от массы цемента, как предел прочности при изгибе, так и при сжатии уменьшается, а наивысшие значения этих показателей характерны для составов с 0,2 % фибры. Это связано с тем, что большое количество фибры осложняет их равномерное распределение в объеме и препятствует формированию сплошной структуры материала, формируя «слабые» области, насыщенные волокном.

Введение базальтовой фибры позволяет увеличить предел прочности при изгибе на 14,3…46,4 %, при сжатии – на 16,3…24,2 %. При этом количество фибры не должно превышать 0,6 % от массы цемента. Использование полипропиленовой фибры лишь при концентрации более 0,65 % обеспечивает улучшение предела прочности при сжатии от 10,7 %, а предела прочности при сжатии до 54,5 %. Изменение удельной прочности высокопрочного легкого бетона с микрофиброй носит схожий характер с изменением показателей прочности при сжатии этих же составов, так как введение армирующего волокна несущественно изменяет среднюю плотность материала.

Выводы и заключения

Базальтовая и полипропиленовая фибра могут быть использованы в составах высокопрочного легкого бетона на полых микросферах в качестве эффективного модификатора, повышающего его физико-механические свойства. Введение базальтовой фибры наибольший эффект оказывает на увеличение предела прочности при изгибе, а полипропиленовой – на предел прочности при сжатии. Исходя из этого можно сделать вывод, что совместное использование базальтовой и полипропиленовой фибры в составах высокопрочного легкого бетона может дать положительный эффект по комплексному повышению прочностных показателей. Необходимы дополнительные исследование деформативных свойств таких бетонов и поиску оптимальных концентраций.

Литература:

1. Иноземцев А.С., Королёв Е.В. Высокопрочные легкие бетоны - конструкционный бетон нового поколения // Технологии бетонов. 2014. № 9 (98). С. 40-44.

2. Иноземцев А.С., Королев Е.В. Легкий высокопрочный бетон для несущих конструкций в промышленном и гражданском строительстве // Наука и образование в жизни современного общества, сборник научных трудов по материалам Междунар. научно-практической конференции: в 12 частях. Тамбов, 2012. С. 46-48.

3. Иноземцев А.С. Средняя плотность и пористость высокопрочных легких бетонов // Инженерно-строительный журнал. 2014. № 7 (51). С. 31-37.

4. Пат. 2515450 РФ, Высокопрочный легкий бетон / Королев Е.В., Иноземцев А.С. Опубл. 11.10.2012.