CC BY
42
Строительные материалы и изделия
УДК 691.327
Г.С. Славчева, Л.В. Ким
СЛАВЧЕВА ГАЛИНА СТАНИСЛАВОВНА - доктор технических наук, профессор кафедры технологии строительных материалов, изделий и конструкций (Воронежский государственный архитектурно-строительный университет). 20-летия Октября ул., 84. Воронеж, 394006. Е-mail: gslavcheva@yandex.ru
КИМ ЛЕВ ВЛАДИМИРОВИЧ - кандидат технических наук, доцент, заведующий Научно-конструкторской лабораторией проектирования морских инженерных сооружений МНОЦ «Дальневосточный Арктический инжиниринговый центр» Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). ДВФУ (Инженерная школа), Суханова, ул. 8, Владивосток, 690950. E-mail kim_lvl@dvfu.ru .
Механизмы и закономерности изменения прочностных характеристик бетонов в связи с их температурно-влажностным состоянием
Предложена обобщенная трактовка механизма взаимосвязи прочностных характеристик бетонов с их температурно-влажностным состоянием. Представлены результаты исследований, позволившие выявить взаимосвязь параметров состава и структуры высокопрочных модифицированных бетонов с мерой изменения их прочностных характеристик в сухом и водонасыщенном состоянии в температурном диапазоне от -60 до +60 °С.
Ключевые слова: высокопрочный бетон, температурно-влажностные воздействия, прочность, эффект Ребиндера.
Введение
Проблема стойкости к ледовым воздействиям морских и гидротехнических сооружений является в последние десятилетия одной из актуальных в связи с активным освоением нефтегазовых месторождений на арктическом шельфе. В рамках данной проблемы приоритетное значение имеет вопрос моделирования ледовой абразии данных сооружений. Установлено [9-11], что величина ледовой абразии зависит главным образом от следующих факторов: контактного давления льда, длины пути истирания и сопротивления бетона ледовой абразии. Принимается, что износ бетона от ледовой абразии имеет следующие стадии:
- разрушение цементного камня и обнажение зерен заполнителя,
- ослабление зоны контакта заполнитель - цементный камень,
- разрушение контактной зоны и отрыв обнажившихся зерен заполнителя.
Основными факторами, влияющими на ледовую абразию поверхности бетонных сооружений, признаются:
- контактное давление при взаимодействии льда и сооружения;
- путь взаимодействия (истирания) между сооружением и ледяным полем в зоне контакта;
© Славчева Г.С., Ким Л.В., 2015
- прочность и температура льда;
- скорость взаимодействия;
- сопротивление бетона и его компонентов истиранию.
При этом полагается, что наиболее важный показатель, влияющий на сопротивление бетона ледовой абразии, - его прочность на одноосное сжатие, которая должна быть не менее 70 МПа [9, 10].
Одновременно установлено, что процессы абразивного разрушения бетонной поверхности наиболее интенсивно происходят в зоне переменного уровня воды, в которой циклически изменяется температурно-влажностное состояние бетона. По нашим данным [5-7], изменение фазового состояния и особенности взаимодействия воды со структурой в зависимости от температуры определяют механизмы и закономерности процессов разрушения бетона и весьма существенно влияют на его прочностные характеристики, что может оказаться существенным фактором, определяющим интенсивность процессов ледовой абразии. В связи с этим для прогнозирования механического поведения бетона и обоснования условий повышения его сопротивляемости абразивному разрушению от ледовых воздействий имеет значение учет влияния температурно-влажностного состояния бетонов на их прочностные характеристики.
Механизм и закономерности влияния температурно-влажностного состояния
на показатели сопротивления разрушению бетонов
Закономерности процессов разрушения строительных материалов при увлажнении, обезвоживании, замораживании-оттаивании, при повышенных и высоких температурах обусловлены совместным действием температуры и влажности на процессы образования и развития трещин. Влияние параметров температурно-влажностного состояния материала на показатели его сопротивления разрушению рассматривается в рамках действия эффекта Ребиндера, в соответствии с которым возможность и степень эффекта снижения прочности определяются тремя группами факторов: 1) химическим сродством адсорбционно-активной среды и материала; 2) гетерогенностью и дефектностью структуры материала; 3) условиями деформирования и разрушения материала (температура, вид и скорость приложения внешних механических воздействий, фазовое состояние адсорбционно-активной среды, ее объемное содержание) [8]. Факторы первой и второй группы характеризуют механизм зарождения и развития трещин в присутствии адсорбционно-активной среды. Факторы третьей группы, имеющие кинетическую природу, отражают связь роста макроскопических трещин разрушения со скоростью поступления жидкой фазы в их вершину; все явления, вызывающие ускорение распространения жидкой фазы в структуре материала, способствуют также усилению эффектов понижения прочности.
Увеличение вязкости, а также возможное затвердевание жидкости при понижении температуры, напротив, должно не только полностью предотвращать проявление эффекта падения прочности, но и способствовать ее повышению при отрицательных температурах. При замерзании воды (появлении в структуре бетона криофазы) в работу сопротивления помимо собственного материала включается и образовавшийся лед. В процессе разрушения трещина, движущаяся в материале, наталкивается на вязкоупругопластичные частички льда, соответственно, удлиняется путь движения трещины. В структуре начинает действовать фактор упрочнения материала за счет торможения развития трещин вязкопластичными включениями льда, требующими дополнительных затрат энергии на преодоление границ раздела, на отрыв криофазы от твердой фазы, на деформирование криофазы и др. Вследствие этого возрастают значения показателей сопротивления разрушению строительных композитов. Этот эффект неоднократно был отмечен в рамках исследований раннего замораживания бетона (в основном это работы периода 1970-1980-х годов [1-4, 8]); в настоящее время внимание к данной проблеме практически отсутствует.
Повышение температуры влажного материала, напротив, способствует усилению эффекта понижения прочности, так как жидкость быстрее проникает к поверхности разрушения, что обусловлено снижением вязкости жидкой фазы, облегчением условий смачивания.
В данной статье обсуждаются некоторые результаты исследований высокопрочных бетонов, позволяющие охарактеризовать изменение их прочностных характеристик в сухом и водона-сыщенном состоянии в температурном диапазоне от -60 °С до +60 °С. Приводятся полученные данные для бетонов (табл. 1), изготовленных с применением органоминерального ультрадисперсного модификатора на основе микрокремнезема и суперпластификатора (МБ 10-01, ТУ5743-073-46854090-98 «Модификатор бетона МБ-01. Технические условия»). Все исследуемые серии изготовлены из высокоподвижных бетонных смесей с ОК = 20-24 см.
Таблица 1
Характеристика составов высокопрочных модифицированных бетонов
Варьируемые рецептурно-технологические факторы Значения рецептурно-технологических факторов
Содержание МБ-01, % от массы цемента 0 12 22
В/(Ц+МБ-01) 0,34 0,30 0,28
Расход вяжущего (цемент+МБ-01), кг/м3 600
Расход песка, кг/м3 (Мк = 1,6) 650-00
Расход крупного заполнителя, кг/м3 (щебень гранитный фракции 5-20 мм) 950-1000
Установлено, что в диапазоне отрицательных температур для водонасыщенного материала может наблюдаться значительный прирост прочностных показателей. Степень упрочнения при замораживании зависит от параметров состава и структуры материала, которые определяют температуру замерзания воды в нем. Температура замерзания зависит от силы связи воды со структурой материала, предопределяемой удельной поверхностной энергией твердой фазы, распределением объема порового пространства по радиусу пор. Эффект прироста прочности по отношению к сухим образцам при замораживании водонасыщенных составляет для прочности при изгибе 1,5-1,8 раза, а для прочности при сжатии - 20-30% (см. табл. 2 и рисунок).
Таблица 2
Соотношение прочностных характеристик бетонов во влажном и сухом состоянии Кр = Яп/Яс
Вид бетона Параметры структуры цементирующего вещества Кр= Ям/Яс при различной температуре (для прочности при изгибе - верхняя строка, для прочности при сжатии -нижняя строка)
удельная поверхностная энергия твердой фазы, кДж/кг удельная площадь поверхности твердой фазы, м2/г Объем пор, м3/м3 Содержание пор радиусом гэ< 20 нм, % от общего объема пор
-60 0С -40 0С -20 0С 0 0С +20 0С
С немодифи-цированной структурой 15,1 82,2 0,34 24 1,62 1,41 1,06 0,82 0,93
1,19 1,07 1,03 0,94 0,94
С модифицированной структурой (12% МБ-01) 22,8 33,6 0,3 31 1,73 1,67 1,53 1,01 0,86
1,02 1,01 0,85 0,85 0,81
С модифицированной структурой (22% МБ-01) 27,1 70,9 0,23 40 1,81 1,61 1,33 0,87 0,78
0,94 0,92 0,84 0,81 0,76
20
го С
15
РЭ
|10
Ос:
-О
Ь 5
о
немс дифи нный бетон
* И
—■ --- < >
20
го П
£ 15
10
3-
о о. П
МОД бето и, сод ровак гржан ный ие МБ -
(
Щ ? — г- -Ч >-- С >
-80 -60 -40 -20 0 20 Температура, °С
40 60 80
-80 -60 -40 -20 0 20 Температура, °С
40 60 80
100
90
1 80 I-
го
к
о 70
г
о.
£ 60
и
о
5 50
о.
с
40
МО/ сод ифиц зржан ^1poвa^ иеМБ- ныйб< 01 124 (ТОН , ) ОТ М* юсы
с цеп/ — ента (— — С
\ ; < '
N р. —} -—^ 5
100
го 90 5 80
го
Ь 70
г
а.
5 60
н
о о
50
о а. С
40
немс щифи ^ировг [ННЫЙ ¡етон
< к.
к,
<
р
-80 -60 -40 -20 0 20 40 Температура, °С
60 80
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 Температура, °С
< - в сухом состоянии: -о—-в водонасыщенном состоянии
Типичные зависимости прочностных характеристик бетонов от их температурно-влажностного состояния
Для модифицированных бетонов прочность при сжатии водонасыщенных образцов оказывается выше прочности сухих только при температуре ниже -40 °С. Прирост прочности при сжатии в диапазоне отрицательных температур для водонасыщенных образцов бетона понижается с увеличением содержания ультрадисперсного модификатора. Для серий образцов бетона с 22-процентным содержанием модификатора прочность при сжатии в водонасыщенном состоянии оказывается прочности в сухом состоянии во всем диапазоне отрицательных температур. Это является закономерным, так как введение в состав материала ультрадисперсного микрокремнезема и суперпластифкатора приводит к увеличению содержания нанопор с размером < 20 нм в его структуре (табл. 2). Сила связи структуры с водой в порах данного радиуса оказывается настолько значительной, что вода замерзает при температуре ниже -40 ^ -50 °С. Таким образом, мера прироста прочности при замораживании водонасыщенных образцов понижается с увеличением удельной поверхностной энергии твердой фазы и уменьшением радиуса пор.
При повышении температуры, напротив, снижение прочности возрастает при увеличении содержания ультрадисперсного модификатора. В модифицированных бетонах, структура которых обладает повышенным запасом поверхностной энергии, влияние воды на прочность настолько значительно, что значения коэффициента размягчения оказываются существенно ниже, чем для традиционных бетонов. Его величина может снизиться до значений Кр = 0,75. В диапазоне положительных температур X = 20-60 °С прочность водонасыщенного бетона при изгибе (см. рисунок) снижается на 20-30%, при сжатии - на 15-20%, особенно резко уменьшаясь при X = 40-60 °С. В результате величина прочности при сжатии водонасыщенных образцов модифицированного бетона при данной температуре не превышает 60-65 МПа, при ее значениях в сухом состоянии 80-85 МПа.
Таким образом, в диапазоне положительных температур введение в структуру бетона ультрадисперсного модификатора приводит к более значительному снижению его прочностных характеристик при увлажнении, чем для немодифицированного бетона. При этом прослеживается
тенденция возрастания меры снижения прочности с повышением содержания модификатора в составе бетона. Так, по данным наших экспериментов, при изменении содержания модификатора МБ-01 от 12 до 22% от массы цемента прочность материала в сухом состоянии возрастает не более, чем на 7-10%, а в водонасыщенном состоянии прочность бетона с содержанием МБ-01 в количестве 22% оказывается равной или даже ниже, чем для образцов с 12-процентным содержанием модификатора. В связи с эти возникает вопрос о рациональности применения повышенных дозировок ультрадисперсных компонентов (более 15% от массы цемента) для получения высокопрочных бетонов.
Заключение
Одним из главных условий обеспечения надежности надводных и подводных объектов континентального шельфа дальневосточных и арктических морей выступает их устойчивость к ледовым воздействиям. Существенным фактором, определяющим интенсивность процессов ледовой абразии, является уровень сопротивляемости бетона ледовой абразии. Для обоснования условий его повышения имеет значение исследование и оценка механического поведения бетона в различном температурно-влажностном состоянии.
Для влажного материала повышение температуры способствует усилению эффекта понижения прочности, так как из-за снижения вязкости жидкости и облегчения условий смачивания вода быстро проникает к поверхности разрушения именно в момент образования трещин. Увеличение вязкости и затвердевание жидкости при понижении температуры, напротив, не только предотвращает проявление эффекта падения прочности, но и способствует ее повышению при отрицательных температурах.
Установлено, что для высокопрочных модифицированных бетонов во влажном состоянии мера снижения прочности при повышении температуры возрастает с ростом удельной поверхностной энергии твердой фазы и уменьшением радиуса пор, имеющего место при увеличении содержания ультрадисперсного модификатора. Для высокопрочных модифицированных бетонов влияние влажности на прочность настолько значительно, что их размягчение оказываются существенно выше, чем для традиционных бетонов не только при положительных температурах (Кр = 0,72-0,85 при t = 0- 60 °С), но проявляет себя и при отрицательных температурах (Кр = 0,84-1,0 при t=-20...-60 °С).
Такое изменение прочностных характеристик бетонов в различном температурно-влажностном состоянии необходимо учитывать для моделирования их механического поведения при ледовых воздействиях, для обоснования требований к рецептурно-технологическим факторам получения бетонов повышенной стойкости к экстремальным условиям эксплуатации в арктической и субарктической зоне.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вербицкий Л.Н. Прочность и долговечность бетона в водной среде // Прочность и долговечность бетона: сб. науч. тр. М.: Стройиздат, 1976. С. 145-147.
2. Иванова О.С., Крылов Б.А. Влияние некоторых технологических факторов на прочность бетона в замороженном состоянии // Бетон и железобетон. 1972. № 11. С. 26-28.
3. Миронов С.А., Лагойда А.В. Бетоны, твердеющие на морозе. М.: Стройиздат, 1974. 156 с.
4. Пирадов К.А. Исчерпание ресурса бетона при температурно-влажностных и силовых воздействиях // Бетон и железобетон. 1997. № 6. С. 26-28.
5. Славчева Г.С. Влияние температурно-влажностного состояния на закономерности изменения показателей сопротивления разрушению бетонов // Вестник гражданских инженеров. 2010. № 1(22). С. 15-19.
6. Славчева Г.С., Чернышов Е.М. Закономерности изменения прочностных характеристик бетонов в различном влажностном состоянии // Вестник ОГАСА. Одесса, 2010. Вып. 39, т. 2. С. 255-260.
7. Славчева Г.С., Чернышов Е.М. К проблеме реализации конструкционного потенциала высокотехнологичных бетонов с учетом действия эффекта Ребиндера в процессах их разрушения // 8-я междунар. науч.
конф. по механике разрушения строительных материалов и конструкций: сб. статей. Казань: КГАСУ, 2014. С. 308-311.
8. Чернышов Е.М., Дьяченко Е.И. Изменение вязкости разрушения силикатного ячеистого бетона // Долговечность конструкций из ячеистого бетона: материалы научн.-техн. конф. Таллин, 1987. Ч. 1. С. 208-210.
9. Bekker A.T., Uvarova T.E., Kim S.D. Abrasion effect of ice cover on supports of structures in conditions of Sakhalin island shelf. Proc. Int. Offshore and Polar Engineering conference, Honolulu, 2003. P. 222-227.
10. Fossa K., Bekker A.T. Cold climate challenges with focus on ice loading and ice abrasion. Proc. INTSOK conference. St. Petersburg, 2011, p. 87-92.
11. Moen E., Jacobsen S., Myhra H. Ice abrasion data on concrete structures - an overview state of the art. COIN Report, Project No. 3D005841, Trondheim, Norway, 2007, 62 p.
THIS ARTICLE IN ENGLISH SEE NEXT PAGE
Building Materials and Products
Slavcheva G.S., Kim L.V.
GALINA S. SLAVCHEVA, Doctor of Technical Sciences, Professor, Voronezh State Architecture-Construction University, Voronezh. 84, 20th Anniversary of October St., Voronezh, Russia, 394006, e-mail: gslavcheva@yandex.ru
LEV V. KIM, Candidate of Technics, Associate Professor, Far Eastern Federal University, Vladivostok. 8 Sukhanova St., Vladivostok, 690950, e-mail: kim_lvl@dvfu.ru
Mechanisms and relationships of strength changes of concretes relating to its temperature-moisture state
The paper presents a generalised interpretation of the mechanism of the interconnection of the concrete strength characteristics with the temperature and moisture conditions. It contains the results of the study which allow revealing the relationships between the parameters of the composition and structure of high-strength modified concrete relating and the variations of their strength characteristics in dry and water-saturated conditions with the temperature ranging between - 60 and + 600C.
Key words: high performance concrete, temperature, moisture, strength, Rebinder effect.
REFERENCES
1. Verbitsky L.N. Durability of concrete in water media / Durability of concrete: proc. Moscow, Stroyiz-dat, 1976. P. 145-147. (in Russ.) [Verbickij L.N. Prochnost' i dolgovechnost' betona v vodnoj srede / Prochnost' i dolgovechnost' betona: sb. nauch. tr. - M.: Strojizdat, 1976. S. 145-147].
2. Ivanova O.S., Krylov B.A. Influence of some technology factors on concrete durability in frozen state. Concrete and reinforced concrete. 1972;11:26-28. (in Russ.) [Ivanova O.S., Krylov B.A. Vlijanie nekotoryh tehno-logicheskih faktorov na prochnost' betona v zamorozhennom sostojanii // Beton i zhelezobeton. 1972. № 11. S. 2628.]
3. Mironov S.A., Lagoyda A.V. Concrete hardening on a frost. M., Stroyizdat, 1974, 156 p. (in Russ.) [Mironov S.A., Lagojda A.V. Betony, tverdejushie na moroze. M.: Strojizdat, 1974. 156 s.].
4. Piradov K.A. Exhaustion of a resource of concrete at temperature and moisture and load influences. Concrete and reinforced concrete. 1997;6:26-28. (in Russ.) [Piradov K.A. Ischerpanie resursa betona pri tempera-turno-vlazhnostnyh i silovyh vozdejstvijah // Beton i zhelezobeton. 1997. № 6. S. 26-28.]
5. Slavcheva G.S. Influence of a temperature and moisture state on regularities of change of indicators of resistance to destruction of concretes. News of civil engineers. 2010;1:15-19. (in Russ.) [Slavcheva G.S. Vlijanie temperaturno-vlazhnostnogo sostojanija na zakonomernosti izmenenija pokazatelej soprotivlenija razrusheniju betonov // Vestnik grazhdanskih inzhenerov. 2010. № 1(22). S. 15-19].
6. Slavcheva G.S., Chernyshov E.M. Regularities of change of strength characteristics of concrete in various moisture state. OGASA Bulletin. Odessa, 2010(2)39:255-260. (in Russ.) [Slavcheva G.S., Chernyshov E.M. Zakonomernosti izmenenija prochnostnykh kharakteristik betonov v razlichnom vlazhnostnom sostojanii // Vestnik OGASA, Odessa, 2010, Vyp. 39, tom 2. S. 255-260].
7. Slavcheva G.S., Chernyshov E.M. To a problem of realization of constructional potential of hi-tech concrete taking into account action of Rebinder effect in processes of their destruction. Proc. 8th International conference on mechanics of destruction of structural materials and designs. Kazan, 2014, p. 308-311. (in Russ.) [Slavcheva G.S., Chernyshov E.M. K probleme realizacii konstrukcionnogo potenciala vysokotehnologichnykh betonov s uchetom dejstvija effekta Rebindera v processakh ikh razrushenija // Trudy 8-i mezhdunarnoi konfer-entsii po mekhanike razrushenija stroitelnykh materialov i konstrukcij, Kazan, 2014. S. 308-311].
8. Chernyshov E.M., Dyachenko E.I. Change of viscosity of destruction of silicate cellular concrete / Durability of designs from cellular concrete: materials conference. Tallinn, 1987. Pt. 1. P. 208-210. (in Russ.) [Cher-
nyshov E.M., D'yachenko E.I. Izmenenie vyazkosti razrusheniya silikatnogo yacheistogo betona / Dolgovechnost' konstrukcij iz yacheistogo betona: materialy nauchn.-tekhn. konf. Tallin, 1987. Ch. 1. S. 208-210].
9. Bekker A.T., Uvarova T.E., Kim S.D. Abrasion effect of ice cover on supports of structures in conditions of Sakhalin island shelf. Proc. Int. Offshore and Polar Engineering conference, Honolulu, 2003. P. 222-227.
10.Fossa K., Bekker A.T. Cold climate challenges with focus on ice loading and ice abrasion. Proc. INTSOK conference. St. Petersburg, 2011, p. 87-92.
11. Moen E., Jacobsen S., Myhra H. Ice abrasion data on concrete structures - an overview state of the art. COIN Report, Project No. 3D005841, Trondheim, Norway, 2007, 62 p.
