CC BY
89
УДК 691.32
С-А.Ю. Муртазаев, М.Ш. Саламанова, А.Х. Аласханов
ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ И ФОРМИРОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ ПРЕССОВАННОГО МЕЛКОЗЕРНИСТОГО БЕТОНА1
Аннотация: в статье раскрываются особенности структурообразования и формирование прочности прессованных мелкозернистых бетонов, полученных с использованием техногенных песков и модифицирующих добавок. Также исследованы типы структур прессованного цементного композита.
Ключевые слова: прессованные мелкозернистые бетоны, трехфазные системы, глобулирование, капиллярное структурообразование, структура композита, тонкодисперсные частицы, контактирование дискретных частиц, межзерновые пустоты.
S-A.Y. Murtazaev, M.SH. Salamanova, A.A. Alashanov
PARTICULARITIES OF THE STRUCTURIZATION AND SHAPING TO TOUGHNESS PRESSED FINE-GRAINED CONCRETE
The аbstract: particularities of the structurization open in article and shaping to toughness pressed fine-grained concrete, got with use waste rock and modifying additives. also explored types of the structures pressed cement concrete.
The keywords: pressed fine-grained concretes, three-phase systems, capillary structurization, composite structure, small particles, Interaction of discrete particles, intergrain emptiness.
В настоящее время мелкозернистые бетоны ввиду наличия специфичных свойств широко используются в различных отраслях строительного производства, в частности, в дорожном строительстве.
Анализ причин разрушения бетонов дорожных покрытий при попеременном замораживании и оттаивании, показал, что основные факторы, определяющие недостаточную морозостойкость бетонов, являются неоднородность структуры бетона и его составляющих и различия в коэффициентах линейно-температурного расширения крупного заполнителя и затвердевшей растворной части.
При попеременном замораживании и оттаивании в бетоне возникают напряжения на поверхности раздела «крупный заполнитель - цементно-песчаный раствор». При величине внутренних напряжений, превышающих прочность бетона на растяжение, происходит образование трещин, приводящих к снижению прочности бетона, а в итоге к его разрушению. А так же, недостаток качественного крупного заполнителя обусловливает применение в бетонах щебня, морозостойкость которого иногда бывает ниже требуемой [1].
Следовательно, для получения долговечных и морозостойких бетонов целесообразно применять мелкозернистые (песчаные) бетоны, в которых отсутствует крупный заполнитель, они обладают более однородной структурой, в качестве заполнителя применяется материал высокой морозостойкости - кварцевый песок.
Интенсивное строительство и благоустройство городов и сел в Чеченской Республике увеличивает потребность в производстве таких строительных изделий из мелкозернистых бетонов, как элементы мощения, плиты бетонные тротуарные, камень
120
А-
бортовой бетонный, элементы фасадов зданий и др.
Однако мелкозернистые бетоны имеют и специфические недостатки, обусловленные большой поверхностью мелких заполнителей, требующих повышенного на 15-25% расхода цемента и воды для получения необходимой подвижности бетонной смеси и покрытия поверхности зерен заполнителя тонкой пленкой цементного теста.
Слабо закристаллизованная гелеобразная структура цементных частичек и зерен мелкого заполнителя при их недостаточном сцеплении обуславливают повышенные усадки и ползучесть мелкозернистого бетона.
Для уменьшения этих недостатков и улучшения свойств бетона в формовочные смеси вводят различные органоминеральные добавки пластифицирующего и модифицирующего действия, применяют вибросиловое уплотнение бетонной смеси прессованием, штампованием, используют цементы более тонкого помола.
Совокупное применение всех этих технологических мер позволяет снизить расход вяжущего и водоцементного соотношения (В/Ц) бетонной смеси, повысить их плотность, ускорить твердение, увеличить прочность, снизить усадку и ползучесть мелкозернистых бетонов. В связи с этим технология формования изделий прессованием получает все более широкое распространение.
При прессовании изменение свойств исходного бетона связано с особенностями структурообразования и формирования прочности цементного камня. Эти процессы в обычном и прессованном цементном камне имеют отличительные особенности, которые до сих пор в должной мере не изучены. В представленных исследованиях делается попытка выявить некоторые явления, происходящие в цементном камне при его прессовании, а именно изменения его прочности, плотности и пористости.
В трехфазных (твердое тело-жидкость-газ) цементных системах при малых В/Ц, т.е. при неполном заполнении межзерновых пор цементной системы водой, что имеет место при получении изделий способом полусухого прессования, преобладающими силами взаимодействия между цементными частицами и зернами заполнителя в начальный момент после затворения будут являться силы капиллярного сцепления. Поэтому на зависимость прочности затвердевшего материала от влажности сырьевой смеси будут оказывать влияние процессы капиллярного структурообразования. Важнейшим процессом капиллярного структурообразования в таких системах, состоящих из грубодисперсной и тонкодисперсной фракций, к которым относятся смеси заполнителя и минерального вяжущего, является глобулирование, которое выражается в налипании частиц последнего на поверхность крупных зерен песка с образованием агрегатов-глобул [2].
В результате глобулирования концентрация вяжущего у поверхности заполнителей и в контактных зонах между ними будет выше средней концентрации вяжущего в формовочной смеси. В этом одна из причин увеличения прочности и плотности материалов в этих зонах.
Пределы прочности на растяжение при изгибе и сжатие прессованного мелкозернистого бетона при одинаковой плотности по сухому веществу (постоянной пористости) с увеличением влажности сырьевой смеси до определенного предела, характерного для каждого состава смеси, достигают максимального значения, а затем снижаются (рис. 1 и 2). При этих же значениях влажности наблюдается минимум насыпной плотности в пересчете на сухое вещество сырьевых смесей соответствующего состава.
При влажности максимального глобулирования ЖМГ в результате действия капиллярных сил тонкодисперсные частицы цемента сосредотачиваются на поверхности грубодисперсных зерен песка и в зонах контакта последних, образуя ячеисто-глобулярную структуру. Это обуславливает оптимальную структуру композита, характеризующуюся наибольшей концентрацией вяжущего в зонах контакта заполнителя, и как следствие, повышенной прочностью контактных зон.
Прочность полученного материала с оптимальной структурой при прочих равных
121
условиях будет наибольшей. Таким образом, жидкая фаза в трехфазной сырьевой смеси при оптимальном содержании может рассматриваться как усиливающий компонент, благодаря которому происходит упрочнение композита [3].
а
е б и г
3 и
и р
п е и н е еж
ят с а
а, к Р4 и т с о н
4
о р
п
л
е
д
е р
С
10
8
4
3 \
1 \ \ 2 > V \ 4 / 7 1 \/
\) А/ ' / 1 /
Щ / /> V
1 2 ^ / г
115
1,10
1,05
1,00
0,95
0,90
о
х у
с о п
к 3
о
м кг
с,
ту св
о
н
т
о
л
п
я
а
н
п
ы
с
а
К
т с
е ещ
е в
4
10
ж %
Рис. 1. Зависимости насыпной плотности сырьевой смеси (пунктир) и предела прочности на растяжение при изгибе образцов мелкозернистого бетона (сплошная линия) от влажности сырьевой смеси при постоянной пористости образцов: 1 - состав смеси (цемент: песок) 1:1, 2 - 1:2, 3 - 1:3, 4 - 1:5.
Рис. 2. Зависимости предела прочности на сжатие образцов мелкозернистого бетона от влажности сырьевой смеси при постоянной пористости образцов: 1 - состав смеси (цемент: песок) 1:1, 2- 1:2, 3 -1:3, 4- 1:5.
Соотношение между песком и цементом в сырьевой смеси определяется из следующих соображений. В зависимости от относительного содержания основных элементов твердой фазы материала, которые функционально играют роль упрочняющего
А-
и матричного компонентов, различают порфировый, контактный и законтактный типы
структур. Порфировой принято называть структуру, в которой зерна или дискретные частицы разделены толстыми прослойками, т.е. для них характерно "плавающее" расположение в материале. Если зерна или частицы контактируют через тонкие прослойки вяжущего при сохранении ее непрерывности и сплошности, то такую структуру называют контактной. При непосредственном контакте дискретных элементов, когда вяжущего вещества недостаточно для сохранения своей сплошности, говорят о законтактной структуре. Можно выделить следующие оптимальные структуры конгломерата, которые образуются в результате капиллярного структурообразования и оптимального распределения цементирующего вещества, в зависимости от его относительного содержания в объеме материала (рис. 3).
Рис. 3. Виды оптимальных структур композитов. 1 - незаполненные поры; 2 - зерна заполнителя; 3 - контактный слой; 4 - цементирующее вещество в объемном состоянии
Первый тип структуры композита (рис. 3.а) характеризуется относительно небольшим содержанием цементирующего вещества в объеме материала, при котором практически все цементирующее вещество в результате сгущения тонкодисперсных частиц цемента на поверхности грубодисперсных зерен песка и в зонах контакта последних под действием капиллярного сцепления находится в пленочном состоянии в контактных слоях, а в материале имеется большое количество незаполненных пустот. Этот тип структуры нестабилен и весьма критичен по отношению, как к содержанию цементирующего вещества, так и к значению влажности сырьевой смеси. Последнее и определяет наличие резко выраженного экстремума на кривых, показанных на рис. 1 и 2 для смеси состава 1:5. В материале с таким типом структуры количество воспринимающих нагрузки связей мало, а возникающие напряжения концентрируются в точках контакта зерен, что снижает прочность материала.
Второй тип структуры композита (рис. 3.б) характеризуется наличием максимально возможного количества связей при умеренном количестве цементирующего вещества. При этом типе структуры наблюдается контактирование дискретных частиц непосредственно через контактные прослойки цементирующего вещества без опасности прорыва последних, причем в межзерновых пустотах цементирующее вещество находится в объемном, более ослабленном, чем в пленочном, состоянии. Этот тип структуры достаточно стабилен и некритичен в определенных пределах по отношению, как к содержанию цементирующего вещества, так и к значению влажности сырьевой смеси. Последнее обстоятельство и определяет плавные экстремумы на кривых, показанных на рис. 1 и 2 для смесей составов 1:3 и 1:2.
Третий тип структуры (рис. 3.в) формируется при большом количестве цементирующего вещества (из исследованных составов к этому типу относится смесь 1:1). В этом случае контактные прослойки цементирующего вещества на частицах заполнителя могут отдаляться друг от друга, и промежутки между ними начинают занимать более ослабленные зоны матричного компонента, что приведет сначала к замедлению прироста
А-
прочности материала, а затем и снижению прочности. Для данного типа структуры
характерна размытость экстремума на зависимости прочности бетона от влажности сырьевой смеси рис. 1 и 2 особенно при превышении оптимального значения влажности (более заметное снижение прочности при малых значениях влажности объясняется недостатком воды для реакций гидратации).[4]
Так же в ходе экспериментов было выявлено влияние прессующего давления на прочность мелкозернистого бетона, изготовленного на ПЦ500 ДО Чири-Юртовского цементного завода и отсеве дробления щебня Аргунского карьера МК=3,5. Для этого с помощью специально изготовленной цилиндрической пресс-формы были изготовлены образцы. Образцы-цилиндры прессовали при давлениях 10, 20 и 30 МПа (В/Ц=0,3) и выдавливали из формы с помощью специальных опор. Далее серия образцов сразу испытывалась на сжатие, а другие серии образцов испытывались после твердения в нормальных условиях через 7, 28, 90 суток. Результаты представлены в табл. 1.
Таблица 1
Влияние прессующего давления на прочность бетона _
Прессующее давление, МПа Я1ЙЖО., МПа Я7ж, МПа ЯЙЖ, МПа ЯЙЖ, МПа
10 0,43 14,08 18,17 22,45
20 0,56 18,06 18,98 25,86
30 0,92 19,81 23,8 36,18
Примечание: Я
I .о.
ЙЖ
Г> / Г)28
ЯЙЖ ЯЙЖ ■
Я- соответственно прочность бетона на сжатие
непосредственно после формования, в 7, 28 и 90 суточном возрасте.
Результаты, полученные в ходе исследований, подтверждают необходимость интенсивного уплотнения (прессования) мелкозернистой бетонной смеси на основе техногенных песков для получения прочного и долговечного бетона для производства элементов мощения. Повышение прочности бетона при увеличении формовочного давления связано с достижением более плотной структуры материала за счет удаления вовлеченного воздуха. При этом увеличивается сцепление частиц заполнителя с цементным камнем за счет снижения дефектности зоны контакта, которая является наиболее слабым местом в структуре мелкозернистого бетона.
Для исследования влияния химических добавок на пористость и В/Ц прессованных мелкозернистых смесей были выполнены эксперименты, в процессе которых добавки вводились с водой затворения. Введение добавок С-3 и ЛСТ (табл. 2) привело к снижению В/Ц и увеличению прочности. Пористость, определяемая по кинетике водонасыщения в соответствии с ГОСТ 12730.4-78, показала, что введение добавок С-3 или ЛСТ приводит к снижению пористости и прочность мелкозернистых бетонов повышается. Результаты представлены в таблице 2.
Таблица 2
Влияние химических добавок на физико-механические свойства прессованных
бетонов
№ Расход материалов, кг/м3 Добавка, % от т цемента В/Ц Общий объем пор, % Средняя плотность, кг/м3 Прочность бетона, МПа в возрасте, сут
Ц П В наименова ние кол-во 7 28
1 535 1610 165 - - 0,31 18,2 2310 26 48
2 540 1620 155 ЛСТ 0,2 0,29 17,1 2315 42 59
3 540 1630 150 С-З 0,5 0,28 16,6 2320 46 63
Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. № 21, 2011.
А-
Таким образом, установлено, что введение химических добавок в жесткие цементно-песчаные смеси приводит к снижению начального водосодержания и водоцементного отношения, увеличению прочности бетона с 26 до 42 - 46 МПа в возрасте 7 суток и с 48 до 59 - 63 МПа, в возрасте 28 суток, увеличивается средняя плотность прессованных мелкозернистых бетонов. Кроме того установлено, что происходит изменение характера пористости, а именно - снижение открытой пористости в связи с уменьшением начального водосодержания под действием суперпластификаторов С -3 и ЛСТ на 10-20 %.
Библиографический список
1. Баженов Ю.М. Высокопрочный бетон на основе суперпластификаторов. /Ю.М. Баженов, Ш.Т. Бабаев, А.И. Груз и др.// «Строительные материалы» - 1978 г.- №9 -С.12-14.
2. Баженов Ю.М. Высококачественный тонкозернистый бетон / Ю.М. Баженов // «Строительные материалы» - 2000г. - №2.- С. - 17.
3. Волженский А.В. Пластифицированный песчаный бетон./А.В.Волженский // «Бетон и железобетон» - 1976г - №6 - С.16-17.
4. Грушко И.М. Дорожно-строительные материалы./И.М. Грушко, И.В. Королев, И М. Борщ - М: Транспорт, 1991г -254 с.
5. Шейкин А.Е. Структура и свойства цементных бетонов. / А.Е. Шейкин, Ю.В. Чеховский и др. -М: Стройиздат, 1979г - 185 с.
