Прочность и деформируемость биоцидных цементных композитов

В процессе эксплуатации зданий и сооружений железобетонные конструкции подвержены воздействию различных нагрузок, которые вызывают деформации и разрушения. Прочностные и упруго-пластические свойства современных бетонов регулируются с помощью введения в составы пластификаторов, нанодобавок и наполнителей. Повышение биостойкости композитов достигается за счет введения биоцидных добавок. Статья посвящена изучению процессов деформирования и разрушения модифицированных биоцидной добавкой цементных композиций для создания долговечных порошково-активированных бетонов – одного из разновидностей бетонов нового поколения. Экспериментально доказана перспективность применения в качестве фунгицидной добавки препаратов на основе соединений гуанидина. Основные характеристики процессов деформации бетонов устанавливаются с помощью диаграмм «напряжение–деформация». Получены полные диаграммы деформирования биоцидных бетонов с протяженным участком нагружения при постоянной затухающей скорости деформирования, с фиксацией плавного снижения напряжения. Диаграмма деформирования бетона на нисходящей ветви фиксируется предельной деформативностью, соответствующей достижению бетоном максимального значения прочности, и конечной точкой нисходящей ветви, соответствующей остаточной прочности бетона. Изучены зависимости влияния В/Ц-отношения и биоцидной добавки на основные параметрические точки диаграммы σ–ε. Выполнен анализ полученных диаграмм. Показано, что за счет введения биоцидной добавки повышаются прочностные показатели цементного камня. Прочность на тесте нормальной густоты возросла в пределах от 12 до 65 % (в зависимости от состава). При повышении водоцементного отношения эти изменения более значительны – 29–79 %. Повышение водоцементного отношения с 0,267 до 0,350 для составов на биоцидной добавке приводит к снижению прочности цементного камня на 27 – 39 %.

1. Карпенко Н. И., Круглов В. М., Соловьев Л. Ю. Нелинейное деформирование бетона и железобетона. – Новосибирск: Издательство СГУПСа, 2001. – 276 с.

2. Шейкин А. Е., Чеховский Ю.В., Бруссер М.И. Структура и свойства цементных бетонов. М.: Стройиздат, 1979. – 344 с.

3. Грушко И. М. Прочность бетонов на растяжение / И. М. Грушко, А. Г. Ильин, С. Т. Рашевский. – Харьков : Изд-во Харьк. ун-та, 1973. – 155 с.

4. Полиструктурная теория композиционных строительных материалов / В. И. Соломатов, В. Н. Выровой, А. Н. Бобрышев и др. – Ташкент : Фан, 1991. – 342 с.

5. Iskhakov, I., Frolov, I., Ribakov, Y., 2022. Experimental verification of theoretical stress-strain model for compressed concrete considering post-peak stage // Materials 15(17), 6064.

6. Y. Feng, Y. Su, N. Lu, S. Shah, Meta concrete: exploring novel functionality of concrete using nanotechnology, Eng. Sci. (2020), https://doi.org/10.30919/es8d816.

7. S. Barbhuiya, B.B. Das, Water-soluble polymers in cementitious materials: a comprehensive review of roles, mechanisms and applications, Case Stud. Constr. Mater. 19 (2023) e02312, https://doi.org/10.1016/j.cscm.2023.e02312.

8. N. P. Tran, T. N. Nguyen, T. D. Ngo, The role of organic polymer modifiers in cementitious systems towards durable and resilient infrastructures: a systematic review, Constr. Build. Mater. 360 (2022) 129562, https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.129562.

9. Javadi A., Jamil T., Abouzari-Lotf, E., Soucek, M. D., & Heinz, H. (2021). Working mechanisms and design principles of comb-like polycarboxylate ether superplasticizers in cement hydration: quantitative insights for a series of well-defined copolymers. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 9(25), 8354–8371.

10. L. Xia, M. Zhou, T. Ni, Z. Liu. Synthesis and characterization of a novel early-strength polycarboxylate superplasticizer and its performances in cementitious system, J. Appl. Polym. Sci. 137 (2020) 48906.

11. X. Liu, G. Lai, J. Guan, S. Qian, Z. Wang, S. Cui, F. Gao, Y. Jiao, R. Tao, Technical optimization and life cycle assessment of environment-friendly superplasticizer for concrete engineering, Chemosphere 281 (2021), https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.130955.

12. Muthukumar, M., Mohan, D., 2004. Optimization of mechanical properties of polymer concrete and mix design recommendation based on design of experiments. J. Appl. Polym. Sci. 94 (3), 1107–1116.

13. Khalid M. Y, Al Rashid A, Arif Z. U, Akram N, Arshad H, Garcia Marquez FP. Characterization of failure strain in fiber reinforced Composites: under on-Axis and off-Axis loading. Crystals 2021;11:216. https://doi.org/10.3390/cryst11020216.

14. Dobiszewska M, Schindler AK, Pichór W. Mechanical properties and interfacial transition zone microstructure of concrete with waste basalt powder addition. Constr Build Mater 2018;177:222–9. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.05.133.

15. Peng Y, Zhang J, Liu J, Ke J, Wang F. Properties and microstructure of reactive powderconcrete having ahigh content of phosphorous slag powder andsilica fume. Constr Build Mater 2015;101:482–7. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.10.046.

16. Travush V. I., Karpenko N. I., Erofeev V. T., Vatin N. I., Erofeeva I. V., Maksimova I. N., Kondrashchenko V. I., Kesarijskij A. G. Destruction of powder-activated concrete with fixation of destruction by a laser interferometer // Magazine of Civil Engineering. Volume 95, Issue 3, 2020. – P. 42–48.

17. Saran, ASA, Magudeaswaran P, Mohammed MK. Concrete Microstructure-A Review, vol. 2; 2016.

18. Elsharief A, Cohen MD, Olek J. Influence of aggregate size, water cement ratio and age on the microstructure of the interfacial transition zone. Cem Concr Res 2003;33:1837–49. https://doi.org/10.1016/S0008-8846(03)00205-9.

19. Xie Ping J. J, Beaudoin R. B. Effect of aggregate size on transition zone properties at the portland cement paste interface. Cem Concr Res 1991. https://doi.org/10.1016/0008-8846(91)90059-Q.

20. Liao K. Y., Chang P. K., Peng Y. N., Yang C. C. A study on characteristics of interfacial transition zone in concrete. Cem Concr Res 2004;34:977–89. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2003.11.019.

21. Neville A. M. , Brooks J. J. Properties of concrete 2010. https://doi.org/10.4135/9781412975704.n88.

22. Erofeev V. T., Vatin N. I., Maximova I. N., Tarakanov O.V., Sanyagina Y. A., Erofeeva I. V., Suzdaltsev O. V. Powder-activated concrete with a granular surface texture // International journal for computational civil and structural engineering. – 2022. – № 4. – T. 18. – P. 49–61.

23. Shi C, Wu Z, Xiao J, Wang D, Huang Z, Fang Z. A review on ultra high performance concrete: Part I. Raw materials and mixture design. Constr Build Mater 2015;101:741–51. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.10.088

24. Tam C. M., Tam V. W. Y., Ng K. M. Optimal conditions for producing reactive powder concrete. Mag Concr Res 2010;62:701–16. https://doi.org/10.1680/macr.2010.62.10.701.

25. Hassan A. M. T, Jones S. W, Mahmud G. H. Experimental test methods to determine the uniaxial tensile and compressive behaviour of Ultra High Performance Fibre Reinforced Concrete(UHPFRC). Constr Build Mater 2012. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2012.04.030.

26. Chan Y. W., Chu S. H.. Effect of silica fume on steel fiber bond characteristics in reactive powder concrete. Cem Concr Res 2004;34:1167–72. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2003.12.023.

27. Kang S. T., Lee Y., Park Y. D., Kim J. K. Tensile fracture properties of an Ultra High Performance Fiber Reinforced Concrete (UHPFRC) with steel fiber. Compos Struct 2010. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2009.06.012.

28. Ma J., Orgass M., Dehn F., Schmidt Dю, Tue N. V. Comparative investigations on ultra-high performance concrete with or without coarse aggregates. Proc Int Symp Ultra High Perform Concr 2004:205–12.

29. Zdeb T. An analysis of the steam curing and autoclaving process parameters for reactive powder concretes. Constr Build Mater 2017;131:758–66. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.11.026.

30. Рабинович Ф. Н. Дисперсно-армированные бетоны. – М. : Стройиздат, 1989. – 176 с.

31. Zhang, L., Zhang, M., Wang, K., Shi, J., Chen, W., Yan, K. Axial compressive behavior of steel-reinforced reactive powder concrete short columns (2022) Structures, 46, pp. 433-444.

32. Bu, L., Tang, D. Experimental Study and Numerical Analysis on Flexural Behavior of RC Beams Strengthened with RPC Reinforcement Mesh (2022) Shenyang Jianzhu Daxue Xuebao (ZiranKexue Ban)/Journal of Shenyang Jianzhu University (Natural Science), 38 (4), pp. 601-609.

33. Xu, S., Wu, P., Zhou, F., Li, Q., Zeng, T., Jiang, X. Experimental investigation and numerical prediction on resistance of reactive powder concrete to multiple penetration (2021) Baozha Yu Chongji / Explosion and Shock Waves, 41 (6), art. no. 063301 .

34. Guo, M., Gao, R. Relationships among the characteristic tensile strain, curing age, and strength of reactive powder concrete (2021) Materials, 14 (10), art. no. 2660, .

35. Jia, F., He, K., Wang, W., An, M., Lu, Z. Splitting tensile bonding strength of Reactive Powder Concrete to normal concrete (2016) Tiedao Xuebao / Journal of the China Railway Society, 38 (3), pp. 127-132.

36. Cheng, J., Luo, X., Zhuang, Y., Xu, L., Luo, X. Experimental study on dynamic response characteristics of RPC and RC micro piles in SAJBs (2019) Applied Sciences (Switzerland), 9 (13), art. no. 2644, .

37. Ju, Y., Shen, H., Wang, D., Zheng, W. Experimental study on crack resistance of reactive powder concrete beam-column joints (2019) ZhongnanDaxueXuebao (ZiranKexue Ban)/Journal of Central South University (Science and Technology), 50 (5), pp. 1203-1209.

38. Cui, B., Wang, K.-K., Zhou, Q.-F., Deng, K.-L., Wei, L.-Y. Experiment on Static and Fatigue Performances of Assembled Concrete-steel Link in Assembled Composite Bridge Deck (2018) ZhongguoGongluXuebao/China Journal of Highway and Transport, 31 (12), pp. 106-114.

39. Zhao, C., Wang, K., Zhou, Q., Deng, K., Cui, B. Full-Scale Test and Simulation on Flexural Behavior of Dovetail-Shaped Reactive Powder-Concrete Wet Joint in a Composite Deck System (2018) Journal of Bridge Engineering, 23 (8), art. no. 04018051 .

40. Pan, W.-H., Fan, J.-S., Nie, J.-G., Hu, J.-H., Cui, J.-F. Experimental Study on Tensile Behavior of Wet Joints in a Prefabricated Composite Deck System Composed of Orthotropic Steel Deck and Ultrathin Reactive-Powder Concrete Layer (2016) Journal of Bridge Engineering, 21 (10), art. no. 04016064 .

41. Han, L.Z., Zhang, J.Q., Nie, J.G. Ultimate bearing capacity of steel-reactive powder concrete composite beams (2014) Advanced Materials Research, 900, pp. 473-482.

42. Zhang, Y., Yan, G., An, M., Zhong, T. Ultimate bearing capacity of steel-reactive powder concrete composite beams (2009) Beijing JiaotongDaxueXuebao/Journal of Beijing Jiaotong University, 33 (1), pp. 81-85.

43. Yan, R., Du, H., Xu, Y. Mechanical and thermal expansion properties of RPC with steel fibers after exposure to elevated temperatures (2018) Proceedings of the Annual International Conference on Architecture and Civil Engineering, 0.

44. Jin, L., He, P., Fu, Q., Chen, M. Relationship of macro cracks and microstructure of RPC component (2014) Jiangsu DaxueXuebao (ZiranKexue Ban)/Journal of Jiangsu University (Natural Science Edition), 35 (4), pp. 452-456 and 462.

45. Zhang, M., Zeng, B. Reliability-based calibration of material partial factor of prestressed reactive powder concrete members (2015) Tumu GongchengXuebao/China Civil Engineering Journal, 48, pp. 88-97.

46. Cao, X., Peng, J.-C., Jin, L.-Z. Experimental research on mechanical performance of prestressed RPC beam (2014) Wuhan LigongDaxueXuebao/Journal of Wuhan University of Technology, 36 (1), pp. 116-122.

47. Deng, Z., Chen, C., Chen, X. Experimental research on the shear behaviors of hybrid fiber reinforced RPC beams (2015) Tumu GongchengXuebao/China Civil Engineering Journal, 48 (5), pp. 51-60.

48. Deng, Z., Zhou, D., Cheng, S. The shear bear capacity of reactive powder concrete beam with high strength stirrup (2014) Harbin GongchengDaxueXuebao/Journal of Harbin Engineering University, 35 (12), pp. 1512-1518.

49. Ji, W., Zhou, C. Shear lag analysis of prestressed RPC box girder (2007) ZhongguoTiedaoKexue/China Railway Science, 28 (1), pp. 19-22.

50. He, F., Huang, Z.-Y., Yi, W.-J. Acid-resistance performance of reactive powder concrete (2011) Journal of Natural Disasters, 20 (2), pp. 44-49. 4922-21.

51. Yan, Z., Ji, W., An, M. Design of simple-supported reactive powder concrete railway bridge with span of 32m (2011) Advanced Materials Research, 163-167, pp. 904-907.

52. Lu, S.-S., Zheng, W.-Z. Calculation method for cross-sectional crack resistance of reactive powder concrete beams reinforced with GFRP bars (2010) Harbin GongyeDaxueXuebao/Journal of Harbin Institute of Technology, 42 (4), pp. 536-540.

53. Yan, Z., Ji, W., An, M. Design and experimental study of low-height reactive powder concrete beams (2009) Tumu GongchengXuebao/China Civil Engineering Journal, 42 (5), pp. 96-102.

54. Yan, Z., Ji, W., An, M. Experimental study and full-range analysis of Reactive Powder Concrete T-beams (2009) Beijing JiaotongDaxueXuebao/Journal of Beijing Jiaotong University, 33 (1), pp. 86-90.

55. Панфилов Д. А. Обзор существующих диаграмм деформирования бетона при сжатии в отечественных и зарубежных нормативных документах / Д. А. Панфилов, А. А. Пищулев, К. И. Гимадетдинов. - (Техническое регулирование). - Текст : непосредственный // Промышленное и гражданское строительство. - 2014. - № 3. - С. 80-84.

56. Безгодов И. М., Дмитренко Е. Н. Совершенствование криволинейных диаграмм деформирования бетона // Промышленное и гражданское строительство. 2019. № 8. С. 99-104. DOI: 10.33622/0869-7019.2019.08.99104.

57. Рахманов В. А., Сафонов А. А. Разработка экспериментальных методов оценки диаграмм деформирования бетона при сжатии // Academia. Архитектура и строительство. – 2017. – № 3. – С. 121–125.

58. Галустов К. З. Нелинейная теория ползучести бетона и расчет железобетонных конструкций / К. З. Галустов. – М.: Физматлит, 2006. – 248 с.

59. Максимова И. Н. Структура и конструкционная прочность цементных композитов: монография / И. Н. Максимова, Н. И. Макридин, В. Т. Ерофеев, Ю. П. Скачков // Москва: Издательство АСВ, 2017. – 400 с.

60. Bragov A. M., Gonov M. E., Lomunov A. K., Balandin Vl. Vl. Experimental study of the dynamic properties of concrete under compressive load // Chapter 23 In: B. E. Abali and I. Giorgio (eds.), Developments and Novel Approaches in Nonlinear Solid Body Mechanics, Advanced Structured Materials, 2020, vol 130. – P. 403–412.

61. Bragov A. M., Konstantinov A. Yu., Lamzin D. A., Lomunov A.K., Gonov M.E. Determination of the mechanical properties of concrete using the split Hopkinson pressure bar method // Procedia Structural Integrity 28 (2020) 2174–2180.

62. Bragov A. M., Gonov M. E., Lamzin D A., Lomunov A. K., Modin I. A. Response of fine-grained fiberreinforced concretes under dynamic compression // Materials Physics and Mechanics, 2021, 47(6) 962-967.

63. Gonov М., Bragov A., Konstantinov A., Lomunov A., Filippov A. Features of high-speed deformation and fracture of fine-grained concrete under tensile stress // Advanced Materials Modelling for Mechanical, Medical and Biological Applications. – 2021. – P. 193–211.

64. Gonov M. E., Bragov A. M., Konstantinov A. Y., Lomunov A. K., Filippov A. R. Features of High-Speed Deformation and Fracture of Fine-Grained Concrete Under Tensile Stress // Chapter 5. In: Altenbach H., Eremeyev V.A., Galybin A., Vasiliev A. (eds) Advanced Structured Materials, Advanced Materials Modelling for Mechanical, Medical and Biological Applications, vol 155. – 2022. – P. 193–211.

65. Варламов А. А., Римшин В. И. Модели поведения бетона. Общая теория деградации. – М.: ИНФРАМ, 2019. – 436 с.

66. Pavluk A., Gomon S., Ziatiuk Y., Gomon P., Homon S., Kulakovskyi L., Iasnii V., Yasniy O., Imbirovych N. Stiffness of solid wood beams under direct and oblique bending conditions. Acta Facultatis Xylologiae Zvolen. – 2023. – 65(2). – P. 109–121.

67. Бакушев С. В. Аппроксимация диаграмм деформирования билинейными функциями // Строительная механика и расчёт сооружений. – 2019. № 2 (283). – С. 2–11.

68. Бакушев С. В. Аппроксимация диаграмм деформирования квадратичными функциями // Строительная механика и расчет сооружений. – 2020. № 3 (290). – С. 2–14.

69. Bertron A., Duchesne J. Attack of cementitious materials by organic acids in agricultural and agrofood effluents // RILEM State-of-the Art Reports. – 2013.

70. Vupputuri S., Fathepure B. Z., Wilber G. G. and 4 more. Isolation of a sulfur oxidizing Streptomyces sp. from deteriorating bridge structures and its role in concrete deterioration // International Biodeterioration and Biodegradation. – 2015.

71. Dubravka B., Marijana S., Igor C. Review of microbial corrosion of concrete // Kuei Suan Jen Hsueh Pao/Journal of the Chinese Ceramic Society. – 2010.

72. Strokova V., Nelyubova V., Rykunova M. and 1 more, Strength and structure of cement stone exposed to domestic chicken coop // Journal of Physics: Conference Series. – 2019.

73. Lapcharatsangroj L., Chalida U.-T. Trial to Determine Durability and Serviceability for Swine Farm in Thailand // MATEC Web of Conferences. – 2018.

74. Barbhuiya S., Kumala D. Behaviour of a sustainable concrete in acidic environment // Sustainability (Switzerland). – 2017.

75. Wei S., Jiang Z., Liu H. and 2 more. Microbiologically induced deterioration of concrete - A review // Brazilian Journal of Microbiology. – 2013.

76. Lanzón, M., García-Ruiz, P.A. Deterioration and damage evaluation of rendering mortars exposed to sulphuric acid // Materials and Structures / Materiaux et Constructions. – 2010,

77. Wei S., Sanchez M., Trejo D. and 1 more. Microbial mediated deterioration of reinforced concrete structures // International Biodeterioration and Biodegradation. – 2010.

78. De Belie N. Microorganisms versus stony materials: A love hate relationship // Materials and Structures / Materiaux et Constructions. – 2010.

79. Yousefi A., Allahverdi A., Hejazi P. Accelerated biodegradation of cured cement paste by Thiobacillus species under simulation condition // International Biodeterioration and Biodegradation. – 2014.

80. George R. P., Ramya S., Ramachandran D. and 1 more. Studies on Biodegradation of normal concrete surfaces by fungus Fusarium sp. // Cement and Concrete Research. – 2013.

81. Soleimani S., Ormeci B., Isgor O. B. Growth and characterization of Escherichia coli DH5α biofilm on concrete surfaces as a protective layer against microbiologically influenced concrete deterioration (MICD) // Applied Microbiology and Biotechnology. – 2013.

82. Li H., Liu D., Lian B. and 2 more. Microbial Diversity and Community Structure on Corroding Concretes // Geomicrobiology Journal. – 2012.

83. Fiertak M., Stanaszek-Tomal E., Kozak A. The growth of fungi and their effect on the behaviour of cement polymer composites // Advances in Cement Research. – 2015.

84. Geweely N. S. I. Evaluation of ozone for preventing fungal influenced corrosion of reinforced concrete bridges over the River Nile, Egypt // Biodegradation. – 2011.

85. Биологическое сопротивление материалов / В.И. Соломатов, В.Т. Ерофеев, В.Ф. Смирнов и др. – Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2001. — 193 с.

86. Pereyra A. M., Gonzalez M. R., Rodrigues T. A. and 2 more. Enhancement of biocorrosion resistance of epoxy coating by addition of Ag/Zn exchanged a zeolite // Surface and Coatings Technology. – 2015.

87. Munzer C., Belhaj E., Meylheuc T. and 2 more. Effects of bioadmixture on surface characteristics of cement pastes // Materiaux et Techniques. – 2015.

88. Vipulanandan C., Liu J. Polymer Coatings for Concrete Surfaces: Testing and Modeling // Handbook of Environmental Degradation of Materials: Second Edition. – 2012.

89. Viktoria Il’ina, Valeria Strokova, Vladimir Erofeev, Irina Stepina. Photo-reactive acrylic-alkyd composition with biocide additive for wood protection coating development // Architecture and Engineering Journal, Vol 9, № 3, 2024. – P. 53–62.

90. Безгодов, И.М. Совершенствование криволинейных диаграмм деформирования бетона / И.М. Безгодов, Е.Н. Дмитренко // Промышленное и гражданское строительство. – 2019. – №8. – С.99-104.

91. Черноусов Н.Н. Исследование механики работы мелкозернистого шлакобетона при осевом растяжении и сжатии / Н.Н. Черноусов, Р.Н. Черноусов, А.В. Суханов // Строительные материалы. – 2014. – № 12. – С. 59–63.

92. Маилян, Д.Р Деформационные свойства и параметрические точки бетонов каркасной структуры / Д.Р. Маилян, Г.В. Несветаев, С.В. Халезин, А.А. Горцевской // Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона». – 2018. – №2.