CC BY
6УДК 691.3:666.94.972
Н.И. МАКРИДИН, Е.В. КОРОЛЕВ, доктора техн. наук, советники РААСН,
И.Н. МАКСИМОВА, канд. техн. наук, Ю.В. ОВСЮКОВА, инженер (office@pguas.ru),
Пензенский государственный университет архитектуры и строительства
Прогностические параметры качества структуры бетона повышенной прочности
Как известно, основным параметром бетона, на который ориентируются при подборе состава, является его прочность, т. е. марка или класс. При этом предполагается [1], что оптимально подобранный состав бетона только по прочности обеспечивает его эксплуатационные свойства и способность сохранять во времени эксплуатационную надежность. Однако многочисленными исследованиями по изучению гидратационных структур твердеющих цементных систем показано, что прочность их с течением времени в условиях продолжающейся гидратации цемента может не только повышаться, но и характеризоваться замедлением роста и даже сбросами прочности, что обусловлено возникновением в твердеющем цементном камне собственных внутренних напряжений.
Согласно современным воззрениям повышение прочности бетона в результате применения пластифицирующих добавок обусловлено не только снижением количества воды в бетонной смеси, следовательно, сокращением объема пор в цементном камне, но и диспергированием агрегированных частиц цемента, изменением электрических явлений на межфазных границах цементных частиц и условий протекания гидратации, приводящих к образованию более высокого содержания гелевой составляющей цементного камня.
Ранее показано [2] влияние концентрации и процедуры введения суперпластификатора (СП) С-3 в цемент-но-водную композицию на субмолекулярную гетерогенность структуры цементного камня. По ионизационным рентгенограммам цементного камня в возрасте от 28 сут до 4,5 лет определены величины блоков мозаики Ld по Мчедлову-Петросяну [3], позволяющие судить о гранулометрической однородности структуры образующихся фаз, степени упорядоченности кристаллов, величине удельной поверхности образующихся фаз и плотности дислокаций в структуре, определяющих в конечном итоге прочность цементного камня как матричной основы бетона повышенной прочности. Однако все эти известные данные не раскрывают влияния СП С-3 на кинетические зависимости модуля упругости и внутреннего трения высокопрочного бетона.
В данной работе представлены результаты изучения влияния добавки С-3 на формирование микро- и макроструктуры бетона повышенной прочности с помощью кинетических зависимостей коэффициента внутреннего трения и динамического модуля упругости.
Как известно, внутренним трением твердого тела называется свойство этого тела необратимо превращать в теплоту механическую энергию, сообщенную ему при деформировании. Метод внутреннего трения является структурно-чувствительным методом изучения тонкого строения твердых тел. Для измерения внутреннего трения и динамического модуля упругости бетона использовали прибор ИКВТ-2. Коэффициент внутреннего трения и модуль упругости определяются с помощью резонансной характеристики, полученной при изгиб-ных колебаниях опытного образца.
Для изготовления опытных образцов использовали портландцемент М400 Старооскольского завода, известняковый щебень фракции 5—10 мм, кварцевый речной песок с модулем крупности 1,57 и СП С-3. Было изготовлено три серии образцов. Бетонная смесь первой серии с В/Ц=0,306 контрольная, без использования СП С-3. Бетонная смесь второй серии также с В/Ц=0,306, но с добавкой СП С-3 в количестве 1% массы цемента. Бетонная смесь третьей серии также с добавкой СП С-3 в количестве 1%, но с В/Ц=0,242.
Расчетный расход цемента, мелкого и крупного заполнителя на 1м3 бетона во всех сериях был принят одинаковым и составлял: цемента и песка по 620 кг и щебня 940 кг. Время уплотнения при формовании опытных образцов при стандартных параметрах вибрации составляло: для первой серии—120 с, для второй серии—10 с и для третьей—70 с. Плотность образцов по уплотненной бетонной смеси составляла для первой, второй и третьей серий образцов соответственно 2300; 2360 и 2380 кг/м3.
После формования образцы бетона подвергали тер-мовлажностной обработке в лабораторной пропарочной камере по стандартному режиму, а затем после распалубки их подготавливали к испытаниям в соответствии с требованиями инструкции к прибору ИКВТ-2.
Исследования включали изучение в течение 500 сут на образцах бетона, хранившихся в обычных лабораторных условиях, следующих кинетических зависимостей: коэффициента водоотдачи, коэффициента внутреннего трения, динамического модуля упругости, прочности при осевом сжатии, а также зависимости динамического модуля упругости от коэффициента внутреннего трения. Прочность при сжатии опытных образцов, названных серией, в возрасте 500 сут составляла соответственно 63,9; 76,1 и 88,4 МПа.
На рис. 1 представлены экспериментальные данные кинетики изменения коэффициента внутреннего трения образцов сравниваемых серий бетона, а также расчетные графические зависимости. Регрессионный анализ экспериментальных данных показывает, что наиболее оптимальная зависимость имеет следующий вид:
^ = а + + (1)
где а, Ь, с — эмпирические коэффициенты; т — время наблюдений. Значения эмпирических коэффициентов приведены в табл. 1.
Таблица 1
Серия бетона Значения эмпирических коэффициентов
а Ь с
1 0,006989 -5,86.10-6 0,0949
2 0,0073 -510-6 0,104
3 0,008894 -6,4.10-6 0,0183
®
научно-технический и производственный журнал
март 2010
99
Таблица 2
Таблица 3
Серия бетона Значения эмпирических коэффициентов
а Ь с
1 1,0073 -5,46.10-6 0,168
2 1,0039 -1,03.10-5 0,119
3 1,0069 -1,613.10-5 0,0089
Серия бетона Значения эмпирических коэффициентов
а Ь с б
1 32416,85 57,018 52980,64 0,5098
2 29700,564 4,073 41032,56 1,0014
3 40457,713 10,823 45106,26 1,368
Необходимо отметить, что аналогичной математической зависимостью описывается влагопотеря опытных образцов, представленных на рис. 2 (значения эмпирических коэффициентов в табл. 2). Номера кривых на рис. 2, 3, 4 соответствуют номерам серий бетона, приведенных на рис. 1.
Анализ экспериментальных данных и расположение теоретических кривых на рис. 1 свидетельствует, что адсорбция молекул СП С-3 на цементных частицах как в серии 2, так и серии 3 приводит к ухудшению, т. е. численному увеличению значения внутреннего трения, что обусловлено ухудшением условий возникновения контактов срастания продуктов гидратации цементного камня. В то же время применение СП С-3 приводит к более тщательному диспергированию агрегированных частиц цемента и более равномерному распределению воды затворения на вскрытых физико-химическим диспергированием поверхностях ультрадисперсных частиц, в результате чего большее количество воды испытывает молекулярное притяжение со стороны поверхности твердого тела. Что, вероятно, подтверждается кинетическими зависимостями влагопотерь, приведенными на рис. 2.
На рис. 3 представлены экспериментальные данные и математические зависимости кинетики изменения
динамического модуля упругости сравниваемых серий образцов бетона. Из физики твердого тела известно, что на модуль упругости дисперсных систем первостепенное значение оказывает плотность структуры материала. Введение СП С-3 способствует, как отмечалось выше, повышению плотности цементной композиции и увеличению координационных чисел контактного взаимодействия, особенно на уровне тонкодисперсной составляющей цементной композиции, что и приводит к увеличению численных значений модуля упругости в составах, содержащих СП С-3.
Математическая обработка экспериментальных данных, представленных на рис. 3, позволила получить аналитическую зависимость:
Ед =
ab + сг Ь + Т
(2)
где а, Ь, с, d — эмпирические коэффициенты; т — время наблюдений. Значения эмпирических коэффициентов приведены в табл. 3.
Из анализа вида и значений эмпирических коэффициентов кинетической зависимости следует, что на формирование структуры и на численные значения модуля упругости оказывают влияние как конструктив-
100
200
300
400 500 Время, сут
Рис. 1. Зависимость коэффициента внутреннего трения бетона от его возраста: 1 - серия 1 с В/Ц = 0,306; 2 - серия 2 с В/Ц = 0,306, 1% СП С-3; 3 - серия 3 с В/Ц=0,242, 1% СП С-3
1,014 1,012 1,01 1,008 1,006 1,004 1,002 1
0,998 0,996
0
100
200
300
400 500 Время, сут
Рис. 2. Зависимость коэффициента водоотдачи от возраста бетона. Номера кривых соответствуют рис. 1
ш
50000 46000 42000 , 38000
34000
30000
□ □ 3 П Г
^Р- □ р Я □ □ о ° г :
-- О о а 1
1 1 I 1
100
200
300
400 500 Время, сут
Рис. 3. Зависимость динамического модуля упругости от возраста бетона. Номера кривых соответствуют рис. 1
50000
45000
Ц 40000
35000
30000
0,004
0,008
0,012
0,016
0,02
Рис. 4. Корреляционная зависимость динамического модуля упругости от коэффициента внутреннего трения бетона. Номера кривых соответствуют рис. 1
научно-технический и производственный журнал
100
март 2010
Ы ®
0
0
К
Таблица 4
Серия бетона Процесс Скорость процесса в период времени, сут
3 28 100 250 500
1 Конструктивный 15762,76 5273,758 2825,641 1803,212 1283,754
Деструктивный 0,297519 0,099541 0,053333 0,034035 0,024231
2 Конструктивный 41153,25 41282,14 41355,78 41408,87 41449,07
Деструктивный 1,002941 1,006083 1,007877 1,009171 1,010151
3 Конструктивный 92449,28 210318,3 335987,3 470722,4 607496,6
Деструктивный 2,049589 4,66273 7,448796 10,43585 13,46812
Таблица 5
Серия бетона Значения эмпирических коэффициентов
а Ь
1 1,0073 -5,46 10-6
2 1,0039 -1,03 10-5
3 1,0069 -1,613 10-5
Ед = а
Ь К
(5)
ные, так и деструктивные процессы, протекающие при длительном твердении бетона.
Предполагается, что числитель зависимости (2) характеризует конструктивные, а знаменатель — деструктивные процессы, протекающие в бетоне. Конструктивные процессы обусловлены продолжающейся гидратацией цементных зерен, а деструктивные — возникновением собственных внутренних напряжений. При длительном времени наблюдения за структурообразованием твердеющих дисперсных систем можно констатировать взаимовлияние названных процессов, в результате которого преобладает или конструктивное, или деструктивное начало, что выражается в пилообразном характере изменения механических свойств этих систем. Это подтверждается исследованиями других авторов [4].
В начальные сроки твердения преобладающим является конструктивный процесс структурообразования, скорость которого может быть определена:
^ = cdтd-1. (3)
d т
В более длительные сроки наряду с конструктивными начинают развиваться и деструктивные процессы, скорость которых можно выразить формулой:
^ = d Т d-1.
d т
Анализ зависимостей (3) и (4) свидетельствует, что скорости процессов в сравниваемых сериях бетона имеют существенное как качественное, так и количественное различие. Из данных, приведенных в табл. 4, видно, что скорости конструктивного и деструктивного процессов на образцах бетона серии 1 имеют затухающий характер, который можно описать гиперболической функцией. В то же время на образцах бетона серий 2 и 3, приготовленных с использованием СП С-3, скорости этих процессов характеризуются экспоненциальной зависимостью, что обусловлено возникновением стери-ческого фактора, вносимого в конструктивный процесс синтеза прочности цементного камня с химической добавкой.
На рис. 4 приведены теоретические зависимости динамического модуля упругости от коэффициента внутреннего трения, полученные путем математической обработки экспериментальных данных. Математическая модель этих зависимостей имеет вид:
(4)
где а, Ь — эмпирические коэффициенты. Значения эмпирических коэффициентов представлены в табл. 5.
Из графических зависимостей, представленных на рис. 4, и физической сущности формирования механических свойств цементных композитов прослеживается достаточно четкая взаимосвязь между значениями коэффициентов внутреннего трения и динамического модуля упругости на образцах бетона сравниваемых серий. Однако следует отметить, что применение добавки С-3, с одной стороны, приводит к улучшению механической характеристики бетона, а с другой — к увеличению его внутреннего трения.
Для объяснения этих противоположных эффектов действия СП С-3 на рассматриваемые свойства бетона следует исходить из представления о том, что прочность и упругость цементного камня и бетона есть функция пористости, характера надмолекулярной структуры, прочности контактов в тоберморитовом геле, свойств адгезионных контактов, структурного фактора, морфологии гидратных новообразований [5], а внутреннее трение есть функция прежде всего пористости и прочности фазовых контактов как в матричной фазе, так и в композите в целом.
Таким образом, оценка кинетических зависимостей внутреннего трения и динамического модуля упругости бетона неразрушающим методом (получаемых на одних и тех же образцах) является важным прогностическим параметром качества и оптимизации структуры бетонов повышенной прочности.
Ключевые слова: бетон повышенной прочности, коэффициент внутреннего трения, динамический модуль упругости, плотность цементного камня, гелевая составляющая.
Список литературы
1. Гузеев Е.А., Леонович С.Н., Милованов А.Ф. и др. Разрушение бетона и его долговечность. Минск: Тыд-зень, 1997. 170 с.
2. Макридин Н.И., Прошин А.П., Вернигорова В.Н., Максимова И.Н. О структурообразовании цементного камня: В кн. Современные проблемы строительного материаловедения. Акад. чтения РААСН: Часть 1: Перспективные направления в теории и практике минеральных вяжущих и материалов на их основе. Материалы Междунар. конф. Самара, 1995. С. 7—10.
3. Мчедлов-Петросян О.П. Химия неорганических строительных материалов. 2-е изд., перераб. и допол. М.: Стройиздат, 1988. 304 с.
4. Ахвердов И.Н. Основы физики бетона. М.: Стройиздат, 1981. 464 с.
5. Сычев М.М. Некоторые вопросы химии бетона и цементного камня // ЖПХ АН СССР. 1981. Т. LIV. №9. С. 2036-2043.
научно-технический и производственный журнал : : ® март 2010 101
