ВЛИЯНИЕ КРУПНОГО ЗАПОЛНИТЕЛЯ И МЕСТНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА СВОЙСТВА ВЫСОКОПРОЧНОГО БЕТОНА

АННОТАЦИЯ

Цель исследования – определить влияние объёмного содержания крупного заполнителя на физико-механические свойства высокопрочного бетона. Методология основана на экспериментальных исследованиях шести серий бетонных смесей с различным содержанием цемента (300 и 400 кг/м³) и варьируемым объёмом крупного заполнителя. Определялись удобоукладываемость (осадка конуса), плотность смеси и прочность при сжатии на 3, 7 и 28 сутки. Результаты показали, что оптимизация соотношения цемента и щебня позволяет достигать прочности свыше 50 МПа при умеренном расходе цемента, сохраняя при этом достаточную технологичность бетонной смеси.

ABSTRACT

The study aims to determine the influence of the volume content of coarse aggregate on the physico-mechanical properties of high-strength concrete. The methodology is based on experimental investigations of six series of concrete mixes with different cement contents (300 and 400 kg/m³) and varying amounts of coarse aggregate. Workability (slump test), density of the mix, and compressive strength at 3, 7, and 28 days were determined. The results showed that optimizing the ratio of cement to crushed stone allows compressive strength above 50 MPa to be achieved with moderate cement consumption, while maintaining adequate workability of the concrete mix.

Ключевые слова: высокопрочный бетон, крупный заполнитель, щебень, структура бетона, прочность, оптимизация состава.

Keywords: high-strength concrete, coarse aggregate, crushed stone, concrete structure, compressive strength, mix design optimization.

Введение

Современное строительство предъявляет высокие требования к качеству и долговечности конструкционных материалов. Высокопрочный бетон (ВПБ) является одним из ключевых материалов для возведения ответственных сооружений, включая здания и мосты. Важными направлениями исследований остаются оптимизация состава бетонной смеси за счёт регулирования объёмного содержания крупного заполнителя.

Цель исследования – установить влияние объёмного содержания крупного заполнителя на физико-механические свойства высокопрочного бетона и выявить оптимальные пропорции цемента и щебня для получения прочности свыше 50 МПа при сохранении удобоукладываемости.

Исследования в области высокопрочного бетона показывают, что одним из перспективных направлений является оптимизация его структуры и состава. Ходжаев [1] отметил, что повышение прочности бетона невозможно рассматривать исключительно через призму свойств цементного камня, так как значительный потенциал скрыт в управлении структурой и взаимодействием заполнителей. В продолжение этих идей Ходжаев и Норбоев [2] разработали теоретические представления о формировании макроструктуры бетона с повышенным содержанием крупного заполнителя. Авторы показали, что традиционная технология с «плавающим заполнителем» ведёт к избыточному расходу цемента, тогда как контактная структура с плотной упаковкой заполнителя позволяет вовлечь его в работу бетона, снизить расход цемента, повысить прочность и долговечность материала. Их модель рассматривает бетон как двухфазную систему «матрица–включение», где свойства матрицы (раствора) и включения (крупного заполнителя) взаимосвязаны, а прочность бетона определяется не только цементным камнем, но и модулями упругости и деформационными характеристиками самого заполнителя.

Зарубежные исследования подтверждают важность оптимизации содержания и состава заполнителя. Hossain, Lachemi и Sammour [3] показали, что увеличение доли крупного заполнителя повышает жёсткость бетона и уменьшает усадку, но при чрезмерном содержании ухудшается удобоукладываемость, что требует применения суперпластификаторов. Neville [6] и Neville и Brooks [9] подчёркивают, что правильный подбор фракционного состава заполнителей позволяет снизить пустотность, улучшить распределение напряжений и повысить прочность бетона. Mehta и Monteiro [5] связывают долговечность бетона с его микро- и макроструктурой, а Fazli, Zhang, Yan и Zeng [10] показали, что увеличение крупного заполнителя уменьшает пористость и повышает сопротивляемость трещинообразованию.

Другим важным направлением является использование местных и вторичных материалов. Siddique [7] и Singh и Siddique [8] показали, что зола-унос, шлаки и микрокремнезем могут частично заменять цемент или песок, снижая себестоимость бетона и повышая его прочность. Alsalman, Dang и Hale [11] доказали, что местные материалы способны обеспечить необходимый уровень прочности и долговечности. Li, Liu и Wang [4] подчёркивают, что комплексный подход, включающий оптимизацию структуры и использование местных ресурсов, является ключом к повышению эффективности высокопрочного бетона.

Таким образом, анализ литературы показывает, что развитие технологий высокопрочного бетона связано с двумя основными направлениями: оптимизация содержания и структуры заполнителей, а также использование местных и вторичных материалов. Оба подхода направлены на снижение расхода цемента, улучшение прочностных и эксплуатационных характеристик бетона и повышение его долговечности.

Методика исследования. Эксперименты проведены на шести сериях бетонных смесей с различным содержанием цемента (300 и 400 кг/м³), фиксированной крупностью щебня (5–20 мм) и варьируемым объёмом песка и щебня. В/Ц принималось равным 0,6 (для 300 кг цемента) и 0,45 (для 400 кг цемента). Определялись: осадка конуса, плотность смеси, предел прочности при сжатии на 3, 7 и 28 сутки. Хранение образцов — при 20–22 °С и влажности 90–96 %.

Результаты

Таблица 1.

Результаты испытаний бетона

Анализ данных показывает, что повышение объёма крупного заполнителя может способствовать увеличению прочности бетона, но эффект зависит от конкретного соотношения цемента и заполнителей. При 300 кг цемента максимальная прочность достигалась при 1000 л щебня, а при 400 кг цемента — при 900 л щебня. Таким образом, необходим подбор оптимального соотношения. Использование местных материалов и химических добавок расширяет возможности оптимизации состава ВПБ.

Помимо представленных в таблице данных, установлена чёткая зависимость прочности бетона от объёмного содержания крупного заполнителя. При увеличении его количества до 1000 л прочность на 28-е сутки достигала 52,2 МПа (при 300 кг цемента) и 54,3 МПа (при 400 кг цемента). Повышение прочности объясняется более плотной упаковкой зерен и уменьшением пористости структуры бетона, что согласуется с данными Neville, 2011; Mehta & Monteiro, 2017.

При этом увеличение доли щебня сопровождалось снижением подвижности смеси: осадка конуса уменьшалась от 6–7 см при 800 л до 3–4 см при 1000 л. Это подтверждает необходимость корректировки реологических характеристик за счёт введения суперпластификаторов.

Результаты испытаний свидетельствуют о том, что увеличение содержания крупного заполнителя при сохранении оптимального водоцементного отношения не приводит к существенному снижению прочности, как утверждается в ряде классических исследований, а напротив — способствует формированию более плотной структуры цементного камня за счёт уменьшения общей пористости.

Полагается, что оптимальное соотношение цемента и крупного заполнителя должно определяться с учётом не только целевой прочности, но и требуемой технологичности бетонной смеси. При 400 кг цемента и 900 л щебня достигается наилучший баланс между прочностью (57,7 МПа на 28-е сутки) и удобоукладываемостью, что делает этот состав предпочтительным для массовых конструкций.

Заключение

Регулирование содержания крупного заполнителя позволяет получать ВПБ с прочностью выше 50 МПа при умеренном расходе цемента. Подход способствует снижению себестоимости, повышению долговечности и экологической устойчивости бетона.

Список литературы:

1. С. А. Ходжаев, «Высокопрочный бетон – проблемы и направления решения», Архитектура и строительство Узбекистана, № 05–06, с. 26–32, 2021.
2. С. А. Ходжаев и А. А. Норбоев, «Теоретические представления о взаимосвязи структуры, состава, прочности и технологии бетона», ТАСУ, 2025.
3. K. M. A. Hossain, M. Lachemi, and M. Sammour, “Influence of aggregate size and content on the behavior of concrete,” Materials and Structures, vol. 49, no. 5, pp. 1605–1617, 2016.
4. Q. Li, J. Liu, and Z. Wang, “Dynamic behavior of high-performance concrete: A review,” Construction and Building Materials, vol. 287, p. 122947, 2021.
5. P. K. Mehta and P. J. M. Monteiro, Concrete: Microstructure, Properties, and Materials, 4th ed. New York, NY, USA: McGraw-Hill, 2017.
6. A. M. Neville, Properties of Concrete, 5th ed. Harlow, UK: Pearson Education, 2011.
7. R. Siddique, “Utilization of industrial by-products in concrete,” Resources, Conservation and Recycling, vol. 136, pp. 364–376, 2018.
8. M. Singh and R. Siddique, “Effect of coal bottom ash as partial replacement of sand on workability and strength properties of concrete,” Journal of Cleaner Production, vol. 112, pp. 620–630, 2016.
9. A. M. Neville and J. J. Brooks, Concrete Technology, 2nd ed. Harlow, UK: Pearson, 2019.
10. Fazli, H., Yan, D., Zhang, Y., & Zeng, Q. (2021). Effect of Size of Coarse Aggregate on Mechanical Properties of Metakaolin-Based Geopolymer Concrete and Ordinary Concrete. Materials, 14(12), 3316.
11. Ali Alsalman, Canh N. Dang, W. Micah Hale, “Development of ultra-high performance concrete with locally available materials” Journal of Construction and Building Materials, vol. 133, Pages 135-145, ISSN 0950-0618, 2017.