CC BY
28
ВЕСТНИК 9/2013
9/2013
СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
УДК 624.04
П.В. Капцов
ФГБОУВПО «МГСУ»
СВОЙСТВА ОБЛЕГЧЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЭКСТРУДИРОВАННЫХ СМЕСЕЙ ПРИ ДЕФОРМИРОВАНИИ И РАЗРУШЕНИИ
Рассмотрены свойства облегченных материалов и изделий из экструдирован-ных цементных смесей с полыми стеклянными микросферами. Приведены данные по средней плотности, прочности, паропроницаемости, теплопроводности, удельным энергетическим затратам при деформировании и разрушении. Доказано, что за счет более плотной структуры экструдированный материал обладает на 30...40 % большей трещиностойкостью, прочностью при изгибе и сжатии, чем обычный материал.
Ключевые слова: облегченная смесь с полыми стеклянными микросферами, экструдирование, удельные энергетические затраты на сопротивление, рост локальной трещины, полное разрушение.
В нормативных документах РФ и других стран одним из главных показателей для стен является их теплотехническая однородность. Она складывается из сопротивлений теплопередаче элементов конструкции стены: например, стеновых блоков, кладочного раствора, перемычек и др.
Кладочные растворы с полыми стеклянными микросферами (ПСМС) были подробно исследованы в [1, 2]. В качестве добавки применялся суперпластификатор С-3 и были определены свойства неэкструдированного и экс-трудированного кладочного раствора и камня, проведены микроструктурный, рентгенофазовый и химический анализы. Так, для экструдированного раствора были получены результаты, приведенные в табл. 1. Облегченные кладочные растворы удовлетворяют требованиям ГОСТ РФ.
Табл. 1. Свойства экструдированного раствора с ПСМС
Состав, мас. % В/Ц Средняя плотность Прочность, МПа
раствора, г/см3 Изгиб Сжатие
10 ПСМС + С-3 0,38 1,452 6,9 20,4
30 ПСМС + С-3 0,62 0,776 3,6 8,7
50 ПСМС + С-3 1,18 0,652 1,85 4,54
Авторами [1, 2] было установлено, что эффективный строительный раствор для кладки стен должен иметь среднюю плотность, сопоставимую с плотностью материала стен. При средних плотностях стеновых материалов 500, 600 кг/м3 не эффективно применять кладочный раствор со средней плотностью выше таких величин. Авторы провели анализ полученных результатов и было установлено, что после экструдирования расход воды затворения снизился на 10.. .15 %, а прочность при сжатии и изгибе возросла на такие же величины.
На основании приведенных результатов было предположено, что использование экструдированных смесей с полыми стеклянными микросферами для производства оконных перемычек позволит получить материал с подобным стеновому материалу термическим сопротивлением.
Известно, что введение ПСМС создает равномерно распределенную в цементной матрице ячеистую структуру, где ПСМС окаймляют поры, являются центрами кристаллизации, оказывают пуццоланический и структурирующий эффекты [3], а также улучшают свойства материала [4]. Более того, при производстве подобных изделий из сборного железобетона подвижность бетонной смеси по осадке конуса обычно составляет 0...4 см, что значительно ниже, чем у кладочных растворов. Погружение стандартного конуса у кладочных растворов (из табл. 1) составляло 8...10 см, что позволило существенно увеличить прочность и несущую способность изделий.
Целью настоящей работы являлось изучение свойств облегченных материалов и изделий с полыми стеклянными микросферами при деформировании и разрушении в условиях равновесных испытаний при трехточечном изгибе.
В работе использовались полые стеклянные микросферы 3M™ Glass Bubbles, тип К25, произведенные в Бельгии. Полые стеклянные микросферы (рис. 1) имеют коэффициент теплопроводности 0,05...0,06 Вт/(м х°С) при 20 °С, температура размягчения 650 °С. Применялся портландцемент ПЦ 500-Д0 Старооскольского цементного завода, соответствующий ГОСТ, с содержанием С3А 3,8 %. Цементная смесь с ПСМС имела осадку конуса 2...4 см, виброуплот-нялась в течение 3 мин. Свойства материала приведены в табл. 2.
Рис. 1. Микроструктура полых стеклянных микросфер
ВЕСТНИК
МГСУ-
9/2013
Табл. 2. Свойства экструдированного материала с ПСМС и С-3
Состав, мас. % В/Ц Средняя плотность Прочность, МПа, в 28 сут
сухого материала, г/см3 Изгиб Сжатие
10 ПСМС + С-3 0,27 1,12 9,4 26,7
30 ПСМС + С-3 0,45 0,56 5 12,1
50 ПСМС + С-3 0,9 0,392 2,54 6,4
В [1, 2, 5, 6] было установлено, что при экструдировании происходит очищение поверхности цементных частиц, наполнителя, улучшается смачивание, снижается количество воды затворения, повышается реакционная способность поверхности. Это наглядно видно по результатам, приведенным в табл. 2. Так, прочностные показатели увеличились на 30...40 %.
Были изготовлены образцы-призмы с размерами 10*10*40 см и испытаны при равновесных испытаниях на растяжение при трехточечном изгибе с получением полностью равновесных диаграмм деформирования (ПРДД). Испытания проводились в соответствии с ГОСТ 29167—91. «Бетоны. Методы определения характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении». Установка имеет упругое стальное кольцо, которое создавало равновесные условия деформации и разрушения. Использовались методы механики разрушения [7, 8]. Результаты испытаний и обработки данных приведены на рис. 2 и в табл. 3.
Нагрузка Р, H
£
300
200
100
/ 1 fl Л
к Л
/1 IV
Г 1 в
0 Б' 0,1
0,3 й' 0,5 0,7
Прогиб/ М0-Зм
Рис. 2. Полностью равновесные диаграммы деформирования и разрушения облегченного материала с 10 % ПСМС: 1 — из экструдированной смеси; 2 — из обычной смеси
Табл. 3. Свойства облегченного материала с ПСМС
Состав, мас. % Прочность при изгибе, МПа Удельные энергозатраты на деформирование и разрушение, Дж/м2
G * GL G * с
Материал, полученный из обычной смеси
10 ПСМС + С-3 6,9 37,1 60 97,1
30 ПСМС + С-3 3,6 22,8 53,7 76,5
50 ПСМС + С-3 1,85 17,1 33,2 50,3
Окончание табл. 3
Состав, мас. % Прочность при изгибе, МПа Удельные энергозатраты на деформирование и разрушение, Дж/м2
G * 1 G; G * с
Материал, полученный из экструдированной смеси
10 ПСМС + С-3 9,4 48,2 68,3 116,5
30 ПСМС + С-3 5 29,3 59,5 88,8
50 ПСМС + С-3 2,54 22,1 36,3 58,4
Примечание. *О., G, Gc — удельные энергозатраты (энергозатраты, отнесенные к площади поперечного сечения образца) на инициирование локальной трещины, сопротивление ее росту и полное разрушение образца соответственно.
При равновесных испытаниях, по мнению Д.В. Орешкина [9], можно выделить три основных энергетических показателя: трещиностойкость материала, которая характеризуется ПРДД до максимума, т.е. старта локальной трещины (восходящая ветвь ПРДД); сопротивление росту локальной трещины, оцениваемое после старта трещины (ниспадающая ветвь ПРДД); полное разрушение материала, определяемое всей площадью диаграммы. Эти три показателя, отнесенные к площади поперечного сечения, образуют удельные значения энергии деформации и разрушения цементного материала О, Ои G
При сравнении результатов табл. 1 и 2 было установлено, что значительно снижается расход воды затворения при изготовлении экструдированного материала с ПСМС. Следовательно, должны произойти изменения в показателях паропроницания и коэффициента теплопроводности. Были получены результаты, которые приведены в табл. 4.
Табл. 4. Паропроницаемость и теплопроводность экструдированного материала с ПСМС
Состав, мас. % Коэффициент теплопроводности, Вт/(м°С): Коэффициент паропроницания д, мг/м чПа
при естественной влажности в сухом состоянии
10 ПСМС + С-3 0,262 0,212 0,006
30 ПСМС + С-3 0,223 0,163 0,028
50 ПСМС + С-3 0,176 0,083 0,047
Таким образом, анализ данных, приведенных на рис. 2 и в табл. 2 и 3, показывает, что трещиностойкость материала с полыми стеклянными микросферами, полученного из экструдированной смеси, имеет более высокие показатели. Материал обладает на 30...40 % большей трещиностойкостью, прочностью при изгибе и сжатии, чем материал из облегченной смеси с ПСМС, не подверженной экструдированию. Снижается паропроницаемость за счет более плотной структуры материала, что связано с уменьшением количества воды затворения.
ВЕСТНИК 9/2013
9/2013
Из разработанного материала была изготовлена опытная партия оконных перемычек для малоэтажного строительства в городах Ижевске и Томске. Был получен технико-экономический эффект.
Библиографический список
1. Орешкин Д.В., Капцов П.В. Научно-технические предпосылки получения экструдированных облегченных цементных систем // Вестник МГСУ 2012. № 3. С. 115—119.
2. Орешкин Д.В., Семенов В.С., Капцов П.В. Экструдированные облегченные кладочные растворы // Вестник Томского ГАСУ 2012. № 3. С. 159—163.
3. Орешкин Д.В. Облегченные и сверхлегкие цементные растворы для строительства // Строительные материалы. 2010. № 6. С. 34—37.
4. ОрешкинД.В., Беляев К.В., Семенов В.С. Теплофизические свойства, пористость и паропроницаемость облегченных цементных растворов // Строительные материалы.
2010. № 8. С. 51 —55.
5. Сахаров Г.П., Чан Минь Дык. Повышение свойств мелкозернистого бетона экс-трудированием исходных смесей // Бетон и железобетон. 2009. № 1. С. 6—8.
6. Орешкин Д.В. Проблемы строительного материаловедения и производства строительных материалов // Строительные материалы. 2010. № 11. С. 6—9.
7. Eberhardsteiner J., Zhdanok S., Khroustalev B., Batsianouski E., Samtsou P., Leonovich S. Characterization of the influence of nanomaterials on the mechanical behavior of cement stone // Journal of Engineering Physics and Thermophysics, Vol. 84, No. 4, July,
2011. рр. 8—10.
8. Методы определения и повышения трещиностойкости облегченных тампо-нажных материалов / К.В. Беляев, Д.В. Орешкин, В.Ю. Близнюков, Г.Н. Первушин // Нефтяное хозяйство. № 6. 2003. С. 42—46.
9. Орешкин Д.В., Первушин Г.Н. Параметры деформирования и разрушения там-понажного камня с микросферами после пулевой перфорации // Вестник гражданских инженеров. 2009. № 4. С. 164—166.
Поступила в редакцию в августе 2013 г.
Об авторе: Капцов Петр Владимирович — аспирант кафедры строительных материалов, заведующий лабораторией, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, [email protected].
Для цитирования: Капцов П.В. Свойства облегченных изделий из экструдированных смесей при деформировании и разрушении // Вестник МГСУ 2013. № 9. С. 56—61.
P.V. Kaptsov
PROPERTIES OF LIGHTWEIGHT PRODUCTS MADE OF EXTRUDED MIXTURES, IF EXPOSED TO DEFORMATION AND FRACTURE
This article covers the study of the properties of lightweight solutions and products made of extruded cement mixtures having hollow glass microspheres. The author presents data on the average density, strength, water vapour permeability, thermal conductivity, per-unit energy consumption, and crack resistance in the course of deformation and complete destruction. The author presents the findings of the studies of the microstructure of hollow glass microspheres; the conclusion is that if the extruded cement mixture has effective and active hollow glass microspheres, the water flow will be less intensive, while compressive strength, bending strength, fracture toughness go up. Analysis of the data shows that the fracture toughness of the material, having hollow glass microspheres and made of the extruded mixture, is higher. This material has a 30...40% higher fracture strength, bending strength and compressive strength, than a
regular lightweight composition mixed with HGMS. This article is the fourth one in a
series of articles that discuss methods of extrusion of lightweight cement mixtures.
Key words: light mixture with hollow glass microspheres, extrusion method, local
growth of cracks, total destruction.
References
1. Oreshkin D.V., Kaptsov P.V. Nauchno-tekhnicheskie predposylki polucheniya ekstrud-irovannykh oblegchennykh tsementnykh system [Scientific and Technical Preconditions for Extruded Lightweight Cement Systems]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 3, pp. 11—19.
2. Oreshkin D.V,, Semenov V.S., Kaptsov P.V. Ekstrudirovannye oblegchennye kladochnye rastvory [Extruded Lightweight Masonry Mortars]. Vestnik Tomskogo GASu [News Bulletin of Tomsk State University of Architecture and Civil Engineering]. 2012, no. 3, pp. 159—163.
3. Oreshkin D.V. Oblegchennye i sverkhlegkie tsementnye rastvory dlya stroitel'stva [Lightweight and Superlight Cement Mortars for Construction Purposes]. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2010, no. 6, pp. 34—37.
4. Oreshkin D.V., Belyaev K.V., Semenov V.S. Teplofizicheskie svoystva, poristost' i paropronitsaemost' oblegchennykh tsementnykh rastvorov [Thermal-physical Properties, Porosity and Vapour Permeability of Lightweight Cement Mortars]. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2010, no.8, pp. 51—55.
5. Sakharov G.P., Chan Min Dyk. Povyshenie svoystv melkozernistogo betona ekstrudirovaniem iskhodnykh smesey [Improvement of Properties of Fine-grain Concrete Using Method of Extrusion of Initial Mixtures]. Beton i zhelezobeton [Concrete and Reinforced Concrete]. 2009, no. 1, pp. 6—8.
6. Oreshkin D.V. Problemy stroitel'nogo materialovedeniya i proizvodstva stroitel'nykh materialov [Problems of the Construction Material Science and Production of Construction Materials]. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2010, no. 11, pp. 6—8.
7. Eberhardsteiner J., Zhdanok S., Khroustalev B., Batsianouski E., Samtsou P., Leonovich S. Characterization of the Influence of Nanomaterials on the Mechanical Behavior of Cement Stone. Journal of Engineering Physics and Thermophysics. July 2011, vol. 84, no. 4, pp. 8—10.
8. Belyaev K.V., Oreshkin D.V., Bliznyukov V.Yu., Pervushin G.N. Metody opredeleniya i povysheniya treshchinostoykosti oblegchennykh tamponazhnykh materialov [Methods of Identification and Improvement of Fracture Strength of Lightweight Backfill Materials]. Neftyanoe khozyaystvo [Oil Economy]. 2003, no. 6, pp. 42—46.
9. Oreshkin D.V., Pervushin G.N. Parametry deformirovaniya i razrusheniya tamponazhnogo kamnya s mikrosferami posle pulevoy perforatsii [Parameters of Deformation and Destruction of Backfill Stone Having Microspheres Following Bullet Perforation]. Vestnik grazhdanskikh inzhenerov [News Bulletin of Civil Engineers]. 2009, no. 4, pp. 164—166.
About the author: Kaptsov Petr Vladimirovich — Director of Laboratory, postgraduate student, Department of Construction Materials, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoye shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected].
For citation: Kaptsov P.V. Svoystva oblegchennykh izdeliy iz ekstrudirovannykh smesey pri deformirovanii i razrushenii [Properties of Lightweight Products Made of Extruded Mixtures, If Exposed to Deformation and Fracture]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 9, pp. 56—61.
