CC BY
16УДК 666.69.059.4
С.Н. ТОЛМАЧЕВ, канд. техн. наук, Е.А. БЕЛИЧЕНКО, инженер, Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет (Украина)
Повышение долговечности тяжелого бетона путем комплексной активации структурных уровней
Известно, что структуру цементного бетона можно представить как систему «структура в структуре» [1, 2]. Для цементного бетона иерархия структур представляется следующим образом:
— субмикроструктура — истинный или коллоидный водный раствор растворимых или нерастворимых веществ;
— микроструктура — цементное тесто в незатвердев-шем или затвердевшем состоянии;
— мезоструктура — цементно-песчаная растворная смесь или цементно-песчаный раствор;
— макроструктура — крупный заполнитель совместно с цементно-песчаной частью.
Такое деление структуры бетона на уровни вызвано в первую очередь тем, что каждый из них удобно рассматривать как единое целое с присущей ему определенной степенью однородности. Это позволяет, предложив ту или иную физическую или физико-математическую модель поведения определенного уровня структуры, применить законы физико-химической механики и механики разрушения и описать состояние бетона и прогнозировать его поведение.
Такой подход имеет один недостаток, который заключается в том, что даже в случае идеального подбора материалов бетон имеет высокую степень неоднородности, которая возрастает с переходом от низшего уровня структуры к высшему. Минимальная неоднородность присуща субмикроструктуре, максимальная — макроструктуре. Поэтому повышение однородности всех уровней структуры является одной из задач бетоноведе-ния, решение которой позволит улучшить эксплуатационные свойства бетона. Наиболее простое решение этой задачи, как известно, возможно на основе приложения определенных видов активационных воздействий.
Для улучшения свойств бетона предлагались различные виды воздействий, среди которых можно выделить активацию отдельных компонентов бетонной смеси (цемента, песка, щебня); активацию субмикро-, микро-, мезо- и макроструктуры бетонной смеси и бетона; введение химических и минеральных добавок как особый способ активации отдельных компонентов смеси и уровней структуры бетона.
Активация может быть осуществлена химическим, физическим, физико-химическим, механическим способами. Эффективность каждого отдельного разработанного метода воздействия доказана многочисленными исследованиями и подтверждена на практике.
Однако практически отсутствуют исследования, в которых были бы показаны сравнительные данные, позволяющие судить об эффективности комплекса методов активации, включающего, например, все три вида воздействий или все способы активации. Отсутствуют данные о результатах комплекса одновременных воздействий нескольких вариантов активации. Очевидно, это связано с тем, что при одновременном наложении
двух или более видов воздействий они начинают противодействовать друг другу, что может привести к прямо противоположному эффекту — вместо улучшения свойства бетона ухудшаются. Причем это может проявиться не сразу, а с течением времени.
Удачным решением, позволяющим исключить хаотическое применение активационных воздействий, был предложенный О.П. Мчедловым-Петросяном «принцип соответствия», или «принцип когерентности» [3]. Согласно этому принципу для получения материала с заданными свойствами должно быть соблюдено соответствие между характеристиками исходных материалов и методами их обработки, т. е. активации. Это принцип, который предусматривает приложение определенного воздействия для определенного компонента (компонентов) в нужное время и в необходимом объеме. В основе принципа лежат фундаментальные законы физико-химической механики, физикохимии и ее раздела — коллоидной химии. Практическим приложением принципа является принцип оптимальной дисперсности, позволяющий уменьшить неоднородность материала и повысить его прочность. Теория образования и развития дисперсных структур хорошо освещена в работах П.А. Ребиндера и его учеников [4]. В первую очередь это относится к цементу и далее к микроструктуре цементного бетона, т. е. твердеющему или затвердевшему цементному камню. В работах О.П. Мчедлова-Петро-сяна также изложены основные факторы, влияющие на качество получаемого бетона: качество исходных компонентов; условия изготовления смеси; условия изготовления и эксплуатации изделий.
Развитие этих положений применительно к цементному бетону нашло отражение в работах И.Н. Ахвердо-ва, В.И. Бабушкина, Ю.М. Баженова, В.Г. Батракова, И.М. Грушко, Л.И. Дворкина, В.М. Москвина, А.Н. Плугина, И.А. Рыбьева, В.И. Соломатова, А.Е. Шейкина, Л.Г. Шпыновой, А.В. Ушерова-Марша-ка и их последователей. Однако в этих работах в первую очередь были рассмотрены отдельные виды активаци-онных воздействий, касающиеся в первую очередь мезо- и макроструктуры бетона. Теория направленного структурообразования на уровне микроструктуры и частично субмикроструктуры получила развитие в исследованиях школы А.Н. Плугина [5]. В них показано, что характер формируемой микроструктуры бетона определяет его свойства.
Если рассматривать задачу более широко, то можно сказать, что все уровни структуры бетона иерархичны, т. е. имеет место подчиненность более грубых и менее однородных структурных уровней более дисперсным и упорядоченным. Тогда для формирования структуры бетона в целом необходимо применить принцип соответствия на каждом уровне структуры начиная с суб-микроуровня. Если в каждом случае выбрать соответствующее активационное воздействие, определив при
76
научно-технический и производственный журнал
сентябрь 2012
Электронно-микроскопическое изображение цементного камня с УНЧ. Увеличение Х20000
этом, не оказывает ли оно отрицательное влияние на следующий структурный уровень, то можно создать бетон, отличающийся высокой долговечностью и обладающий заранее заданными свойствами. Этот метод нашел подтверждение в разработках, связанных с созданием и применением так называемых высокофункциональных бетонов (High Performance Concrete — HPC). Однако и в этом случае активация касается микро- и мезоструктурных уровней бетона и не затрагивает субмикроструктуру, т. е. воду затворения с находящимися в ней веществами.
Данные исследования касаются активации в первую очередь на субмикро- и микроуровне бетона. Для этого рассмотрено влияние углеродных коллоидных нанораз-мерных частиц (УНЧ) на различные уровни структуры бетона. Размеры наночастиц составляли 10-8—10-9 м, что позволило воздействовать на субмикроструктуру и эффективно активировать процессы, происходящие на микроуровне структуры.
Как следует из представленных данных (табл. 1), влияние УНЧ на прочность цементосодержащих систем различно. Например, для цементного камня, наиболее однородном уровне структуры бетона, прирост прочности при введении УНЧ составляет 160—190%. Для раствора с различным соотношением цемента и песка уровень структуры, отличающийся меньшей однородностью, максимальный прирост прочности составил 140—150%. При этом оказалось, что чем выше содержание песка в составе раствора, тем меньше прирост прочности. Для мелкозернистого бетона наименее однородный уровень структуры бетона, с максимальной крупностью заполнителя 10 мм прирост прочности не превышает 25%.
Исследованиями установлено, что применение еще одного способа активации — тепловлажностной обра-
ботки совместно с введением УНЧ повышает прочность цементного камня по сравнению с цементным камнем, твердеющим в нормальных условиях (табл. 1).
Разница в прочности после ТВО и после 3 сут естественного твердения по сравнению с системой, не содержащей УНЧ, выше для всех уровней структуры. В этом случае также наблюдается снижение эффективности действия УНЧ при переходе от микро- к мезо- и далее, макроуровню. Было установлено, что применение мягких режимов ТВО увеличивает разность в приросте прочности по сравнению с контрольными составами между бетоном пропаренным и естественного твердения. Это позволяет утверждать, что в данном конкретном случае для получения бетона с высокой ранней прочностью более эффективно применение двух способов активации — УНЧ и пропаривания.
Полученные данные также позволяют утверждать, что для жестких смесей, уплотняемых прессованием, когда воды затворения мало, эффективность введения УНЧ возрастает, что характерно для бетона естественного твердения и подвергнутых ТВО.
Более того, при прессовании эффективность введения УНЧ возрастает для более грубых структурных уровней — цементно-песчаного раствора и мелкозернистого бетона, что можно увидеть по изменению прочности. Очевидно, что в этом случае физико-химическая активация усиливается механическим воздействием — созданием плотной упаковки частиц всех размеров на всех структурных уровнях. Это подтверждает высказанное предположение о возможности улучшения качества бетона за счет правильного выбора комплекса воздействий на его уровни структуры.
Теоретические предпосылки преимущественного улучшения прочности цементного камня основаны на основополагающих законах физической химии. Углеродные частицы в начальный период равномерно распределены в объеме жидкой фазы. С течением времени по законам термодинамики они объединяются в более крупные ассоциаты, которые имеют размеры 10-8 м и могут являться первичными центрами кристаллизации. В дальнейшем в соответствии с теорией электровзаимодействий А.Н. Плугина ассоциаты — обладающие значительным отрицательным зарядом углеродные частицы присоединяют положительно заряженные частицы эт-трингита и диссоциированные алюминатные фазы цемента. Они становятся мостиками, которые одновременно являются и центрами кристаллизации и инициаторами ее ускорения (см. рисунок). Тем самым ускоряется кристаллизация, которая является лимитирующим звеном в цепи начальных физико-химических превращений при твердении цемента. На субмикро- и микроуровне основная роль принадлежит выполнению законов физической и коллоидной химии, учет которых позволяет управлять процессами структурообразования.
С переходом на более грубые по дисперсности уровни структуры неоднородность системы возрастает
Таблица 1
№ п/п Уровень структуры Наличие УНЧ RTB0, % контроля R3 сут, % контроля R28 сут, % контроля
1 Микро - 100 100 100
2 Микро + 190 130 160
3 Мезо - 100 100 100
4 Мезо + 140 120 150
5 Макро - 100 100 100
6 Макро + 125 115 125
Примечание. Контроль - прочность образца, не содержащего УНЧ.
rj научно-технический и производственный журнал
¿Усентябрь 2012 77
Таблица 2
№ состава Ясж, МПа
1 Контроль 37,3
2 УНЧ 55,4
3 Fm 21 - 0,5% массы цемента 43,1
4 Fm 21 - 0,7% массы цемента 39,2
5 УНЧ + Fm 21 - 0,5% массы цемента 64,1
6 УНЧ + Fm 21 - 0,7% массы цемента 50,4
и возникает необходимость ее уменьшить, например за счет более упорядоченного расположения частиц различной крупности механическим способом. На этом основано введение в состав цементных растворов и мелкозернистых бетонов, например микронаполнителей размером 10-5—10-7 м, которые в первую очередь заполняют поры различного диаметра в микро- и мезострук-туре. Это достаточно эффективный прием модификации структуры, позволяющий повысить прочность и долговечность раствора и бетона. Количество вводимого наполнителя ограничено, так как его высокая водо-потребность приводит к повышению содержания воды в бетоне, что влечет за собой повышение пористости, а значит, снижение эксплуатационных характеристик бетона. Отмечено, что уплотнение мезо- и макроструктуры введением инертных частиц различного размера наиболее эффективно в прессованном бетоне, где количество воды ограничено и вода в нем кроме основной составляющей для создания кристаллогидратов может выполнять и другие функции. Поэтому с переходом на более грубый уровень возрастает роль химических и минеральных добавок, вводимых в бетон, механизм действия которых подчиняется фундаментальным законам коллоидной химии.
Известно, что химические добавки — суперпластификаторы оказывают сильное влияние на свойства бетонных смесей и бетона. Однако в зависимости от применяемого метода воздействия на бетонную смесь в период уплотнения эффективность таких добавок различна. Например, при сравнительном анализе влияния УНЧ и суперпластификатора Fm 21 на прочность бетона было установлено, что применение химической добавки эффективнее введения УНЧ. Разница в прочности виброуплотненного бетона с 0,7% Fm 21 по сравнению с бетонами с УНЧ составила 25%. Для бетонов, уплотняемых прессованием, наблюдается иная картина (табл. 2).
Введение УНЧ позволяет повысить прочность при сжатии после ТВО песчаного бетона состава Ц:П = 1:1,5 на 48% (составы 1 и 2). Введение суперпластификатора Fm 21 в количестве 0,5% массы цемента приводит к меньшему приросту прочности на 16% по сравнению с составом без всякихдобавок (составы 1 и 3). Применение Fm 21 в количествах более 0,5% приводит к уменьшению эффективности действия добавки и снижению прочности бетона (составы 3 и 4). В то же время совместное введение УНЧ и Fm 21 приводит к росту прочности бетона на 72% (составы 1 и 6). Это больше суммарного прироста прочности бетона с отдельно взятыми добавками — 62%. Этот эксперимент показал, что применение нескольких способов воздействия (УНЧ+Fm 21+прессование+ТВО) на различные структурные уровни бетона позволяет достичь неаддитивного эффекта роста прочности.
Проведенные исследования показали, что для повышения качества тяжелого цементного бетона в каждом конкретном случае возможно и использование комплекса методов воздействия на структурные уров-
ни бетона достаточно эффективно. При этом необходимо, чтобы методы воздействия усиливали индивидуальность каждого, что позволяет значительно повысить долговечность бетона. В описанном случае изучение эксплуатационных свойств бетона с УНЧ позволило установить, что комплекс воздействий (УНЧ+ТВО+прессование) повышает не только прочность, но также снижает водопоглощение до 30% и истираемость до 40%, повышает морозостойкость на 1—2 марки. Еще больший эффект обеспечивает дополнительное сочетание этого комплекса с применением суперпластификатора.
Ключевые слова: углеродные коллоидные наноразмер-ные частицы, иерархия структур бетона, прочность.
Список литературы
1. Грушко И.М., Глущенко Н.Ф., Ильин А.Г. Структура и прочность дорожного цементного бетона. Харьков: Харьковский государственный университет, 1965. 135 с.
2. Бабушкин В.И. Физико-химические процессы коррозии бетона и железобетона. М.: Стройиздат, 1968. 187 с.
3. Мчедлов-Петросян О.П. Химия неорганических строительных материалов. М.: Изд-во литературы по строительству, 1971. 224 с.
4. Ребиндер П.А. Физико-химическая механика дисперсных структур. М.: Стройиздат, 1966. 400 с.
5. Плугин А.Н., Плугин А.А., Калинин О.А. Коллоидно-химические основы прочности, разрушения и долговечности бетона и железобетонных конструкций // Цемент. 1997. № 2. С. 28-32.
А.В. Ушеров-Маршак
БЕТОНОВЕДЕНИЕ
лексикон
М.: РИФ «СТРОЙМАТЕРИАЛЫ», 2009. 112 с.
Издание подготовлено в виде толкового словаря, ориентированного на формирование понятийно-терминологического аппарата бетоноведения - одной из динамично развивающихся, сложных и специфических областей материаловедения. Учтены тенденции международной интеграции науки о бетоне и его технологии.
«Бетоноведение: лексикон» содержит более 650 терминов и понятий, 150 аббревиатур международно признанных словосочетаний, наиболее часто употребляемых в профессиональной научно-технической литературе и нормативных документах. Особенность издания состоит в насыщенности информацией физико- и коллоидно-химического характера в связи с возрастающей ролью этих знаний при обосновании составов, структур, свойств, технологических процессов получения и службы бетона.
Издание рассчитано на широкий круг представителей науки, образования, в том числе учащихся вузов и колледжей, практики строительной сферы.
Цена 1 экз. без почтовых услуг 250 р., НДС не облагается Книгу можно заказать с сайта издательства
www.rifsm.ru
Тел./факс: (499) 976-20-36, 976-22-08 e-mail: mail@rifsm.ru
78
научно-технический и производственный журнал
сентябрь 2012
jVJ ®
