CC BY
22
УДК 693.5.666.972
А. А. ЧУБ (Запорожская государственная инженерная академия)
ИССЛЕДОВАНИЕ МОРОЗОСТОЙКОСТИ, ПРОЧНОСТНЫХ И ДЕФОРМАТИВНЫХ СВОЙСТВ БЕТОНА ОТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ
У статл представлен результати дослщжень морозостшкосп, мщшсних i деформативних властивостей бетону вiд технолопчних характеристик бетонних сумiшей, що викликано необхщнютю правильного при-йняття технолопчних i органiзацiйних рiшень при будiвництвi об'eктiв залiзничного транспорту.
Ключовi слова: морозостшюсть, бетон, бетонна сумiш, будiвництво
В статье представлены результаты исследований морозостойкости, прочностных и деформативных свойств бетона от технологических характеристик бетонных смесей, что вызвано необходимостью правильного принятия технологических и организационных решений при строительстве объектов железнодорожного транспорта.
Ключевые слова: морозоустойчивость, бетон, бетонная смесь, строительство
The article presented the results of studies of frost resistance, strength and deformation properties of concrete on the technological characteristics of concrete mixtures, which was required for proper consideration of technological and organizational solutions in the construction of railway facilities.
Keywords: frost-resistance, concrete, concrete mixtures, building
Постановка проблемы
Как показывает эксплуатационная практика железобетонных объектов железнодорожного транспорта, с требованиями к бетону по морозостойкости, они разрушаются. Затраты на текущие и капитальные ремонты за эксплуатационный период существенно увеличивают их стоимость. Причем, эксплуатационная продолжительность работы конструкций является функцией интенсивности воздействия на них переменных кратковременных и динамических нагрузок (конструкции мостов, шпалы и др.) [1].
Анализ последних исследований и публикаций, посвященных изучению долговечности железобетонных сооружений показывает, что они не охватывают вопросов, связанных с мик-ротрещинообразованием в структуре бетона конструкций и сооружений в процессе воздействия на них переменных динамических нагрузок, от которых существенно зависит морозостойкость бетона [2-7].
Целью настоящей статьи является исследование морозостойкости, прочностных и де-формативных свойств бетона от технологических характеристик бетонных смесей. Это вызвано необходимостью правильного принятия технологических и организационных решений при строительстве объектов железнодорожного транспорта, а также правильного выбора исходных материалов, состава и технологических
свойств бетонных смесей, от литых до особо жестких.
Изложение основного материала
Исследования проводились по методике, описанной в [1] на бетонных смесях и бетонах, приготовленных в диапазоне расхода цемента от 200 до 600 кг/м3, то есть, в пределах изменения концентрации цемента в единице объема бетона Сц - 0,0635...0,191, при изменении коэффициента нормальной густоты цементного
теста в бетонной смеси КН
в пределах
0,876. 1,65, с комплексной химической добавкой системы: вода, С-3, ГКЖ-11К, СКС-65ГП (табл. 1).
Диапазон расхода цемента, принятый в исследованиях, в пределах от 200 до 600 кг на 1 м3 бетона, обусловлен тем, что при расходе цемента менее 200 кг/м3 бетона, мы не можем говорить о бетоне как морозостойком материале, с достаточно высокими прочностными и другими физико-техническими свойствами. Бетоны с расходом цемента более 600 кг/м3 имеют высокие значения концентрации цемента и цементно-песчаного отношения в межзерновом пространстве крупного заполнителя. Такие бетоны обладают высокой усадкой, ползучестью, а их микро- и макроструктура склонна к растрескиванию во времени. Говорить о них, как о морозостойких, также не целесообразно.
© Чуб А. А., 2012
Характеристики исследуемых составов бетонных смесей с комплексной химической добавкой
№ состава КНГ В/Ц Кр Ц, кг жф > кг Щ, кг П, кг V , воз > % кг/м3 КУ
1 0,876 0,640 1,05 200 128 1414 747 2,50 2489 0,975
2 1,000 0,935 1,15 200 187 1293 708 2,00 2388 0,950
3 1,100 1,015 1,20 200 203 1233 727 1,60 2363 0,948
4 1,650 1,190 1,25 200 238 1173 691 0,70 2302 0,993
5 0,876 0,447 1,10 300 134 1353 707 2,50 2494 0,975
6 1,000 0,627 1,20 300 188 1233 683 2,00 2404 0,980
7 1,100 0,677 1,25 300 203 1173 700 1,80 2376 0,982
8 1,650 0,830 1,30 300 249 1112 641 0,80 2302 0,992
9 0,876 0,358 1,15 400 143 1293 657 3,00 2494 0,970
10 1,000 0,478 1,25 400 191 1173 649 2,50 2413 0,975
11 1,100 0,520 1,30 400 208 1112 665 2,00 2385 0,980
12 1,650 0,660 1,35 400 264 1052 576 1,00 2292 0,990
13 0,876 0,312 1,20 500 156 1233 598 3,90 2487 0,961
14 1,000 0,400 1,30 500 200 1112 601 3,00 2413 0,970
15 1,100 0,436 1,35 500 218 1052 614 2,50 2384 0,975
16 1,650 0,572 1,40 500 286 992 493 1,20 2271 0,988
17 0,876 0,287 1,25 600 172 1173 530 5,00 2475 0,950
18 1,000 0,358 1,35 600 215 1052 536 4,00 2403 0,960
19 1,100 0,392 1,40 600 235 992 544 3,50 2371 0,965
20 1,650 0,523 1,45 600 314 931 394 1,60 2239 0,984
В табл. 2 представлены прочностные характеристики бетонов с комплексной химической добавкой. Предел изменения коэффициента нормальной густоты цементного теста в бетонной смеси КНГ = 0,876...1,65 , охватывает весь диапазон реально существующих бетонных смесей и бетонов, имеющих слитное строение, соответствующее зоне связности и тиксотропии цементного теста.
Ранее было показано, что при значении КНГ цементного теста менее 0,876, остаточный объем воздуха в уплотненной стандартным способом цементной системе резко растет, что говорит о минимальном значении КНГ, обеспечивающим равномерное обводнение частиц цемента. При значениях КНГ цементного теста в цементных системах более 1,65, происходят процессы седиментации и водоотделения. С
увеличением расхода цемента на м3 бетона наблюдается рост призменной и кубиковой прочности по закономерности, близкой к логарифмической, во всем диапазоне изменения значений КНГ . При увеличении значения КНГ , во всем диапазоне расхода цемента на м3 бетона, наблюдается уменьшение прочности.
Таким образом, концентрация цемента в единице объема бетонной смеси СЦ и коэффициент нормальной густоты цементного теста в бетонной смеси КНГ , позволили более доступно и полно раскрыть физический смысл изменчивости функции = /(В / Ц), столь широко используемой в формулах, предназначенных для определения состава бетона заданной прочности.
Прочностные характеристики бетонов с комплексной химической добавкой
№ состава Лб, МПа ЛП, МПа Л0, МПа Л0/ ЛП, МПа ЛТ, МПа ЛТ / ЛП , МПа Мр_, циклы рз
1 21,05 15,60 8,42 0,54 13,30 0,85 95
2 16,50 12,20 6,60 0,54 10,10 0,83 60
3 16,25 12,00 6,36 0,53 9,84 0,82 55
4 15,10 11,00 5,83 0,53 9,02 0,82 50
5 34,30 25,70 15,80 0,55 22,10 0,86 215
6 27,40 20,60 11,30 0,55 17,51 0,85 150
7 26,08 19,80 10,70 0,54 16,63 0,84 140
8 23,70 17,50 9,45 0,54 14,53 0,83 120
9 46,30 35,20 19,70 0,56 31,00 0,88 340
10 38,70 29,40 16,20 0,55 25,30 0,88 250
11 38,30 28,70 15,80 0,55 24,70 0,86 240
12 32,30 24,20 13,10 0,54 20,60 0,85 200
13 54,90 41,70 23,80 0,57 37,10 0,89 430
14 49,30 37,50 21,00 0,56 33,00 0,88 370
15 48,60 36,50 20,40 0,56 31,80 0,87 360
16 40,00 30,50 16,80 0,55 26,50 0,87 280
17 60,60 46,70 27,10 0,58 41,60 0,89 490
18 56,40 42,90 24,50 0,57 37,80 0,88 440
19 55,40 42,10 23,60 0,56 37,00 0,88 430
20 45,90 34,40 19,30 0,56 29,90 0,87 340
Примечание. Яб - кубиковая прочность бетона; ЛП - призменная прочность бетона; ЛТ, ЛТ - напряжения, соответствующие нижней и верхней параметрическим точкам
наибольшему сокращению времени распространения ультразвукового импульса в нагруженном бетонном образце.
является верхним пределом
Величина ЛТ,
Технологические характеристики СЦ и Кш
могут существенно усовершенствовать данную зависимость и методику определения состава тяжелого бетона, в связи с технологическими условиями приготовления, доставки, укладки и уплотнения бетонной смеси.
Нижняя граница образования микротрещин, или первая параметрическая точка (Л0) соответствует напряжениям, при которых начинается интенсивное образование микротрещин и определяется по диаграмме состояний, в момент максимального сокращения времени прохождения ультразвукового импульса. При (Л0) начинается интенсивный рост образования микротрещин в зонах сцепления цементного камня с заполнителем. Величина ЛТ является бетона, а при постоянном расходе цемента, Л
области развития пластических деформаций и образования микротрещин, определяемых величиной напряжений сжатия, соответствует возрастанию величины коэффициента поперечной деформации.
Значения Л0 растут при увеличении Сц . При постоянных же расходах цемента на м3 бетона, ЛТ плавно уменьшается с увеличением значения КНГ. При этом, абсолютное значение
Л0 тем выше, чем больше расход цемента на м3
0
Т
верхним пределом области условно-упругой работы бетона, которая соответствует
тем выше, чем меньше значение К
НГ
Верхние значения области микротрещино-образования в бетоне Щ имеют аналогичные
закономерности, что и Щ Значения Щ и ЩТ уменьшаются с понижением расхода цемента, так как при этом происходит увеличение концентрации заполнителя в бетоне. Следовательно, увеличивается и протяженность контактной зоны между цементным камнем и заполнителем. По мере увеличения КНГ цементного теста, при постоянном расходе цемента, все значения параметров процесса микротрещинооб-разования снижаются, вследствие ухудшения сцепления между цементным камнем и заполнителем.
Показателями деформативности бетона, при кратковременном осевом статическом сжатии, являются начальный модуль упругости и деформации, которые появляются, либо к моменту потери несущей способности, либо к моменту достижения уровней микротрещинообразо-вания.
При дальнейшем повышении расхода цемента и его КНГ модуль упругости бетона начинает понижаться. Это связано с тем, что при больших значениях расхода цемента на м3 бетона зерна заполнителя располагаются на значительном расстоянии друг от друга, поэтому упругие свойства материала определяются, главным образом, свойствами цементного камня, который обладает высокой прочностью, однако имеющего меньшую упругость.
Одновременно со статическим модулем упругости определяли величину динамического модуля упругости (Един). Исследовали закономерности изменения линейных деформаций бетона при кратковременном статическом нагру-жении. С этой целью определяли продольные и поперечные деформации, соответствующие нижней (Щ) и верхней (Щ) границам процесса микротрещинообразования и близких к приз-менной прочности, а также максимальной объемной деформации, определенной при напряжениях, соответствующих верхней параметрической точке.
Четких зависимостей линейных продольных и поперечных деформаций, соответствующих нижней параметрической точке (е1 и е\), верхней параметрической точке (е^ и е2), близких к (е,3 и е^), а также максимальных объемных деформаций (Qmax) от В / Ц затворения не зафиксировано.
Однако, с помощью показателей объемной концентрации расхода цемента на м3 бетонной
смеси Сц и КНГ цементного теста удалось установить общую тенденцию снижения деформатив-ных свойств бетона с увеличением В / Ц затворения, как при Сц = const, так и при КНГ = const, при снижении Сц .
Деформативные свойства бетона связаны с величиной их общей пористости. Установить определенные зависимости деформативных свойств бетона от общей пористости возможно только с учетом Сц и КНГ. Зависимости де-
формаций (£j, e2, e , e2, £j, e2, Qmax), так же как и прочностных свойств от общей пористости бетона носят противоречивый характер. С одной стороны, при увеличении общей пористости, при Сц = const, с увеличением КНГ, де-
формативные свойства понижаются, с другой стороны, при КНГ = const, с увеличением Сц
деформативные свойства повышаются.
Для всех видов морозостойких бетонов с модифицированным поверхностным слоем, в пределах расхода цемента на м2 от 200 до 600 кг и изменении коэффициента нормальной густоты цементного теста в бетонной смеси КНГ, в пределах 0,876.. .1,65, важнейшими показателями, определяющими возможность совместной работы слоев бетона, как структурно-целостного материала, по мнению автора, яв-
ляются отношения Щ / е1 х10 3 и щ / е[ х10 3. Это вполне обосновано, так как эти отношения определяют одновременно прочностные и де-формативные свойства слоев бетона.
Двухслойная бетонная композиция, которой является тяжелый бетон с высокоморозостойким поверхностным слоем, должна иметь одинаковые, или близкие значения коэффициентов,
определяемых отношениями: К1 = /е1 и
К2 = Щ / е2 бетонного слоя (без химических добавок), с такими же значениями К,хд- = Щ / е1 и К2хд= Щ / е,2 поверхностного слоя бетона, то есть модифицированного комплексными химическими добавками. При соблюдении условий равенства, или близких к равенству коэффициентов условий работы слоев бетона К1 = К1х'д' и К2 = К2 Л, будет обеспечена возможность совместной работы слоев бетона, как структурно-целостного материала.
Деформативные свойства бетонов с комплексной химической добавкой
№ состава е хю4 е2 х104 е3 Х104 4 Х104 е2 Х104 е32 х104 Л0/ £ х10-3, МПа ЛТ / е? х10-3, МПа
1 3,73 7,91 11,63 0,81 2,91 3,66 22,57 16,81
2 3,61 7,80 11,51 0,79 2,75 3,64 18,28 12,95
3 3,52 7,61 11,45 0,78 2,70 3,63 18,07 12,93
4 3,27 7,42 11,31 0,76 2,55 3,61 17,83 12,16
5 4,04 8,81 12,13 0,84 3,34 3,88 39,11 25,09
6 3,83 8,62 11,90 0,81 3,25 3,74 29,50 20,31
7 3,72 8,51 11,74 0,80 3,12 3,48 28,76 19,54
8 3,61 8,32 11,51 0,78 3,05 3,42 26,18 17,46
9 4,38 10,21 12,52 0,86 3,84 4,22 44,98 30,36
10 4,14 9,86 12,31 0,85 3,75 4,15 39,13 25,66
11 4,03 9,71 12,14 0,84 3,71 4,05 39,21 25,44
12 3,91 9,10 11,91 0,82 3,64 3,92 33,50 22,63
13 4,82 11,41 13,02 0,89 3,94 4,63 49,38 32,52
14 4,57 11,10 12,84 0,88 3,88 4,51 45,95 29,73
15 4,45 10,82 12,63 0,86 3,76 4,44 45,84 29,39
16 4,34 10,44 12,45 0,85 3,61 4,22 38,71 25,38
17 5,09 12,22 13,21 0,93 3,98 4,98 53,24 34,04
18 4,96 11,91 13,11 0,91 3,75 4,75 49,40 31,74
19 4,81 11,72 12,95 0,90 3,64 4,61 49,06 31,57
20 4,75 11,52 12,75 0,88 3,52 4,52 40,63 25,95
Примечание. ^ и е2 - относительные продольные и поперечные деформации при а = Лт , и £2 - относительные продольные и поперечные деформации при а = ЛТ , и - относительные продольные и поперечные деформации а = 0,92 от ЛП
Вывод
По мнению автора настоящей статьи, существенного повышения морозостойкости и, как следствие, долговечности железобетонных конструкций, воспринимающих переменные кратковременные и динамические воздействия,
можно достичь проектируя их состав с учетом
0
прогнозируемой величины ЛТ.
То есть, силовые и динамические воздействия в бетоне не должны превышать величины
Л0. При этом перерасход цемента на м3 бетона будет значительным. Однако для многих конструкций это оправдано (железнодорожные шпалы и др.).
При бетонировании конструкций с высокоморозостойким поверхностным слоем бетона, значения К1 и К2 , можно назвать критериями условия совместной работы слоев бетона с высокоморозостойким модифицированным поверхностным слоем, обеспечивающими его работу как структурно-целостного материала. Эти условия следует учитывать при определении состава бетона, который проектируется, в связи с технологическими требованиями доставки, укладки, уплотнения бетонных смесей и условиями твердения бетона.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Чуб, А. А. Основы технологии ремонта и строительства бетонных железобетонных сооруже-
ний с высокоморозостойким поверхностным слоем: монография [Текст] / А. А. Чуб. - Запорожье: ЗГИА, 2010. - 360 с.
2. Штарк, И. Долговечность бетона [Текст] / Иохен Штарк, Бернд Вихт. - К.: Оранта, 2004. -301 с.
3. Ушеров-Маршак, А. В. Методология бетонове-дения: научный, образовательный и прикладной аспекты [Текст] / А. В. Ушеров-Маршак // Калориметрия цемента: сб. тр. - Х. : Факт, 2002. -С. 9-11.
4. Серия «Строитель». Бетоны. Материалы. Технологии. Оборудование [Текст]. - М.: Строй-информ, Ростов н/Д: Феникс, 2006. - 424 с.
5. Руденко, Н. Н. Тяжелые бетоны с высокими эксплуатационными свойствами [Текст] / Н. Н. Руденко. - Днепропетровск: Арт-Пресс, 1999. - 260 с.
6. Фертак, М. Бетон - композиционный материал, подвергаемый воздействию факторов окружающей среды [Текст] / М. Фертак, Я. Мало-лепши // Прочность бетона и ее зависимость от технологических факторов состава и факторов окружающей среды: научно-технич .симпозиум. - Краков, 2004. - С. 5-39.
7. Красюк, В. Г. Технология производства бетонов высокой морозостойкости и прочности для мостовых конструкций [Текст] / В. Г. Красюк // Проблемы современного бетона и железобетона: сб. тр. В 2 ч. Ч.2. Технология бетона. -Минск: Стринко, 2007. - 348 с.
Поступила в редколлегию 21.09.2011.
Принята к печати 20.10.2011.
