3. Экспериментальная часть

Экспериментальная работа проводилась в 2 этапа. Цель первого этапа заключалась в определении минимальной степени качества крупного вторичного заполнителя и оптимального процентного содержания заменяемого крупного природного заполнителя. Это необходимо для получения таких бетонов со вторичным заполнителем, которые отвечали бы требованиям кубинского стандарта NC 250: 2005 и могли быть использованы в рабочих средах со средней степенью агрессивности. При этом максимально допустимое фактическое водоцементное отношение указанных бетонов составляет 0,5.

На втором этапе экспериментальной работы был использован только один тип крупного вторичного заполнителя (низкокачественный заполнитель ВЗ 4, получивший наибольшее распространение в Гаване). Были изготовлены образцы бетона с целью сравнить процентное содержание природного заполнителя, которое можно было бы заменить на крупный вторичный заполнитель. При этом бетоны изготавливались с фактическими водоцементными отношениями 0,45; 0,5; и 0,55, соответствующими максимальным значениям, установленным в стандарте NC 250: 2005, для случая использования бетонов в рабочих средах с высокой, средней и низкой степенью агрессивности соответственно. На этом этапе эксперимента была установлена связь максимально допустимого процентного содержания вторичного заполнителя (применяемого взамен природного) с типом рабочей среды, в которой может использоваться вторичный бетон. Кроме этого, было проведено изучение стойкости бетона путём измерения скорости распространения ультразвука, а также определение удельного сопротивления образцов бетона, изготовленных при водоцементном отношении 0,45.

3.1. Состав смеси и изготовление бетонов

В таблице 7 приведены составы, применяемые при изготовлении обычного бетона, и составы,  приготовленные с использованием вторичных заполнителей, применяемых на первом этапе экспериментальной работы.

В таблице 8 приведены составы бетонных смесей, используемых на втором этапе экспериментальной работы. Бетоны, изготовленные при водоцементном отношении 0,5, соответствуют бетонам, применяемым на первом этапе.

Приготовление бетонных смесей производилось в стационарной поворотной бетономешалке гравитационного типа вместимостью 30 литров. Вторичный заполнитель во всех случаях использовался в насыщенном водой состоянии. Для определения характеристик бетонов из них были изготовлены цилиндрические образцы размером 10 х 20 см (диаметр и высота соответственно). Эти образцы уплотнялись в 2 слоя, по 25 ударов мастерком на каждый слой. Осадка свежего бетона составила 12 ± 2 см.

Бетон находился в формах в течение 24 часов в помещении для влажного выдерживания бетона и по прошествии указанного времени извлекался из формы. С этого момента и до начала испытаний образцы выдерживались под водой.

3.2. Испытания затвердевшего бетона

На всех образцах бетона, изготовленных на первом и втором этапах, была определена плотность в насыщенном водой состоянии и водопоглощение в соответствии со стандартом NC ISO 6725:2005, а также прочность на сжатие через 28 суток в соответствии с методикой NC 244: 2005. Кроме того, на всех образцах бетона, изготовленных на втором этапе, была определена прочность на сжатие через 91 сутки.

Согласно описанной в Рэд Дурар методике, для оценки стойкости бетонов, предназначенных для службы в рабочих средах с высокой степенью агрессивности, была определена скорость распространения ультразвука на образцах в возрасте 28 и 91 суток согласно стандарту NC 231:2003 с целью сопоставить полученные значения с прочностью на сжатие и удельным сопротивлением.

4. Результаты экспериментальной работы и их обсуждение.

4.1. Результаты, полученные на первом этапе

На рис. 4 показаны результаты определения прочности на сжатие четырёх образцов вторичного бетона в возрасте 28 суток. Из графика видно, что прочности на сжатие обычного бетона и вторичного бетона с содержанием вторичного заполнителя менее 50%, не отличаются. Все бетоны имеют прочности, превышающие 25 МПа. Такая прочность является минимально допустимой для бетонов, работающих в среде со средней степенью агрессивности. Все бетоны, содержащие 50% вторичного заполнителя, набрали минимально необходимую прочность, установленную нормативом, несмотря на то, что разница в прочности на сжатие бетона, изготовленного с применением высококачественного (ВБ1-0,5) и низкокачественного (ВБ4-0,5) заполнителей, составляет 15%. На четырёх образцах бетона, содержащих 100% вторичного заполнителя, наблюдается падение прочности на 15% для бетона ВБ1 и до 35% для бетона ВБ4 по сравнению с обычным бетоном. Тем не менее, бетон ВБ1, где был использован вторичный заполнитель (ВЗ 1) с плотностью 2,57 и водопоглощением 3,4%, удовлетворяет минимальным требованиям, установленным для бетонов, работающих в среде со средней степенью агрессивности. В исследованиях, проведённых Табшом и Абделфатахом, которые готовили бетоны с 100%-ным содержанием вторичного заполнителя со сходными характеристиками, наблюдается потеря прочности на 30% по сравнению с обычным бетоном, что сравнимо с падением прочности, имеющим место в данной экспериментальной работе.

На основании полученных результатов можно сделать вывод, что для изготовления вторичных бетонов, предназначенных для службы в средах со средней степенью агрессивности, возможно использование заполнителей с плотностью более 2,13 кг/дм³ и водопоглощением менее 9% (заполнитель ВЗ 4) при его содержании в бетонной смеси до 50%.

На рис. 5 показано влияние вторичного заполнителя на абсорбционную способность вторичного бетона. Из графика видно, что абсорбционная способность бетонов с одинаковым содержанием вторичного заполнителя увеличивается при использовании низкокачественных заполнителей (заполнителей с наибольшей абсорбционной способностью). Бетоны, содержащие 25% вторичного заполнителя, не отличаются от эталонного образца; в то время как бетоны, содержащие более 50% вторичного заполнителя, показали рост водопоглощения в диапазоне от 20 до 70% по сравнению с обычным бетоном, за исключением ВБ1-50, водопоглощение которого не превысило 5%. Эти результаты полностью совпадают с результатами определения прочности на сжатие, из чего можно сделать вывод, что только бетон, содержащий 25% вторичного заполнителя (независимо от типа последнего), не отличается от эталонного образца, что уже было описано ранее в других исследованиях. Бетоны ВБ3 и ВБ4 показали сходные результаты как по прочности на сжатие, так и по абсорбционной способности.

4.2. Результаты, полученные на втором этапе

4.2.1. Прочность на сжатие

На рис. 6 показаны результаты определения прочности на сжатие образцов бетона в возрасте 28 суток, изготовленных с применением вторичного заполнителя ВЗ 4. Исходя из представленных результатов, определяется оптимальное процентное содержание вторичного заполнителя (используемого взамен природного) в случае использования бетона в каждой из типов рабочих сред, о которых было сказано выше.

На основании полученных результатов можно утверждать, что в зависимости от процентного содержания вторичного заполнителя бетоны могут быть использованы в трёх типах рабочих сред. Во всех бетонах, изготовленных из бетонной смеси с водоцементным отношением 0,45 и содержащей 458 кг цемента на 1 м³ бетона, подвергающихся действию агрессивных сред, возможно использование до 100% вторичного заполнителя (используемого взамен природного), так как его прочность превышает 30 МПа, несмотря на то, что бетоны, содержащие 100% вторичного заполнителя имеют падение прочности 15% по сравнению с эталонным образцом бетона. Бетоны, содержащие 25 и 50% вторичного заполнителя, имели прочности, близкие к прочности эталонного образца.

Исходя из полученных результатов для бетонов, предназначенных для службы в средах со средней степенью агрессивности, имеющих водоцементное отношение 0,5 и содержащих 430 кг цемента на 1 м³ бетона, возможно использование вторичного заполнителя с содержанием только 25 и 50% (используемого взамен природного), так как в случае бетона, содержащего 100% вторичного заполнителя, прочность 25 МПа не была достигнута. Бетон, содержащий 25% вторичного заполнителя, имел прочность, близкую к прочности эталонного образца.

Среди бетонов, предназначенных для службы в средах со средней степенью агрессивности, имеющих водоцементное отношение 0,55 и содержащих 405 кг цемента на 1 м³ бетона, только бетоны, содержащие 25 и 50% вторичного заполнителя, имели минимальную прочность, установленную для такого типа рабочих сред (20 МПа). Бетоны, содержащие 100% вторичного заполнителя, показали уменьшение прочности на 30% по сравнению с эталонным образцом, и только бетон, содержащий 25% вторичного заполнителя, имел результаты, сходные с эталонным образцом.

4.2.2. Испытания на стойкость

На рис. 7 и 8 приведены графики, показывающие изменение во времени прочности при сжатии и скорости распространения ультразвука, для бетона ВБ4 (бетон, изготовленный с использованием низкокачественного заполнителя ВЗ 4), имеющего водоцементное отношение 0,45 и содержащего 458 кг цемента на 1 м³ бетона, в возрасте 7, 28 и 91 суток.

Как видно из рис. 7, бетоны, содержащие 25 и 50% вторичного заполнителя, показали прочности, сходные с прочностью эталонного образца в возрасте 28 суток. Таким образом, было подтверждено, что все эти бетоны имеют сходное поведение с течением времени. Бетон ВБ100 значительно отличается от эталона ЭБ. После 28 суток твердения этот бетон показал уменьшение прочности на сжатие на 12%.

Как видно из графика на рис. 8, бетон ВБ100, содержащий 100% вторичного заполнителя, имеет наименьшую скорость распространения ультразвука при любом возрасте образцов ввиду высокой пористости материала. Для этого материала также прослеживается сходство кривой зависимости скорости распространения ультразвука от возраста образцов с кривой зависимости прочности на сжатие от возраста образцов, что подтверждается другими работами.

В возрасте 7 суток в бетоне ВБ50 наблюдается небольшое уменьшение (менее 5%) скорости распространения ультразвука по сравнению с эталоном ЭБ. Величины скорости распространения ультразвуковой волны у всех образцов вторичных бетонов были выше 4 000 м/с, следовательно, согласно Рэд Дурар, такие бетоны по своему качеству классифицируются как стойкие. По данным Джонса и Гатфилда нижняя граница для качественных бетонов находится в диапазоне 4 100 – 4 700 м/с.

Следует отметить, что по мере увеличения процентного содержания вторичного заполнителя скорость распространения ультразвука уменьшается. В исследованиях, проведённых Ди Майо, бетоны, изготовленные с использованием вторичного заполнителя, имели величины, сходные с величинами, полученными в данной работе, однако, скорость распространения ультразвука, в отличие от настоящей работы, увеличивалась по мере увеличения процентного содержания вторичного заполнителя ввиду того, что бетоны, содержащие вторичный заполнитель, были изготовлены при том же водоцементном отношении, что и обычный бетон.

4.2.3. Прочность на сжатие – скорость распространения ультразвука

На рис. 9 показана зависимость прочности на сжатие от скорости распространения ультразвука в образцах бетона в возрасте 28 суток (каждое значение является средним арифметическим трёх измерений).

Рассматривая соотношение этих двух величин, можно оценить прочность на сжатие бетонов со сходным водоцементным отношением, исходя из скорости распространения в них ультразвука. В таблице 9 сравниваются результаты анализа кривой, полученной Тартником для обычных бетонов, с результатами, полученными экспериментально.

Можно видеть, что полученная экспериментально прочность на сжатие, как обычного бетона, так и бетона, содержащего вторичный заполнитель, превышает по величине расчётные данные при одной и той же скорости распространения ультразвука, причём отличие тем значительнее, чем больше процентное содержание вторичного заполнителя, используемого при изготовлении бетона. Следовательно, можно сделать вывод, что, на основании полученных результатов, метод Тартника (для определения прочности на сжатие, исходя из скорости распространения ультразвука) не применим к бетонам, изготовленным с использованием вторичного заполнителя.

С другой стороны, кривая удельного сопротивления, приведённая на рис. 10, не соответствует ранее определённым свойствам. В этом случае четыре образца бетона имеют сходные значения при любом их возрасте, и при этом не наблюдается разницы между образцом ВБ100 и остальными образцами бетона. Возможно, это обусловлено тем, что для анализа были взяты насыщенные водой образцы бетона.