Влияние вида заполнителя на физико-технические характеристики высокопрочных самоуплотняющихся цементных систем

Введение. Представлены результаты исследований высокопрочных самоуплотняющихся цементных систем с различным видом заполнителя, которые показывают, что пониженная средняя плотность и возможность изменения модуля упругости в широком диапазоне делают высокопрочные легкие бетоны предпочтительным конструкционным материалом, позволяющим снизить массу и сократить расход арматуры железобетонных конструкций высотных зданий, мостов и путепроводов, а также сооружений, возводимых в сейсмоопасных регионах.

Цель. Сравнительная оценка влияния вида заполнителя из плотных горных пород и легких пористых материалов на среднюю плотность, прочностные и деформационные характеристики высокопрочных самоуплотняющихся цементных систем – цементного камня, мелкозернистого, тяжелых и легких бетонов.

Материалы и методы. Все цементные системы изготавливали с использованием модифицированного высокопрочного цементного камня одинакового качества на основе портландцемента и органоминерального модификатора типа МБ в количестве 24 % массы цемента с истинным водовяжущим отношением 0,25. При производстве бетонов применяли заполнители из плотных горных пород (кварцевый песок, гранитный и базальтовый щебень) и легких пористых материалов искусственного (керамзитового гравия) и природного (туфовый щебень) происхождения.

Результаты. Определены прочностные (кубиковая и призменная прочность на сжатие) и деформационные (начальный модуль упругости, коэффициент Пуассона и предельные относительные деформации сжатия) характеристики шести высокопрочных самоуплотняющихся цементных систем классов по прочности на сжатие В64–В88 с широким диапазоном средней плотности (от 1842 до 2497 кг/м³) с использованием стандартизированных и специальных методик. Сопротивление бетонов осевому сжатию находится в диапазоне 55,2–78,4 МПа и значительно превосходит нормативные значения по СП 63.13330.2018. Предельные относительные деформации высокопрочных бетонов в большей степени зависят от объемного содержания цементного камня, чем от вида заполнителя и прочности на сжатие. Введение в цементную систему легких пористых заполнителей вместо заполнителей из плотных горных пород позволило получить высокопрочные самоуплотняющиеся легкие бетоны классов В64–В72 с пониженной на 17–26 % средней плотностью и модулем упругости 29,5–33,9 МПа.

Выводы. Варьирование видом и объемом используемых заполнителей позволяет получать высокопрочные самоуплотняющиеся легкие, мелкозернистые и тяжелые бетоны классов В60–В100 марок по средней плотности D1800–D2500 c регулируемыми деформационными характеристиками.

1. Каприелов С.С., Шейнфельд А.В., Кардумян Г.С., Киселева Ю.А., Пригоженко О.В. Новые бетоны и технологии в конструкциях высотных зданий // <i>Высотные здания</i>. 2007. № 5. С. 94–101.

2. Каприелов С.С., Шейнфельд А.В., Кардумян Г.С. Новые модифицированные бетоны. Москва: Типография «Парадиз», 2010. 258 с.

3. Кондращенко В.И., Ярмаковский В.Н., Гузенко С.В. О применении конструкционных легких бетонов в мостостроении // <i>Транспортное строительство</i>. 2007. № 9. С. 10–13.

4. Бондарь В.В. Конструкционный керамзитобетон в строительстве. Опыт и перспективы применения // <i>Вестник Полоцкого Государственного университета. Серия F. Строительство. Прикладные науки</i>. 2018. № 8. С. 112–119.

5. Kaprielov S., Sheynfeld A., Selyutin N. Control of heavy concrete characteristics affecting structural stiffness. <i>International Journal for Computational Civil and Structural Engineering</i>. 2022, vol. 18, no. 1, pp. 24–39. DOI: https://doi.org/10.22337/2587-9618-2022-18-1-24-39

6. Каприелов С.С., Шейнфельд А.В., Селютин Н.М. Самоуплотняющийся высокопрочный керамзитобетон классов В50–В65 – новое поколение легких бетонов для конструкций высотных зданий // <i>Строительные материалы</i>. 2023. № 4. С. 42–50. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2023-812-4-42-50

7. Wilson H.S., Malhotra V.M. Development of high strength lightweight concrete for structural applications. <i>International Journal of Cement Composites and Lightweight Concrete</i>. 1988, vol. 10, no. 2, pp. 79–90.

8. Jian-Xin Lu, Peiliang Shen, Hafiz Asad Ali, Chi Sun Poon. Mix design and performance of lightweight ultra-high-performance concrete. <i>Materials and Design</i>. 2022, vol. 216, no. 1, p. 110553. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.110553

9. Karamloo Mohammad, Mazloom Moosa, Payganeh Gholamhasan. Effect of maximum aggregate size on fracture behaviors of self-compacting lightweight concrete. <i>Construction and Building Materials</i>. 2016, vol. 123, pp. 508–515.

10. Jae-Il Sim, Keun-Hyeok Yang, Heung-Yeoul Kim, Byong-Jeong Choi. Size and shape effects on compressive strength of lightweight concrete. <i>Construction and Building Materials</i>. 2013, vol. 38, pp. 854–864. DOI: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.07.061

11. Каприелов С.С., Шейнфельд А.В., Дондуков В.Г. Цементы и добавки для производства высокопрочных бетонов // <i>Строительные материалы</i>. 2017. № 11. С. 4–10.

12. Шейнфельд А.В., Каприелов С.С., Чилин И.А. Влияние температуры на параметры структуры и свойства цементных систем с органоминеральными модификаторами // <i>Градостроительство и архитектура</i>. 2017. Т. 7. № 1. С. 58–63.

13. Каприелов С.С., Шейнфельд А.В., Карпенко Н.И., Кузнецов Е.Н. О регулировании модуля упругости и ползучести высокопрочных бетонов с модификатором МБ-50С // <i>Бетон и железобетон</i>. 2003. № 6. С. 8–12.

14. ГОСТ 8267-93. Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия. Москва: Стандартинформ, 2018.

15. ГОСТ 32703-2014. Дороги автомобильные общего пользования. Щебень и гравий из горных пород. Технические требования. Москва: Стандартинформ, 2015.

16. ГОСТ 32496-2013. Заполнители пористые для легких бетонов. Технические условия. Москва: Стандартинформ, 2014.

17. ГОСТ 22263-76. Щебень и песок из пористых горных пород. Технические условия. Москва: Стандартинформ, 1978.

18. ГОСТ Р 55224-2020. Цементы для транспортного строительства. Технические условия. Москва: Стандартинформ, 2021.

19. Kaprielov S., Sheinfeld A. Influence of silica fume / fly ash / superplasticizer combinations in powderlike complex modifiers on cement paste porosity and concrete properties. <i>Sixth CANMET/ACI International Conference on Superplasticizers and other Chemical Admixtures in Concrete</i>. Nice, France, October 2000, pp. 383–400.

20. ГОСТ Р 56178-2014. Модификаторы органо-минеральные типа МБ для бетонов, строительных растворов и сухих смесей. Технические условия. Москва: Стандартинформ, 2015.

21. ГОСТ 8736-2014. Песок для строительных работ. Технические условия. Москва: Стандартинформ, 2019.

22. ГОСТ 23732-2011. Вода для бетонов и растворов. Технические условия. Москва: Стандартинформ, 2012.

23. Берг О.Я., Щербаков Е.Н., Писанко Г.Н. Высокопрочный бетон. Москва: Стройиздат, 1971. 208 с.

24. Шейкин А.Е., Чеховский Ю.В., Бруссер М.И. Структура и свойства цементных бетонов. Москва: Стройиздат, 1979. 344 с.

25. Геология и плотины / Под общ. ред. проф. А.Н. Вознесенского. Т. 3. Москва; Ленинград: Госэнергоиздат, 1959, 1963. 175 с.

26. ГОСТ Р 59715-2022. Смеси бетонные самоуплотняющиеся. Методы испытаний. Москва: Российский институт стандартизации, 2022.

27. ГОСТ Р 59714-2021. Смеси бетонные самоуплотняющиеся. Технические условия. Москва: Российский институт стандартизации, 2021.

28. ГОСТ 10180-2012. Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам. Москва: Стандартинформ, 2013.

29. ГОСТ 31914-2012. Бетоны высокопрочные тяжелые и мелкозернистые для монолитных конструкций. Правила контроля и оценки качества. Москва: Стандартинформ, 2014.

30. ГОСТ 24452-2023. Бетоны. Методы определения призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона. Москва: Стандартинформ, 2024.

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

32. Безгодов И.М. Методические особенности исследования полных диаграмм деформирования и релаксации напряжений в бетоне // <i>Технологии бетонов</i>. 2020. № 11–12. С. 39–44.

33. ГОСТ 18105-2018. Бетоны. Правила контроля и оценки прочности. Москва: Стандартинформ, 2019.

34. СП 63.13330.2018. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Москва: Стандартинформ, 2019.

35. Bezgodov I., Kaprielov S., Sheynfeld A. Relationship between strength and deformation characteristics of high-strength self-compacting concrete. <i>International Journal for Computational Civil and Structural Engineering</i>. 2022, vol. 18, no. 2, pp. 175–183. DOI: https://doi.org/10.22337/2587-9618-2022-18-2-175-183

36. Макридин Н.И., Максимова И.Н. Механическое поведение конструкционного керамзитобетона при осевом сжатии // <i>Строительные материалы</i>. 2009. № 1. С. 51–53.

37. Zhou F.P., Lydon F.D., Barr B.I.G. Effect of coarse aggregate on elastic modulus and compressive strength of high performance concrete. <i>Cement and Concrete Research</i>. 1995, vol. 25, no. 1, pp. 177–186.

38. Цой П.А., Усольцева О.М. Об особенностях измерения деформаций образцов горных пород с помощью виртуальных экстензометров // <i>Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук</i>. 2019. Т. 6. № 2. С. 287–289. DOI: https://doi.org/10.15372/FPVGN2019060250

39. Фролова Ю.В., Ладыгин В.М., Спиридонов Э.М., Овсянников Г.Н. О физико-механических свойствах метавулканитов горного Крыма // <i>Инженерная геология</i>. 2018. Т. 13. № 4–5. С. 36–51. DOI: https://doi.org/10.25296/1993-5056-2018-13-4-5-36-51

40. Пригоженко О.В., Ярмаковский В.Н., Андрианов Л.А. Высокопрочный керамзитобетон из высокоподвижных смесей // <i>Научные труды II Всероссийской (Международной) конференции по бетону и железобетону</i>. Москва. 2005. Т. 4. С. 128–134.