Бетон, усиленный металлическими волокнами, цементирующая растворная часть бетонной смеси и заранее приготовленная смесь для приготовления растворной части бетонной смеси и бетона - RU2227127C2

Чертежи

Показать все 15 чертежа(ей)

Описание

Изобретение относится к области бетонов, более конкретно к бетонам, усиленным волокнами. Основной предмет изобретения относится к улучшенному бетону, в особенности к бетону, позволяющему изготавливать элементы структур для строительной техники, предназначенные для строительства зданий и структур автомобильных магистралей и имеющие свойства, превосходящие свойства элементов известного уровня техники. В частности настоящее изобретение направлено на разработку структуры бетона, обладающего одновременно прочностью и механической пластичностью.

Структурный анализ бетонов показывает, что их механические свойства непосредственно связаны с наличием структурных дефектов. В бетонах, подвергающихся механическим нагрузкам, могут наблюдаться различные типы дефектов, различающихся по величине. Самые мелкие дефекты, наблюдаемые в бетоне, называются микропористостью. Микропористость представляет собой поры, называемые капиллярами, образующиеся в результате наличия свободного пространства между гранулами, изначально присутствующего в исходном растворе. Их размер варьирует от 50 нм до нескольких микрометров.

Более крупные наблюдаемые дефекты называются микротрещинами. Они представляют собой микротрещины размером в диапазоне от 1 мкм до нескольких сотен микрон. Они не сливаются, то есть они не образуют непрерывный путь сквозь структуру. Они возникают в основном из-за неоднородного состава бетона, включений (комочков), обладающих механическими и физическими свойствами, отличающимися от свойств связующего вещества/цемента. Микротрещины возникают под воздействием механической нагрузки. Этот тип дефекта является основной причиной плохих механических свойств бетона под нагрузкой и его хрупкости.

Самые крупные наблюдаемые дефекты называются макротрещинами. Размеры этих трещин находятся в диапазоне от нескольких сотен микрон до нескольких миллиметров. Эти трещины сливаются.

Также могут наблюдаться более крупные дефекты размером в несколько миллиметров, которые возникают из-за плохого приготовления бетона (попадания воздуха, ошибки при заполнении).

Для уменьшения содержания различных дефектов или для снижения их влияния на механические свойства бетона были предложены различные подходы.

Для улучшения механических свойств бетонов было предложено заменять песок в цементирующей растворной части бетонной смеси другими высокоэффективными составляющими, однако при этом стоимость бетона возрастает до уровня, неприемлемого для того, чтобы широко использовать такой бетон в строительстве, вследствие экономических ограничений, которые существуют в этой области техники.

Также было предложено включать в состав бетона наполнитель с высокой твердостью, но его количество, необходимое для достижения требуемого результата, также значительно повышает стоимость производства бетонов из-за высокой стоимости такого наполнителя.

Кроме этого, также было предложено улучшить, иногда эффективно, некоторые механические свойства бетона путем добавления в его состав высокого содержания усиливающих волокон, а именно обычно в количестве от 10 до 15 об.%, но это оказывало не только существенное влияние на стоимость производства бетона, но также делало его перемешивание, гомогенизацию и заливку слишком трудным или критичным для применения в строительстве, особенно в условиях работы на строительной площадке.

Кроме того, микропористость можно контролировать путем снижения весового соотношения вода : цемент и использования пластификаторов. Использование мелких наполнителей, особенно наполнителей, вступающих в пуццолановую реакцию, также позволяет уменьшить размер микропор.

Однако организация каркаса заполнителя с использованием обычных способов не позволяет получить бетон с удовлетворительной реологией в приемлемых условиях эксплуатации на строительстве (плохо распределенные волокна, микроструктурные дефекты и т.д.).

Сами микротрещины существенно уменьшаются путем:

- улучшения однородности бетона, например, путем ограничения размера частиц заполнителя до величины 800 мкм;

- улучшения компактности материала (оптимизация заполнителя и в случае необходимости прессование перед и во время фазы схватывания);

- осуществления термообработки после схватывания.

Что касается макротрещин, их можно контролировать путем использования металлических волокон, однако при этом возникают трудности, указанные выше.

Для иллюстрации известного уровня техники можно упомянуть заявку на патент WO A 95/01316, в которой описан бетон, усиленный металлическими волокнами с контролируемым содержанием волокон, размеры которых выбирают в определенной пропорции по отношению к размеру частиц заполнителя.

Этот бетон, усиленный волокнами, включает цемент, частицы заполнителя, мелкие частицы, участвующие в пуццолановой реакции, и металлические волокна. Частицы заполнителя должны иметь максимальный размер D не более 800 мкм, отдельные волокна должны иметь длину (l) в диапазоне от 4 до 20 мм и отношение R средней длины L волокон к D должно составлять по меньшей мере 10, а содержание волокон должно быть таким, чтобы волокна занимали в бетоне объем от 1 до 4 об.% после его схватывания.

Полученный бетон проявляет пластичные свойства или подвергается псевдодеформационному упрочнению.

Тем не менее, все еще остается потребность в устранении вышеприведенных дефектов или в существенном снижении их влияния, особенно микротрещин, поскольку, как можно видеть, работа, описанная в известном уровне техники, направлена в основном на предотвращение образования макротрещин, а не микротрещин; при этом микротрещины всего лишь частично стабилизированы и образуются под нагрузкой.

Настоящее изобретение направлено на разработку бетона, содержащего металлические усиливающие волокна с улучшенными свойствами по сравнению с аналогичными бетонами известного уровня техники.

Улучшенные свойства следует понимать как механические свойства, которые превосходят свойства известных усиленных волокнами бетонов и свойства, которые, по меньшей мере, равны свойствам известных усиленных волокнами бетонов, причем эти свойства постоянно воспроизводятся при промышленном производстве.

Другой целью настоящего изобретения является повышение уровня нагрузки, при котором в бетоне возникает первое повреждение (то есть микротрещины) и, таким образом, повышение диапазона использования бетона, а именно линейного эластичного поведения бетона.

Еще одной целью настоящего изобретения является улучшение деформационного упрочнения бетона за пределами первого повреждения путем контроля над распространением макротрещин. Цель настоящего изобретения, таким образом, состоит в повышении диапазона использования бетона за пределами первого повреждения путем улучшения эластичности бетона.

Другой целью настоящего изобретения является также улучшение благодаря эффекту совместного действия между цементирующей растворной части бетонной смеси и волокнами свойств бетона как по отношению к возникновению микротрещин, так и по отношению к распространению макротрещин.

Термин "цементирующая растворная часть бетонной смеси" означает затвердевшую цементирующую смесь без металлических волокон.

Еще одной целью настоящего изобретения, которая в особенности является важной для получения бетонных структур, которые из-за их размеров или условий на строительной площадке не могут подвергаться тепловой обработке, является получение бетона в улучшенных условиях по сравнению с известным уровнем техники и особенно при температурах, близких к температуре окружающей среды (20°С), имеющего механические свойства (в смысле, указанном выше), по меньшей мере, равные свойствам, которые в случае широко известных бетонов, усиленных волокнами, могут быть получены только за счет термообработки.

Кроме того, объектом настоящего изобретения является цементирующая растворная часть бетонной смеси, которая позволяет производить бетон в соответствии с настоящим изобретением, и заранее приготовленные смеси, которые содержат все или некоторое количество компонентов, необходимых для приготовления этой растворной части бетонной смеси или бетона.

Таким образом, настоящее изобретение относится к бетону, состоящему из затвердевшей цементирующей растворной части бетонной смеси, в которой распределены металлические волокна, полученному путем смешивания с водой состава, включающего кроме волокон:

(a) цемент;

(b) частицы заполнителя, имеющие максимальный размер частиц Dmax не более 2 мм, предпочтительно не более 1 мм;

(c) частицы, участвующие в пуццолановой реакции, имеющие размер элементарных частиц не более 1 мкм, предпочтительно не более 0,5 мкм;

(d) компоненты, способные улучшить прочность растворной части бетонной смеси, которые выбирают из игольчатых или хлопьевидных частиц, имеющих средний размер не более 1 мм и присутствующих в пропорции по объему от 2,5 до 35% от общего объема частиц (b) заполнителя и частиц (с), участвующих в пуццолановой реакции;

(е) по меньшей мере, один диспергирующий реагент;

и удовлетворяет следующим условиям:

(1) весовой процент воды (W) по отношению к общему весу цемента (а) и частиц (с) находится в диапазоне 8-24%;

(2) отдельные волокна имеют длину l, по меньшей мере, 2 мм и отношение l/d составляет, по меньшей мере, 20, где d представляет собой диаметр волокон;

(3) отношение R средней длины L волокон к максимальному размеру Dmax частиц заполнителя составляет, по меньшей мере, 10;

(4) количество волокон таково, что их объем составляет меньше, чем 4% и предпочтительно меньше, чем 3,5% объема бетона после его схватывания.

Таким образом, благодаря новой конструкции каркаса заполнителя и его взаимоотношений с усиливающими волокнами такой подход обеспечивает получение бетона с требуемыми реологическими и механическими свойствами.

Свойства бетона в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно не изменяются, если в растворной части бетонной смеси также используются частицы (b) заполнителя, имеющие размер, превышающий 2 мм, но в пропорции, которая не превышает 25% общего объема комбинации компонентов (а) + (b) + (с) + (d).

Присутствие заполнителя этого класса в такой пропорции может рассматриваться как заполнитель, который не способствует достижению механических свойств материала, поскольку:

размер частиц D50 комбинации компонентов составляющих (а), (b), (с) и (d) составляет, по меньшей мере, 200 мкм, предпочтительно, по меньшей мере, 150 мкм; и

отношение R средней длины L волокон к размеру частиц D75 комбинации компонентов (а), (b), (с) и (d) составляет, по меньшей мере, 5, предпочтительно, по меньшей мере, 10.

Термины размер частиц D75 и размер частиц D50 означают соответственно размеры сит, у которых проходящая сквозь сито фракция составляет 75%, и 50% соответственно общего объема частиц.

Изобретение также относится к бетону, состоящему из отвердевшей цементирующей растворной части бетонной смеси, в которой распределены металлические волокна, полученному путем смешивания с водой, состава, включающего кроме волокон:

(a) цемент;

(b) частицы заполнителя;

(c) частицы, участвующие в пуццолановой реакции, имеющие размер элементарных частиц не более 1 мкм, предпочтительно не более 0,5 мкм;

(d) компоненты, способные улучшить прочность растворной части бетонной смеси, которые выбирают из игольчатых или хлопьевидных частиц, имеющих средний размер не более 1 мм и присутствующие в объемной пропорции от 2,5 до 35% общего объема частиц (b) заполнителя и частиц (с), участвующих в пуццолановой реакции;

(е) по меньшей мере, один диспергирующий реагент;

и удовлетворяет следующим условиям:

(1) весовая концентрация в процентах воды W по отношению к общему весу цемента (а) и частиц (с) находится в диапазоне 8-24%;

(2) длина l отдельных волокон составляет, по меньшей мере, 2 мм и отношение l/d составляет, по меньшей мере, 20, где d представляет собой диаметр волокон;

(3) отношение R средней длины L волокон к размеру D75 частиц смеси компонентов (а), (b), (с) и (d) составляет, по меньшей мере, 5, предпочтительно, по меньшей мере, 10;

(4) количество волокон таково, что их объем составляет менее 4% и предпочтительно менее 3,5% объема бетона после его застывания;

(5) смесь компонентов (а), (b), (с) и (d) имеет частицы размером D75 не более 2 мм, предпочтительно не более 1 мм и размер D50 частиц составляет не более 150 мкм, предпочтительно не более 100 мкм.

Условия (3) и (5) относятся ко всем твердым компонентам (а), (b), (с) и (d) совместно за исключением волокон и не относятся ни к одной из составляющих по отдельности.

Предпочтительно прочность цементирующей растворной части бетонной смеси составляет, по меньшей мере, 15 Дж/м², наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 20 Дж/м².

Прочность выражается либо через напряженность (коэффициент интенсивности напряженности Кс), либо через энергию (коэффициент освобождения критической энергии деформации Gc), используя математическую модель линейной механики разрушений.

Используемые способы измерений для определения прочности цементирующей растворной части бетонной смеси будут описаны ниже в части описания, относящейся к примерам.

Прочность цементирующей растворной части бетонной смеси обеспечивается при использовании частиц (d), имеющих средний размер не более 500 мкм.

Они присутствуют в количестве 5-25% от общего объема частиц (b) заполнителя и частиц (с), участвующих в пуццолановой реакции.

Из-за своей функции по улучшению прочности растворной части бетонной смеси указанные частицы ниже в тексте описания будут называться "усиливающие частицы".

Термин "размер" усиливающих частиц следует понимать как средний размер их наибольшего измерения (в особенности длины в случае частиц игольчатой формы).

Они могут представлять собой природные или синтетические продукты.

Усиливающие частицы игольчатой формы выбирают из волластонитовых волокон, бокситовых волокон, волокон муллита, волокон титаната калия, волокон карбида кремния, целлюлозных волокон или волокон из производных целлюлозы, таких как ацетилцеллюлоза, углеродных волокон, волокон фосфатов кальция, в особенности волокон гидроксиапатита НАР, волокон карбоната кальция или производных продуктов, полученных путем перемалывания указанных волокон и смеси указанных волокон.

Хорошие результаты позволяют получить волластонитовые волокна. Таким образом, присутствие волластонитовых волокон в цементирующей растворной части бетонной смеси приводит к снижению микропористости. Этот неожиданный эффект особенно очевиден в случае бетонов, которые подвергались созреванию при 20°С (см. ниже).

Предпочтительно используются такие усиливающие частицы, степень игольчастости которых, выраженная в отношении длина/диаметр, составляет не менее 3 и предпочтительно не менее 5.

Усиливающие хлопьевидные частицы выбирают их хлопьев слюды, хлопьев талька, смешанных хлопьев силиката глины, хлопьев вермикулита, хлопьев окиси алюминия и смешанных хлопьев алюмината или силиката и смеси указанных хлопьев.

Хорошие результаты позволили получить хлопья слюды.

В составе бетона в соответствии с настоящим изобретением можно также использовать комбинации этих различных форм или типов усиливающих частиц.

По меньшей мере, некоторые из этих усиливающих частиц могут иметь на своей поверхности полимерное органическое покрытие, которое содержит латекс или получено из, по меньшей мере, одного из следующих соединений: поливиниловый спирт, силаны, силиконаты, силоксановые смолы, полиорганосилоксаны или продукты реакции между (1) по меньшей мере, одной карбоксильной кислотой, содержащей от 3 до 22 атомов углерода, (2) по меньшей мере, одним многофункциональным алифатическим или ароматическим амином или замещенным амином, содержащим от 2 до 25 атомов углерода, и (3) сшивающим агентом, который представляет собой водорастворимый комплекс металла, содержащий, по меньшей мере, один металл, выбранный из: цинка, алюминия, титана, меди, хрома, железа, циркония и свинца. Этот продукт более подробно описан в заявке ЕР А 0372804. Толщина этого покрытия может варьировать в диапазоне от 0,01 до 10 мкм, предпочтительно от 0,1 до 1 мкм.

Латексы выбирают среди стиренбутадиеновых латексов, акриловых латексов, стиренакриловых латексов, метакриловых латексов и карбонилированных и фосфонированных латексов. Предпочтительными являются латексы, имеющие функциональные группы, образующие комплекс с кальцием.

Полимерное органическое покрытие может быть получено путем обработки усиливающих частиц в псевдоожиженном слое или с использованием миксера типа FORBERG в присутствии одного из соединений, описанных выше.

Следующие соединения являются предпочтительными:

Н240 полиорганосилоксан, Manalox 403/60/WS и WB LS 14 и Rhodorsil 878, 865 и 1830 РХ силоксановые смолы, все эти соединения поставляются компанией Родиа-Химие (Rhodia-Chimie), а также силиконаты калия.

Обработка такого типа в особенности рекомендуется для усиливающих частиц, которые представляют собой вещества природного происхождения.

Предпочтительно среднее усилие связывания металлических волокон в затвердевшей цементирующей растворной части бетонной смеси должно составлять, по меньшей мере, 10 МПа, предпочтительно, по меньшей мере, 15 МПа. Это напряжение определяется с помощью теста, включающего выделение отдельного волокна, вмурованного в блок бетона, как будет описано ниже. Было обнаружено, что такая величина связующего напряжения при использовании растворной части бетонной смеси с высокой прочностью (предпочтительно, по меньшей мере, 15 Дж/м), позволяет получить исключительные механические качества благодаря совместному действию этих двух свойств.

Что касается металлических волокон, они могут представлять собой стальные волокна, такие как стальные волокна высокой прочности, аморфные стальные волокна или волокна из нержавеющей стали. В случае необходимости стальные волокна могут иметь покрытие из цветного металла, такого как медь, цинк, никель (или их сплавы).

Можно использовать металлические волокна, имеющие переменную геометрию: они могут быть закрученными, волнистыми или с загнутыми концами. Шероховатость волокон может также изменяться, и/или могут использоваться волокна с переменным поперечным сечением; волокна могут быть получены с использованием любой подходящей технологии, включая переплетение или свивание нескольких металлических проводов, благодаря чему волокна становятся перекрученными.

Величину связывания волокон в растворной части бетонной смеси можно контролировать различными способами, которые можно использовать отдельно или вместе.

Первый способ, обеспечивающий связывание волокон с цементирующей растворной частью бетонной смеси, предусматривает обработку поверхности волокон. С целью увеличения связывания волокон с цементирующей растворной частью бетонной смеси металлические волокна могут представлять собой волокна, которые были подвергнуты протравливанию.

Протравливание может быть выполнено, например, путем помещения волокон в контакт с кислотой, после чего кислоту нейтрализуют.

С целью увеличения связывания волокон с цементирующей растворной частью бетонной смеси металлические волокна могут представлять собой волокна, на которые было осаждено минеральное соединение, такое как кремнезем или фосфат металла.

Кремнезем может быть осажден путем помещения волокон в контакт с соединениями кремния, такими как силаны, силиконаты или золи кремнезема.

В общем случае фосфат металла осаждают с использованием процесса фосфатизации, который состоит во введении предварительно протравленных металлических волокон в водный раствор, содержащий фосфат металла, предпочтительно фосфат марганца или фосфат цинка, а затем этот раствор фильтруют с целью извлечения волокон. Затем волокна промывают, нейтрализуют и снова промывают. В отличие от обычного процесса фосфатизации полученные волокна нет необходимости подвергать окончательной обработке типа смазки; однако в случае необходимости они могут быть импрегнированы с помощью определенной добавки для обеспечения антикоррозийной защиты или для того, чтобы их легче было обрабатывать цементирующей средой. Обработку типа фосфатизации можно также выполнять путем покрытия или распыления раствора фосфата металла на волокна.

Можно использовать любой тип фосфатизации, по этому предмету можно сделать ссылку на способы обработки, описанные в статье автора Дж. Лорин под названием "Фосфатизация металлов" (1973 г.), изд. Эйроллес (G. LORIN "The Phosphatizing of Metals" (1973), Pub, Eyrolles).

Отдельные металлические волокна имеют длину l 10-30 мм.

Второй способ, обеспечивающий связывание волокон с цементирующей растворной частью бетонной смеси, предусматривает включение в состав, по меньшей мере, одного из следующих соединений: соединение кремнезема, включающее в основном кремнезем, осажденный карбонат кальция, поливиниловый спирт в водном растворе, латекс или смесь указанных соединений.

Выражение "кремнеземное соединение, содержащее в основном кремнезем", означает синтетические продукты, выбранные из числа осажденных кремнеземов, растворов кремнезема, пирогенных кремнеземов (или типа Aerosil), алюминосиликаты, например Tixosil 28, поставляемые фирмой Родиа Химие, или продукты типа глины (природные или производные), например бентонитовые глины, силикаты магния, сепиолиты и монтмориллониты.

Предпочтительно использовать, по меньшей мере, один из осажденных кремнеземов.

Термин "осажденный кремнезем" означает кремнезем, полученный путем осаждения из реакции силиката щелочного металла с кислотой, как правило, неорганической кислотой, с подходящим уровнем рН осаждающей среды, в частности основным, нейтральным или немного кислым рН; при этом для приготовления кремнезема может быть использован любой способ (добавление кислоты к осадку силиката, полное или частичное одновременное добавление кислоты или силиката к воде или к осадку раствора силиката и т.д.), способ выбирают в зависимости от типа кремнезема, который требуется получить; после этапа осаждения, как правило, следует этап отделения кремнезема от реакционной смеси, с использованием любых известных средств, например фильтрующего пресса или вакуумного фильтра; при этом осадок собирают на фильтре, который, если необходимо, промывают; этот осадок может быть в случае необходимости после разминания высушен с помощью любого известного средства, в особенности с помощью высушивания распылением, и затем в случае необходимости может перемалываться и/или агломерироваться.

Как правило, соединение кремнезема представляет собой осажденный кремнезем, введенный в состав в количестве от 0,1 до 5 вес.%, выраженный как сухое вещество по отношению к общему весу бетона. При количестве, большем 5%, обычно возникают проблемы реологии при приготовлении строительного раствора.

Предпочтительно осажденный кремнезем вводят в состав в форме водной суспензии. Она в особенности может представлять собой водную суспензию кремнезема, с характеристиками:

- содержание твердых веществ в диапазоне от 10 до 40 вес.%;

- вязкость менее чем 4×10^-2 Па·с при сдвиге 50 с^-1;

- количество кремнезема, содержащегося в надосадочной жидкости указанной суспензии после центрифугирования при 7500 об/мин в течение 30 минут, составляет более 50 вес.% кремнезема, содержащегося в суспензии. Эта суспензия более подробно описана в заявке на патент WO A 96/01787. Кремнеземная суспензия типа Rhoximat CS 60 SL, поставляемая компанией Родия Химие, является в особенности подходящий для этого типа бетона.

Отношение l/d составляет, по меньшей мере, 20 и предпочтительно не превышает 200, где d представляет диаметр волокон.

Частицы (b) заполнителя по существу представляют собой просеянные или перемолотые пески или смеси песков, которые предпочтительно могут содержать кремнеземные пески, в частности кварцевую муку. Максимальный размер частиц D100 или Dmax этих частиц предпочтительно не превышает 1 мм.

Эти частицы заполнителя в общем присутствуют в количестве от 20 до 60 вес.% цементирующей растворной части бетонной смеси, предпочтительно от 25 до 50 вес.% к весу цементирующей растворной части бетонной смеси.

Мелкие частицы (с), участвующие в пуццолановой реакции, можно выбирать из кремнеземных соединений, в особенности кремнеземной пыли, зольной пыли или шлака доменной печи. Также можно использовать кремнеземные частицы, получаемые методом возгонки, глины, такие как каолин, их производные. Размер указанных частиц составляет, по меньшей мере, 0,1 мкм и не более 1 мкм, предпочтительно не более 0,5 мкм. Кремнезем может представлять собой кремнезем, полученный способом возгонки, при производстве циркония, а не только при производстве кремния.

Весовое отношение воды к цементу, общепринятое в технологии производства бетонов, может быть изменено при использовании заменителей цемента, в особенности частиц, участвующих в пуццолановой реакции. Для целей настоящего изобретения был поэтому определен весовой процент воды W по отношению к общему весу цемента и частиц, участвующих в пуццолановой реакции, который составляет 13-20%. Далее в описании примеров будет использовано соотношение вода/цемент, обозначенное W/C.

Бетон может быть предварительно напряженным с помощью связанных проводов, или с помощью связанной предварительно напряженной арматуры или тросов, или с помощью армирующих прутьев с облицовкой каналов, причем трос состоит из сборки проводов или состоит из арматурных прутьев.

Предварительное напряжение в форме предварительного натяжения или в форме натяжения арматуры на бетон является особенно пригодным для продуктов, изготовленных из бетона в соответствии с настоящим изобретением.

Это происходит потому, что металлические предварительно напряженные тросы всегда имеют очень высокую плохо используемую прочность на разрыв, поскольку хрупкость растворной части бетонной смеси, которая содержит их, не позволяет оптимизировать размеры структурных элементов бетона.

В этой области уже был достигнут прогресс в смысле использования высококачественных бетонов; в случае бетонов в соответствии с настоящим изобретением, материал является гомогенно усиленным металлическими волокнами, что позволяет достичь высоких механических характеристик совместно с гибкостью. Предварительное напряжение этого материала с помощью тросов или арматуры независимо от режима предварительного напряжения используется практически в полной мере, благодаря чему создаются предварительно напряженные бетонные элементы, которые являются очень прочными как при нагрузке, так и при изгибе и, следовательно, являются оптимизированными.

Снижение полученного объема, поскольку это повышает механическую прочность, может позволить производить очень легкие готовые элементы. Следовательно, существует возможность получения длинных бетонных элементов перекрытий, которые легко транспортируются благодаря их легкости; это в особенности пригодно для строительства больших структур, в которых широко используется предварительное напряжение с натяжением арматуры на бетон. В случае такого типа структур настоящее решение обеспечивает в особенности существенную экономию в отношении времени продолжительности работ на строительстве и при сборке.

Кроме того, в случае тепловой обработки использование предварительного напряжения или предварительного напряжения с натяжением арматуры на бетон существенно снижает усадку бетона.

Это свойство является в особенности предпочтительным и все вышеперечисленные преимущества, связанные с очень низкой проницаемостью продукта, являются в высокой степени предпочтительными в случае длительного срока службы и технического обслуживания структур с течением времени, что означает, что этот материал на полных основаниях может заменять структуры, построенные из стали.

В иных случаях бетон может представлять собой железобетон с предварительным натяжением арматуры на бетон.

Бетоны, полученные в соответствии с настоящим изобретением, в общем имеют прямой предел прочности на разрыв Rt не менее 12 МПа.

Они могут также иметь прочность на изгиб Rf при 4-точечном изгибе - модуль разрыва - изгибе не менее 25 МПа, предел прочности на сжатие Re не менее 150 МПа и работу разрушения Wf не менее 2500 Дж/м².

Бетон после его схватывания может подвергаться созреванию при температуре, близкой к температуре окружающей среды, например 20°С, в течение времени, необходимого для достижения требуемых механических свойств.

Неожиданно было обнаружено, что созревание при температуре, близкой к температуре окружающей среды, дает хорошие результаты, что достигается благодаря соответствующему выбору компонентов в составе бетона.

Процесс созревания может также включать термообработку бетона после его схватывания при температуре от 60 до 100°С при нормальном давлении.

Продолжительность термообработки составляет от 6 часов до 4 дней, предпочтительно от 6 часов до 72 часов. Последнее является достаточным для диапазона температур от 60 до 100°С. Оптимальное время термообработки составляет приблизительно 2 дня, и обработка начинается после окончания фазы схватывания смеси или, по меньшей мере, через один день после начала схватывания.

Термообработка выполняется в сухой или влажной среде или производится циклами попеременно в двух средах, например 24 часа во влажной среде, после чего следует обработка в течение 24 часов в сухой среде.

Такая термообработка выполняется на бетонах, в которых фаза схватывания завершена и которые предпочтительно подвергают выдерживанию в течение, по меньшей мере, одного дня и лучше в течение, по меньшей мере, приблизительно 7 дней.

Когда бетон подвергают вышеуказанной термообработке, может быть полезной добавка кварцевого порошка.

В предложенном бетоне цемент (а) в соответствии с настоящим изобретением, в частности, может представлять собой портландцемент, такой как портландцементы СРА PMES, HP, HPR, СЕМ I PMES, 52,5 или 52,5R или HTS (с высоким содержанием кремнезема).

Диспергирующий реагент (е) в общем представляет собой пластификатор. Пластификатор может быть выбран из лингносульфонатов, казеина, полинафталенов, в частности полинафталенсульфонатов щелочных металлов, производных формальдегида, полиакрилатов щелочных металлов, поликарбоксилатов щелочных металлов и привитых окислов полиэтилена. В общем состав в соответствии с настоящим изобретением содержит от 0,5 до 2,5 весовых частей пластификатора на 100 весовых частей цемента.

В состав в соответствии с настоящим изобретением могут также быть добавлены другие добавки, например пеногасители. В качестве примера может быть использован пеногаситель на основе полидиметилсилоксана или на основе пропиленгликоля.

Среди пеногасителей этого типа можно упомянуть в особенности силиконы в форме растворов или в форме твердого вещества или предпочтительно в форме смолы, масла или эмульсии, предпочтительно в воде. Более конкретно, пригодными являются силиконы, в особенности содержащие М повторяющиеся звенья (RSiO_0.5) и D повторяющиеся звенья (R₂SiO). В этих формулах радикалы R могут быть идентичными или различными и более конкретно их выбирают из водородных и алкильных радикалов, содержащих от 1 до 8 атомов углерода, причем метил радикалы являются предпочтительными. Количество повторяющихся звеньев предпочтительно находится в диапазоне от 30 до 120.

Количество такого вещества в составе в общем составляет не более 5 весовых частей на 100 частей цемента.

Все размеры частиц измеряли с помощью ПЭМ (просвечивающего электронного микроскопа) или СЭМ (сканирующего электронного микроскопа).

Растворная часть бетонной смеси также может содержать другие компоненты, если только они не ухудшают ожидаемые характеристики бетона.

Бетон может быть получен в соответствии с любым процессом, известным специалистам в данной области техники, в особенности с применением смешивания твердых составляющих с водой, формовки (отливки, впрыска под давлением, закачки, выдавливания, каландрирования) и последующего затвердевания.

Например, для приготовления бетона компоненты растворной части бетонной смеси и усиливающие волокна смешивают с подходящим количеством воды.

Предпочтительно используют следующий порядок смешивания:

- смешивание мелко измельченных компонентов растворной части бетонной смеси (например, в течение 2 минут);

- добавление воды и части, например половины, добавок;

- перемешивание (например, в течение 1 минуты);

- ввод остальной части добавок;

- перемешивание (например, в течение 3 минут);

- добавление усиливающих волокон и дополнительных составляющих;

- перемешивание (например, в течение 2 минут).

Бетон затем подвергают созреванию при температуре от 20 до 100°С в течение времени, необходимого для достижения требуемых механических свойств.

Настоящее изобретение также относится к цементирующей растворной части бетонной смеси, предназначенной для получения и использования бетона, описанного выше.

И, наконец, настоящее изобретение относится к заранее приготовленной смеси для приготовления растворной части бетонной смеси и бетона, содержащей все или некоторые из компонентов, необходимых для приготовления растворной части бетонной смеси или бетона, определенных выше.

Краткое описание чертежей

Фигура 1 показывает график, полученный при испытаниях на изгиб при величине напряжения (в МПа), указанной по оси y, и величинах деформации (в мм), указанных по оси x для образцов бетона с отношением В/Ц, составляющим 0,24, и созревании при 20°С соответственно с волластонитом (кривые 12.1, 12.2 и 12.3) и без волластонита (кривые 11.1, 11.2 и 11.3).

Фигура 2 показывает график, аналогичный графику по фигуре 1, но для образцов бетона такого же состава с обработкой при 90°С: с волластонитом (кривые 10.1, 10.2 и 10.3) и без волластонита (кривые 9.1, 9.2 и 9.3).

Фигура 3 показывает график, полученный при испытаниях предела прочности на растяжение образцов бетона, относящихся к волокнам из необработанной стали, с отношением В/Ц 0,20 и при термообработке при 90°С соответственно с осажденным кремнеземом (кривые 20.1, 20.2 и 20.3) и без осажденного кремнезема (кривые 20.4 и 20.5).

Фигура 4 показывает график, полученный при испытаниях на изгиб для трех образцов с отношением В/Ц 0,25 и при термообработке при 90°С соответственно с волокнами с поверхностной обработкой (кривые 16.1 и 16.2) и с необработанными волокнами (кривая 15.1). По оси y расположены величины напряжения при изгибе (в МПа), и по оси x приведены величины изгиба (в мм).

Фигуры 5-7 показывают пористость образцов бетона, которую определяли с помощью технологии проникновения ртути: по оси y приведены значения накапливаемого объема (мл/г) и по оси x - диаметр (в микрометрах) пор.

Фигура 5 соответствует образцу бетона (пример 1), который подвергался созреванию при температуре 20°С.

Фигура 6 соответствует образцу бетона (пример 2), который подвергался термообработке при температуре 90°С.

Фигура 7 соответствует образцу бетона, содержащему волластонит (пример 3), который подвергался созреванию при температуре 20°С.

Фигура 8 показывает график, полученный с помощью анализа с использованием ядерного магнитного резонанса²⁹Si бетона в соответствии с настоящим изобретением, содержащего волластонит и подвергнутого созреванию при 20°С (кривая 23) по сравнению с двумя такими же бетонами, имеющими такой же состав, но без содержания волластонита, один из которых подвергался термообработке при температуре 90°С (кривая 22) и другой подвергался созреванию при 20°С (кривая 24). Можно заметить, что между двумя кривыми 22 и 23 имеется небольшая разница в отношении пиков Q2. Эти пики, относящиеся к двойным связям радикалов SiO⁴, являются тем более интенсивными, чем более длинными являются гидратные цепочки. Поэтому можно сделать вывод, что добавление волластонита позволяет получить при 20°С удлинение гидратной цепочки такого же порядка, который получается при термообработке при 90°С состава без волластонита.

Фигура 9 показывает график, полученный при испытаниях связывания обработанных или необработанных стальных проводов. По оси y приведены величины силы вытягивания (kN), и по оси x приведены величины смещения (мм) волокна.

Фигура 10 показывает график, полученный при испытаниях связывания стальных проводов различного диаметра. По оси y приведены величины вытягивающей силы (kN), и по оси x приведены величины смещения (мм) волокна.

Фигура 11 показывает график, полученный при испытаниях связывания стальных проводов, закрепленных в бетоне на различную длину. По оси y приведены величины разрывающего напряжения (МПа), и по оси x приведены величины длины закрепления (мм).

Фигура 12 показывает график, полученный при испытаниях на связывание бетона в соответствии с настоящим изобретением в присутствии и в отсутствии пеногасителя. По оси y приведены величины напряжения (МПа), и по оси x приведены величины изгиба (мм) образцов бетона с отношением В/Ц 0,24.

На фигуре 13 изображены кривые размера частиц суммы компонентов (а) + (b) + (с) + (d) для различных бетонов в соответствии с настоящим изобретением.

На фигурах 14 и 15 приведены свойства бетонов, имеющих различные распределения размера частиц.

На фигуре 16 приведен график, демонстрирующий совместное воздействие связанных волокон и высокопрочной растворной части бетонной смеси.

Было также обнаружено, что важной характеристикой настоящего изобретения является возможность получения бетона, который имеет улучшенные свойства, но содержит значительно меньшее количество металлических волокон, чем во многих предложениях известного уровня техники. Фактически в соответствии с настоящим изобретением количество металлических волокон выбирают менее 4% и предпочтительно менее чем 3,5% к объему бетона после схватывания, и возможно даже, что такая малая величина, как 2% от объема бетона после схватывания, как изображено в вышеприведенных примерах, является достаточной для получения бетонов, имеющих улучшенные механические свойства. Этот неожиданный эффект вызван, насколько это известно, подбором компонентов состава бетона и их свойствами в этом составе.

Нижеследующие примеры иллюстрируют настоящее изобретение без какого-либо его ограничения.

Примеры

Компоненты

Для обеспечения полной сравнимости в примерах, приведенных ниже, были использованы одни и те же компоненты:

Портланд-цемент (а): типа HTS (высокое содержание кремнезема), поставляемый компанией Лафардж (Lafarge) (Франция).

Песок (b): BE31 кварцевый песок, поставляемый компанией Сифрако (Sifraco) (Франция).

Кварцевая мука (b): класса С400 с 50% частиц размером меньше 10 микрон, поставляемая компанией Сифрако (Франция) или класса С500 с 50% частиц размером меньше 5 микрон, компании Сифрако.

Стекловидный кремнезем (с): термический микрокремнезем, получаемый при производстве циркония, типа "MST" с площадью поверхности "БЕТ" 18 м²/г, поставляемый компанией S.E.P.R. (Франция).

Усиливающие частицы игольчатого типа (d): волластонит (СаSiO₃).

Используемый продукт поставляется компанией Нико (Нико Минерале Инк., город Уиллсборо, штат Нью-Йорк, США) (Nyco Minerals Inc., Willsboro, New York, USA) под названием NYAD G, имеющеий следующие характеристики:

- размер: l=300 микрон в среднем (от 50 до 500 микрон)

d = 20 микрон;

- коэффициент формы: l/d = 15;

- распределение размера частиц:

<100 сито США (%): 99

<200 сито США (%): 87

<325 сито США (%): 65;

- относительная плотность: 2,9.

Усиливающие частицы типа "измельченного" волластонита (d):

используемый продукт представляет собой волластонит марки NYCO 1250.

Волластонит NYCO 1250 имеет средний размер (D50) частиц, равный 8 микрон, с коэффициентом формы (l/d), равным 3 и размерами частиц:

<20 микрон (%): 100

< 10 микрон (%): 96.

Хлопьевидные усиливающие частицы (d): слюда (мусковит: гидратный силикат Аl и К).

Используемый продукт поставляется компанией Каолинс д’Арвор, 56270 город Племур, Франция (Kaolins d’Arvor, 56270 Ploemeur, France) под названием Micarvor MG 160 и имеет следующие характеристики:

- размер: l=75 микрон в среднем (от 10 до 200 микрон);

- толщина хлопьев: несколько микрон;

- распределение размера частиц:

<0,160 мм (%): 98

<0,040 мм (%): 30;

- относительная плотность: 2,75.

Добавки:

- жидкий диспергирующий реагент марки Х 404 производства компании Мапеи (Mapei) (Италия) или SSP104 производства компании Такемото Ойл (Takemoto Oil) (Япония) и поставляемый компанией Мицубиси (Mitsubishi) или реагент ОПТИМА 100 производства и поставки компании Хризо (Chryso);

порошкообразный диспергирующий реагент RHOXIMAT В 36, поставляемый компанией Родиа Химие;

пеногаситель RHOXIMAT 6352DD, поставляемый компанией Родиа Химие;

жидкая кремнеземная суспензия RHOXIMAT CS60SL, поставляемая компанией Родиа Химие.

Волокна: металлические волокна представляют собой стальные волокна, имеющие длину 13 мм, диаметр 200 микрон и предельную прочность на разрыв 2800 МПа, поставляемые компанией Бекерт (Bekaert) (Бельгия). Когда они присутствуют, волокна вводятся в количестве 2% по объему, то есть их вес по отношению к весу цемента составляет; 0,222.

Подготовка испытуемых образцов бетона

В примерах для изготовления испытуемых образцов использовали высокотурбулентный смеситель с вращением контейнера типа EIRICH R02 емкостью 5 литров или типа EIRICH R08 емкостью 75 литров или смеситель с низким уровнем сдвига типа HOBART или типа PERRIER.

В среднем во всех примерах количество захваченного воздуха составляло менее 3,5%.

Созревание

Для этих тестов использовали два способа обработки затвердевшего бетона, один представлял собой созревание при 20°С и второй термообработку при 90°С.

Созревание при 20°С: испытуемые образцы извлекали из формы через 48 часов после отливки. Затем их подвергали обработке, состоящей в выдерживании их под водой при температуре 20°С в течение минимум 14 дней. Испытуемые образцы подвергались машинной обработке (в случае необходимости в зависимости от выполняемого испытания) через 26 дней после отливки, и испытания проводили через 28 дней после отливки.

Термообработка при 90°С: испытуемые образцы извлекали из формы через 48 часов после отливки. Затем их подвергали термообработке, состоящей в помещении их в печь при 90°С на 24 часа во влажном воздухе и затем в течение 24 часов в сухом воздухе. В случае необходимости через 6 дней после отливки выполняли машинную обработку, а испытания выполняли, по меньшей мере, через 7 дней после отливки.

Измерения

Определяли механические свойства растворной части бетонной смеси, главным образом, на прочность, и механические свойства окончательно полученного материала, содержащего металлические волокна, на изгиб, на разрыв и на сжатие.

Измерения проводили при размерах испытуемых образцов, пригодных для соответствующих измерений.

Прочность

Применяли следующие способы измерения прочности цементирующей растворной части бетонной смеси.

Тесты выполняли при изгибе в 3 точках, с использованием надпиленных призм 40×40×250 или 70× 70×280 мм, то есть образцов геометрии SENB (процедура стандарта ASTM-E 399-83). Надрез с V-образным профилем сделан на этих призмах в сухом состоянии с использованием фрезы с алмазным диском (прецизионный диск с непрерывным ободом). Относительная глубина a/w надреза составляет 0,4 (а: глубина надреза; w: высота образца).

Коэффициент интенсивности критической нагрузки Кс получается из величины разрушающей нагрузки F и из длины трещины в точке нестабильности (тест в режиме контроля смещения при 10^-2 мм/с с использованием универсальной испытательной машины SCHENCK):

где l - расстояние между точками опоры (изгибающей установки) = 200 мм,

d и w - глубина и высота образца соответственно,

а - длина надреза в случае разрушения,

Y - параметр формы, который зависит от длины трещины (α=a/w).

При 3-точечном изгибе, предпочтительно использовать следующий параметр Y (Дж.Е. Сроули, Международный Журнал по разломам (1976 г.), том 12, страницы 475-476; J.E. Srawley, International Journal of Fracture (1976), Vol. 12, pages 475 to 476):

В случае нелинейного поведения (эластичного поведения) сила F, применяемая для оценки прочности, соответствует концу линейной части диаграммы силы/смещения; точке нестабильности, которая соответствует инициации разлома.

Скорость освобождения критической энергии нагрузки Gc может быть получена из кривых силы-деформации если будут удалены составляющие, вызванные побочными нагрузками, и рассеянная энергия будет выражена в смысле поперечного сечения связей: (w-a)хd.

При плоской нагрузке между Кс и Gc взаимосвязь выражается простой формулой:

где Е - модуль упругости,

ν - отношение Пуассона

E получается экспериментально с помощью приложения вибрации на призматический образец, размещенный на двух держателях, на основе определения собственной частоты (способ GRINDOSONIC).

Связывание

В отношении связывания металлических волокон с цементирующей растворной части бетонной смеси нагрузку определяли с помощью теста, включающего выделение одиночного волокна, замурованного в бетонный блок.

Тесты выполняли на непрерывном стальном проводе, имеющем диаметр d 200 мкм.

Когда провода обрабатывали, их поверхность тщательно очищали от жиров (спиртом/ацетоном) и затем протравливали (разбавленной соляной кислотой). Затем выполняли обработку фосфатизирующего типа (марганцевая или цинковая фосфатизация). Особое внимание уделяли окончательному этапу: нейтрализации, промывке и сушке.

Провода замуровывали в бетонном блоке размером 4×4×4 см. Использовали такой же состав, как и в механических тестах (изгиб, сжатие и нагрузка); соотношение вода/цемент было зафиксировано на уровне 0,25.

Провода, замурованные на длину 10 мм, вытягивались путем вытаскивания их с использование универсальной испытательной машины (SCHENCK) со скоростью 0,1 мм/мин.

Прикладываемую силу измеряли с помощью подходящего датчика силы и смещение провода (по отношению к образцу) измеряли с помощью датчика экстенсометрии.

Среднее усилие связей оценивали по следующей упрощенной формуле:

Где Fmax представляет собой измеренную максимальную силу, ϕ - диаметр провода и l_e - замурованная длина.

Прямой предел прочности на разрыв R_t

Эту величину получали путем приложения прямой нагрузки на испытуемые образцы гантелеобразной формы, полученные путем машинной обработки из призм размерами 70×70×280 мм, то есть рабочая секция составляла 70×50 мм с высотой 50 мм. Тщательно выровненные испытуемые образцы жестко устанавливали на испытательном устройстве (UTS - предел прочности при растяжении) с одной степенью свободы.

где Fmax представляет собой максимальное усилие (пик) в Н в момент, когда происходит разрушение в центральной секции размером 70×50 мм.

Испытуемый образец зажимали в зажимных приспособлениях машины, испытывающей на прочность, с помощью соединения клеем и зажимом болтами.

Прочность на изгиб Rf

Rf представляет собой величину, полученную при изгибе в 4 точках призматических испытательных образцов размером 70×70×280 мм, установленных на шаровых основах в соответствии со стандартами NFP 18-411 и NFP 18-409 и ASTM С 1018

где Fmax представляет собой максимальное усилие (пиковое усилие) в H, l=210 мм; l^’=1/3 и d=w=70 мм.

Предел прочности при сжатии Rc

Rc представляет собой величину, полученную при прямом сжатии на основании цилиндрического образца (70 мм диаметр, 140 мм высоты).

где F представляет силу в Н в момент разрушения и d представляет диаметр (70 мм) образца.

Работа разрушения Wf

W_f представляет собой величину, полученную путем определения общей площади под кривой силы-изгиба при испытании на изгиб в 4 точках призм размером 70×70×280 мм. Измеренный изгиб корректируется таким образом, чтобы определить истинное смещение образца:

где F - приложенная сила, δс представляет собой истинное смещение (скорректированный изгиб) dw представляет собой поперечное сечение образца.

Примеры с 1 по 17. Влияние усиливающих элементов (d)

С целью сравнения результаты, полученные для бетонов, у которых варьировали компоненты состава, и для некоторых из бетонов, в которых некоторые компоненты отсутствовали, особенно волокна, представлены таким образом, чтобы они продемонстрировали получение неожиданных преимуществ, обнаруженных благодаря использованию комбинации составляющих в составе бетона в соответствии с настоящим изобретением.

Результаты примеров 1-17 приведены в таблице 1, помещенной ниже, в которой приведены составы приготовленных образцов бетона и их соответствующие параметры.

Количество усиливающих элементов (d) приведено в объемных процентах по отношению к общему объему частиц (b) заполнителя и частиц (с), вступающих в пуццолановую реакцию.

Количество других составляющих бетона (а, b, с, добавки, вода) выражено в весовых частях.

Используемая в этих примерах 1-17 добавка представляет собой диспергирующий реагент.

Используемый песок представляет собой песок ВЕ31, распределение размера частиц которого приведено в примере 24.

Сравнение примеров 1 и 2 (образцы без волластонита) с примерами 3 и 4 (образцы с 17% игольчатого волластонита) показывает практически двукратное повышение прочности бетона, не содержащего металлические волокна, аналогичные результаты получаются при сравнении примера 5 (образец без волластонита) с примером 6 (образец с 10% игольчатого волластонита), также для бетона без волокон. Это улучшение прочности (добавление волластонита) зависит от качества и природы цемента.

Прочность бетона с металлическими волокнами, но без воллатоснита составляет 10 Дж/м² (пример 9) и повышается до 27 Дж/м², когда введено 10% волластонита (пример 10).

Общая работа разрушения получается из общего действия работы, затраченной на разрушение растворной части бетонной смеси (прочность Gc) и работы, рассеянной металлическими волокнами.

Можно заметить, что присутствие игольчатых усиливающих частиц, особенно волластонита, в цементирующей растворной части бетонной смеси, особенно для бетона с низкой пористостью, улучшает передачу нагрузки между волокнами и бетоном, обеспечивая, таким образом, благодаря синергическому эффекту преимущества волокон, присутствующих в небольших количествах по отношению к бетону, и, таким образом, улучшая эластичность материала.

Эта комбинация пористости цементирующей растворной части бетонной смеси, игольчатых или хлопьеобразных усиливающих частиц и металлических волокон, присутствующих в небольших количествах по отношению к бетону, составляет важный и новый аспект настоящего изобретения.

Анизотропные усиливающие частицы, таким образом, играют главную роль в контролировании образования микротрещин и передаче нагрузки между растворной частью бетонной смеси и металлическими волокнами. Также наблюдалось улучшение механических свойств материала при изгибе, напряжении и сжатии.

Использование хлопьевидных усиливающих частиц типа слюды (пример 7) также приводит к заметному улучшению прочности.

Использование усиливающих частиц основного волластонитового типа (пример 8) также улучшает прочность растворной части бетонной смеси, но в меньшей степени, чем в случае игольчатого волластонита.

Введение игольчатых усиливающих частиц приводит к существенному повышению прочности; причем это повышение снижается при уменьшении коэффициента игольчастости (или размера).

Аналогичные выводы могут быть сделаны в отношении других механических свойств. Таким образом, использование игольчатого волластонита существенно повышает прочность на изгиб: сравните пример 11 (отсутствие игольчатого волластонита) с примером 12 (с присутствием игольчатого волластонита). То же относится к усиливающим частицам типа слюды: сравните пример 13 (без слюды) с примером 14 (с присутствием слюды).

В общем термообработка при 90°С оказывает благоприятный эффект на предельную прочность на изгиб, которая при этом улучшается.

Однако даже при созревании при 20°С предельная прочность на изгиб повышается при введении игольчатого волластонита (сравните пример 12 с примером 11, последний выполняется на составе без волластонита).

Кроме того, добавление игольчатого волластонита существенно улучшает предельную прочность на разрыв как при созревании при 20°С, так и при термообработке при 90°С. В этом отношении примеры 11 и 15 без игольчатого волластонита (контрольный образец) следует сравнить с примерами 12 и 17 с 10% игольчатым волластонитом.

В среднем благодаря добавлению волластонита наблюдалось 25% повышение внутреннего прямого предела прочности на разрыв бетона, усиленного волокнами.

Во всех примерах была получена прочность на сжатие больше 150 МПа для состава бетона, имеющего величины В/Ц меньше 0,27.

Кроме того, введение игольчатого волластонита улучшает однородность механических свойств бетона.

Это преимущество иллюстрируется графиками на фигуре 1, на которых показаны, как указано выше, испытания на изгиб, выполненные на трех испытуемых образцах составов бетона с волокнами (В/Ц=0,24 и при созревании при 20°С), которые во всех точках являются идентичными, кроме наличия или отсутствия усиливающих частиц типа игольчатого волластонита. Составы без волластонита в соответствии с примером 11 дают значительно сдвинутые кривые (кривые 11.1, 11.2 и 11.3), соответствующие большому разбросу в результатах прочности на изгиб. В противоположность этому в случае составов, содержащих волластонит, а именно 10% игольчатого волластонита, в соответствии с примером 12 три полученные кривые (кривые 12.1, 12.2 и 12.3) являются очень близкими друг к другу и почти совпадают, что означает, что разброс в механических свойствах материала почти полностью устранен.

То же самое относится и к графикам, приведенным на фигуре 2, относящимся к испытуемым образцам бетона без волластонита в соответствии с примером 9 (кривые 9.1, 9.2 и 9.3) и с волластонитом в соответствии с примером 10, (кривые 10.1, 10.2 и 10.3), причем испытаниям подвергали бетоны с волокнами и величиной В/Ц 0,24 и термообработкой при 90°С.

Пример 17 относится к бетону, содержащему как игольчатый волластонит, так и обработанные волокна. Можно заметить, что этот состав бетона обладает наилучшими эксплуатационными свойствами в смысле прочности и прочности на изгиб. Таким образом, этот состав лучше, чем состав бетона по примеру 10, который содержит только игольчатый волластонит (и необработанные волокна) и лучше, чем состав бетона по примеру 16, который содержит только обработанные волокна и не содержит игольчатый волластонит.

Комбинация связанных волокон и растворной части бетонной смеси с высокой прочностью, действительно, обеспечивает улучшенные эксплуатационные свойства.

Из кривых на фигуре 5 (пример 1), фигуре 6 (пример 2) и фигуре 7 (пример 3) совершенно очевидно, что в случае образцов бетона без волластонита низкая пористость достигается, только если бетоны подвергали термообработке. С другой стороны, добавка усиливающих частиц типа волластонита в состав этих бетонов неожиданно приводит к получению низкой пористости, включая образцы бетонов, подвергавшихся созреванию при 20°С.

Добавление волластонита, таким образом, позволяет получить хорошее уплотнение бетона пониженную пористость), которая достигается даже в случае нормальных условий созревания при 20°С.

Примеры 18-23. Влияние природы волокон

Вышеприведенные примеры 15 и 16 уже иллюстрируют влияние обработки волокон на улучшения свойств бетона. При этом фигура 4 показывает улучшение связывания волокон/растворной части бетонной смеси, полученное при поверхностной обработке (фосфатизации) волокон (кривые 16.1, 16.2) по сравнению с необработанными волокнами (кривые 15.1), эти волокна вводят в растворную часть бетонной смеси, как определено в таблице 1, в примере 15 (необработанные волокна) и примере 16 (обработанные волокна).

Пример 18. Обработанные или необработанные стержни

Этот пример относится к испытаниям на связывание стержней, выполненных с использованием общего способа, описанного выше (за исключением того, что стальные провода были заменены стальными стержнями, имеющими диаметр d=5 мм).

Эти стержни вводились в образцы бетона без волокон.

Состав бетона в весовых частях был следующим:

HTS Портланд-цемент: 1

MST кварцевое стекло: 0,325

С400 кварцевая мука: 0,300

ВЕ31 песок: 1,43

Диспергирующий реагент (содержание твердых веществ): 0,02

Вода: 0,25

Испытания на связывание выполнялись на стержнях, один из которых был изготовлен из необработанной стали и другой изготовлен из стали, обработанной марганцевой фосфотизацией в соответствии с общим протоколом, указанным выше за исключением того, что были использованы стальные стержни, а не стальные провода.

При использовании необработанного стержня, среднее измеренное связующее усилие составляло 10 МПа, в то время как в случае применения фосфотизированного стержня оно составляло 15 МПа.

Пример 19. Обработанные или необработанные стальные провода

Этот пример относится к испытаниям на связывание стальных проводов (а не стержней), выполненных с использованием общей методики, описанной выше. Стержни вводили в образцы без волокон, имеющих такой же состав, как и в примере 18.

Испытания на связывание выполняли на проводах, один из которых был сделан из необработанной стали и другой из стали, обработанной способом цинковой фосфотизации в соответствии с общим протоколом, указанным выше.

Результаты приведены на фигуре 9. Из этого примера очевидно, что выполненная поверхностная обработка (фосфотизация), приводит к очень высокому уровню связывания: усилие сдвига увеличивается с 10 МПа (стандартный провод) до 25 МПа (обработанный провод).

Пример 20. Использование осажденного кремнезема для улучшения связывания

Этот пример предназначен для иллюстрации улучшения связей волокон/растворной части бетонной смеси, полученной путем модифицирования состава цементирующей растворной части бетонной смеси по примеру 18, путем введения осажденного кремнезема, причем указанная растворная часть бетонной смеси используется в бетоне с необработанными металлическими волокнами с величиной отношения В/Ц 0,2 и при термообработке 24 часа/24 часа при 90°С.

Результаты приведены на фигуре 3, которая показывает график, изображающий кривые, полученные при испытаниях на предельную прочность на разрыв с использованием испытательных образцов размером 7×7×28 см бетона, 2% объема которого заполняют необработанные стальные волокна, растворная часть бетонной смеси которого была модифицирована или не модифицирована путем добавления некоторого количества кремнеземной суспензии RHOXIMAT CS 960 SL производства компании Родиа Химие, равного 1,9% эквивалента сухого веса по отношению к цементу (то есть 0,65 вес.% по отношению к бетону).

На фигуре 3 показана нагрузка, приводящая к разрушению, выраженная в МПа, приведенная по y, и смещение, выраженное в мм, по оси x. Кривые (20.1, 20.2 и 20.3) дают результаты для трех испытуемых образцов с кремнеземом и кривые (20.4 и 20.5) для двух идентичных испытуемых образцов без кремнезема. Можно заметить, что разброс в результатах заметно снижен. Кроме того, энергия, рассеиваемая после приложения максимальной нагрузки, существенно увеличивается.

Пример 21. Влияние диаметра волокон

Этот пример предназначен для иллюстрации влияния диаметра волокон на связывание волокон/растворной части бетонной смеси.

Состав цементирующей растворной части бетонной смеси такой же, как в примерах 18 и 19. Стальные провода, имеющие диаметр 100 и 200 мкм, были введены в эту растворную часть бетонной смеси так, что они были закреплены в растворной части бетонной смеси на длину 5 мм.

Результаты приведены на фигуре 10. Для длины закрепления 5 мм связывание было выше при увеличении диаметра провода от 0,1 до 0,2 мм.

Пример 22. Влияние длины закрепления волокон

Этот пример предназначен для иллюстрации влияния длины закрепления волокон на связывание волокон/растворной части бетонной смеси.

Использовали состав цементирующей растворной части бетонной смеси по примерам 18 и 19. Стальные провода, имеющие диаметр 100 и 200 мкм, вводили в растворную часть бетонной смеси на различную длину закрепления.

Результаты представлены на фигуре 11. Для провода, имеющего данные характеристики, уровень связывания (усилие связывания) является постоянным для длины связывания в диапазоне от 5 до 15 мм.

Пример 23. Добавление пеногасителей.

Один из способов для повышения связывания волокон включает добавление в состав бетона пеногасителей. Пример 16 был повторен при добавлении 1% порошка пеногасителя.

Результаты представлены на фигуре 12. Наблюдалось усиление в уровне максимальной нагрузки (пик) и в особенности в увеличении работы на разрушение благодаря лучшему качеству поверхности раздела волокон/растворной части бетонной смеси.

Примеры 25-29. Влияние размера частиц компонентов бетона

Пять видов бетона в соответствии с настоящим изобретением были приготовлены из составляющих (а), (b), (с) и (d), имеющих различное распределение размера частиц. Эти распределения размера частиц представлены на фигуре 13.

Можно заметить, что составляющие (а), (b), (с) и (d) этих 5 бетонов удовлетворяют условию: размер частиц D75 всегда меньше, чем 2 мм, и размер частиц D50 меньше, чем 150 мкм. Распределение размера частиц различается по величине максимального размера частиц, D100 или Dmax, который изменяется от 500 мкм до 6 мм.

Были приготовлены бетоны с использованием частиц 5 различных размеров. Их составы приведены в таблице 2. Состав выражен в объемных процентах по отношению ко всему объему состава.

Различные размеры частиц были получены путем вариации природы и количества сортов песка.

Величины усилия на сжатие и величины предельных усилий на изгиб при изгибе в 3 точках для 3 различных испытательных образцов каждого из бетонов 25-29 приведены на фигурах 14 и 15. Можно видеть, что при любом распределении размера частиц и в особенности величины Dmax максимальная прочность на сжатие оставалась больше 150 МПа, и предельная прочность на изгиб оставалась больше 30 МПа.

Примеры 30-33. Влияние совместного действия прочности растворной части бетонной смеси, связывания волокон.

Как показано в примере 17, существует синергетический эффект при объединении связывающих волокон и растворной части бетонной смеси высокой прочности.

Примеры 30-33 демонстрируют это совместное действие. Основная формула, используемая в этих примерах, приведена в таблице 3. В примере 30 волокна представляют собой стальные волокна в отсутствие волластонита. В примере 31 волокна представляют собой стальные волокна в присутствии волластонита. В примере 32 волокна представляют собой стальные волокна, обработанные цинковой фосфатизацией, в отсутствие волластонита. В примере 33 волокна представляют собой стальные волокна, обработанные цинковой фосфатизацией, в присутствии волластонита.

Бетоны подвергали созреванию при 90°С.

Бетоны по примерам 30-33 подвергали испытаниям на изгиб в 3 точках, результаты представлены кривыми 30-33 на фигуре 16, а остальные величины приведены в таблице 3, в которой составы выражены в весовых процентах по отношению к цементу.

Наилучшие механические свойства получены в случае применения обработанных волокон и растворной части бетонной смеси, содержащей волластонит по примеру 33. Следует, кроме того, отметить, что отмечался существенный эффект деформационного упрочнения и проявлялся механизм повреждений на основе многочисленного растрескивания (сеть параллельных микротрещин), а не монорастрескивания.

Реферат

Изобретение относится к бетонам, усиленным волокнами, особенно к бетонам для изготовления элементов структур для строительной техники, предназначенных для строительства зданий и структур автомобильных магистралей. Технический результат – улучшение механических свойств бетона. Бетон получен при смешивании с водой цемента, гранулированных элементов, элементов, способных улучшить прочность растворной части бетонной смеси и, по меньшей мере, одного диспергирующего реагента в определенных условиях и пропорциях. 4 с. и 66 з. п. ф-лы, 3 табл., 16 ил.

Формула