Неразрушающий контроль качества бетонных строительных композитов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691.32

М.А. ФРОЛОВА, канд. техн. наук, А.С. ТУТЫГИН ([email protected]),

A.М. АЙЗЕНШТАДТ, д-р хим. наук, Т.А. МАХОВА, Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова (Архангельск);

B.С. ЛЕСОВИК, д-р техн. наук, БГТУ им. В.Г. Шухова (Белгород)

Неразрушающий контроль качества бетонных строительных композитов

Одной из наиболее активно развивающихся и востребованных технологий в строительной отрасли в настоящее время является возведение монолитных конструкций, в частности при монолитно-каркасном и сборно-монолитном строительстве. Качество возводимых зданий складывается из ряда составляющих, одна из которых качество используемого бетона. Поэтому актуальным является применение методов неразрушаю-щего контроля качества бетона монолитных конструкций вместо испытания контрольных образцов, не всегда отражающих реальную прочность бетона в конструкциях. Вместе с тем одним из критериев оценки прочностных характеристик бетонных изделий является сила связи между составляющими данного строительного композита, которая в свою очередь определяется взаимодействием между микрообъектами. Поэтому важно установить принципиальную возможность использования параметров, характеризующих молекулярный уровень взаимодействия частиц, в качестве критериев оценки прочностных характеристик бетонного композита методом неразрушающего контроля.

Б.В. Дерягин [1, 2] в теории молекулярного взаимодействия между микрообъектами предлагает использовать постоянную Гамакера (А) для расчета силы взаимодействия между частицами по краевому углу смачивания (6) твердого тела жидкостью. Причем функционально данные параметры связаны следующим уравнением:

cos 0=1 +

12к hlm аж

(1)

где hmin — наименьшая толщина пленки, которая соответствует Ван-дер-Ваальсовому расстоянию (0,24 нм); стж — поверхностное натяжение жидкости; A — постоянная Гамакера. Следовательно, теоретически зависимость вида:

cos 0 - 1 = Д1/аж)

имеет линейный характер, а тангенс угла наклона прямой, умноженный на постоянные 12я й^п, равен величине А.

Для отработки методики определения постоянной Гамакера по данному методу первой эксперименталь-

ной задачей является выбор смачивающей (стандартной) жидкости, которая, учитывая ограничения [3], соответствует следующим критериям: жидкость должна быть неполярной или слабополярной; наиболее целесообразно применять гомологический ряд жидкостей; поверхностное натяжение жидкости должно быть не более 35 • 10-3 Н/м.

В качестве стандартного раствора был выбран водный раствор этилового спирта. В табл. 1 представлены сравнительные данные по дипольному моменту и поверхностному натяжению различных жидких сред, которые показывают, что раствор этанола относится к слабополярным растворителям с удовлетворительным значением поверхностного натяжения.

Кроме того, при выборе стандартного раствора учитывалась возможность образования с водой гомогенной системы и температура испарения раствора.

Классическими методами определения поверхностного натяжения жидкости являются метод наибольшего давления образования пузырьков (метод Ребиндера),

Рис. 1. Фотография установки для измерения краевого угла и межфазного поверхностного натяжения KRUSS Easy Drop

Таблица 1

Физические свойства некоторых жидкостей [4, 5]

Жидкость Физические свойства

ох 103, Н/м (20оС) Дипольный момент, D Т кипения, оС Растворимость в воде (н.у.)

Вода 72,75 1,83 100 -

Этанол (абс.) 22,55 1,63 78,1 неограниченно

Ацетон 23,3 2,83 56,1 хорошо

Диэтиловый эфир 16,4 1,15 34,1 плохо

п-гексан 18,4 0 68,7 плохо

научно-технический и производственный журнал Q'j'pfjyrj'ijj^jlj^js 20 март 2012 Ы *

cos 9 1

Таблица 2

30 35

ож (сигма) ■ 103, Н/м

Рис. 2. Функциональная зависимость cos 0 = Дож) для кристаллического кварца

20

25

30

35

1/ож (сигма), м/Н 40 45

-0,25

cos 9 - 1

Рис. 3. Функциональная зависимость cos 0 -ческого кварца

1 = /(1/ож) для кристалли-

Значения поверхностного натяжения водно-этанольных растворов

Содержание воды, об. % (ож±0,02)х103, н/м

0 24,74

10 26,61

20 27,34

30 28,11

40 28,42

50 31,31

Таблица 3

Характеристика образцов бетона

Соотношение: цемент : песок Прочность образца, МПа Средняя прочность, МПа

1:1 32,7 31,5 32,1

1:2 23,4 22,1 22,8

1:2,5 15,1 14,6 14,8

1:3 13,1 12,6 12,8

1:4 9.1 8.2 8,6

метод счета капель (сталагмометрический метод), метод капиллярного поднятия жидкости [6]. Однако современная приборная база позволяет решить данную непростую экспериментальную задачу с помощью установки EasyDrop («Легкая капля») (рис. 1). Эта система была разработана для решения стандартных задач по измерению краевого угла и поверхностного (межфазного) натяжения.

Принцип измерений основан на определения краевого угла смачивания по измерению высоты капли и диаметра ее основания (руководство по применению Kruss Easy Drop).

В процессе проведения экспериментов использовался водный раствор технического спирта с концентрацией от 0 до 50% воды. В испытаниях опытным путем подбирались физические параметры капли (диаметр капилляра 1,821 мм). Все эксперименты проводились при 22±1оС.

В табл. 2 представлены рассчитанные значения поверхностных натяжений стандартной жидкости методом висящей капли.

Для отработки методики определения постоянной Гамакера по краевому углу смачивания в качестве опытного образца был использован природный кварц (плотность 2,65 г/см3). На рис. 2 и 3 представлены функциональные зависимости вида cos 0 = /(стж) и cos 0 — 1 = /(1/стж), которые имеют линейный характер с высоким значением коэффициента корреляции.

Расчет постоянной Гамакера по уравнению (1) с учетом величины углового коэффициента 0,019 (рис. 3) дал

Таблица 4

Результаты определения краевого угла смачивания и рассчитанные значения постоянной А для испытуемых образцов бетона

Прочность образца, МПа Угол 9 (град.) для водно-спиртовых растворов с концентрацией этанола (об. %): Cos 9 для водно-спиртовых растворов с концентрацией этанола (об. %): Ах 1020 Дж

100 90 80 70 60 50 100 90 80 70 60 50

32,1 19 16 19 22 23 38 0,94 0,96 0,94 0,93 0,92 0,79 4,3

21 20 23 26 31 37 0,93 0,94 0,92 0,9 0,86 0,8

22,8 16 17 17 21 31 36 0,96 0,96 0,96 0,93 0,86 0,81 3,9

15 16 17 22 28 41 0,97 0,96 0,96 0,93 0,88 0,75

14,8 14 17 19 19 22 - 0,97 0,96 0,95 0,95 0,93 - 2,6

14 16 19 27 27 30 0,97 0,96 0,95 0,89 0,89 0,87

12,8 12 15 21 19 25 27 0,98 0,97 0,93 0,94 0,91 0,89 2,5

12 17 22 24 34 - 0,98 0,96 0,93 0,91 0,83 -

8,6 14 14 17 17 24 - 0,97 0,97 0,96 0,96 0,91 - 2,4

14 15 17 26 27 27 0,97 0,97 0,96 0,9 0,89 0,89

научно-технический и производственный журнал

март 2012

21

А, Дж 5

4

3

2

1

0

0 5 10 15 20 25

Рис. 4. Функциональная зависимость А=^Р)

30

35 Р, МПа

затвердевания. Для проведения параллельных измерений было изготовлено по два образца каждой смеси.

На рис. 4 представлена зависимость постоянной А от параметра прочности стандартного образца (Р), которая имеет линейный характер с высоким значением коэффициента корреляции (г = 0,96).

Таким образом, можно заключить, что выделенный критерий оценки силы межчастичного взаимодействия (А) и метод его определения по величине краевого угла может являться основой для разработки экспрессного, высокоинформативного способа неразрушающего контроля прочности бетонных строительных композитов.

поверхностное натяжение,

значение А = 4,1 • 10-20 Дж, которое хорошо согласуется с приведенным в литературе (4,5 • 10-20 Дж [7]).

В продолжении экспериментов были изготовлены по ГОСТ 310.1-76 и ГОСТ 310.4-81 балочки размером 40x40x160 мм из цементно-песчаного раствора (использовался цемент М400 и песок мелкий) при температуре 200оС с применением вибрации в течение 3 мин на площадке с амплитудой 0,35 мм и частотой колебания 3000 в 1 мин. Для испытаний применялся стандартный песок по ГОСТ 6139-78. Прочностные характеристики стандартных образцов (Р) определялись с помощью измерителя прочности бетона ИПС-МГ4.03 после 28 сут выдержки образцов в соответствии с ГОСТ 22690-88 (диапазон измерения прочности 3-100 МПа; относительная погрешность 8%). В табл. 3 представлены характеристики состава изготовленных стандартных образцов и прочностные показатели исследуемых смесей после их

Ключевые слова: бетон,

краевой гол, прочность.

Список литературы

1. Дерягин Б.В., Абрикосова И.И., Лифшиц Е.М. Молекулярное притяжение конденсированных тел // Успехи физических наук. 1958. Т. LXIV. Вып. 3. С. 494-526.

2. Дерягин Б.Д., Чураев Н.В. Смачивающие пленки. М.: Наука, 1984. 60 с.

3. ВолковВ.А. Коллоидная химия. М. 2001. Электронная книга.

4. Химическая энциклопедия: в пяти томах. М.: Советская энциклопедия, 1988. Т. 1. 1220 с.

5. Химическая энциклопедия: в пяти томах. ветская энциклопедия, 1994. Т. 5. 1270 с.

6. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. М.: 1984. 573 с.

7. Тищенко А.И., Корнеев И.А., Агапов М.Н. Оценка прочности индивидуального контакта между твердыми структурными элементами лессовых оснований зданий массовой серийной застройки // Ползу-новский вестник. 2007. № 1-2. С. 55-57.

М.: Со-

Химия.

XVII МЕЖДУНАРОДНАЯ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННАЯ ВЫСТАВКА

ВОЛГАСТРОЙЭКСПО

^ufi

Approved Event

iOi

24-27

АПРЕЛЯ

«-"2 Россия, 420059, г. Казань, Оренбургский тракт, 8, Выставочный центр "Казанская ярмарка" т./ ф.: (843) 570-51-07, 570-51-11, е-таП: [email protected],

22

научно-технический и производственный журнал

март 2012

jVJ ®