Влияние вида заполнителей на прочностные и деформативные свойства высокопрочных бетонов при нагреве

Современное массовое строительство в России, строительство высотных зданий, мостов, дорог, туннелей, очистных сооружений, потребует применения в больших объемах строительных материалов, в наибольшей степени подходящих по своим технико-экономическим показателям. В целом ряде случаев таким материалом может быть высокопрочный бетон (ВБ). Высокая механическая прочность, газо- и водонепроницаемость, коррозионная стойкость и стойкость к воздействию агрессивной среды, истиранию ставят этот материал в целом ряде случаев вне конкуренции при сравнении с традиционными строительными материалами.

Поведение обычного тяжелого бетона при высокотемпературном нагреве изучено достаточно широко. Результаты множественных исследований [1–3] систематизированы и приведены в СП 468.1325800.2019 [4] в виде значений коэффициентов условий работы при нагреве для расчета огнестойкости и в охлажденном состоянии после нагрева для расчета огнесохранности для бетонов класса по прочности на сжатие не выше В55. Такое ограничение класса прочности неслучайно.

Исследованиями многих российских и зарубежных авторов доказано, что изменчивость прочностных и деформативных свойств ВБ отличается от обычных тяжелых бетонов. При этом наблюдается достаточно большой разброс значений снижения прочности ВБ при пожаре (рис. 1), а отклонения от условного среднего значения достигают 50 %. Экспериментально установлено, что прочность ВБ при нагреве в меньшей степени зависит от первоначального значения прочности до нагрева. Такой разброс значений, как правило, связывают с различиями вещественно-количественных составов ВБ, типа заполнителей, минеральных добавок, методик приложения силовой и температурной нагрузки.

Анализ исследований разных авторов показал, что наибольшее внимание уделяется влиянию модифицирующих тонкомолотых добавок на свойства высокопрочного бетона при нагреве. Влияние вида крупного заполнителя на изменчивость свойств ВБ при нагреве недостаточно изучено.

В некоторых работах авторы исследовали высокопрочные бетоны с модифицирующими тонкомолотыми добавками на гранитном и известняковом заполнителях. Исследований высокопрочных бетонов на базальтовом заполнителе не обнаружено.

В работе [10] авторами приведены результаты испытаний при нагреве в интервале температур 20–900 °C высокопрочных бетонов классов В75–В100 на гранитном заполнителе с тонкомолотыми модифицирующими добавками в виде микрокремнезема, золы-уноса, гранулированного доменного шлака. По результатам исследований установлено, что все три вида исследуемых высокопрочных бетонов имеют схожую динамику снижения прочности на сжатие при нагреве. При сравнении прочностных характеристик при нагреве обычных тяжелых бетонов и исследуемых высокопрочных автором отмечено резкое снижение прочности высокопрочных бетонов на 30 % при 150 °C, в то время как обычные тяжелые бетоны не теряют прочностные свойства до 350 °C.

Авторы работы [11] изучали влияние температуры нагрева до 400 °C высокопрочного бетона, содержащего добавку МБ 10-50С, состоящую из микрокремнезема, золы-уноса и суперпластификатора С-3, на гранитном заполнителе. В результате работы авторами отмечено увеличение прочности на сжатие при кратковременном нагреве до 200 и 300 °C по сравнению с прочностью при 20 °C на 15 и 4 % соответственно. Схожие результаты получены для высокопрочного бетона аналогичного состава авторами статьи из Бразилии [7], которые исследовали влияние влажности и температуры нагрева на прочностные характеристики и вероятность взрывообразного разрушения обычного тяжелого и высокопрочного бетонов. Похожее явление также наблюдали авторы [12], которые исследовали высокопрочные бетоны на гранитном заполнителе с активными добавками в виде микрокремнезема, золы-уноса и тонкомолотого гранулированного доменного шлака.

В статьях коллег из Республики Беларусь [5][6] приведены результаты исследований прочностных и деформативных характеристик высокопрочных бетонов на гранитном заполнителе с учетом влияния различных пластифицирующих добавок, микрокремнезема и стальной фибры на прочность при сжатии, модуль упругости и вязкость разрушения при нагреве до 800 °C. Авторами исследований отмечено, что при нагреве до 350–400 °C в 30 % случаев происходит взрывообразное разрушение образцов во время испытания. Зависимости снижения прочности высокопрочных бетонов при нагреве имеют разную тенденцию (рис. 1).

Авторами настоящей статьи приведены результаты исследований прочностных и деформативных характеристик высокопрочных бетонов класса В100 на гранитном и базальтовом заполнителях при кратковременном нагреве от 100 до 800 °C с шагом 100 °C.

Методы испытания. Вещественный состав бетонных смесей исследованных высокопрочных бетонов приведен в табл. 1.

Изготовление бетонных образцов осуществлялось по ГОСТ 10180-2012 [13] с последующей выдержкой в камере нормального твердения в течение 28 суток. На образцах-кубах размерами 100 × 100 × 100 мм контролировался класс по прочности на сжатие ВБ.

Исследования призменной прочности R_b и модуля упругости E_b высокопрочных бетонов класса В100 на граните и базальте при нагреве проводили по методике ГОСТ 24452-80 [14] на образцах-призмах размерами 70 × 70 × 280 мм. Перед испытаниями на осевое сжатие производился кратковременный нагрев образцов-призм в муфельной печи до заданной температуры с изотермической выдержкой в течение одного часа (рис. 2).

Следует отметить, что предварительный нагрев опытных бетонных образцов подтвердил склонность высокопрочных бетонов к взрывообразному разрушению и обусловил необходимость снижения скорости нагрева образцов (не более 50 °C/час) в процессе испытаний.

Диапазон исследованных температур находился в интервале от 100 до 800 °C с шагом 100 °C. Нагружение образцов-призм в нагретом состоянии производили ступенчато (прибавляя 10 % от разрушающей нагрузки на каждой ступени) до уровня 40 % от разрушающей нагрузки – для определения модуля упругости и до разрушения – для определения призменной прочности.

По результатам испытаний построены графические зависимости коэффициентов условий работы γ_bt и β_b, характеризующих динамику изменчивости призменной прочности (рис. 3) и модуля упругости (рис. 4) высокопрочных бетонов на граните и базальте, от температуры кратковременного нагрева.

Анализ результатов испытаний призменной прочности при кратковременном нагреве высокопрочных бетонов класса В100 на гранитном и базальтовом заполнителях показал следующее (рис. 3). Кратковременный нагрев до температуры 100 °C приводит к снижению призменной прочности исследуемых высокопрочных бетонов класса В100 на 20 % независимо от вида заполнителя. Снижение призменной прочности высокопрочных бетонов при нагреве порядка 100 °C можно объяснить адсорбционным снижением прочности цементного камня. При нагревании бетона происходит более глубокое проникновение воды в микротрещины и микропоры структуры цементного камня, вследствие чего увеличивается истинная поверхность цементного камня, покрытая адсорбционным слоем воды, следовательно, уменьшается поверхностная энергия кристаллов цементного камня, способствуя возникновению и развитию существующих микротрещин при действии на бетон внешней нагрузки.

Дальнейший нагрев до температуры 200 °C также снижает призменную прочность ВБ на 35 % от первоначальной до нагрева.

В процессе испытаний была отмечена специфика поведения высокопрочных бетонов при кратковременном нагреве. Во всех опытах после нагрева до порядка 100–200 °C при открытии двери печи отмечалось интенсивное выделение в окружающую среду парогазовой смеси сизого цвета с едким запахом, характерным для сгорания органических соединений. При испытаниях контрольных образцов из обычного тяжелого бетона на портландцементе подобное явление не наблюдалось. Следовательно, можно предположить, что в диапазоне температур нагрева от 100 до 200 °C происходит выгорание компонентов химических добавок, используемых при изготовлении бетонной смеси высокопрочных бетонов. Данная особенность вызывает дополнительное нарушение межкристаллических связей в цементном камне за счет этого выгорания и приводит к дополнительному снижению призменной прочности бетона.

При последующем нагреве в интервале температур от 200 до 300 °C выявлено некоторое упрочнение высокопрочных бетонов. При 300 °C фактическая призменная прочность высокопрочных бетонов (от первоначальной до нагрева) составила: на граните – 75 %, на базальте – 70 %. Упрочнение высокопрочных бетонов в интервале температур 200–300 °C объясняется повышением прочности цементного камня за счет уплотнения его структуры вследствие удаления воды, адсорбированной гелем двухкальциевого силиката, а также усиленной кристаллизацией Са(ОН)₂, упрочняющей цементный камень.

При нагреве свыше 300 °C наблюдалась устойчивая тенденция к снижению призменной прочности высокопрочных бетонов, что связано с нарушением структуры затвердевшего портландцемента из-за усиливающейся разнозначности деформаций гелеобразной части цементного камня и неразложившихся зерен цементного клинкера, а также из-за дегидратации Са(ОН)₂. Кроме того, одной из основных причин снижения прочности ВБ является возникновение дополнительных напряжений, обусловливающих нарушение связей между заполнителем и цементным камнем вследствие того, что затвердевший цемент, обезвоживаясь, дает усадку, а зерна заполнителя расширяются.

Интенсивность снижения призменной прочности вполне сопоставима для высокопрочных бетонов на граните и базальте. При этом призменная прочность на сжатие высокопрочных бетонов на базальтовом заполнителе при нагреве в интервале температур 500–700 °C на 20–25 % выше, чем у высокопрочного бетона на гранитном заполнителе, что связано с большей устойчивостью базальтового заполнителя к высоким температурам. При нагреве в указанном диапазоне температур базальтовый заполнитель практически не меняет свойства, в то время как гранитный заполнитель претерпевает полиморфные превращения структуры при температуре 573 °C с увеличением объема и растрескиванием.

При температуре нагрева 800 °C призменная прочность высокопрочного бетона на гранитном заполнителе составила 15 %, на базальтовом заполнителе – 20 % от призменной прочности до нагрева. Преимущество базальтового заполнителя связано с его высокой термостойкостью и первоначально более высокой прочностью базальтового заполнителя по отношению к гранитному заполнителю.

Результаты испытаний модуля упругости высокопрочных бетонов при нагреве приведены в табл. 2 и 3 и на рис. 5.

Анализ результатов испытаний модуля упругости при кратковременном нагреве высокопрочных бетонов класса В100 на гранитном и базальтовом заполнителях показал следующее (рис. 4). Начальный модуль упругости при сжатии в возрасте 28 суток высокопрочного бетона класса В100 на гранитном заполнителе меньше начального модуля упругости высокопрочного бетона класса В100 на базальтовом заполнителе на 12 %, что связано с наибольшей начальной прочностью базальтового заполнителя.

При кратковременном нагреве модули упругости при сжатии исследованных видов высокопрочных бетонов снижаются. Интенсивность снижения модулей упругости высокопрочных бетонов на граните и базальте близка по динамике, но при этом значения модулей упругости высокопрочного бетона на базальтовом заполнителе значительно выше, чем на гранитном.

При нагреве до температуры 100 °C модули упругости при сжатии Е_bt высокопрочных бетонов на гранитном и на базальтовом заполнителях снизились примерно на 7 и 11 % от начального значения до нагрева соответственно. При нагреве до температуры 300 °C отмечено снижение на 45 и 37 % от начального значения до нагрева соответственно, а при нагреве до 500 °C модули упругости снизились на 74 и 63 % от начального значения до нагрева соответственно.

При нагреве в интервале температур от 300 до 800 °C наибольшая тенденция снижения модуля упругости проявилась для высокопрочного бетона на гранитном заполнителе.

Уменьшение модулей упругости высокопрочных бетонов происходит за счет повышения деформативности бетона и увеличения их упругих деформаций, а также за счет снижения призменной прочности при нагреве. Увеличение деформативности высокопрочных бетонов при нагреве связано с нарушениями и изменениями структуры высокопрочных бетонов.

Полученные тенденции изменчивости прочностных и деформативных свойств ВБ на граните и базальте имеют хорошее совпадение с результатами, изложенными в статье корейских коллег [9].

По результатам лабораторных испытаний построены диаграммы деформирования высокопрочных бетонов при нагреве в диапазоне температур от 100 до 800 °C, которые приведены на рис. 6 и 7. Анализ диаграмм по зависимости «напряжения – деформации» (σ – ε) показывает, что до температур нагрева порядка 400 °C зависимости (σ – ε) для исследованных видов ВБ носят практически линейный характер (однолинейная диаграмма), а двухлинейный характер диаграмм деформирования начинает проявляться при нагреве свыше 500 °C.

Предельные деформации сжатия высокопрочного бетона на граните больше, чем высокопрочного бетона на базальте. При нагреве до 100 °C относительные предельные деформации сжатия ε_b2 ВБ на граните составили 2,4 × 10^–3, ВБ на базальте – 1,9 × 10^–3. При нагреве до 200 °C относительные предельные деформации сжатия ε_b2 ВБ на граните и базальте составили соответственно 2,6 × 10^–3 и 2,3 × 10^–3, при нагреве до 400 °C – соответственно 3,9 × 10^–3 и 3,0 × 10^–3, при нагреве до 800 °C – соответственно 5,6 × 10^–3 и 4,4 × 10^–3. В целом предельные деформации сжатия ε_b2 высокопрочных бетонов на граните и базальте при нагреве почти в 2 раза превысили теоретические предельные деформации ε_b2, установленные в СП 63.13330.2018 [15] для ВБ класса по прочности на сжатие В100 (0,0028) при нормальной температуре.

Предельные деформации сжатия ε_b2 высокопрочных бетонов на гранитном и базальтовом заполнителях при нагреве изменяются по линейному закону.

Заключение

1. Экспериментальные коэффициенты условий работы γ_btи β_b высокопрочных бетонов класса по прочности на сжатие В100 на гранитном и базальтовом заполнителях могут быть рекомендованы для расчетов огнестойкости железобетонных конструкций, изготовленных из этих видов бетонов.
2. Влияние вида заполнителя (базальта и гранита) на динамику изменчивости прочностных свойств высокопрочного бетона незначительное, поскольку базальт и гранит относятся к группе силикатных заполнителей, а полученные экспериментальные данные имеют небольшой разброс значений (в пределах 10–12 %).
3. При нагреве свыше 200 °C заметна тенденция к увеличению разницы значений модуля упругости между высокопрочными бетонами класса по прочности на сжатие В100 на гранитном и базальтовом заполнителях. Модуль упругости высокопрочного бетона на базальте менее интенсивно снижается при нагреве и имеет более высокие значения по отношению к модулю упругости высокопрочного бетона на граните.
4. Диаграммы деформирования ВБ на граните и базальте при нагреве до 400 °C носят упругий однолинейный характер, а при нагреве свыше 500 °C – двухлинейный характер.
5. Предельные деформации сжатия ε_b2высокопрочных бетонов на граните и базальте при нагреве почти в 2 раза превышают теоретические предельные деформации ε_b2, установленные в СП 63.13330.2018 [15] для ВБ класса по прочности на сжатие В100 (0,0028) при нормальной температуре, что свидетельствует о необходимости продолжения исследований высокопрочных бетонов разных видов с построением диаграмм деформирования по зависимости (σ – ε) при нагреве для создания банка исходных данных и разработки диаграммного метода расчета огнестойкости железобетонных конструкций из высокопрочных бетонов.