Конструктивные пено - и фибропенобетоны на воде с пониженной температурой затворения

Аннотация

Л. Р. Маилян, А. Л. Маилян, К. В. Макарычев

Постановка задачи. Получение пенобетонов высокой прочности позволяет осуществить в строительстве энерго- и ресурсосбережение. Вода занимает более 50 % объема их плотной составляющей и от ее свойств  существенно зависят конструктивные свойства пенобетонов, исследованные не полностью.
Результаты. Выявлено влияние воды затворения пониженной температуры на структуру и конструктивные свойства пенофибробетонов. Даны рекомендации по учету в расчетах железобетонных элементов повышенных конструктивных свойств и диаграмм деформирования пенофибробетонов на воде затворения пониженной температуры.
Выводы. Использование пониженной температуры воды затворения улучшает на структуру, повышает прочность, деформативность и модуль упругости, а также изменяет диаграммы деформирования фибропенобетонов.
Ключевые слова: фибропенобетон, пенобетон, температура воды затворения, макропористость, экономическая эффективность, технико-экономическая оценка.

Ключевые слова:

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Введение.
В [1] выявлено, что применение в пено- и фибропенобетонах воды затворения пониженной температуры благотворно сказывается на их прочности на сжатие и сделана попытка объяснить качественно физическую природу явления и изменение прочности.
В цели настоящего исследования входит изучение свойств пено- и фибропенобетона на воде затворения пониженной температуры как конструкционного материала, в частности его прочностных и деформативных характеристик и диаграмм деформирования «напряжения-деформации» как при сжатии, так и при растяжении, как основных параметров, используемых для расчета и проектирования строительных конструкций.
1. Общие положения. Известно, что вода в диапазоне температур 0…+4°C имеет наиболее упорядоченную структуру, характеризующуюся максимальной плотностью (рис.1). Нагревание воды свыше +4°С способствует активизации теплового движения молекул, уменьшает их упорядоченность в объеме и ведет к уменьшению плотности [2].

Рис. 1. Зависимость плотности воды от температуры [2]

Из этого и вытекает задача исследования конструктивных свойств пено- и фибропенобетона на воде пониженной температуры, соответствующей ее максимальной плотности.
2. Влияние температуры воды на конструктивные свойства и диаграммы деформирования пено- и фибробетонов изучалось на испытаниях на осевое сжатие и осевое растяжение 96 опытных образцов из пено- и фибропенобетона.
В опытах варьировались:
– вид бетона – пенобетон, фибропенобетон;
– температура воды затворения t°– +4°С, +20°С, +37°С;
– вид напряженно-деформированного состояния – осевое сжатие, осевое растяжение;
– виды образцов – призмы 10х10х40см, восьмерки 10х10х70см;
– возраст бетона t – 7, 28, 90, 365 суток.
В качестве фибр применялись волокна из полипропилена, процент фибрового армирования был постоянным и равным 4%.
Испытания опытных образцов проводили, дублируя их – с постоянной скоростью нагружения и с постоянной скоростью деформирования.
За отправную точку принимались показатели пено- и фибропенобетона с t°=+20°С.
Сравнение макроструктуры пено- и фибропенобетонов на воде затворения с температурой +4°С, +20°С и +37°C показало, что при прочих равных условиях у пено- и фибропенобетонов на воде +4°C размер пор ощутимо меньше, чем на воде +20°C и форма пор близка к круглой, в то время как у пено- и фибропенобетонов на воде +37°C размер пор заметно крупнее и форма их эллиптическая, что хорошо корреспондируется с [1] .
Меньший размер пор у пено- и фибропенобетонов на воде затворения с температурой +4°C приводит и к их лучшим конструктивным характеристикам.
Прочность на сжатие Rb (табл. 1,2) у пенобетонов на воде с t°=+4ºС в возрасте 7 суток была на 8,1% больше, чем у пенобетонов на воде с t°=+20°C и на 13,51% больше, чем у пенобетонов на воде с t°=+37°C, прочность которых, в свою очередь, была ниже на 5,41%, чем у пенобетонов на воде с t°=+20°C. К 28 суткам эта разница составила соответственно 10,87; 19,57 и –8,7%,  к 90 суткам – 12,28; 22,81 и –10,53% соответственно и на 365 сутки – 12,5; 24,17 и –11,67% соответственно.
Еще в большей степени выявленный эффект заметен в прочности на сжатие фибробетонов (табл.1,2). 
Таблица 1
Влияние температуры воды затворения на прочность на осевое сжатие и осевое
растяжение пено- (числитель) и фибропенобетонов (знаменатель)

Таблица 2
Отклонения прочности пено- и фибропенобетонов при температурах воды затворения +4ºС и +37ºС на осевое сжатие (числитель) и осевое растяжение (знаменатель)
от их прочности при температуре +20ºС

Прочность на растяжение Rbt (табл. 1,2) у пенобетонов на воде с t°=+4ºС в 7 суток была на 12% больше, чем на воде с t°=+20°C и на 20% больше, чем на воде с t°=+37°C, прочность которых, в свою очередь, была ниже  на 8%, чем на воде с t°=+20°C. В 28 суток эта разница составила соответственно 15,52; 27,06 и -11,54%, в 90 суток – 20,21; 34,04 и -13,83% соответственно и в 365 суток – 22,88; 38,13 и -15,25% соответственно.
Еще больше этот эффект повышения прочности на растяжение у фибробетонов (см.таблицы 1,2).
Причиной повышения прочности на сжатие и на растяжение пенобетонов, приготовленных при t°=+4ºС по сравнению с пенобетонами, приготовленными при температурах t°=+20ºС и +37ºС, являлось ускоренное кластерообразование, вызванное пониженной температурой воды затворения [3]. Причиной же повышенного по сравнению с пенобетонами прироста прочности фибропенобетонов при сжатии и при растяжении - при температуре +4ºС по сравнению с фибробетонами при температуре +20°C – являлось ускоренное кластерообразование, вызванное не только пониженной температурой воды затворения, но еще и фибрами. То есть совмещение двух причин – пониженной температуры воды затворения и фибрового армирования - привело к синергетическому эффекту и конечный результат усилился.
Так, однако, не произошло в фибропенобетонах при температуре +37°C – там повышенная температура привела к замедленному кластерообразованию, а фибровое армирование – к повышенному, и суммарный эффект снизился.
Отметим также, что как пено-, так и фибропенобетоны на воде затворения с t°=+4ºС продолжали набирать прочность при сжатии и растяжении в течение 365 суток, что объясняется продолжением процессов гидратации в цементном камне в течение всего этого периода. В то же время прочность пено- и фибропенобетонов на воде затворения с t°=+20°C и t°=+37°C после 90 суток изменялась незначительно.
Предельные деформации (соответствующие максимальной прочности) пенобетонов с различной температурой воды затворения как при осевом сжатии εbR, так и при осевом растяжении εbtR, демонстрировали обратную картину – при понижении  температуры воды затворения они снижались, при ее повышении – росли во все контрольные сроки твердения (рис.2).
При 7 сутках предельные деформации при сжатии у пенобетонов на воде с t°=+4ºС были на 10,1% меньше, чем у пенобетонов на воде с t°=+20°C и на 22,5% меньше, чем у пенобетонов на воде с t°=+37°C, предельные деформации которых, в свою очередь, были выше на 11,4%, чем у пенобетонов на воде с t°=+20°C. К 28 суткам эта разница составила 14,8; 29,7 и -14,9%, к 90 суткам – 18,2; 34,7 и -16,5% и на 365 сутки – 20,5; 39,1 и -18,6% соответственно.
А вот в фибробетонах такого выраженного эффекта не наблюдалось. В них на воде с t°=+4ºС в возрасте 7 суток предельные деформации были практически те же - на 3,2% больше, чем у фибропенобетонов на воде с t°=+20°C, но на 14,5% меньше, чем у фибропенобетонов на воде с t°=+37°C, предельные деформации которых, в свою очередь, была больше на 11,3%, чем у фибропенобетонов на воде с t°=+20°C.
Отклонения предельных деформаций сохраняют те же тенденции и в другие сроки  – так, у фибропенобетонов на воде +4ºС, +20°C и +37°C  они достигают в 28 суток соответственно 4,8; 13,5 и 8,7%, в 90 суток – 5,8; 17,8 и 12%, а на 365 сутки – 7,1; 20,6 и 13,5%.
Указанные тенденции, характерны и для предельных деформаций пено- и фибропенобенов при осевом растяжении.
Дело в том, что в пенобетонах с t°=+4ºС ускоренное по сравнению с другими температурами воды затворения структурообразование приводит с одной стороны – к росту прочности, а с другой – к снижению деформативности вследствие более упругих и жестких внутренних связей. А в фибробетонах с t°=+4ºС ускоренное структурообразование приводит с одной стороны – к усилению роста прочности благодаря деформативности, так как пониженная температура воды затворения повышает жесткость структуры, а синтетические фибры, наоборот, снижают ее, повышая пластические свойства и нивелируя этим общий эффект.
Начальный модуль упругости при сжатии и растяжении у пенобетонов с t°=+4ºС  практически во все сроки твердения был одинаков и до 9,8% выше, чем у пенобетонов с t°= +20°C и еще на 4,9% выше, чем у пенобетонов на воде с t°=+37°C. Похожая картина наблю-

а)

б)

Рис. 2. Зависимость изменения предельных деформаций при сжатии (а) и растяжении (б) у пенобетонов
(——) и фибропенобетонов (——)от температуры воды затворения в различном возрасте

далась и у фибропенобетонов – там отклонения были соответственно 9,1 и 4,2%.
Но если у пенобетонов повышение начального модуля упругости объяснялось повышением прочности и уменьшением предельных деформаций, что смещало вверх и влево  максимум на  диаграмме «напряжения-деформации», то у фибропенобетонов большее, чем у пенобетонов, повышение прочности компенсировало немного повысившиеся предельные деформации и смещало сильнее вверх и чуть вправо максимум на диаграмме «напряжения-деформации», приводя почти к такой же величине начального модуля упругости.
Диаграммы деформирования «напряжения-деформации» – для пенобетонов при сжатии и при растяжении  при t°=+4ºС по сравнению с диаграммами при t°=+20ºС, принятой за эталонную, при всех сроках твердения характерны следующие особенности: максимум смещается вверх и влево; угол подъема в начале координат растет;  увеличивается подъемистость диаграммы в восходящей ветви.
Для диаграмм же пенобетонов при t°=+37ºС при всех сроках твердения при сжатии и растяжении характерные особенности, по сравнению с диаграммами при t°=+20ºС, несколько иные: максимум смещается вниз и вправо; угол подъема в начале координат снижается; уменьшается подъемистость диаграммы в восходяшей и нисходящей ветвях.
Что же касается фибропенобетонов, то при t°=+4ºС эти же отличия будут иными - максимум смещается сильно вверх и немного вправо; угол подъема в начале координат чуть растет – из-за большого подъема максимума по вертикали; увеличивается подъемистость как в восходяшей, так и в нисходящей ветвях.
При t°=+37ºС для диаграмм фибропенобетонов характерные особенности, по сравнению с диаграммами при t°=+20ºС: максимум смещается вниз и вправо; угол подъема в начале координат снижается; уменьшается подъемистость диаграммы в восходяшей и нисходящей ветвях.
Выявленные особенности изменения диаграмм деформирования характерны во все сроки твердения и при сжатии и растяжении.
В целом же очевидно, что при понижении температуры воды затворения становится возможным ускоренное формирование структуры пено- и фибропенобетонов с улучшенными физико-механическими характеристиками.
3. Предложения по аналитическому описанию характеристик пено- и фибробетонов с пониженной температурой воды затворения в различные сроки твердения условно разбиты на три этапа.
На первом предложим рекомендации по аналитическому описанию прочностных и деформативных характеристик в зависимости от температуры воды затворения в виде:
K = f (t°),     (1)
где K – коэффициент, равный превышению новых, изменившихся прочностных и деформативных характеристик бетона над базовыми; f – соответствующая математическая функция; t° – температура воды затворения.
На втором предложим рекомендации по аналитическому описанию прочностных и деформативных характеристик  в зависимости от возраста бетона в виде:
K = f (t),     (2)
где f – соответствующая математическая функция; t – возраст бетонов.
На третьем совместим предложенные ранее зависимости и сведем их в единую формулу, учитывающую изменение прочностных и деформативных характеристик пено- и фибропенобетона в зависимости от температуры воды затворения и возраста бетона:
K = f (t°+t)   (3)
За единую базовую функцию, описывающую все указанные тенденции, изберем:
,     (4)
где X_R, Y_R – координаты максимума графика функции (4), построенного в абсолютных показателях; К – управляющий параметр, влияющий на форму графика функции (4).
График функции (4), предложенной П. Сарджином [4] и рекомендованной ЕКБ-ФИП для описания диаграмм деформирования железобетонных конструкций, в зависимости от значения управляющего параметра К трансформируется в прямую (К=1), квадратичную параболу (К=2) и действительную ветвь квадратичной гиперболы (1< K <2 и K>2).
В качестве функции Y/YR в выбранной нами для расчетных рекомендаций функции (4) выступают приращения D(%) прочностных R_b, R_bt и деформативных ε_bR, ε_btR характеристик, а также начального модуля упругости E_b=E_bt пено- и фибропенобетонов, а в качестве аргумента Х/XR – относительное превышение текущей температуры над базовой (t-t₂₀)/t₂₀.
Значения X_R и Y_R, характеризующие максимумы графиков функции (4) имеют свои конкретные значения, приведенные нами в тексте для каждой из прочностных и деформативных характеристик и модулей упругости.
Статистическая обработка полученных результатов позволила определить значения значений управляющих параметров К для всех прочностных, деформативных характеристик и модулей упругости пено- и фибропенобетонов и свести их в таблицу 3. При определении К выяснилось, что его значения при сжатии и растяжении близки между собой (отклонения не превышают 0,4 по абсолютной, и 6% – по относительной величине), что дало основание рекомендовать для расчетов единые значения К при сжатии и растяжении.
В ходе статистической обработки также выяснилось, что нет необходимости в построении отдельных функций в зависимости от возраста бетона K= f (t) и в построении суммарных функций в зависимости от температуры воды затворения и возраста бетона K= f (t°+t), поскольку они хорошо описываются зависимостями и их коэффициентами, подобранными для функций KR= f (t°).

Таблица 3
Функции, аргументы и значения параметров зависимости (4) для определения
прочностных и деформативных характеристик пено- и фибропенобетонов
при различной температуре воды затворения и в разные сроки твердения

Анализ показал хорошую сходимость разработанных теоретических рекомендаций с нашими экспериментальными результатами.
4. Аналитическое описание диаграмм деформирования "напряжения-деформации" пено- и фибропенобетонов при различных температурах воды затворения и сроках твердения,  и их взаимосвязи при сжатии и растяжении. 
Одной из наиболее удобных и распространенных в мире являетсязависимость П. Сарджина [4], рекомендованная ЕКБ-ФИП для расчетов железобетонных конструкций:
,      (5)
где R и ε_R – максимальная прочность и соответствующие ей деформации на сжатие или растяжение; К=ε_RЕ/R – численный параметр, равный отношению начального Е (касательного) модуля упругости к предельному (секущему) модулю упругости R/ε_R в момент достижения максимума функции (5) с координатами R и ε_R.
В тех же рекомендациях предлагалось принимать (рис. 3) диаграммы деформирования  бетона при сжатии "σ_b-ε_b" и при растяжении "σ_bt-ε_bt" подобными, имеющими одинаковый начальный Е_b=Е_bt и секущий модуль упругости R_b/ε_bR= R_bt/ε_btR , как и параметр К.

Рис. 4. Общий вид диаграммы деформирования бетона при сжатии и растяжении в абсолютных координатах

В целях единообразия предлагаемых расчетных зависимостей, применим единые функции (4) – (5) как для оценки изменения прочностных и деформативных характеристик, так и для описания диаграмм деформирования пено- и фибропенобетона при различных температурах воды затворения и в различные сроки твердения при сжатии и растяжении.
В целом, порядок расчетной оценки изменения свойств пено- и фибропенобетона будет иметь вид.
На первом этапе определяется изменение прочностных Δ_Rb и Δ_Rbt и деформативных Δε_bR, Δε_btR, ΔЕ_b, ΔЕ_bt при необходимых температурах воды затворения и сроках твердения при сжатии и растяжении – по зависимости (4) и табл. 3.
На втором этапе для описания диаграмм "σ-ε" пено- и фибропенобетона при необходимых температурах воды затворения и сроках твердения при сжатии и растяжении используется функция (5) с подстановкой в нее вместо R и ε_R соответственно (R_b + DR_b); (ε + Δε_bR); ΔЕ_b, при сжатии и (R_bt + ΔR_bt); (ε_btR + Δε_btR); ΔЕ_bt  при растяжении, при этом параметр К:
     (6)
Анализ показал хорошую сходимость опытных и расчетных результатов.
Взаимосвязь изменения диаграмм деформирования пено- и фибропенобетонов при сжатии и растяжении. Наиболее просто и одновременно достоверно эта взаимосвязь для обычных бетонов отражена в упоминавшихся рекомендациях ЕКБ – ФИП - в них принимается равенство начальных модулей упругости при сжатии и растяжении E_b = E_bt, то есть касательных к диаграммам "σ_b -ε_b" и "σ_bt - ε_bt"в начале координат, и рекомендуются одинаковые значения:
    (7)
при сжатии и растяжении (то есть секущих  в  точках  максимумов  диаграмм "σ_b -ε_b" и "σ_bt - ε_bt"), а также дается одинаковая функция "σ -ε" при сжатии и растяжении – формула (5), тем самым диаграммы при сжатии и растяжении предполагаются подобными.
Анализ полученных нами опытных данных выявил некоторые дополнительные факты взаимосвязи изменения диаграмм "σ-ε" пено- и фибропенобетонов при сжатии и растяжении.
Это касается координат максимумов диаграмм "σ_b -ε_b" и "σ_bt -ε_bt" при каждой определенной температуре воды затворения и сроке твердения пено- и фибропенобетонов. Оказалось, что эти максимумы лежат при сжатии и растяжении на одной прямой, проходящей через начало координат графика.
То есть, подобие диаграмм "σ_b -ε_b" и "σ_bt -ε_bt" имеет место и для пено- и фибропенобетонов при сжатии и растяжении с одинаковыми температурами воды затворения и возрастами твердения.
4. Нормативные и расчетные характеристики пено- и фибропенобетона при различных температурах воды затворения. После установления повышения характеристик пено- и фибропенобетонов при различных температурах воды затворения необходимо  разработать рекомендации по расчетному определению нормативных и расчетных сопротивления для предельных состояний I и II групп предельных состояний.
Для этого необходима была определенная статистика, основанная на большом количестве экспериментальных данных.
С этой целью нами были проведены дополнительные экспериментальные исследования – изготовливались и испытывались из пено- и фибропенобетона по 40 кубов размером 10х10х10см, из которых по 10 испытывались на осевое сжатие и растяжение при раскалывании, при температуре воды затворения +4°C и +37°C, всего 80 опытных образцов.
По результатам статистической обработки опытных данных были определены нормативные сопротивления сжатию и растяжению при надежности 0,95. Их значения, являющиеся одновременно расчетными сопротивлениями для предельных состояний второй группы R_b,ser и R_bt,ser для пено- и фибропенобетонов класса В 5 с процентом фибрового армирования µ=4% и температурах воды затворения +4°C, +20°C и +37°C приводятся в таблице 4.
Расчетные сопротивления пено – и фибропенобетонов для предельных состояний первой группы R_b и R_bt получали как частное от деления нормативных сопротивлений сжатию и растяжению на соответствующие коэффициенты надежности по бетону при сжатии bc = 1,3 и при растяженииbt = 1,5.
При расчете и проектировании пено- и фибропенобетонных элементов необходимо учитывать также деформативность пено- и фибропенобетонов.  Для них при µ=4%  предельную сжимаемость можно увеличить в 1,3 раза, т.е. принимать ее при кратковременном нагружении равной 2,6 . 10-3 (по нормам), а предельная  растяжимость может быть принята увеличенной в 1,5 раза в сравнении с нормированным значением для бетона без фибр.

Таблица  4
Нормативные и расчетные характеристики пено- и фибропенобетона класса В 5 с процентом фибрового армирования µ=4%   при различных температурах воды затворения

5. Выводы
1.Проведенные экспериментальные исследования равноплотных пено- и фибропенобетонов класса В 5 на воде затворения с температурой +4, +20 и +37°C выявили, что для получения их лучших конструктивных характеристик наиболее рациональной является температура +4°C, соответствующая максимальной плотности воды.
2.Установлено, что у бетонов на воде затворения температурой+4°C в возрасте 28 сут.:
у пенобетонов – увеличивается прочность на осевое сжатие – до 10,87% ; прочность на осевое растяжение – до 15,52%; модуль упругости – до 9,8%; уменьшаются предельные деформации – до 14,8%;
у фибропенобетонов – растет прочность на осевое сжатие – до 10,87%; прочность на осевое растяжение – до 15,52%; модуль упругости – до 9,1%, уменьшаются предельные деформации – до 4,8%.
Выявлено, что изменение характеристик пено- и фибропенобетонов на воде затворения +4°C продолжается и стабилизируется к возрасту 365 сут.
3. Предложены расчетные рекомендации для учета изменения прочностных и деформативных характеристик пено- и фибропенобетона на воде затворения с температурой +4°C, +20°C и +37°C и в возрасте 7,28,90,365 сут. при осевом сжатии и растяжении, определены их параметры и коэффициенты.
4. Выявлено изменение диаграмм деформирования «напряжения-деформации» пено- и фибропенобетона на воде затворения с температурой +4°C, +20°C и +37°C  и в возрасте 7,28,90,365 суток при осевом сжатии и растяжении.
5.Предложено использовать для расчетного описания диаграмм деформирования «напряжения-деформации» пено- и фибропенобетона на воде затворения с температурой +4°C, +20°C и +37°C  и в возрасте 7,28,90,365 суток при осевом сжатии и растяжении формулу ЕКБ-ФИП с учетом разработанных рекомендаций по оценке изменения их прочностных и деформативных характеристик.
6. Выявлена взаимосвязь изменений характеристик и диаграмм деформирования пено- и фибропенобетона на воде затворения различной температуры и в различном возрасте при осевом сжатии и растяжении. Предложена расчетная зависимость для описания этой взаимосвязи, имеющая в целях единообразия, одинаковый вид и структуру с расчетными рекомендациями, разработанными для характеристик бетона и его диаграмм деформирования.
7. По результатам статистической обработки опытных данных при надежности 0,95 определены и рекомендованы для применения при проектировании нормативные сопротивления на сжатие и растяжение (R_bn и R_btn) пено- и фибропенобетона класса В 5 при проценте фибрового армирования 4%, а также расчетные сопротивления для предельных состояний первой (R_b и R_bt) и второй группы (R_b,ser и R_bt,ser).

Список литературы:
1. Смирнова, П.В. Температурный фактор в технологии фибропенобетона: Автореферат дисс. канд. техн.наук. Ростов н/Д, 2010.
2. Зацепина, Г.Н. Физические свойства и структура воды / Г.Н. Зацепина  – М.: МГУ. – 1987. – 171 с.
3. Шмитько, Е.И. Управление процессами твердения и структурообразо­вания  бетонов: Автореферат дисс. д -ра. техн. наук. – Воронеж, 1994.
4. Sargin, M. Stress-Strain relationchips for concrete and the analisis of structural concrete section // SM. Stud; № 4, Solid Mechanics Oivision, University of Vaterloo. Ontario. Canada, 1971.