ВЛИЯНИЕ МИНЕРАЛЬНЫХ ДОБАВОК НА ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ ВЫСОКОПРОЧНЫХ БЕТОНОВ

Введение

Повышение прочности бетона открывает перспективу снижения сечения конструкции при обеспечении ее эквивалентной несущей способности. Однако, получение высокопрочных бетонов часто сопровождается увеличением усадки и снижением трещиностойкости бетона. Следовательно, снижение проницаемости при получении высокопрочных бетонов не обязательно повышает их долговечность вследствие одновременного ухудшения деформативних свойств [1,2], что нужно учитывать при снижении сечения конструкции. Таким образом, объектом исследований в данной работе является высокопрочный бетон для тонкостенных железобетонных монолитных конструкций. Целью работы является исследование влияния минеральных добавок различной природы на трещиностойкость высокопрочных бетонов.

Материалы и методы исследований

В качестве сырьевых материалов использовали цемент CEM I 42,5 R, песок фракций 0-2; 0-4, гравий 4-8; 8-16, минеральные добавки: зола уноса ТЭС, микрокремнезем, известняковая мука, метакаолин. Испытания прочности на сжатие, растяжение при раскалывании проводились на кубах размером боковой грани 150 мм, прочность на растяжение при изгибе и деформации при изгибе образцов-призм с инициированной трещиной – на стандартных призмах 100х100х400 мм [3], усадку – на образцах призмах размером 100х100х500 мм.

Результаты исследований

Высокопрочный бетон класса С60/75 получали при В/Ц = 0,3, и расходе вяжущего 500 кг/м³ (базовый состав бетона), в состав которого вводили по 10% золы уноса, микрокремнезема, известняковой муки и метакаолина (составы бетона с минеральными добавками). В качестве химического добавки использовали суперпластификатор I-типа на поликарбоксилатной основе с водоредуцирующим эффектом более 30%.

Кинетика набора прочности исследуемых составов высокопрочных бетонов приведена на рис. 1. Как видно из данного рисунка, высокие показатели прочности на 3 сутки твердения (60 МПа) имеет базовый состав бетона без минеральных добавок. Относительно низкой прочностью на 3 сутки (46,5 МПа) характеризуется состав бетона с золой уноса. В проектном возрасте 28 сут. лучший результат (84,7 МПа), на 6% превышающий прочность базового состава, был получен при добавлении микрокремнезема. При использовании в составе бетона известняковой муки, на 28 сутки наблюдалась наибольшая потеря прочности на 16% по сравнению с контрольным составом бетона. На 90 сутки прочность всех составов бетона отвечала (или превышала) классу С60/75. Введение микрокремнезема позволило получить класс бетона по прочности С70/85 (93,5 МПа).

По результатам исследования прочности на растяжение при раскалывании согласно [4] видно (рис.2.), что введение известняковой муки снижает прочность бетона на растяжение при раскалывании на 15% (4,7 МПа) по сравнению с базовым составом (5,5 МПа ). При использовании золы уноса и метакаолина наблюдается повышение данного показателя на 5% (до 5,8 МПа). За счет введения в состав бетона микрокремнезема прочность на растяжение при раскалывании повышается на 16% (до 6,4 МПа).

 Рис. 2. Прочность на растяжение при раскалывании высокопрочных бетонов

По результатам исследования прочности бетона на растяжение при изгибе согласно [5], сохраняются закономерности как и при определении прочности на растяжение при раскалывании (рис. 3). Составы бетона с золой уноса и метакаолином показали прочность на растяжение при изгибе на уровне базового состава. Состав бетона с микрокремнеземом обеспечивает прирост на 3% прочности на растяжение при изгибе по сравнению с базовым составом (до 12,6 МПа). Использование известняковой муки привело к снижению прочности бетона на растяжение при изгибе на 7% по сравнению с базовым составом.

Одним из параметров, определяющих долгосрочную трещиностойкость высокопрочных бетонов является показатель их усадки. На рис. 4. приведено сравнение влияния минеральных добавок на усадку образцов – призм (500х100х100 мм) высокопрочных бетонов в течение 120 суток в воздушно – сухих условиях (при температуре 20 ± 2 ° С и влажности 60 ± 5%). Приведенные данные свидетельствуют, что введение в состав бетонов золы уноса и микрокремнезема приводит к увеличению усадки в первые трое суток (0,08 и 0,09 мм/м соответственно) по сравнению с базовым составом (0,035 мм/м). Однако, на 120 сутки за счет введения 10% золы уноса, микрокремнезема и известняковой муки усадка уменьшается на 4-10%. Введение в состав бетона 10% метакаолина позволяет снизить его усадку на 22% (рис.4.).

 Рис.4. Усадочные деформации высокопрочных бетонов в воздушно-сухих условиях

Оценку трещиностойкости высокопрочных бетонов осуществляли по показателям критических коэффициентов интенсивности напряжений (K_i, МПа·м^1/2), которые определяли по диаграммами деформирования образцов-призм с инициированной трещиной (рис.5-6). Испытания образцов осуществляли в возрасте 56 суток.

 Рис.5. Диаграмма деформирования образцов с инициированной трещиной

Рис.6. Схема испытания образца-призмы с инициированной трещиной

(А = 0,035 м-длина начального надреза шириной 0,003 м; b = 0,1м; L = 0,4;

L0 = 0,38 – размеры образца, м; F – нагрузка на образец, кН)

По данным испытаний в соответствии с [6] были рассчитаны статические критические коэффициенты интенсивности напряжений К_i, МПа•м^1/2 исследуемых составов бетонов. Отдельно определяли начальные модули упругости образцов-призм высокопрочных бетонов при изгибе E_tb (табл.1.). Как видно из табл.1, при практически одинаковых показателях критических коэффициентов интенсивности напряжений K_i (колебания в пределах 5%), исследуемые высокопрочные бетоны характеризуются значительными колебаниями начальных модулей упругости (до 20%). Известно, что в бетонах, которые характеризуются низким значениями начальных модулей упругости потенциально возможно возникновение более низких напряжений вследствие температурных и усадочных деформаций, при равных значений К_i, что позволяет признать их более трещиностойкими. Таким образом, по приведенным в табл.1 показателям, наиболее трещиностойкими можно признать высокопрочные бетоны базового состава и состава с 10% метакаолина, характеризующиеся относительно низкими модулями упругости при значениях К_i на уровне или выше чем у других составов высокопрочных бетонов. Относительно низкой трещиностойкостью характеризуется состав бетона с 10% микрокремнезема, который при К_i на уровне других составов бетонов с минеральными добавками, характеризовался высоким начальным модулем упругости.

Таблица 1

Выводы

Полученные составы высокопрочных бетонов на 90 сутки отвечали классам по прочности С60/75 – С70/85. Прочность на растяжение при раскалывании исследуемых бетонов находилась на уровне 5-6 МПа – наиболее высокая в составе бетона с микрокремнеземом (6,4МПа), а наиболее низкая в составе бетона с известняковой мукой (4,7 МПа). Прочность на растяжение при изгибе исследуемых бетонов находилась на уровне 11-12 МПа и воспроизводила основные закономерности прочности на растяжение при раскалывании. Усадочные деформации исследуемых высокопрочных бетонов в течение 120 суток твердения в воздушно-сухих условиях не превышали 0,4 мм/м. Наименьшей усадкой (до 0,3 мм/м) характеризовался состав бетона с добавкой метакаолина, а наибольшей (до 0,4 мм/м) – базовый состав высокопрочного бетона без добавок. Наиболее трещиностойким среди исследованных составов высокопрочных бетонов по критериям усадочных деформаций, начального модуля упругости и критического коэффициента интенсивности напряжений Ki можно признать состав с добавкой метакаолина. Наименее трещиностойким по приведенным критериям может быть признан состав высокопрочного бетона с добавкой микрокремнезема.

1. Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика. 1998 г., 768 с
2. Й. Штарк, Б.Вихт. Долговечность бетона. / Пер. с нем. – А. Тулаганова. Под ред.. П. Кривенко. Киев., «Оранта», 2004, 293 с.
3. ДСТУ Б В.2.7-214:2009 Строительные материалы. Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам
4. EN 12390-6:2000 Testing hardened concrete. Tensile splitting strength of test specimens
5. EN 12390-5:2009 Testing hardened concrete. Flexural strength of test specimens
6. ДСТУ Б В.2.7-227:2009 Бетоны. Методы определения характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении

Все статьи автора «Троян Вячеслав Васильевич»