Zarządzanie procesem formowania struktury rozproszonego wzmocnionego betonu kompozytowego na poziomie makro

Stakhov Aleksandr Vladimirovich1, Bagapova Diana Yuryevna2, Ivashchenko Yuri Grigorievich3
Saratowski Państwowy Uniwersytet Techniczny im. J.A. Gagarina1,2,3

Abstrakt. Wzrost cen nośników energii coraz bardziej skłania do zwrócenia uwagi na produkty oparte na betonie kompozytowym nieautoklawowym. Niska wytrzymałość i niska odporność na pękanie, wynikające z podwyższonych deformacji skurczowych w trakcie całego cyklu życia materiału, są czynnikami ograniczającymi jego zakres zastosowań. Artykuł omawia podstawy teoretyczne procesów formowania struktury rozproszonego wzmocnionego betonu kompozytowego nieautoklawowego. Przedstawiono wyniki eksperymentów potwierdzających możliwość kontrolowania procesów formowania struktury na poziomie makro. Określono optymalną koncentrację rozproszonego wypełniacza w mieszance betonowej oraz wartość stosunku woda-cement.

Słowa kluczowe: materiały budowlane termoizolacyjne, beton kompozytowy, beton kompozytowy, beton kompozytowy nieautoklawowy, wzmocnienie rozproszone, formowanie struktury, czarny węgiel.

Stały wzrost cen nośników energii skłania do zwrócenia większej uwagi na produkty oparte na betonie kompozytowym nieautoklawowym. Czynniki, które ograniczają zakres zastosowań tego materiału, to niska wytrzymałość i niska odporność na pękanie, powstająca wskutek zwiększonych deformacji skurczowych w trakcie całego cyklu życia materiału. Obecnie w badaniach mających na celu poprawę fizyczno-mechanicznych właściwości betonów kompozytowych można wyróżnić dwie główne drogi:

• Zastosowanie dodatków chemicznych skierowanych bezpośrednio na procesy twardnienia kamienia cementowego;

• Zastosowanie włókien wzmacniających.

W strukturach wzmocnionych rozproszone, podobnie jak w tradycyjnych wzmocnionych strukturach, wzmocnienie włóknami opiera się na założeniu, że materiał matrycy betonowej przekazuje włóknom nałożone obciążenie za pomocą sił stycznych działających na powierzchni granicy faz, a jeśli moduł włókna jest większy od modułu matrycy, to główną część nałożonych naprężeń odbierają włókna, a ogólna wytrzymałość kompozytu jest proporcjonalna do ich objętościowego udziału. [1] Z charakteru rozproszonego wzmocnienia może być realizowane przy użyciu jednego rodzaju włókien lub mieszanki różnych włókien (o różnych długościach i składach). [1]

Jednocześnie należy uwzględnić fakt, że na formowanie makrostruktury betonu kompozytowego nieautoklawowego wpływają istotnie terminy wiązania mieszanki betonowej. Ponieważ w świeżo ułożonej mieszance betonu kompozytowego połączenia sprężyste są rozwinięte w niewielkim stopniu, a stabilność agregacyjna jest utrzymywana dzięki szybkości formowania nowotworów krystalicznych. Proces ten musi zachodzić szybciej niż zmniejszy się sprężystość wodnej powłoki pęcherzyka, aby zapobiec przesunięciu cząsteczek cementu i włókien w przestrzeni z przerwaniem agregatowego tworzenia, które stanowi przegrodę międzyporową. [5]

Opierając się na powyższym, przeprowadzono szereg eksperymentów, które potwierdziły możliwość kontrolowania procesów formowania struktury betonu kompozytowego nieautoklawowego na poziomie makro za pomocą wypełniania systemu cząstkami rozproszonymi. Główne składniki mieszanki betonowej to materiały wyjściowe: cement portlandzki marki CEM I 32,5N GOST 31108-2016 "Cementy budowlane. Wymagania techniczne" produkcji OAO "Holcim (Rosja)" (Rosja); piasek z Pieszczykowskiego złoża piasków budowlanych, spełniający wymagania GOST 8736-2014 "Piasek do prac budowlanych. Wymagania techniczne", białkowy środek spieniający "FOAM X"; woda wodociągowa wg GOST 23732-2011 "Woda do betonu i zapraw. Wymagania techniczne", a jako rozproszony wypełniacz zastosowano techniczny węgiel – pył pirolityczny o wielkości cząstek w granicach 10-2-10-5 mm, uzyskany w wyniku termicznego rozkładu wyrobów gumowo-technicznych przy niedoborze tlenu, produkcji firmy LLC "Elitar" z obwodu Saratowskiego. [6]

Jednym z obiektywnych wskaźników formowania i zarządzania porowatą strukturą betonu kompozytowego na poziomie makro są siły adhezji między cząstkami cementu i włókna polimerowego, które określane są przez wielkość wytrzymałości plastycznej mieszanki betonowej. [2]

Tabela 1 – Wytrzymałość plastyczna mieszanki betonowej w zależności od zawartości rozproszonego wypełniacza

Rysunek 1 – Zależność wytrzymałości plastycznej mieszanki betonowej od zawartości rozproszonego wypełniacza

Analizując dane z tabeli 1 i wykresów (rys. 1), można stwierdzić, że nasycenie mieszanki betonowej rozproszonymi wypełniaczami wpływa na wzrost jej wytrzymałości plastycznej. Proces ten zachodzi wskutek tworzenia nowotworów w postaci klastrów agregatowych.

W wyniku eksperymentów ustalono optymalną koncentrację rozproszonego wypełniacza w mieszance betonowej, która wynosi 1,0% masy cementu, ponieważ zwiększenie koncentracji rozproszonego wypełniacza prowadzi do gwałtownego spadku wytrzymałości plastycznej mieszanki betonowej wskutek osłabienia sił adhezji między matrycą cementową a rozproszonym wypełniaczem na skutek zwiększonej hydrofobowości i efektu plastyfikacji technicznego węgla.

Zmiana wytrzymałości plastycznej bezpośrednio zależy od zawartości wody w mieszance betonowej. Zmniejszenie W/T prowadzi do wzrostu wytrzymałości plastycznej pod warunkiem nasycenia mieszanki betonowej optymalną zawartością rozproszonego wypełniacza.

Potwierdzono więc możliwość zarządzania formowaniem struktury mieszanki betonowej na poziomie makro poprzez wprowadzenie rozproszonego wypełniacza i regulowane stosunki woda-cement w systemie.

Bibliografia

1. Rabinowicz F.N. "Betony wzmocnione rozproszone". Moskwa, Stroyizdat, 1989.-176 s.

2. Morgun L.W., Morgun W.N. "Wpływ wzmocnienia rozproszonego na stabilność agregacyjną mieszanek betonu kompozytowego". Materiały budowlane, nr 1, 2003, s. 33-35.

3. Morgun W.N. "Formowanie struktury i właściwości fibrobetonów nieautoklawowych z kompensowaną skurczem". Abstrakt rozprawy… kandydata nauk technicznych: 05.23.05 / Państwowy Uniwersytet Budowlany Rostowa. - Rostów nad Donem, 2004. - 23 s.

4. Różynski S., Portik A., Sawinych A. "Wszystko o betonie kompozytowym". Wydanie 2, poprawione i rozszerzone. - St. Petersburg: Stroy Beton, 2006. - 630 s.

5. Shoshin E.A., Shirokov A.A. "Badania potencjału elektrokinetycznego zmodyfikowanych past cementowych na początkowej fazie hydratacji". / E.A. Shoshin, A.A. Shirokov // Wydawnictwo BGTU im. Szuchowa.- 2015. - nr 5.- s. 235-240.

6. Mieszanka do produkcji betonu kompozytowego: patent nr 2591996, 2015116058/03, zgłoszony 27.04.2015, opublikowany 20.07.2016. Tekst / Ivashchenko Y.G., Stakhov A.V., Bagapova D.Yu., Yevstigneev S.A. Biuletyn nr 20. 7 s.