Smart composite in construction Smart composite in construction Умные композиты в строительстве 2782-1919 81946 10.52957/2782-1919-2024-4-2-43-54 Строительные материалы и изделия Construction materials and products Строительные материалы и изделия Fracture toughness of fine-grained concretes modified with mineral additives based on thermally activated clay and carbonate rocks Вязкость разрушения мелкозернистых бетонов, модифицированных минеральными добавками на основе термоактивированных глинистых и карбонатных пород Низина Татьяна Анатольевна Nizina Tatyana Anatolevna nizinata@yandex.ru

доктор технических наук;

doctor of technical sciences;

 Володин Владимир Владимирович Volodin Vladimir Vladimirovich volodinvv1994@gmail.com

кандидат технических наук;

candidate of technical sciences;

 Макридин Николай Иванович Makridin Nikolay Ivanovich Тараканов Олег Вячеславович Tarakanov Oleg Vyacheslavovich Национальный исследовательский Мордовский государственный университет имени Н.П.Огарева Ogarev Mordovia State University Пензенский государственный университет архитектуры и строительства Penza State University of Architecture and Construction 23 06 2023 23 06 2023 4 2 43 54 27 04 2023 19 06 2023 https://chemintech.ru/en/nauka/article/81946/view

Доступным способом повышения технологических и физико-механических свойств цементных бетонов является применение модифицирующих добавок. Однако высокая стоимость и территориальная ограниченность производства наиболее эффективных модификаторов (микрокремнезем, метакаолин) не позволяет в полном объеме удовлетворять возрастающий спрос на них. Разработка минеральных добавок на основе сырья из близкорасположенных доступных источников помогает решить проблему дефицита модифицирующих добавок и снизить объемы потребления портландцемента. Представлены результаты определения вязкости разрушения (трещиностойкости) мелкозернистых бетонов из самоуплотняющихся смесей, модифицированных термоактивированной глиной (Никитское месторождение, г. Саранск, Республика Мордовия) и термоактивированной смесью глины и известняка (с. Атемар, Республика Мордовия). Трещиностойкость мелкозернистых бетонов оценивали при равновесных испытаниях на изгиб образцов I типа. Установлено повышение на 9-38% энергетических характеристик вязкости разрушения модифицированных мелкозернистых бетонов при увеличении расхода вяжущего за счет введения в состав исследуемых минеральных добавок

The use of modifying additives in cement concrete compositions is the most affordable way to improve their technological, physical, and mechanical properties. However, the high cost and territorial limitation of the most effective modifiers (microsilica, metakaolin) production do not meet the growing customer’s demand. The development of mineral additives based on local raw materials will bridge deficit the most common additives, as well as reduce the consumption of Portland cement. The paper presents the results of determining the fracture toughness (crack growth resistance) of fine-grained concretes obtained from self-compacting concrete mixtures modified with thermally activated clay (Nikitskoye deposit, Saransk, Republic of Mordovia) and thermally activated mixture of clay and limestone (Atemar village, Republic of Mordovia). The paper contains the assessment of crack resistance of fine-grained concretes conducted in accordance with GOST 29167-2021 during equilibrium bending tests of type I samples. The paper found a 9 38% increase in fracture toughness of modified fine-grained concretes with increasing binder consumption due to the introduction of mineral additives in the composition under study

 мелкозернистый бетон самоуплотняющиеся смеси трещиностойкость минеральные добавки термоактивированная глина известняк поликарбоксилатный пластификатор crack resistance fine-grained concrete self-compacting mixtures mineral additives thermoactivated clay limestone polycarboxylate plasticizer fine sands

Баженов Ю.М., Чернышов Е.М., Коротких Д.Н. Конструирование структур современных бетонов: определяющие принципы и технологические платформы // Строительные материалы. 2014. № 3. С. 6 14. Bazhenov, Y.M., Chernyshov, E.M. & Korotkikh, D.N. (2014) Structural design of modern concrete: defining principles and technological platforms, Stroitel'nye materialy, (3), pp. 6-14 (in Russian). Каприелов С.С., Батраков В.Г., Шейнфельд А.В. Модифицированные бетоны нового поколения: реальность и перспектива // Бетон и железобетон. 1999. № 6. С. 6-10. Kaprielov, S.S., Batrakov, V.G. & Sheinfeld, A.V. (1999) Modified concrete of a new generation: reality and perspective // Beton i zhelezobeton, (6), pp. 6-10 (in Russian). Давидюк А.Н. Бетон в строительстве – Новые вызовы и перспективы // Вестник НИЦ. Строительство. 2017. № 12. С. 5-13. Davidyuk, A.N. (2017) Concrete in construction - new challenges and prospects, Vestnik NIC. Stroitel'stvo, (12), pp. 5-13 (in Russian). Kalashnikov V.I., Tarakanov O.V., Kusnetsov Y.S, Volodin V.M., Belyakova E.A. Next generation concrete on the basis of fine-grained dry powder mixes // Magazine of Civil Engineering. 2012. № 8(34). Р. 47-53. Kalashnikov, V.I., Tarakanov, O.V., Kusnetsov, Y.S, Volodin, V.M. & Belyakova, E.A. (2012) Next generation concrete on the basis of fine-grained dry powder mixes, Magazine of Civil Engineering, 8(34), pp. 47-53. Tarakanov O.V., Belyakova E.A., Yurova V.S. On the issue of expanding the base of mineral and complex additives for cement concrete // E3S Web of Conferences: Innovative Technologies in Environmental Science and Education, ITESE 2019. 2019. Vol. 135. Р. 01018. Tarakanov, O.V., Belyakova, E.A. & Yurova, V.S. (2019) On the issue of expanding the base of mineral and complex additives for cement concrete, E3S Web of Conferences: Innovative Technologies in Environmental Science and Education, ITESE 2019, (135), pp. 01018. Tarakanov O.V., Belyakova E.A., Yurova V.S. Complex organomineral additives with hardening accelerator // Solid State Phenomena. 2018. Vol. 284. Р. 929-935. Tarakanov, O.V., Belyakova, E.A. & Yurova, V.S. (2018) Complex organomineral additives with hardening accelerator, Solid State Phenomena, (284), pp. 929-935. Nizina T.A., Balykov A.S., Korovkin D.I., Volodin V.V. Physical and mechanical properties of modified fine-grained fibre-reinforced concretes containing carbon nanostructures // International Journal of Nanotechnology. 2019. Vol. 16, № 6-10. Р. 496-509. Nizina, T.A., Balykov, A.S., Korovkin, D.I. & Volodin, V.V. (2019) Physical and mechanical properties of modified fine-grained fibre-reinforced concretes containing carbon nanostructures, International Journal of Nanotechnology, 16(6-10), pp. 496-509. Nizina T.A., Balykov A.S., Volodin V.V., Korovkin D.I. Fiber fine-grained concretes with polyfunctional modifying additives // Magazine of Civil Engineering. 2017. № 4(72). Р. 73-83. Nizina, T.A., Balykov, A.S., Volodin, V.V. & Korovkin D.I. (2017) Fiber fine-grained concretes with polyfunctional modifying additives, Magazine of Civil Engineering, 4(72), pp. 73-83. Schulze S.E., Pierkes R., Rickert J. Optimization of cements with calcined clays as supplementary cementitious materials // Proceedings of a XIV International Congress on the Chemistry of cement. Beijing, China, 2015. 693 p. Schulze, S.E., Pierkes, R. & Rickert, J. (2015) Optimization of cements with calcined clays as supplementary cementitious materials, Proc. XIV International Congress on the Chemistry of cement. Beijing, China. Castello L.R., Hernandes H.J.F., Scrivener K.L., Antonic M. Evolution of calcined clays soils as supplementary cementitious materials // Proceedings of a XII International Congress of the chemistry of cement. Instituto de Ciencias de la Construction «Eduardo torroja». Madrid. 2011. Р. 117. Castello, L.R., Hernandes, H.J.F., Scrivener, K.L. & Antonic, M. (2011) Evolution of calcined clays soils as supplementary cementitious materials, Proceedings of a XII International Congress of the chemistry of cement. Instituto de Ciencias de la Construction «Eduardo torroja». Madrid, pp. 117. Fernandez R., Martizena F., Scrivener K.L. The origin of the pozzolanic activity of calcined clay minerals: A comparison between kaolinite, illite and montmorrilonite // Cement and Concrete Research. 2011. № 41. Р. 113 122. Fernandez, R., Martizena, F. & Scrivener, K.L. (2011) The origin of the pozzolanic activity of calcined clay minerals: A comparison between kaolinite, illite and montmorrilonite, Cement and Concrete Research, (41), pp. 113-122 (in Russian). Rakhimov R.Z., Kamalova Z.A., Yermilova E.Y. Blended Portland Cement Based on Thermally Activated Clays and Carbonate Additives // Inorganic Materials: Applied Research. 2018. Vol. 9, № 4. Р. 578-583. Rakhimov, R.Z., Kamalova, Z.A. & Yermilova, E.Y. (2018) Blended Portland Cement Based on Thermally Activated Clays and Carbonate Additives, Inorganic Materials: Applied Research, 9(4), pp. 578-583. Рахимов Р.З., Рахимова Н.Р., Гайфуллин А.Р. Влияние добавок в портландцемент прокаленной и молотой глины с содержанием 40% каолинита на прочность цементного камня // Academia. Архитектура и строительство. 2015. № 2. С. 131-133. Rakhimov, R.Z., Rakhimova, N.R. & Gaifullin, A.R. (2015) Influence of additives in Portland cement of calcined and ground clay containing 40% kaolinite on the strength of cement stone, Academia. Arhitektura i stroitel'stvo, (2), pp. 131-133 (in Russian). Гайфулин А.Р., Рахимов Р.З., Рахимова Н.Р. Влияние добавок глинитов в портландцемент на прочность при сжатии цементного камня // Инженерно-строительный журнал. 2015. № 7(59). С. 66-73. Gaifulin, A.R., Rakhimov, R.Z. & Rakhimova, N.R. (2015) Influence of clay additives in Portland cement on the compressive strength of cement stone, Inzhenerno-stroitel'nyj zhurnal, 7(59), pp. 66-73 (in Russian). Balykov A.S., Nizina T.A., Volodin V.V., Kyashkin V.M. Effects of calcination temperature and time on the physical-chemical efficiency of thermally activated clays in cement systems // Materials Science Forum. 2021. Vol. 1017. Р. 61-70. Balykov, A.S., Nizina, T.A., Volodin, V.V. & Kyashkin, V.M. (2021) Effects of calcination temperature and time on the physical-chemical efficiency of thermally activated clays in cement systems, Materials Science Forum, (1017), pp. 61-70. Nizina T.А., Balykov A.S., Volodin V.V., Kyashkin V.M. Structure and properties of cement systems with additives of calcined clay and carbonate rocks // Magazine of Civil Engineering. 2022. 8(116). P. 11602. Nizina, T.A., Balykov, A.S., Volodin, V.V. & Kyashkin, V.M. (2022) Structure and properties of cement systems with additives of calcined clay and carbonate rocks, Magazine of Civil Engineering, 8(116), pp. 11602. Низина Т.А., Володин В.В., Балыков А.С., Коровкин Д.И. Оценка кинетики твердения цементного камня, модифицированного добавками термоактивированной глины и карбонатных пород // Региональная архитектура и строительство. 2021. № 1(46). С. 86-94. Nizina, T.A., Volodin, V.V., Balykov, A.S. & Korovkin, D.I. (2021) Evaluation of the kinetics of hardening of cement stone modified with additives of thermally activated clay and carbonate rocks, Regional'naya arhitektura i stroitel'stvo, 1(46), pp. 86-94 (in Russian). Володин В.В., Низина Т.А. Самоуплотняющиеся мелкозернистые бетоны с минеральными добавками на основе глинистых и карбонатных пород // Эксперт: теория и практика. 2023. № 1(20). С. 63-68. Volodin, V.V. & Nizina, T.A. (2023) Self-compacting fine-grained concretes with mineral additives based on clay and carbonate rocks, Ekspert: teoriya i praktika, 1(20), pp. 63-68 (in Russian). Травуш В.И., Карпенко Н.И., Ерофеев В.Т., Ерофеева И.В., Тараканов О.В., Кондращенко В.И., Кесарийский А.Г. Исследование трещиностойкости бетонов нового поколения // Строительные материалы. 2019. № 10. С. 3–11. Travush, V.I., Karpenko, N.I., Erofeev, V.T., Erofeeva, I.V., Tarakanov, O.V., Kondrashchenko, V.I. & Kesariyskiy, A.G. (2019) Investigation of the crack resistance of new generation concrete, Stroitel'nye materialy, (10), pp. 3-11 (in Russian). Коротких Д.Н. Трещиностойкость современных цементных бетонов (проблемы материаловедения и технологии): монография. Воронеж: Воронежский ГАСУ, 2014. 141 с. Korotkikh, D.N. (2014) Crack resistance of modern cement concretes (problems of materials science and technology). Voronezh: Voronezh GASU (in Russian). Макридин Н.И., Максимова И.Н. Структура и механические свойства цементных дисперсных систем: монография. Пенза: ПГУАС, 2013. 340 с. Makridin, N.I. & Maksimova, I.N. (2013) Structure and mechanical properties of cement dispersed systems. Penza: PGUAS (in Russian). Максимова И.Н., Макридин Н.И., Ерофеев В.Т., Скачков Ю.П. Прочность и параметры разрушения цементных композитов. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2015. 360 с. Maksimova, I.N., Makridin, N.I., Erofeev, V.T. & Skachkov, Yu.P. (2015) Strength and fracture parameters of cement composites. Saransk: Izd-vo. Mordov. un-ta (in Russian). Макридин Н.И., Королев Е.В., Максимова И.Н. Структурообразование и конструкционная прочность цементных композитов. М.: Изд-во МИСИ–МГСУ, 2017. 153 с. URL: https://prior.studentlibrary.ru/book/ISBN9785726416847.html (дата обращения: 05.05.2023) Makridin, N.I., Korolev, E.V. & Maksimova, I.N. (2017) Structure formation and structural strength of cement composites. M.: Izd-vo MISI–MGSU. URL: https://prior.studentlibrary.ru/book/ISBN9785726416847.html (in Russian). Коротких Д.Н. Закономерности разрушения структуры высокопрочных цементных бетонов на основе анализа полных равновесных диаграмм их деформирования. Ч. 1 // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2012. 26(45). С. 56-67. Korotkikh, D.N. (2012) Patterns of destruction of the structure of high-strength cement concretes based on the analysis of complete equilibrium diagrams of their deformation, Vestnik Volgogradskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Seriya: Stroitel'stvo i arhitektura, 26(45), pp. 56-67 (in Russian). Леонович С.Н., Литвиновский Д.А., Чернякевич О.Ю. Прочность, трещиностойкость и долговечность конструкционного бетона при температурных и коррозионных воздействиях. Минск: БНТУ, 2016. 393 с. Leonovich, S.N., Litvinovsky, D.A. & Chernyakevich, O.Y. (2016) Strength, crack resistance and durability of structural concrete under temperature and corrosion effects. Minsk: BNTU (in Russian). Griffith A.A. The phenomena of rupture and flow in solids // Phil. Trans. Roy. Sac. of London. A221. 1921. Р. 163-197. Griffith, A.A. (1921) The phenomena of rupture and flow in solids, Phil. Trans. Roy. Sac. of London, A221, pp. 163-197. Irwin G.R. Fracture: Handbuch der Physik // Berlin: Springer verlag. 1958. 551 p. Irwin, G.R. (1958) Fracture: Handbuch der Physik, Berlin: Springer verlag, pp. 551. Orawan E. Energy sriteria of fracture // Wel. Res. Suppl. 1955. Р. 157-172. Orawan, E. (1955) Energy sriteria of fracture, Wel. Res. Suppl, pp. 157-172.