CC BY
18УДК 691.31:678.06
В.И. КАЛАШНИКОВ, д-р техн. наук, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства
Капиллярная усадка высокопрочных реакционно-порошковых бетонов и влияние масштабного фактора
Высокопрочные реакционно-порошковые бетоны (РПБ) прочностью 120—150 МПа состоят из повышенного количества портландцемента, молотой горной породы (каменной муки) или кварцевой муки, микрокремнезема и очень мелкого кварцевого песка фракции 0,1—0,6 мм. С позиций теории капиллярной усадки такие тонкодисперсные системы с высоким расходом цемента 700—750 кг/м3 должны проявлять значительные усадочные деформации. Однако учитывая, что реакционно-порошковые бетонные смеси растекаются при влажности 10% и объем капиллярных пор в бетоне небольшой, усадочные деформации должны быть незначительными. Вопрос в том, будет ли превалировать позитивный фактор низкого водотвердого отношения смеси в снижении усадки над негативным фактором микродисперсности затвердевшего бетона в ее повышении.
В соответствии с ГОСТ 24544—81 «Бетоны. Методы определения деформаций усадки и ползучести» усадку тяжелых бетонов определяют на образцах-призмах размером 70x70x280 мм, 100x100x400 мм и более с соотношением высоты к поперечному размеру призмы квадратного сечения, равного 4.
Срок испытания призм 100x100x400 мм может длиться 4 мес и более при относительной влажности воздуха 6 = 60±5 % и температуре X =20±2оС. Завершение испытаний в соответствии с ГОСТом определяется по минимальному приросту усадочных деформаций, не превышающему точность измерения. В связи с малой ценой деления индикаторов часового типа, равной 10мкм, точность измерения очень высока и составляет по визуальному отчету 2—3 мкм. Поэтому усадка по рекомендуемому критерию точности может продолжаться в течение 1—2 лет и более. Еще О.Я. Берг рекомендовал проведение испытаний на усадку в течение года [1]. Поэтому сроки окончания усадки, сформулированные в ГОСТе, не имеют конкретного значения.
Строгое регламентирование минимальных размеров образцов в стандарте, особенно для щебеночных бетонов, имеет рациональную основу. Медленное протекание усадочных деформаций связано с медленной диффузией водяных паров из внутреннего объема бетона в окружающую среду: чем дальше расположен внутренний объем от поверхности, тем более продолжительна диффузия.
В щебеночных бетонах размер образца регламентируется наибольшим размером зерен щебня. В таких бетонах диффузия паров воды из цементного камня замедляется вследствие огибания препятствий из щебня — паронепроницаемых плотных пород на пути диффузии. Немаловажное значение имеет объем и размеры капиллярных пор, зависящие от В/Ц и минералогического состава портландцемента.
Таким образом, продолжительность протекания капиллярной усадки исходя из физикохимии сложного диффузионно-массообменного процесса должна возрастать пропорционально увеличению размеров образ-
ца, количества крупного заполнителя, объема капиллярных пор и их размера.
В реакционно-порошковом бесщебеночном бетоне с микрооднородной структурой и очень мелкими дискретными включениями максимального размера 0,5—0,6 мм для масштабного фактора может быть выявлена надежная закономерность. При этом необходимо выяснить, будут ли образцы различных размеров, но с одинаковым отношением высоты к стороне призмы квадратного сечения иметь строгое соотношение усадки в различные сроки испытаний в зависимости от объема образца и его поверхности. Наиболее важным геометрическим критерием согласно проведенным исследованиям является модуль поверхности в отличие от радиуса сечения элемента, предложенного О.Я. Бергом [1].
Для оценки усадочных деформаций изготавливали образцы-призмы размером 100x100x400, 70x70x280 и 40x40x160 мм. На внутренние торцевые поверхности форм наклеивали реперы из нержавеющей стали с анке-рующими отгибами и все формы заливали РПБ-смесью. Состав бетона, кг/м3: цемент вольский М500 ЦДС с 0,9% МеШих 2651 — 701; песок кварцевый молотый Sуд = 3800 см2/г — 350; очень мелкий кварцевый песок фракции 0,16—0,63 — 1100; микрокремнезем кемеровский — 70; вода — 221. Водотвердое отношение (В/Т) составило 0,103, водоцементное отношение (В/Ц) — 0,316; плотность бетона — 2240 кг/м3.
Для контроля кинетики набора прочности для испытания на сжатие изготавливали образцы-кубы размером 100x100x100 мм, на растяжение при изгибе — балочки 40x40x160 мм. Образцы хранили во влажных условиях в двойных полиэтиленовых мешках. После 28 сут хранения образцы-призмы устанавливали в измерительные ячейки с индикатором часового типа с ценой деления 0,01 мм. Прочность при сжатии РПБ в возрасте 1, 7 и 28 сут была 42; 88,2 и 112,5 МПа соответственно, а прочность при изгибе соответственно 8,8; 12,4 и 13,8 МПа.
Реакционно-порошковый бетон имел более низкую плотность, чем тяжелый щебеночный бетон. Несмотря на отсутствие в бетоне плотных заполнителей с нулевой пористостью, количество открытых пор, доступных для воды, было небольшим; водопоглощение базовых образцов за 8 сут не превышало 2,6—2,7 мас. %. Прочность была сравнительно невысокой вследствие несколько завышенного расхода воды и пониженной растекаемости из конуса Хагермана (22 см вместо 28 см). В структуре бетона присутствовало небольшое количество воздушных пор.
Усадочные деформации фиксировали в течение 200 сут при колебаниях относительной влажности воздуха в пределах 55—60% (табл. 1). За весь период уменьшение массы бетона за счет естественного высыхания было неодинаковым и соответственно равным 0,95; 1,27; 1,87% для призм 100x100x400, 70x70x280 и 40x40x160 мм соответственно.
Таким образом, в призмах стандартного размера 100x100x400 мм за 150 сут усадочные деформации на 1%
www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал ¡Д^ |'3
52 май 2010
Период протекания усадки, сут Размер сечения образцов, мм Значение экспериментальной усадки, £э, мм/м Расчетная усадка, приведенная к стандартной призме 100x 100x400 мм £р = £э/К Отклонение расчетной усадки от экспериментальной, %
45 100x100 70x70 40x40 0,25 0,35 0,39 0,275 0,212 + 10 -15,2
92 100x100 70x70 40x40 0,33 0,422 0,575 0,34 0,312 +3,03 -5,45
152 100x100 70x70 40x40 0,377 0,479 0,659 0,377 0,358 0 -5,03
200 100x100 70x70 40x40 0,392 0,492 0,7 0,387 0,38 -1,3 -3,1
потерянной влаги составили 0,68 мм/м; за 200 сут — 0,84 мм/м. Как следует из таблицы, усадка в стандартных призмах за 200 сут не превышает 0,4 мм/м, что незначительно выше усадки плотных щебеночных бетонов.
Для перерасчета экспериментальной усадки бетона в призмах малого размера на усадку бетона в образцах стандартных базовых размеров 100x100x400 мм использовали приведенный коэффициент К:
k=з/m / M )2,
где mt — модуль поверхности призм малого размера; М — модуль поверхности призмы базового размера.
Как известно, модуль поверхности Мравен: М = S/V,
где V и S соответственно объем и полная поверхность призмы. Для рассматриваемых образцов-призм сечением 70x70 и 40x40 мм модуль поверхности и коэффициент соответственно равны: m(=6,44; 11,25 и Z=1,27; 1,84.
Расчетная усадка призм 100x100x400 мм, вычисленная из экспериментальной усадки в малых призмах через 150—200 сут, практически равна экспериментальной усадке призм 100x100x400 мм. Она отличается от базовой экспериментальной на 1—5%. В ранние сроки испытаний (45 сут) это отличие существенно.
Можно полагать, что значения усадки, протекающей в РПБ в течение 150—200 сут в призмах разных размеров, пропорциональные (m. /M)2/3, есть не что иное, как проявление физической пр ироды массообмена. Для полного подтверждения его проявления необходимо определить усадочные деформации реакционно-порошкового бетона не только в призмах приведенных размеров, но и размеров 150x150x600 мм, а также на других составах РПБ.
Проведенные исследования позволяют измерять усадку РПБ в призмах 40x40x160 и 70x70x280 мм и пересчитывать ее на усадочные деформации призм базового размера 100x100x400 мм на исследованном составе бетона.
В заключение следует отметить, что сведения о значениях усадочных деформаций реакционно-порошковых высокопрочных бетонов в отечественной литературе отсутствуют.
Если сравнивать усадку РПБ с усадкой высокопрочных мелкозернистых бетонов с R^ = 92—108 МПа, приведенной в [2], то усадку этого бетона 0,3—0,5 мм/м можно было бы считать сопоставимой с усадкой РПБ, если бы она была определена в соответствии с ГОСТом. Усадку в [2] определяли через 28 сут, что недопустимо. Усадочные деформации, определенные в возрасте 28 сут, в 1,5—1,6 раза меньше, чем через 3 мес, и в 1,7—1,8 раза, чем через 5 мес. Мелкозернистые песчаные бетоны состава 1:3 на Вольском песке при оценке активности портландцемента по ГОСТ 310.4—81 из смесей нормальной консистенции (В/Ц = 0,4) имеют усадку через 3 мес в 1,6—1,7 раза, а через 5 мес в 1,9—2 раза выше, чем в возрасте 28 сут. Непреднамеренное занижение усадки с нарушением стандартных сроков
определения стало достаточно частым в научных публикациях. Значения усадки используют при назначении уровня предварительного напряжения арматурной стали в предварительнонапряженных несущих конструкциях. И неполный учет усадки чреват потерей предварительного натяжения арматуры в теле бетона.
Ключевые слова: реакционно-порошковый бетон, капиллярная усадка, масштабный фактор.
Список литературы
1. Берг О.Я., Щербаков Е.Н. Об эффективности методов прогноза величин ползучести и усадки: Материалы совещания НИИЖБ Госстроя СССР «Ползучесть и усадка бетона». М., 1969. С. 136-145.
2. Фаликман В.Р., Сорокин Ю.В., Калашников О.О. Строительно-технические свойства особо высокопрочных быстротвердеющих бетонов // Бетон и железобетон. 2004. № 5. С. 5-10.
ВРВЫСТАВКА
I Ваше Жилище
21-23 сентября Ярославль
16-я выставка энергоэффективных технологий для строительства и ЖКХ в рамках межрегиональной конференции «Строительство и ЖКК: Энергоэффективность. Инвестиции. Инновации»
(4852) 45-06-46, www.energo-resurs.ru
■f: ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru
Ы- ® май 2010 53
