Full Text

Введение На протяжении последних десятилетий наблюдается спрос на полупрозрачный бетон [1, 2]. Еще в конце прошлого столетия предложен материал на основе интеграции бетона и оптических волокон [3, 4]. Первое смешивание таких элементов произведено уже в 2001 г. Полученный бетон спустя два года [5, 6] официально стали называть полупрозрачным, а еще через пару лет инновационный материал смог пропускать уже до 80 % света. Сочетая в себе легкость и полупрозрачность, новый бетон [7] оказался весьма интересным для использования [8, 9]. Его предлагали применять в качестве легких стеновых конструкций, где создавалось впечатление отсутствия толщины и веса. Несмотря на это, технология получения бетона с оптическими волокнами представляет собой сложный и дорогостоящий процесс, который требует наличия вспомогательных стержней. Использование прозрачных трубок может быть оправдано лишь при малых объемах применения в конструкциях. Переход на большие партии сильно увеличивает расход материала и возникает ряд ограничений практического использования. Дороговизна применения бетона с оптическими волокнами и значительная трудоемкость его изготовления [10, 11] привела к поиску альтернативного материала. Поэтому предложено исследовать бетон с использованием доступного и относительно недорогого оргстекла. Научная новизна исследования заключается в том, что дешевый полимер с высоким уровнем прозрачности предлагается ввести в бетон в виде прямолинейных направляющих кругового профиля, которые в зависимости от архитектурных условий обеспечат проход света под разными углами. Проведение испытаний от действия нагрузок позволит проанализировать влияние оргстекла на состояние бетона и определить свойства образцов с прозрачными элементами. Материалы и методы Реализовать технологию можно практически без затрат, используя широко доступные отходы оргстекла [12, 13]. Естественно, чем больше будет таких элементов в бетоне, тем прозрачнее получится материал. На этапе проектирования изделий предлагается использовать одинаковые прозрачные элементы. В процессе исследований рассмотрена возможность оргстекла передавать свет с одной поверхности на другую с различным содержанием передаваемых элементов. Свет, который проходит через оргстекло под определенным углом qi, представлен в виде луча при условии, что угол отражения превысит критическое значение qс: qс = Q arcsin, (1) где Q - коэффициент яркости; ncl и nc - показатели преломления на внешней поверхности и в центре элемента соответственно. Для реализации полного внутреннего отражения sin q i > sin qс = . (2) Тогда числовая апертура, характеризующая диапазон углов, под которыми происходит прием или излучение света, будет иметь вид NА = n sin qmax, (3) где n - показатель преломления от центра; qmax - максимальный угол приема. С увеличением n свет проходит под большим углом и появляется возможность исследовать влияние одной среды на другую. Тогда, учитывая угол qa падения света на торце оргстекла в соответствии с законом Снелла [5], можно записать n0 sin q a < NА, (4) где n0 - показатель преломления воздуха, n0 = 1. Бетон с добавлением элементов из оргстекла рекомендуется применять для наружных и внутренних частей зданий, в том числе и для получения дополнительного освещения (рис. 1) [14, 15]. Для оценки влияния оргстекла на свойства бетона проведены испытания образцов. В качестве вяжущего вещества принят пуццолановый портландцемент с удельным весом 2,7 г/м3. Оргстекло добавлено в виде элементов диаметром 5 и 7 мм с содержанием 2,5 и 3,5 %. При изготовлении образцов использована смесь 1 : 2,75 с водоцементным соотношением 0,45. Весь процесс приготовления включал операции, показанные на рис. 2. а б Рис. 1. Полупрозрачный бетон в стенах зданий: а - наружных, б - внутренних Fig. 1. Semi-transparent concrete in the walls of buildings: a - external, б - internal Рис. 2. Процесс приготовления полупрозрачного бетона Fig. 2. The process of preparing semi-transparent concrete Размещение прозрачных элементов выполнено в заранее подготовленные отверстия, а закрепление отрезков из оргстекла осуществлено в специально предусмотренных пазах экспериментальной формы с последующим выравниванием элементов. В зависимости от требований архитектуры предусмотрена возможность изменять объемную долю оргстекла в бетоне. В качестве источника света использованы фонари с равномерным освещением светодиодными лампами мощностью 150 Вт. Результаты прохождения света через образцы фиксировались на деревянном экране. Схема исследуемых образцов показана на рис. 3. В соответствии с принятыми схемами добавок оргстекла определен процент его содержания. По расчету он составил менее 10 % от площади сечения бетонных образцов. Технология формирования изделий предусматривала послойную укладку с последующим уплотнением. Процесс проводился в лабораторных условиях с дальнейшим выдерживанием в течение суток при температуре 21 ± 2 °C. Следующий этап предполагал размещение и выдерживание образцов на 7 и 28 дней соответственно. Рис. 3. Структура светового испытания образцов Fig. 3. Structure of light testing of samples Исследования проведены в соответствии с заранее составленным планом, который предусматривал испытания трех образцов кубиков с размерами сторон 50 × 50 × 50 мм и трех образцов призм с размерами сторон 40 × 40 × 160 мм. Для определения способности пропускать свет через оргстекло кубики и призмы размещались по отдельности в специально изготовленных помещениях с размерами сторон 0,5 × 0,5 × 0,5 м. Прочность на сжатие и на изгиб определена обычным способом путем испытания под нагрузкой с использованием силового пресса. Результаты Зависимость освещенности от объемного влияния и диаметра d элементов из оргстекла в бетонных образцах показана на рис. 4. Полученная закономерность явилась следствием учета фактора объемного воздействия от светового элемента и наглядно продемонстрировала ярко выраженный линейный характер. Рис. 4. Результаты испытаний на пропускание света: 1 - призмы с оргстеклом d = 7 мм; 2 - призмы с оргстеклом d = 5 мм; 3 - кубика с оргстеклом d = 7 мм; 4 - кубика с оргстеклом d = 5 мм Fig. 4. Results of light transmission tests: 1 - prism with plexiglass d = 7 mm; 2 - prism with plexiglass d = 5 mm; 3 - cube with plexiglass d = 7 mm; 4 - cube with plexiglass d = 5 mm В результате на каждом конкретном отрезке выявлен показатель отражения интенсивности света. Распределение по объему позволило определить вклад компонентов оргстекла на общий световой эффект. Включение прозрачных элементов в состав бетона изменило общее состояние образцов. Полученные результаты при испытании на сжатие позволили определить, что элементы из оргстекла оказали положительное влияние на свойства бетона. Их введение привело к снижению плотности и повышению прочности образцов. Основные показатели в зависимости от содержания оргстекла приведены в табл. 1 и показаны на рис. 5. Таблица 1 Результаты испытаний образцов на сжатие в зависимости от содержания оргстекла Table 1 Results of compression tests of samples depending on the content of plexiglass Смесь Элементы оргстекла Плотность, г/см3 Прочность на сжатие, МПа % Количество, шт. 7 дней 28 дней 1 - - 2,74 20,6 24,2 2 2,5 4 2,48 24,4 32,9 3 3,5 4 2,46 21,8 27,3 Рис. 5. Результаты испытаний образцов на сжатие Fig. 5. Results of compression tests of samples Здесь необходимо отметить, что величина содержания прозрачных элементов на уровне 3,5 % от площади сечения введена как ограничение на количественную расстановку элементов из оргстекла. Как показали исследования, дальнейший рост содержания прозрачных элементов в образцах приводит к резкому снижению прочности и не рекомендуется на практике. К тому же такой прием почти не уменьшил плотность бетона, которая почти не зависела от изменения содержания оргстекла в образцах с 2,5 до 3,5 %. Однако, поскольку оргстекло намного легче бетона, его включение оказало положительное влияние на уменьшение объемной массы образцов. Другая ситуация зафиксирована при изгибе призм, которые находились под действием поперечной нагрузки. Для них элементы из оргстекла оказали особое влияние. Их введение привело к снижению плотности и прочности образцов. Некоторые особенности по сравнению с испытанием на сжатие отразились числовыми значениями прочности. В табл. 2 и на рис. 6 приведены основные показатели в зависимости от содержания прозрачных элементов. Таблица 2 Результаты испытания образцов на изгиб в зависимости от содержания оргстекла Table 2 Results of bending tests of samples depending on the content of plexiglass Смесь Элементы оргстекла Плотность, г/см3 Прочность на изгиб, МПа % Количество, шт. 7 дней 28 дней 1 - - 2,67 3,17 3,31 2 2,5 14 2,55 2,83 2,36 3 3,5 14 2,39 3,11 2,62 Рис. 6. Результаты испытаний образцов на изгиб Fig. 6. Results of bending tests of samples Увеличение содержания оргстекла при испытании на изгиб вызвано размерами принятых призм и рекомендуемыми расстоянием между введенными элементами. Из полученных результатов видно, что прочность на изгиб при уровне содержания оргстекла 3,5 % мало изменилась по сравнению с прочностью образца без прозрачных элементов и, к сожалению, оказалась немного ниже. Такой результат свидетельствует о том, что оргстекло, хотя и имеет высокий модуль упругости и очень хорошую сопротивляемость образованию трещин, но слабо реагирует на действие поперечной нагрузки, и при снижении уровня содержания прозрачных элементов до 2,5 % прочность на изгиб падает существенно. Естественно, на показатели качества сильно влияет степень сцепления оргстекла и бетона. Поэтому проведены дополнительные испытания и исследована прочность совместной работы двух материалов в зависимости от площади контакта между ними. Для лучшего сцепления с бетоном использованы элементы оргстекла с выступами. Как и предполагалось, результаты на сдвиговые усилия показали очень малую прочность, которая не превышала 1,2 кг/см2. Такое значение рекомендуется учитывать при проектировании особо уязвимых конструкций, а также на территориях с неспокойными погодными условиями и опасностью возникновения пожаров. В других случаях применение бетона с оргстеклом повысит светопроницаемость и снизит экологические риски при эксплуатации. По результатам испытаний выявлено, что, несмотря на введение оргстекла в состав бетонных образцов, получены достаточно предсказуемые закономерности разрушения. Причем они полностью соответствуют тем, что получены при испытаниях образцов без прозрачных элементов. Обсуждение Проведенные исследования образцов позволили определить влияние элементов из оргстекла на светопропускную способность и состояние бетона. Доступный и недорогой полимер с высоким уровнем прозрачности успешно введен в бетон в виде прямолинейных направляющих кругового профиля. Практическая польза от исследований очевидна, поскольку предложен новый способ прохода света под разными углами с учетом требований архитектуры и определено влияние оргстекла на свойства бетонных образцов. Зависимость освещенности от объемного влияния прозрачных элементов отразила фактор воздействия света на пропускную способность бетона. Рост содержания оргстекла позволил получить плавно возрастающую закономерность с ломанным и ярко выраженным линейным характером. Основные изменения в пропускании света зафиксированы на уровне 3 и 6 % при испытании призм и на уровне 3 и 5 % при испытании кубиков. Разброс в показаниях призм и кубиков вызван различным содержанием элементов оргстекла в объеме образцов и по площади их сечения. При разнице диаметра в 2 мм интервал пропускной способности призм составил 26, кубиков 30 %. Естественно, с увеличением габаритов эффект светового отражения будет только возрастать. Включение в состав бетона прозрачных элементов существенно изменило общее состояние и физико-механические свойства образцов. Испытание на сжатие показало снижение плотности бетона до 10 и увеличение его прочности до 36 %. Приведенные показатели изменения свойств определены с учетом времени набора прочности бетона 28 сут при содержании прозрачных элементов на уровне 3,5 % от площади сечения. Другая ситуация с некоторыми особенностями зафиксирована и при изгибе призм. Испытания бетона под действием поперечной нагрузки показало уменьшение плотности до 10,5 и прочности до 21 %. После истечения 7 сут выявлено снижение прочности бетона на 2 %. Полученные показатели соответствовали содержанию оргстекла на уровне 3,5 %. Сопротивляемость прозрачных элементов сдвиговым усилиям составила 1,1 кг/см2 при испытании призм и 1,2 кг/см2 при испытании кубиков. Полученные результаты соответствовали времени набора прочности бетона 28 сут при содержании прозрачных элементов на уровне 3,5 %. Таким образом, испытания позволили выявить и проанализировать основные свойства бетона с оргстеклом и характерные закономерности его работы. Выводы В результате проведенных исследований бетонных образцов кубиков и призм с элементами из оргстекла определены основные свойства для применения в строительстве. Разработаны теоретические положения и предложен способ прохода света под разными углами и с учетом требований архитектуры. В зависимости от содержания в образцах прозрачных элементов установлено влияние на пропускную способность бетона. Показаны уровни, при которых проходят основные изменения в пропускании света. Благодаря включению в состав бетона оргстекла получены закономерности изменения свойств образцов с учетом времени набора прочности бетона и уровня процентного содержания прозрачных элементов. Исследование бетона с оргстеклом позволяет получить требуемые параметры по проходимости света, плотности и прочности. Ожидается, что производство материала с повышенными эксплуатационными свойствами и наименьшей стоимостью станет серьезной альтернативой существующей технологии получения бетона. В сочетании со сниженной пористостью, уменьшенной водонепроницаемостью и дешевым прозрачным материалом такой бетон сможет успешно использоваться в конструкциях легких дорожных покрытий.

About the authors

A. I Siyanov

Perm National Research Polytechnic University

D. K Yaroshevich

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 214

PDF (Russian) - 197

Refbacks

• There are currently no refbacks.