Представлены результаты исследования механических свойств и трещиностойкости бетона на основе геополимерного вяжущего на базе измельченного отхода дробления гранитного щебня с добавкой гранулированного шлака. Показано, что увеличение в вяжущем добавки шлака с 20 до 30 % существенно повышает прочность, модуль упругости и трещиностойкость геополимерного бетона.
Ключевые слова: геополимер, минерально-щелочное вяжущее, шлакощелочное вяжущее, бетон, щелочная активация, механические свойства, трещиностойкость.
Вяжущие щелочной активации (геополимеры, шлакощелочные, минерально-щелочные) в настоящее время многими учеными считаются современной альтернативой цементу и активно развиваются [1-5]. Опыт использования геополимерных и шлакощелочных материалов показал, что они обладают высокими эксплуатационными характеристиками: прочностью, коррозионной стойкостью, морозостойкостью, огнестойкостью. Прогнозируется высокая долговечность и надежность конструкций из таких материалов [2, 3].
Несмотря на большое число всесторонних исследований различных видов вяжущих щелочной активации многие вопросы их твердения и поведения в процессе эксплуатации остаются до конца не выясненными. К числу этих вопросов относится трещиностойкость таких вяжущих.
По трещиностойкости вяжущих щелочной активации имеется много противоречивых данных. Отмечается, что разрушение носит более пластичный характер и поэтому бетон лучше работает на растяжение [2, 3]. С другой стороны, имеются данные о том, что в ряде случаев геополимерные и шлакощелочные бетоны проявляют низкую трещиностойкость.
До сих пор нет единого мнения, от каких факторов зависит трещиностойкость бетонов на основе активированных щелочью вяжущих, что сдерживает, в конечном счете, и их применение как конструкционных материалов.
Бетоны на основе новой разновидности бесклинкерных геополимерных вяжущих на базе магматических горных пород характеризуются высокими физико-механическими свойствами, не уступающими свойствам бетонов, изготовленных с применением портландцемента [4, 5].
Для исследований были изготовлены 3 состава геополимерного мелкозернистого бетона с расходом доменного шлака — 20, 25 и 30 % от веса вяжущего. В качестве вяжущего использовалось вяжущее, полученное на основе измельченных до удельной поверхности 350 м2/кг гранита Павловского месторождении и доменного гранулированного шлака Новолипецкого металлургического комбината. Для активации твердения вяжущего применялось растворимое жидкое стекло, содержание которого варьировалось расходом шлака и во всех составах вяжущего на 2,1 части шлака приходилась 1 часть стекла. В качестве активатора твердения в смесь с водой затворения вводилось натриевое жидкое стекло с Мс=1,4 при содержании силиката натрия 47 %. В качестве мелкого заполнителя применялся песок Чаадаевского месторождения, просеянный через сито 0,63 мм (Пензенская область) при соотношении вяжущее: песок равном 1:2.
Исследование трещиностойкости мелкозернистого бетона проводилось по методике стандарта [6], с помощью измерительно-вычислительном комплекса «АСИС-1» производства НПП «ГЕОТЕК» [7] с оснасткой для испытания на изгиб.
Из каждого состава бетона изготавливалось по 6 образцов-призм размером 40×40×160 см (тип 1 [6]). Начальные надрезы в образцах получали при их формовании путем закладывания стальной пластины толщиной 0,5 мм. После изготовления образцы твердели в течение 28 суток в нормальных условиях, затем высушивались и подвергались испытаниям.
По результатам равновесных испытаний определялись следующие характеристики трещиностойкости: коэффициент интенсивности напряжений (K — вязкость разрушения), удельные энергозатраты (G) и J- интеграл [6].
После испытаний на трещиностойкость две половинки образца испытывали на прочность при сжатии (Rсж), прочность при изгибе (RBtf) [6]. Значение модуля упругости (Еб) рассчитывали исходя из величины прогиба (f), образуемого при действии на образец нагрузки (Fс) соответствующей, началу движения магистральных трещин по формуле
,
где Iк — момент инерции (
, b, h — ширина и высота образца в м).
Диаграммы равновесных испытаний бетона, приведенные на рис. 1, свидетельствуют о том, что с повышением расхода шлака зона образования пластических деформаций бетона сдвигается с 0,039 до 0,066 мм. При разгружении образцов до 170 Н характер развития пластических деформаций образцов с наибольшим и с наименьшим расходом шлака становится одинаковым, что свидетельствует о преждевременном разрушении менее прочного состава бетона.
Рис. 1. Диаграмма состояния мелкозернистого бетона с различным содержанием шлака в вяжущем
Данные рис. 2а показывают, что в составах бетона с ростом расхода шлака одновременно с прочностью при сжатии и изгибе, возрастает модуль упругости бетона, а также повышается трещиностойкость бетона, что видно по увеличению энергии, приходящейся на образование магистральных трещин — Gi, и высвобождение энергии при разрушении бетона GF. Коэффициент интенсивности — вязкость разрушения бетона на геополимерном вяжущем возрастает с 0,42 до 0,5 МПа×м 0,5 (рис.2.б).
|
а) |
|
б) |
|
Рис. 2. Прочность при сжатии и изгибе, модуль упругости (а) и параметры трещиностойкости (б) геополимерного бетона в зависимости от рахода шлака
Выводы
Исследованы характеристики трещиностойкости мелкозернистых бетонов, изготовленных с применением новой разновидности вяжущих щелочной активации — геополимерного вяжущего. Установлены параметры разрушения бетона в соответствии с ГОСТ 29167–91. Выявлены зависимости основных характеристик трещиностойкости бетона от доли шлака в вяжущем.
По деформативно-прочностным характеристикам и трещиностойкости геополимерные бетоны сопоставимы со шлакощелочными и портландцементными бетонами.
Литература:
1. Davidovits, J. Geopolymer chemistry and sustainable Development. The Poly(sialate) terminology: a very useful and simple model for the promotion and understanding of green-chemistry / J. Davidovits // Proceeding of the world congress Geopolymer 2005. France,Saint –Quentin, 2005. — Р. 9–15.
2. Глуховский, В. Д. Шлакощелочные цементы и бетоны / В. Д. Глуховский, В. А. Пахомов. — Киев: Будивельник, 1978. — 184с.
3. Sumajouw, D. M. Fly ash-based geopolymer concrete: study of slender reinforced columns [Текст] / D. M. Sumajouw, J. D. Hardjito, S. E.Wallah, B. V. Rangan / Journal of Materials Science. — 2007. — Vol. 42, N. 9. — Р. 3124–3130.
5. Ерошкина, Н. А. Геополимерные вяжущие на базе магматических горных пород и бетоны на их основе / Н. А. Ерошкина, М. О. Коровкин // Цемент и его применение. – 2014. — № 4. — С. 107–113.
