CC BY
12УДК 666.965.3
М.Н. МОРОЗ, канд. техн. наук (mn.moroz80@gmail.com), В.И. КАЛАШНИКОВ, д-р техн. наук, В.М. ВОЛОДИН, инженер, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства; П.Г. ВАСИЛИК, инженер ЗАО «ЕвроХим-1» (Москва)
Изменение длительной водостойкости композиционных материалов, содержащих водостойкий и неводостойкий компоненты
Повышение долговечности бетонов и других композиционных строительных материалов является актуальной задачей современного строительства. Капиллярно-пористая структура материалов гидратационного твердения часто является причиной разрушения их в условиях воздействия среды, к которым относятся: попеременное увлажнение - высушивание, замораживание - оттаивание, воздействие агрессивных жидкостей.
Взаимодействие композиционных материалов с окружающей средой, с цикличным характером чередования набухания при увлажнении и усадки при высушивании вызывает знакопеременные деформации и приводит к развитию микротрещин. В результате многократных циклов увлажнения-высушивания строительных материалов происходит понижение их прочности, что является следствием изменения объема и появления внутренних напряжений противоположного знака. В бетоне при увлажнении продолжается гидратация цемента, образуются новые количества цементирующих новообразований с уплотнением и упрочнением материала. Два противоположных процесса, накладываясь друг на друга, дают тот или иной результирующий эффект, зависящий от множества факторов.
В соответствии с результатами ряда исследований и работами кафедры технологии бетонов, керамики и вяжущих [1, 2] воздействие попеременного замораживания-оттаивания в воде цементоемких («жирных») бетонов является менее жестким, чем цикличное воздействие увлажнения-высушивания. Наиболее разрушительными являются цикличное насыщение водой и высушивание при t = 100—105оС, в процессе которого происходит удаление не только свободной, но и физически связанной, а именно адсорбционно-связанной воды. В сухом бетоне тормозятся и прекращаются процессы гидратации вяжущего, происходит прогрессирующее развитие трещин. При непосредственном контакте с водой абсолютно сухого бетона не полностью гидратированные зерна вяжущего получают кратковременную возможность дальнейшей гидратации, что сопровождается очень небольшим увеличением количества гелевой составляющей, не способной участвовать в самозалечивании образовавшихся микро- и макротрещин.
В настоящее время отсутствует единая методика исследования и поэтому трудно сравнивать результаты полученных испытаний и сопоставить основные выводы и заключения.
При естественном высушивании на воздухе в любой климатической зоне, включая пустыни, никогда не удаляется вся свободная физически связанная вода. Поэтому создание особенно разрушительных воздействий на структуру бетонов может служить хорошим прогнозом долговечности новых цементных и шлаковых бетонов на шлакощелочных и минерально-шлаковых вяжущих. Цементный камень, например, при В/Ц = 0,3—0,35 разрушается на 3-4-м циклах увлажнения-высушивания. Пористая структура его не
обладает достаточной релаксацией напряжений за короткий цикл обезвоживания. Снижение содержания воды затворения и уменьшение капиллярной пористости практически не спасают от медленной деградации структуры. Особенно важно оценивать долговечность высокопрочных бетонов нового поколения, порошковых, порошково-активированных мелкозернистых (песчаных) бетонов и порошково-активированных щебеночных бетонов, за которыми большое будущее [3—5].
В своих работах В.Ю. Нестеров, В.И. Калашников и др. [6] предлагают изменение прочности композиционного глиношлакового материала, содержащего в структуре водостойкий (шлаковый) и неводостойкий (глинистый) каркасы, моделировать в первом упрощенном приближении в виде стержневой системы с переменной продольной устойчивостью, которая дает наглядное представление о работе минерально-шлакового материала в сухом и насыщенном водой состояниях.
В работе [6] глиношлаковый песчаный бетон до 25 циклов попеременного увлажнения-высушивания повысил свою прочность и динамический модуль упругости, фиксирующий микротрещины. После 25 циклов прочность на сжатие и модуль упругости начинают снижаться, к 40 циклам становятся близкими к значениям этих показателей контрольных образцов до испытаний. Цементно-песчаные образцы с первого цикла испытаний уменьшили свою прочность и динамический модуль упругости, что свидетельствовало о протекании деструктивных процессов.
Мы считаем, что лучшая модель, которая объясняет разупрочнение минерально-шлакового вяжущего (МШВ), состоит также из неводостойкой компоненты, уменьшающей свою прочность при кратковременном воздействии воды, и водостойкой, упрочняющейся при длительном выдерживании в воде (рис. а, б, в). В предлагаемой модели темные стержни при воздействии нагрузки определяют основную несущую способность водостойкого шлакового каркаса, наклонно-штрихованные стержни моделируют работу неводостойкого каркаса из горной породы, которая за короткое время твердения не полностью проросла водостойким вяжущим. При кратковременном воздействии воды достаточно прочный в сухом состоянии неводостойкий каркас размягчается, а контактные перешейки в структуре неводостойкого материала еще не участвуют в работе всей системы.
Все нагрузки при этом воспринимаются водостойким шлаковым каркасом (рис. а). Прочность на сжатие при этом может упасть в 2,5 раза, как у гипсового вяжущего, и более, в случае, если коэффициент водостойкости равен 0,4. Однако при последующем твердении в воде в отличие от гипса отдельные контактные перешейки из водостойкого вяжущего начинают срастаться, что компенсирует потерю прочности (рис. б).
При длительном твердении в воде продолжается гидратация шлаковых частиц. Увеличивается содержание
42
научно-технический и производственный журнал
январь 2012
.ы ®
Моделирование изменения прочности композиционных МШВ при кратковременном и длительном нахождении в воде: а - при кратковременном водонасыщении в течение 2-3 сут; б - при последующем нахождении в воде; в - при длительном экспонировании в воде в течение 200 сут и более
продуктов гидратации в ионной форме и инициируются миграционные процессы для реакции взаимодействия с соединениями неводостойкого каркаса, что приводит к повышению прочности. Это моделируется на рисунке черными поперечными стержнями, полностью прорастающими в пространство неводостойкого компонента. Неводостойкий каркас частично срастается и воспринимает более высокую нагрузку (рис. в). Реально, растворенные водой контактные перешейки залечиваются за счет имеющихся в водном растворе ионов шлакового вещества.
При высушивании материала и испарении части жидкой фазы протекает более глубокий синтез совместных новообразований в температурно-щелочных условиях. Гидратные новообразования выкристаллизовываются и цементируют дополнительно водостойкий и неводостойкий каркасы в наиболее тонких термодинамически неустойчивых зазорах. Одновременно могут протекать процессы гелевой усадки из частиц шлака.
При наличии достаточного клинкерного фонда образовавшиеся субмикронные (нанометрические) трещины в благоприятных условиях гидратации при повторном насыщении водой залечиваются гидратными новообразованиями. Это равнозначно уменьшению длины докритических трещин и в отдельных случаях, повышению прочности материала. Такие условия всегда имеются при попеременном увлажнении-высушивании, когда увлажнение продолжается более 2—3 сут после очередного цикла высушивания. Позитивность этого воздействия подтверждается, в частности, на гли-ношлаковых материалах.
Необходимо отметить, что остаточная прочность после длительного экспонирования материала в воде может быть достаточно высокой и неизменной с течением времени. В связи с этим МШВ могут эксплуатироваться в водных условиях длительно, в то время как, если судить по коэффициенту водостойкости, равному 0,5, материал с остаточной прочностью 30—40 МПа относится к воздушным вяжущим веществам. Такое отнесение МШВ к неводостойким совершенно не обосновано фактором сохранения их длительной высокой прочности в воде. Более того, показатель повышения коэффициента длительной водостойкости на 0,05—0,1 по сравнению с малым уменьшением его за счет расклинивающего действия воды по П.А. Ребиндеру при кратковременном водонасыщении свидетельствует о том, что гидратационные конструктивные процессы в вяжущем протекают постоянно. Следовательно, введение понятия коэффициента длительной водостойкости при создании новых материалов с прогнозом изменения его во времени является необходимым методологическим приемом оценки водостойкости.
Для оценки трещиностойкости карбонатно-шлако-песчаного бетона (состава: композиционное вяжу-
щее : песок = 1:1) образцы контрольного состава и гидро-фобизированные порошковым стеаратом цинка подверглись 50 циклам попеременного увлажнения-высушивания. Микроскопическая оценка с помощью отсчет-ного микроскопа МПБ-2 с ценой деления 50 мкм не позволила обнаружить наличие волосяных трещин после 20 циклов, как в контрольных, так и в гидрофобизиро-ванных образцах. При этом прочность в насыщенном водой состоянии у гидрофобизированных образцов карбонатно-шлакопесчаного бетона оказалась на 18% выше, чем у контрольных. Контрольные образцы по сравнению с аналогичными образцами, не подвергавшимися увлажнению-высушиванию, потеряли в прочности 5—10%. После 50 циклов испытаний гидрофобизирован-ные образцы снизили свою прочность по сравнению с аналогичными, не подвергшимися увлажнению-высушиванию, на 23%. Для сравнения, цементно-песчаные бетоны состава 1:2 разрушились после 32 циклов. Это является убедительным свидетельством высокой трещиностойкости гидрофобизированных песчаных бетонов на карбонатно-шлаковом вяжущем. При этом коэффициент длительной водостойкости равен 1,01.
Ключевые слова: водостойкость, водостойкий и неводостойкий каркасы, прочность на сжатие, композиционные строительные материалы.
Список литературы
1. Калашников В.И., Мороз М.Н., Нестеров В.Ю., Хвастунов В.Л., Василик П.Г. Минерально-шлаковые вяжущие повышенной гидрофобности //Строительные материалы. 2005. № 7. С. 64—67.
2. Калашников В.И., Мороз М.Н., Худяков В.А. Нанотехнология гидрофобизации минеральных порошков стеаратами металлов // Строительные материалы. 2008. № 7. С. 45-47.
3. Калашников В.И., Мороз М.Н., Хвастунов В.Л., Кузнецов Ю.С., Ананьев С.В., Троянов И.Ю. Сухие реакционно-порошковые сухие смеси - новые виды вяжущих для создания различных видов бетонов // Новые энерго- и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов: Сб. статей МНТК. Пенза. 2009. С. 63-69.
4. Калашников В.И. Расчет составов высокопрочных самоуплотняющихся бетонов // Строительные материалы. 2008. № 10. С. 4-6.
5. Калашников В.И. Основные принципы создания высокопрочных и особовысокопрочных бетонов // Популярное бетоноведение. Санкт-Петербург. 2008. № 3. С. 102-107.
6. Глиношлаковые строительные материалы / В.И. Калашников, В.Ю. Нестеров, В.Л. Хвастунов и др. Пенза: ПГУАС, 2000. 207 с.
а
в
^ научно-технический и производственный журнал
^ ® январь 2012 43
