CC BY
005.23.05 - СТРОИТЕЛЬНЫЕ МА ТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ (ТЕХНИЧЕСКИЕ НА УКИ)
М.П. Нажуев, преподаватель, e-mail: nazhuev17@mail.ru М.В. Княжиченко, магистрант, e-mail: knyazhichenko2015@yandex.ru М.Г. Орлов, магистрант, e-mail: fw150@mail.ru Д.М. Ельшаева, инженер, e-mail: diana.elshaeva@yandex.ru Н.А. Доценко, инженер Регионального экспертного управления, e-mail: natalya_1998_dotsenko@mail.ru Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону
УДК 691.327.333
НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ЦЕНТРИФУГИРОВАННЫХ БЕТОНОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СУПЕРПЛАСТИФИКАТОРОВ
Статья посвящена вопросу структурообразования модифицированных центрифугированных бетонов с использованием суперпластификаторов. Отмечено, что отрицательные температуры являются одним из наиболее опасных и жестких природных воздействий на бетон, приводящих к его разрушению, основной причиной которого является замерзание воды в порах и капиллярах материала. Эксплуатационные характеристики и работоспособность опор зависят от условий формирования его структуры и ее состояния при замораживании бетона, степени насыщения бетона водой, условий замораживания и оттаивания (скорости и степени изменения температуры, частоты изменения температуры и т. п.), размеров и вида конструкций, степени и вида армирования, напряженного состояния. Характеристикой стойкости бетона при замораживании является его марка по морозостойкости. Для выявления механизма повышения морозостойкости бетона с добавками в лабораториях кафедры «Технологический инжиниринг и экспертиза в стройиндустрии» Донского государственного технического университета были изучены характеристики структуры порового пространства центрифугированного бетона в сравнении с вибрированным. Структуру бетона оценивали на основе данных по кинетике водопоглощения, анализов микроструктуры на оптическом микроскопе для определения интегральной и дифференциальной пористости, а также для выявления особенностей микроструктуры. Исследования проведены на образцах центрифугированного (в отдельных случаях - и вибрированного бетона того же состава) бетона без добавок, с добавкой суперпластификатора С-3 в количестве 0,7 % от массы цемента, с комплексным модификатором С-З + Аэромикс (0,7+0,3 %). Проведенные комплексные исследования позволяют рекомендовать использование водо-редуцирующего эффекта суперпластификаторов для придания центрифугированным железобетонным стойкам высокой долговечности.
Ключевые слова: структурообразование бетона, центрифугированный бетон, вибрированный бетон, долговечность бетона, морозостойкость бетона, суперпластификаторы.
M.P. Nazhuev, Lecturer, scientific superviser M.V. Knyazhichenko, graduate student M.G. Orlov, graduate student D.M. Elshaeva, assistant of the Department of Technological Engineering and Expertise in the Construction Industry N.A. Dotsenko, Regional Expert Office engineer
SOME ASPECTS OF STRUCTURE FORMATION OF MODIFIED CENTRIFUGED CONCRETE USING SUPERPLASTICIZERS
The article is devoted to the structure formation of modified centrifuged concretes using superplasticiz-ers. It is noted that negative temperatures are one of the most dangerous and severe natural effects on concrete, leading to its destruction, the main cause of which is the freezing of water in the pores and capillaries of the material. The operational characteristics and operability of the supports depend on the conditions of formation
of its structure and its condition when concrete is frozen, the degree of saturation of concrete with water, the conditions of freezing and thawing (speed and degree of temperature change, frequency of temperature change, etc.), size and type of structures, degree and type of reinforcement, stress. The characteristic of resistance of concrete at freezing is its mark on frost resistance. To identify the mechanism of increase offrost resistance of concrete with additives in the laboratories of the Department "Technological Engineering and Expertise in the Construction Industry" don state technical University has studied the characteristics of the pore space structure spun concrete compared to vibrated. The structure of concrete was evaluated on the basis of data on the kinetics of water absorption, analyzes of the microstructure on an optical microscope to determine the integral and differential porosity, as well as to identify the features of the microstructure. The studies were carried out on samples of centrifuged (in some cases, and vibrated concrete of the same composition) concrete without additives, with the addition of superplasticizer C-3 in an amount of 0,7 % by weight of cement, with a complex modifier C-Z + Aeromix (0,7 + 0,3 %). The conducted complex researches allow to recommend use of water-reducing effect of superplasticizers for giving to the centrifuged ferro-concrete racks of high durability.
Key words: structure formation of concrete, centrifuged concrete, vibrated concrete, durability of concrete, frost resistance of concrete, superplasticizers.
Введение
Одной из основных причин разрушения бетона является замерзание воды в его порах и капиллярах под воздействием отрицательных температур.
В работе [1] исследовано влияние химических добавок на центрифугированный бетон различных конструкций. Здесь рассматривается изменение структуры и свойств бетона под воздействием различных факторов, в том числе температурных.
Авторы работ [2, 3] делают акцент на физико-механических и деформативных характеристиках центрифугированных бетонов в сравнении с вибрированными. В частности, приведено сравнение двух видов бетонов по показателю морозостойкости в зависимости от наличия химических добавок.
Работы [4-7] описывают изменения структуры и свойств конкретных видов железобетонных изделий и конструкций (опор линий электропередачи, труб) после введения химических добавок и воздействия отрицательных температур.
Эксплуатационные характеристики и работоспособность опор зависят от условий формирования структуры бетона и их состояния при замораживании материала, водопоглощения бетона, условий замораживания и оттаивания (скорости, степени, частоты изменения температуры и т. п.), геометрических размеров и внешнего вида конструкций, вида и степени армирования, а также напряженного состояния. Характеристикой сопротивляемости бетона циклам замораживания и оттаивания является показатель «марка по морозостойкости», т. е. число циклов замораживания и оттаивания бетона в насыщенном водой состоянии, которое образцы бетона могут выдержать без уменьшения предела прочности на сжатие и без потери более 2 % массы [8].
В процессе эксплуатации опор и исследований, связанных с ними, выявилось, что большое значение в разрушении бетона опор помимо упомянутых выше факторов имеет и напряженное состояние, которое возникает в опорах при воздействии отрицательных температур. Это напряженное состояние возникает вследствие неоднородности центрифугированного бетона по толщине стенки, которая, в свою очередь, ведет к внушительной разнице в значениях коэффициента линейного температурного расширения различных слоев по толщине конструкции. Бетон в сухом состоянии имеет небольшие различия данного температурного показателя по слоям, возникающие напряжения невелики и особо не влияют на общее напряженное состояние опор. Влажный же бетон имеет внушительные различия в значениях коэффициента линейного температурного расширения внутреннего, среднего и наружного слоев, что во многих случаях влияет на характер деформаций. При длительном воздействии на бетон отрицательными температурами (необходимо учитывать влажность) бетон может подвергаться деформациям расширения вместо требуемых деформаций сокращения [9, 10].
Анализ литературных данных позволил авторам статьи определить методику эксперимента, материалы, средства измерений и вспомогательное оборудование, необходимые для проведения исследования морозостойкости и пористости бетонов, полученных способами вибрирования и центрифугирования.
Объекты и методы исследования. Результаты и их обсуждение
Для выявления механизма повышения морозостойкости бетона с применением добавок в лабораториях кафедры «Технологический инжиниринг и экспертиза в стройиндустрии» Донского государственного технического университета исследовались параметры пористости центрифугированного бетона в сравнении с аналогичными параметрами вибрированного бетона [11-15].
Структура бетона оценивалась по данным кинетики водопоглощения и анализа микроструктуры на оптическом микроскопе для определения двух видов пористости - интегральной и дифференциальной.
Исследования проведены на образцах центрифугированного бетона, а в некоторых опытах - и на образцах вибрированного бетона того же состава, без добавок (СЦ-1), с добавкой-суперпластификатором С-3 0,7 % от массы цемента (СЦ-2), с комплексным модификатором С-З + Аэромикс (0,7 + 0,3 %) (СЦ-3).
Анализ микроструктуры центрифугированного бетона осуществляли отдельно по каждому слою стенки. Результаты анализа приведены в таблицах 1-3.
Таблица 1
Параметры пористости бетонов в зависимости от их водопоглощения
Вид образцов Маркировка образцов Водопоглощение по массе, % Водопоглощение по объему, % Я а
Центрифугированный СЦ-1 5,82 13,05 2,1 0,9
СЦ-2 3,86 8,42 0,65 0,8
СЦ-3 4,91 10,18 1,19 0,9
Вибрированный СВ-1 5,21 12,68 1,43 0,9
СВ-2 4,18 9,99 0,77 0,9
СВ-3 4,37 10,85 0,6 0,9
Примечание. А и а - показатели среднего размера и однородности размеров открытых капил-
лярных пор.
Показатель среднего размера пор Я, равный пределу отношений ускорения процесса водопоглощения к его скорости, определяемый по номограммам ГОСТ 12730.4, у центрифугированного бетона СЦ-2 с добавкой-суперпластификатором в несколько раз меньше, чем без добавок СЦ-1. В результате снижается капиллярная пористость, характеристикой которой является Я, повышается морозостойкость, которая зависит от размеров и количества капиллярных пор.
По результатам испытаний можно сделать вывод, что морозостойкость с добавкой-суперпластификатором выше, чем без нее. Результаты испытаний подтверждают повышенную морозостойкость с добавкой суперпластификатора. Марка по морозостойкости центрифугированного бетона СЦ-2 составила Б500, тогда как для СЦ-1 - только Б100. Данному эффекту способствовало снижение водоцементного отношения около 25 % с добавкой-суперпластификатором при одной и той же подвижности бетонной смеси по сравнению со смесью без применения добавки.
Для образцов СВ-3 и СЦ-3, отформованных вибрированием и центрифугированием, Я составил соответственно 0,6 и 1,19. При этом морозостойкость вибрированных образцов, приготовленных из бетонной смеси, модифицированной С-З + Аэромикс, соответствовала марке более Б500, а центрифугированных - Б300.
Вибрированные образцы СВ-1 и СВ-2 имели марки по морозостойкости Б100 и Б300. Морозостойкость центрифугированного бетона с комплексной добавкой в составе была немного меньше вследствие избыточного воздухововлечения.
Характеристики структуры бетонов, выявленные с использованием оптического микроскопа, показаны в таблице 2.
Таблица 2
Характеристики структуры бетонов, выявленные с использованием оптического микроскопа
Маркировка образцов Пористость, %
Пп Пд по размерам пор, мкм
< 20 20-50 50-100 100-200 200-250 250-500 500-1000
СЦ-1 11,7 52 27 11 6,3 1,4 1,5 0,8
СЦ-2 7,9 41 26 20 8 4 0,8 0,2
СЦ-3 8,1 20 38 30 10 1,5 0,5 -
Примечание. Пп, Пд - соответственно полная и дифференциальная пористость центрифугированного бетона.
Характеристики пористости (табл. 2) свидетельствуют о том, что капиллярная пористость в центрифугированном бетоне с добавкой С-3 и комплексной добавкой уменьшается. Кроме того, данные эксперименты показали различия в структуре на границе контактной зоны в заполнителе для образцов СЦ-1, СЦ-2 и СЦ-3. У образцов СЦ-1 наблюдалось неплотное прилегание (цепочнообразные поры). В результате анализа наблюдается нарушение сцепления по контакту, направленному к наружной поверхности центрифугированного образца кольцевого сечения.
Образцы СЦ-2 и СЦ-3 имеют контактную зону с плотным прилеганием растворной составляющей к мелкому и крупному заполнителю.
Пути миграции влаги, которые представляют собой в растворной составляющей внутреннего слоя радиально направленные каналы, в наружном и среднем слоях огибают крупный и мелкий заполнитель. В результате исследований структуры выявлено непрочное сцепление растворной части с заполнителем, которое связано с действием центробежной силы, уплотняющей цементный раствор между частицами заполнителя, что ведет к отделению воды в зоне этих контактов, направленных к наружному слою центрифугированного элемента.
В результате пластифицирующего эффекта в бетонных смесях с добавками уменьшилось начальное водосодержание, приблизившись по значению к нормальной густоте. Фильтрационные каналы при центрифугировании в смесях с добавками более тонкие или не образуются вовсе вследствие значительно меньшего количества свободной жидкости. Образцы центрифугированного бетона с добавкой-суперпластификатором С-3 показали более равномерное распределение заполнителя по толщине стенки, что указывает на изменения в процессах уплотнения бетона при формовании. В данном случае роль отжатия и движения свободной воды в уплотняемой смеси уменьшается, а роль перемещения массы цементного раствора - увеличивается.
Причина данного явления - реологические свойства бетонной смеси, когда при использовании водоредуцирующего эффекта суперпластификатора водоцементное отношение бетонной смеси уменьшается на 25-30 %, что соответствует снижению количества воды на 1 м3 смеси ~ 50 л.
При этом получается более однородный бетон за счет исключения сепарации в процессе центрифугирования вследствие увеличения вязкости цементного теста. Вероятно, данный эффект для центрифугированного бетона имеет место при определенном рецептурно-технологи-ческом диапазоне и требует дополнительных исследований.
Характеристики структуры слоев центрифугированного бетона, полученные при использовании оптического микроскопа, представлены в таблице 3.
Таблица 3
Характеристики структуры слоев центрифугированного бетона, полученные при использовании оптического микроскопа
Маркировка образцов Наименование и размер зоны по толщине стенки, см Пористость, %
Пд по размерам пор, мкм
< 20 20-50 50-100 100-200 200-250 250-500 500-1000
СЦ-1 Н (4,8) 50 25 13 6 2,6 2,3 1,1
С (1,1) 41 35 13 9,1 1,9 - -
В (1,1) 64 28 8 - - - -
СЦ-2 Н (5,6) 45 21 20 8,5 3,9 1,2 0,4
В (1,3) 25 34 25 11,5 4,5 - -
СЦ-3 Н (3,5) 22 29 34 12 2,5 0,5 -
С (0,5) 21 32 42 3 1,5 0,5 -
В (1,0) 36 33 25 6 - - -
Примечание. Н, С, В - соответственно наружный, средний и внутренний слои центрифугированного бетона по толщине стенки. Пд - пористость каждого из слоев центрифугированного бетона (дифференциальная) .
Выводы
Для уменьшения разницы между физико-механическими свойствами бетона слоев необходимо более равномерное распределение крупного заполнителя по толщине стенки. Прочность центрифугированного бетона с добавкой С-3 на 20 % выше, а морозостойкость выше в пять раз, нежели показатели бетона без добавок. Изучение же структуры бетона показало его плотное строение и отсутствие проницаемости.
Следовательно, добавление суперпластификатора С-3 в бетонную смесь в количестве 0,4-1,0 % после центрифугирования увеличивает морозостойкость и прочность бетона и уменьшает разницу в характеристиках слоев по толщине стенки бетона. В результате проведенных исследований можно сделать вывод о необходимости применения водоредуцирую-щего эффекта суперпластификаторов для повышения долговечности железобетонных центрифугированных стоек.
Эффективность воздухововлекающей добавки для повышения морозостойкости центрифугированного бетона не была изучена полностью и требует дальнейших исследований.
Библиография
1. Клюкас Р., Вадлуга Р. Особенности использования химических добавок для бетона центрифугированных конструкций // Вестник Ульяновского государственного технического университета. -2009. - № 2 (46). - С. 43-47.
2. Щуцкий В.Л., ГриценкоМ.Ю., Дедух Д.А. Исследование физико-механических свойств центрифугированного бетона // Инженерный вестник Дона. - 2015. - № 4. - URL: http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2p2y2015/3000
3. РязановМ.А. [и др.]. Расчет изгибаемых элементов с учетом физической нелинейности деформирования // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2016. - № 12. - С. 58-64.
4. Ахвердов И.Н. Перспектива развития технологии производства центрифугированных железобетонных конструкций // Проблемы создания и применения центрифугированных железобетонных конструкций в строительстве. - Минск: Изд-во БелНИИНТ, 1985. - С. 9-11.
5. Сулейманова Л.А. Высококачественные энергосберегающие и конкурентоспособные строительные материалы, изделия и конструкции // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2017. - № 1. - С. 9-16.
6. Тевелев Ю.А. Железобетонные трубы. - М.: АСВ, 2004. - 328 с.
7. Дубинина В.Г. Разработка оптимальных параметров центрифугирования железобетонных безнапорных труб: дис. ... канд. техн. наук. - Нижний Тагил, 2002. - 150 с.
8. Подольский В.И. Железобетонные опоры контактной сети. Конструкции, эксплуатация, диагностика // Труды ВНИИЖТ. - М.: Интекст, 2007. - 152 с.
9. ЩуцкийВ.Л., Стельмах С.А., Насевич А.Си др. Исследование зависимости некоторых физико-механических характеристик и показателей долговечности тяжелых бетонов от вида технологии их получения // Вестник евразийской науки. - 2019. - № 3.
10. Леонович С.Н., Зикеев Л.Н. Долговечность центрифугированных железобетонных стоек. Обзорная информация. - М.: Информэнерго, 1991. - 64 с.
11. Чернильник А.А., Доценко Н.А., Щербань Е.М. и др. Анализ эксплуатационных факторов, влияющих на долговечность центрифугированных железобетонных изделий и конструкций // Вестник Евразийской науки. - 2019. - № 3.
12. Чернильник А.А., Шакая Д.Р., Стельмах С.А. и др. Актуальность применения полых железобетонных свай и исследование способов повышения их эксплуатационных характеристик // Вестник евразийской науки. - 2019. - № 2.
13. Батаев Д.К.-С., Сайдумов М.С., Муртазаева Т.С-А. и др. Перспективы использования модифицированных высококачественных бетонов в современном строительстве // Современные строительные материалы, технологии и конструкции: материалы междунар. науч.-практ. конф., посвященной 95-летию ФГБОУ ВПО «ГГНТУ им. акад. М.Д. Миллионщикова». - 2015. - С. 485-492.
14. Несветаев Г.В., Хаджишалапов Г.Н., Нажуев М.П. и др. Раздельное бетонирование при изготовлении центрифугированных железобетонных изделий // Инженерный вестник Дона. - 2019. -№ 9.
15. Щербань Е.М., Стельмах С.А., Павлов А.Е. и др. Некоторые аспекты выбора методики испытаний при определении морозостойкости центрифугированных бетонов // Вестник Евразийской науки. - 2020. - № 1.
Bibliography
1. Klyukas R., Vadluga R. Features of the use of chemical additives for concrete of centrifuged structures // Bulletin of the Ulyanovsk State Technical University. - 2009. - N 2 (46). - P. 43-47.
2. Shchutsky V.L., Gritsenko M.Yu., Dedukh D.A. Research of physical and mechanical properties of centrifuged concrete // Engineering Bulletin of the Don. - 2015. - N 4. - URL: http://www.ivdon.ru/ru/mag-azine/archive/n2p2y2015/3000
3. RyazanovM.A. [et .al.]. Calculation of bending elements taking into account the physical nonlinearity of deformation // Bulletin of BSTU after V.G. Shukhov. - 2016. - N 12. - P. 58-64.
4. Akhverdov I.N. Prospects for the development of technology for the production of centrifuged reinforced concrete structures // Problems of creation and application of centrifuged reinforced concrete structures in construction. - Minsk: BelNIINT, 1985. - P. 9-11.
5. Suleimanova L.A. High-quality energy-saving and competitive building materials, products and structures // Bulletin of BSTU after V.G. Shukhov. - 2017. - N 1. - P. 9-16.
6. Tevelev Yu.A. Reinforced concrete pipes. - M.: ASV, 2004. - 328 p.
7. Dubinina V.G. Development of optimal parameters for centrifugation of reinforced concrete gravity pipes: diss. ... cand. techn. sciences: 05.23.05. - Nizhny Tagil, 2002. - 150 p.
8. Podolsky V.I. Reinforced concrete overhead supports. Designs, operation, diagnostics // Proceedings of VNIIZhT. - M.: Intekst, 2007. - 152 p.
9. Shchutsky V.L., Stelmakh S.A., Nasevich A.S. et al. Study of the dependence of some physical and mechanical characteristics and indicators of durability of heavy concrete on the type of technology for their production // Bulletin of Eurasian Science. - 2019. - N 3.
10. Leonovich S.N., ZikeevL.N. Durability of centrifuged reinforced concrete racks. Survey information. - M.: Informenergo, 1991. - 64 p.
11. Chernilnik A.A., Dotsenko N.A., Shcherban E.M. et al. Analysis of operational factors affecting the durability of centrifuged reinforced concrete products and structures // Bulletin of Eurasian Science. - 2019. -N 3.
12. Chernilnik A.A., Shakaya D.R., Stelmakh S.A. et al. The relevance of the use of hollow reinforced concrete piles and the study of ways to improve their performance // Bulletin of Eurasian Science. - 2019. -N 2.
13. Bataev D.K.-S., Saidumov M.S., Murtazaeva T.S-A. et al. Prospects for the use of modified high-quality concrete in modern construction // Modern building materials, technologies and structures. Materials of the International Scientific and Practical Conference dedicated to the 95th anniversary of GSOTU named after acad. M.D. Millionshchikov. GSOTU named after acad. M.D. Millionshchikov. - 2015. - P. 485-492.
14. Nesvetaev G.V., Khadzhishalapov G.N., Nazhuev M.P. et al. Separate concreting in the manufacture of centrifuged reinforced concrete products // Engineering Bulletin of the Don. - 2019. - N 9.
15. Shcherban E.M., Stel'makh S.A., Pavlov A.E. et al. Some aspects of choosing a test method for determining frost resistance of centrifuged concrete // Bulletin of Eurasian Science. - 2020. - N 1.
