Хрупким бетоном по терроризму

04.04.2013

Одним из способов защиты от террори­стических актов является устройство бетонных барьеров вокруг объектов, которые могут пострадать от взрывов. Однако эти барьеры частично представляют проблему, так как при взрыве могут разрушаться с образованием крупных бетонных фрагментов, что может привести к разрушению объектов и смертельным ранениям находящихся в них людей.

Специалистами США разработан состав бетона, отличающегося высокими эксплуатационными свойствами, а также повышенной хрупкостью, то есть такой бетон разрушается с образованием мелких, а не крупных фрагментов, что может уменьшить риск летальных исходов при взрывах, так как мелкие фрагменты в большей степени, чем обычный бетон, поглощают энергию в процессе образования, а также преодоления сопротивления воздуха при их распространении. Хрупкий бетон представляет новую разновидность бетона, способность которого к образованию мелких фрагментов обусловлена спецификой микроструктуры. Он предназначен только для устройства защитных барьеров и не предназначен для общестроительных целей.
Параметры проведения экспериментов на этапе 1
Таблица 1
 
Параметры Значение параметров Примечания
Содержание портландцемета 0; 10; 25% Остальное — шлак
Тип шлака 1 или 2 Шлаки марки 100
Соотношение песок/вяжущее 0 и 0,5 Песок существенно влияет на образ разрушения бетона
В/В 0,35 и 0,5  Значение В/В подобрано для изучения прочности и подвижности смеси
Ускоритель твердения Отсутствует или 2% CaCI2 CaCI2 повышает усадку при высыхании портландцемента
Сроки твердения 7 и 28 суток Сроки твердения влияют на процесс гидратации и прочность бетона
Температура твердения 20 и 60 °С Влияет на величину усадочных де­формаций
Условия высыхания  24 ч при температуре 110 °С или относительной влажности воз­духа 50% и температуре 20 °С Интенсивность высыхания влияет на развитие усадочных деформаций 
Хрупкость рассматриваемого бетона является следствием развития напряжений, вызванных усадочными деформациями, что приводит к образованию микротрещин в матрице бетона как до, так и после разрушения. Таким образом, возможна разработка бетона, обладающего необходимой минимальной статической прочностью, но распадающегося на мелкие фрагменты при воздействии динамических нагрузок (взрывов). 
Разработка хрупкого бетона включала три этапа:
— подбор вяжущих для выявления влияния различных переменных на образование микротрещин, прочность и динамическую жесткость бетона (табл. 1); 
—подбор наиболее эффективного состава бетона на основе результатов первого этапа и проведение экспериментов, направленных на улучшение свойств вяжущего; 
—подбор соответствующего состава и исследование свойств полученного хрупкого бетона (табл. 2), в частности, оптимизация крупности заполнителей, а также структуры заполнитель/матрица. 
Для проведения каждого этапа экспериментов из бетонных смесей изготовлялись образцы-цилиндры диаметром 51 мм и высотой 102 мм. На этапах 1 и 2 использовались также образцы-цилиндры того же диаметра при высоте 51 мм, полученные распиливанием образцов высотой102 мм, на этапе 3 — образцы высотой 25,4 мм, также изготовленные из образцов высотой 102 мм. 
На этапе 3 были также изготовлены сборные пустотелые элементы, для чего применялись смеси следующего состава, %: молотый доменный гранулированный шлак — 100; активатор твердения (раствор силиката натрия) — 6; крупный гравий — 75; мелкий гравий — 25. В/В смесей равнялось 0,45, соотношение заполнитель/матрица — 3,8. В процессе изготовления элементов бетон укладывался в формы в два слоя и затем в течение 1 мин подвергался вибрированию, после чего элементы извлекались из форм и твердели. 
Параметры проведения экспериментов на этапе 3
Таблица 2 
Параметры Значения параметров Примечания 
В/В  0,4 и 0,45  При указанных значениях В/В тесто достаточно прочно сцепляется с заполнителем.
Соотношение заполнитель/матрица   2,6—4,4 Указанное соотношение должно иметь значение, при котором вяжущее полностью обволакивает зерна заполнителя.  
Время твердения, сутки  3 и 7  При температуре 20 °С.
Наличие в рассматриваемом бетоне портландцемента приводит к снижению его хрупкости, поэтому на этапе 2 исследований содержание этого компонента в составе вяжущего равнялось 0,5 и 10% общей массы вяжущего. Повышенное содержание в бетоне песка также снижает его хрупкость, однако песок заметно влияет на удобоукладываемость бетона. Поэтому на втором этапе бетон приготовлялся с использованием мелкого и крупного песка. 
На этапе 3 на долю гравия крупностью от 4,76 до 2,36 мм в составе заполнителей для хрупкого бетона приходилось 93%, на долю песка — 7%. В качестве вяжущего применялся активированный щелочью шлак; В/В=0,45. Применение бетона такого состава основано на том, что в этом случае контакты между зернами заполнителя минимальны, а наличие между ними воздуха снижает вероятность образования фрагментов, содержащих более одного зерна заполнителя. 
Для проведения испытаний в условиях воздействия динамической нагрузки (взрыва) использовалась простая установка, представлявшая собой трубу, в нижней части которой располагался образец-цилиндр из ис­следуемого бетона. На образец с высоты 1 м падал стальной цилиндр массой 6,4 кг. Для того чтобы имитировать воздействие ударной волны при взрыве (а не просто дробление), вокруг образца устанавливались стопо­рящие элементы, высота которых была несколько меньше высоты бетонного образца. 
Полученные в результате испытаний бе­тонные фрагменты собирались и просеивались через сито с размером ячеек 4,76 мм. Количество прошедших через такое сито фрагментов принималось за индекс хрупко­сти бетона, причем 90% просеянных фрагментов рассматривалось как минимальная величина для определения разумного порога оценки результатов испытаний в натурных условиях (указанная величина установлена спонсорами проводившихся исследований — представителями армии США). 
Проведенные эксперименты дали следующие результаты.
В частности, на этапе 1 исследований было выявлено заметное отрицательное влияние на хрупкость бетона повышенного расхода портландцемента, положительное влияние повышенных значений В/В, положительное влияние повышенных температур твердения бетона, незначительное отрицательное влияние на прочность бетона повышенных температур твердения и сокращения времени высушивания образцов. 
Статическая прочность образцов на сжатие колебалась от 3,43 до 34,4 МПа при среднем значении 21,5 МПа. Индекс хрупкости бетона составлял от 16 до 100 при среднем показателе 54,4. В случае образцов из бетона, приготовлявшегося без портландцемента и активатора (CaCI2), их прочность (14,78 МПа) и индекс хрупкости (97) соответствовали минимальным требованиям к этим показателям. 
В целом этап 1 исследований продемонстрировал возможность получения бетона с приемлемой прочностью и хрупкостью. 
На этапе 2 исследований выявлено, что при снижении расхода портландцемента, В/В, равном 0,5 для всех бетонных смесей, и пониженном соотношении песок/вяжущее прочность бетона, определенная на образцах во влажном состоянии, составляла от 5,71 до 19,7 МПа, определенная на высушенных образцах — от 3,3 до18,1 МПа. При этом индекс хрупкости бетона составлял соответственно 30—92 и 53—92. 
На этапе 2 было также определено количество связанной воды в бетоне, причем оно возрастало с увеличением расхода портландцемента, сроков твердения бетона и повышением температуры его твердения. При этом установлено, что с увеличением ее количества возрастает прочность бетона, но снижается его хрупкость. 
Таким образом, для получения бетона требуемой хрупкости необходим повышенный расход шлака, а также сушка изделий из такого бетона. 
Этап 3 исследований позволил выявить, что для достижения требуемой хрупкости бетона следует использовать заполнители, в составе которых 20—25% (по массе) приходится на долю заполнителей, проходящих через сито с ячейками 2,36 мм, и менее 10% — на долю заполнителей, проходящих через сито с ячейками 1,18 мм.
Оптимальное соотношение матрица/заполнитель, при котором достигалась необходимая хрупкость бетона, составило 3,6—3,8. При таком соотношении вяжущее обволакивает зерна заполнителя, обеспечивая необ­ходимый контакт между ними, но не заполняя при этом остающиеся пустоты, что является одним из факторов, определяющих хрупкость материала. 
Проведены также натурные испытания, в ходе которых были сооружены две стены — из обычного и хрупкого бетона, подвергшиеся взрыву. Масса образовавшихся при взрывах фрагментов хрупкого бетона составила 0,028—0,113кг, в среднем — 0,071 кг, фрагментов обычного бетона — 0,028—1,049 кг, в среднем — 0,276 кг. 
Защитные барьеры из хрупкого бетона позволят избежать подобных последствий
Хрупкий бетон пригоден в военных целях, а также для гражданского строительства, в частности, для устройства защитных барьеров на автомобильных дорогах. Такие барьеры дают возможность останавливать автомобили без получения травм находящимися в них людьми. Возможно также использование хрупкого бетона в дренажных системах (что обусловлено его пористостью). 
В дальнейшем могут быть проведены исследования, направленные на повышение несущей способности хрупкого бетона при статических нагрузках. Возможно исследование свойств хрупкого бетона с полимерной арматурой. Требуется также оценка его долговечности и других свойств.
По материалам ACI Materials Journal
Перевод БИНТИ

Источник

Вы можете обсудить интересующие темы или предложить новые на форуме портала http://prostroymat.ru/forum.

Предметный указатель: