CC BY
13УДК 691.327:539.4
Н.И. МАКРИДИН, д-р техн. наук,
И.Н. МАКСИМОВА, канд. техн. наук (maksimovain@mail.ru),
Ю.В. ОВСЮКОВА, инженер, Пензенский государственный университет
архитектуры и строительства
Долговременная прочность модифицированной структуры цементного камня
Часть 2
В первой части работы [1] на основе экспериментальных данных была рассмотрена проблема нарастания долговременной прочности гидратационной структуры цементного камня, модифицированной суперпластификатором С-3. Модифицирование цементно-водной пасты с В/Ц отношением в диапазоне 0,18—0,27 осуществляли как процедурой введения, так и концентрацией СП, что соответствует современной концепции получения бетонов нового поколения повышенной прочности [2, 3].
Однако распространенная в настоящее время оценка качества бетонов, в том числе надежности, традиционными механическими характеристиками, является малоэффективной, так как эти параметры при диагностике конструкционных материалов не учитывают изменения прочностных и деформационных свойств бетонов под влиянием временных процессов микротре-щинообразования при нагружении [4].
Специфика этой проблемы заключается в том, что привычные представления о влиянии параметров структуры на обычные прочностные характеристики применительно к трещиностойкости оказываются в ряде случаев неверными. Так, в [5] показано, что величина критического коэффициента интенсивности напряжений для камня из цементов различной активности возрастает намного слабее, чем прочность при сжатии. Проблема трещиностойкости приобретает особую остроту в связи с интенсивной разработкой и внедрением в строительную практику бетона высокой и особо высокой прочности [6], для которого оценка действительных предельных состояний имеет научную и практическую значимость.
Современное развитие механики разрушения позволило установить научные принципы оценки материалов и методов испытания и предложить в совокупности силовые, деформационные, энергетические и акустические критерии трещиностойкости, определяющие действительные предельные состояния их структуры по прочности и деформативности и тем самым позволяющие прогнозировать работоспособность материала под нагрузкой.
Как известно, при деформировании и разрушении различные материалы излучают упругие колебания в широком диапазоне частот и амплитуд. Совместное изучение характера изменения излучения и параметров акустической эмиссии при оценке механических критериев разрушения на опытных образцах по ГОСТ 29167—91 может не только дать ценные сведения о закономерностях деформирования и разрушения конструкционного материала в реальном масштабе времени, но и прогнозировать его дальнейшую работоспособность [7].
Во второй части данной работы представлены результаты экспериментальной оценки механических
критериев разрушения и закономерностей изменения параметров акустической эмиссии от интенсивности нагружения при неравновесных механических испытаниях на трехточечный изгиб опытных образцов типа I с начальным надрезом глубиной 13 мм, полученным при формовании образцов путем закладывания стальной пластины по ГОСТ 29167—91. После испытания образцов-призм размером 4x4x16 см на изгиб полученные две половинки образца соответственно испытывали на прочность при осевом сжатии. Таким образом, как механические, так и акустические критерии трещиностойкости сравниваемых серий образцов в каждый контрольный срок испытания оценивали по трем образцам, а прочность при осевом сжатии соответственно по шести. Одновременная оценка механических и акустических критериев трещиностойкости, а также прочности при осевом сжатии на одних и тех же образцах в возрастном диапазоне 28 сут — 18 лет, естественно, повышает достоверность получаемых результатов. Здесь уместно отметить, что коэффициент изменчивости прочности цементного камня при осевом сжатии в возрасте 28 сут и 18 лет для сравниваемых шести серий образцов, изготовленных при В/Ц, равном 0,24, соответственно составлял для серий: 1 — 0,05 и 0,105; 2 — 0,037 и 0,04; 3 - 0,061 и 0,039; 4 - 0,055 и 0,08; 5 - 0,031 и 0,065; 6 — 0,04 и 0,094. Полученные значения коэффициента изменчивости свойства свидетельствуют о достаточно высоком уровне однородности структуры и положительном влиянии С-3 на однородность прочности модифицированной структуры цементного камня рассматриваемых серий образцов. Это подтверждается как численными значениями коэффициентов изменчивости, так и кинетикой его изменения в рассматриваемом диапазоне времени, несмотря на то что коэффициенты уплотнения цементного теста образцов серий 3—6 были незначительно, на 0,5—1,7% ниже, чем у контрольного состава, что следует из данных табл. 2 первой части работы [1].
В таблице представлены результаты оценки механических и акустических критериев разрушения опытных образцов цементного камня в возрасте 28 сут - 18 лет с указанием численных значений коэффициента изменения контролируемых параметров в названном интервале времени.
Силовую характеристику трещиностойкости для образцов типа I при трехточечном изгибе ЛРИ вычисляли по формуле:
3 Р*Ь
где РС — максимальная (разрушающая) нагрузка, Н; L — расстояние между опорами, м; ? и Ь — соответственно ширина и высота сечения, м; X = а/Ь — относительная
Параметры качества цементного камня Показатели качества сравниваемых серий образцов в возрасте
28 сут 420 сут 4,5 года 9,5 лет 18 лет
Серия 1
Ясж, МПа 76,7 / 1 87,5 / 1,14 96,9 / 1,26 100,3 / 1,31 90 / 1,17
ЯРИ, МПа 5,19 / 1 6,38 / 1,23 6,97 / 1,34 6,77 / 1,3 5,35 / 1,03
КТР 0,068 / 1 0,073 / 1,07 0,072 / 1,06 0,067 / 0,98 0,059 / 0,85
КС\ МПа^м0,5 0,51 / 1 0,626 / 1,23 0,7 / 1,37 0,661 / 1,3 0,525 / 1,03
Gc, Дж/м2 - 85,6 - - 115,6
ЭАЭ, В2юм-2 0,17 / 1 0,21 / 1,23 0,427 / 2,5 0,607 / 3,57 0,79 / 4,65
Серия 2
Ясж, МПа 68,2 / 1 74,5 / 1,1 70,6 / 1,04 84,2 / 1,23 81,8 / 1,2
ЯРИ, МПа 3,88 / 1 6,69 / 1,72 6,37 / 1,63 7,35 / 1,89 6,53 / 1,68
КТР 0,057 / 1 0,09 / 1,58 0,09 / 1,58 0,087 / 1,53 0,08 / 1,4
КС\ МПа^м0,5 0,381 / 1 0,656 / 1,72 0,626 / 1,64 0,697 / 1,83 0,641 / 1,68
Gc, Дж/м2 - 75,3 - - 122,7
ЭАЭ, В2юм-2 0,108 / 1 0,27 / 2,5 0,308 / 2,85 0,333 / 3,08 0,39 / 3,61
Серия 3
Ясж, МПа 94,1 / 1 103,2 / 1,1 96,1 / 1,02 94,3 / 1 104,7 /1,11
ЯРИ, МПа 3,98 / 1 6,9 / 1,73 6,71 / 1,68 6,55 / 1,64 6,18 / 1,55
КТР 0,042 / 1 0,067 / 1,6 0,07 / 1,67 0,069 / 1,64 0,059 / 1,4
КС\ МПа^м0,5 0,392 / 1 0,677 / 1,73 0,658 / 1,68 0,643 / 1,64 0,606 / 1,55
Gc, Дж/м2 - 94,2 - - 159,6
ЭАЭ, В2-см-2 0,102 / 1 0,136 / 1,33 0,267 / 2,62 0,355 / 3,48 0,47 / 4,6
Серия 4
Ясж, МПа 100,4 / 1 108 / 1,08 101,8 / 1,01 95 / 0,95 119,5 / 1,19
ЯРИ, МПа 4 / 1 7,46 / 1,86 7,2 / 1,8 6,98 / 1,74 7 / 1,75
КТР 0,04 / 1 0,069 / 1,72 0,071 / 1,77 0,073 / 1,82 0,059 / 1,46
КС*, МПа^м0,5 0,393 / 1 0,732 / 1,86 0,706 / 1,79 0,702 / 1,78 0,697 / 1,77
Gc, Дж/м2 - 90,6 - - 156,9
ЭАЭ, В2юм-2 0,117 / 1 0,255 / 2,18 0,416 / 3,55 0,634 / 5,42 1,006 / 8,6
Серия 5
Ясж, МПа 93,2 / 1 96,5 / 1,04 97,2 / 1,04 109,3 / 1,17 110,6 / 1,19
ЯРИ, МПа 5,19 / 1 6,07 / 1,17 6 ,05 / 1,16 6,24 / 1,2 6,56 / 1,26
КТР 0,056 / 1 0,063 / 1,12 0,062 / 1,11 0,057 / 1,02 0,059 / 1,06
КС*, МПа^м0,5 0,51 / 1 0,6 / 1,18 0,594 / 1,17 0,612 / 1,2 0,644 / 1,26
GС, Дж/м2 - 70,5 - - 157,2
ЭАЭ, В2юм-2 0,171 / 1 0,188 / 1,1 0,27 / 1,58 0,372 / 2,17 0,47 / 2,75
Серия 6
Ясж, МПа 93,9 / 1 99,2 / 1,06 93,6 / 1 113,6 / 1,21 94 / 1
ЯРИ, МПа 4,88 / 1 6,56 / 1,34 6,36 / 1,3 6,32 / 1,29 6,32 / 1,3
КТР 0,052 / 1 0,066 / 1,27 0,068 / 1,31 0,056 / 1,08 0,067 / 1,29
КС*, МПа-м0,5 0,479 / 1 0,644 / 1,34 0,624 / 1,3 0,636 / 1,33 0,621 / 1,3
GС, Дж/м2 - 92,7 - - 122,3
ЭАЭ, В2юм-2 0,121 / 1 0,162 / 1,34 0,252 / 2,08 0,359 / 2,97 0,431 / 3,56
Примечание. Перед чертой - численные значения свойств; после черты - коэффициент нарастания свойства относительно 28-суточного возраста.
Ы ®
научно-технический и производственный журнал
июль 2011
73
длина надреза. Коэффициент трещиностойкости КТР = RРИ/Rсж, где Rсж — прочность при сжатии. Условный критический коэффициент интенсивности напряжений КС*, МПа-м0'5, вычисляли по зависимости (9) ГОСТ 29167—91. Энергетические характеристики трещиностойкости GС, Дж/м2, определяли по формуле GС = Ас/¥, где Ас — полная работа разрушения, Дж; ¥ — площадь разрушения, м2. В свою очередь, Ас = РС*'/, где f — прогиб образца, м. Энергию акустической эмиссии ЭАэ как критерий трещиностойкости образцов, В2хм-2, определяли по [7] путем отношения зафиксированной акустико-эмиссионным устройством ЭАЭ, В2, при на-гружении образца до разрушения к поверхности его разрушения, см2.
Анализ характера влияния концентрации и процедуры введения С-3 [1] на закономерности изменения коэффициентов нарастания контролируемых критериев трещиностойкости во времени относительно 28-су-точного возраста достаточно наглядно свидетельствует, что изменение параметров критериев трещиностойкости во времени носит также волнообразный характер, как и изменение прочности при осевом сжатии [1]. Модифицированные структуры образцов цементного камня серий 2—6 относительно контрольного состава серии 1 имеют заметно лучшие показатели не только коэффициентов нарастания сравниваемых критериев качества, но и абсолютных значений критериев по тре-щиностойкости вплоть до 18-летнего возраста. По оптимальным показателям качества следует отметить цементный камень образцов серии 4, изготовленных при расходе С-3 в количестве 0,5% массы цемента, который вводили в цементную пасту со второй половиной воды затворения после предварительного пятиминутного перетирания цементной пасты [1]. Однако в возрасте 28 сут численные значения критериев RРИ, КТР и КС* цементного камня с С-3, т. е. образцы серий 2—6, показали более низкие значения относительно контрольного состава, особенно на образцах серий 2—4 с расходом СП С-3 в количестве 1 и 0,5% массы цемента. Вместе с тем прочность при осевом сжатии образцов этих серий, за исключением образцов серии 2, на 20—30% превышала прочность образцов контрольного состава в этом возрасте. Полученные данные по формированию начальной, длительной прочности и критериев трещиностойкости позволяют заключить, что в основе синтеза этих механических свойств лежат разные механизмы, протекание которых во времени может в определенной мере контролироваться химико-технологическим воздействием на элементарные процессы адсорбции, растворения, гидратации и структурообразования в самом начале приготовления цементной дисперсной системы. Иначе, на начальном этапе смешивания ничто не должно мешать взаимодействию минералов цемента с водой, и это должно являться основополагающим технологическим принципом модифицирования гидратационной структуры цементной дисперсной системы современными суперпластификаторами [8]. Из анализа численных значений коэффициента нарастания энергии акустической эмиссии ЭАЭ следует, что на всех составах с увеличением возраста цементного камня она возрастает, что находится в полном соответствии с положением [9] о том, что упрочнение структуры во времени резуль-тируется как переход части адгезионных контактов электромагнитной и электростатической природы в кристаллизационные связи валентной природы, разрушение которых, естественно, характеризуется высвобождением большей упругой энергии, генерируемой в акустические сигналы.
На рисунке представлены экспериментальные результаты оценки коэффициентов качества — критериев
1,4
1,45
28
2,62
3,22
3,54
420
1640
3,82 |д т
3470 6570 т, сут
Рис. 1. Зависимости коэффициентов качества критериев долговременной трещиностойкости модифицированных структур цементного камня серий 2-6 относительно контрольного состава серии 1 от логарифма возраста образца: а - ЭАЭ; б - КС'; в - КТР; г - ЯРИ; д -Ясж
4
4
2
4
2
долговременной трещиностойкости модифицированных гидратационных структур цементного камня серий 2—6 относительно контрольного немодифициро-ванного состава серии 1 от логарифма возраста. Цифры у графических зависимостей (рисунок) соответствуют рассматриваемым сериям образцов.
Анализ расположения относительных численных значений механических критериев трещиностойкости КС*, ЛРИ и КТР модифицированных и немодифициро-ванных структур цементного камня, приведенных на графических зависимостях рисунка, позволяют сформулировать ряд выводов о влиянии процедурного и концентрационного факторов при приготовлении цементной пасты на формирование критериев КС*, ЛРИ и Крр во временном интервале 28 сут — 18 лет.
Следует отметить, что в возрасте 28 сут после тепло-влажностной обработки (ТВО) названные критерии трещиностойкости модифицированных структур оказались заметно ниже контрольного состава серии 1, что находится в полном согласии со сформулированным выше основополагающим технологическим принципом модифицирования цементной пасты.
В интервале 28—420 сут отмечено достаточно интенсивное нарастание критериев КС* и ЛРИ с заметным их превышением относительно контрольного состава, за исключением образцов серии 5. Вместе с тем критерий Крр показал, за исключением образцов серии 2, более низкие значения относительно контрольного состава, что находится в полном соответствии с характером нарастания критерия Ясж.
В интервале 420 сут — 4,5 года было зафиксировано симбатное уменьшение численных значений критериев КС*, ЛРИ и прочности при сжатии Д.ж, а критерий КТР в этот период времени показал тенденцию небольшого роста. В возрасте 4,5 года практически все образцы цементного камня с модифицированной структурой показали численные значения коэффициентов качества КС* и ЛРИ меньше, чем у контрольного состава, т. е. меньше единицы. Однако в дальнейшем с увеличением возраста цементного камня с добавкой суперпластификатора до 9,5—18 лет отмечается четкая тенденция улучшения критериев трещиностойкости КС* и ЛРИ на 15—32% относительно контрольного состава серии 1. Причем, как следует из графических зависимостей рисунка, более интенсивный рост критериев КС* и ЛРИ наблюдали в возрастном диапазоне от 9,5 до 18 лет. Следует также отметить, что характер изменения коэффициентов критерия по прочности при сжатии Д.ж относительно контрольного состава серии 1 имеет более сложную зависимость, как это видно на рисунке.
Таким образом, проведенные исследования показали, что нарастание как долговременной прочности при осевом сжатии, так и механических критериев трещиностойкости модифицированных и немодифициро-ванных структур цементного камня в рассматриваемом диапазоне времени имеет волнообразный (колебательный) характер, параметры которого можно в определенной мере регулировать процедурой введения и концентрацией пластифицирующей добавки. Условия, при которых начинаются элементарные процессы гидратации на начальном этапе, оказывают наибольшее влияние на структуру, что имеет большое практическое значение при проектировании конструкционной прочности цементных дисперсных систем нового поколения.
Ключевые слова: суперпластификатор, цементный камень, структура, механические и акустические критерии трещиностойкости, возраст цементного камня.
6.
8.
9.
Список литературы
Макридин Н.И., Максимова И.Н., Овсюкова Ю.В. Долговременная прочность модифицированной структуры цементного камня. Часть 1 // Строительные материалы. 2010. № 10. С. 74—77. Ушеров-Маршак А.В. Товарный бетон — тема бетоно-ведения и проблема технологии бетона // Строительные материалы. 2008. № 3. С. 5—8. Калашников В.И. Перспективы использования реакционно-порошковых сухих бетонных смесей в строительстве // Строительные материалы. 2009. № 7. С. 59—61.
Гузеев Е.А., Леонович С.Н., Милованов А.Ф. и др. Разрушение бетона и его долговечность. Минск: Тыдзень, 1997. 170 с.
Панасюк В.В., Бережницкий Л.Т., Чубриков В.М. Оценка трещиностойкости цементного бетона по вязкости разрушения // Бетон и железобетон. 1981. № 2. С. 19—20.
Баженов Ю.М., Демьянова В.С., Калашников В.И. Модифицированные высококачественные бетоны. М.: АСВ, 2006. 368 с.
Макридин Н.И., Королев Е.В., Максимова И.Н. Метод акустической эмиссии в строительном материаловедении // Строительные материалы. 2007. № 3. / Наука. № 9. С. 25—27.
Макридин Н.И., Максимова И.Н., Прошин А.П., Соколова Ю.А., Соломатов В.И. Структура, деформа-тивность, прочность и критерии разрушения цементных композитов. Саратов: Изд-во Саратовского университета, 2001. 280 с.
СычевМ.М. Твердение вяжущих веществ . Л., 1974. 80 с.
Г; научно-технический и производственный журнал
^ ® июль 2011 75
