CC BY
72
УДК 691.327
А. Ф. КОСАЧ
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
ПРОЦЕССЫ СТРУКТУРООБРЛЗОВЛНИЯ И СВОЙСТВА МЕЛКОЗЕРНИСТОГО БЕТОНА
В статье на основе теоретического анализа о направленном регулировании эксплуатационных свойств мелкозернистого бетона предлагается путем сии*ронизации технологических переделов с процессами структурообразования бетонной смеси и особенностями компонентов бетона улучшить физике механические характеристики мелкозернистого бетона.
Исследования проведенные НИИЖБом и НИИЭЧГОС показали, что ближайшие десятилетия можно ожидать дальнейшее увеличение производства мелкозернистых бетонов в связи с растущим потреблением прессованных изделий, при производстве которых применение мелкозернистых бетонов наиболее эффективно. СниП 2.СЗ.01-84 «Бетонные и железобетонные конструкции» рассматривает мелкозернистые бетоны как разновидность обычного бетона. Приведены основные физико-механические свойства, что позволяет расширить номенклатуру железобетонных конструкций, особенно в регионах страны с дефицитом крупного заполнителя.
Мелкозернистый бетон сам по себе является многофазной структурнонеоднородной средой, представляющей пористую структуру цементного камня с втоиленными в нее зернами песка. Несущая способность мелкозернистого бетона, состоящего из цементного камня и песка, тесно связана с его составом и строением, которые предопределяют процессы деформирования и разрушения конструкций. [3]
Следует отметить, что по физико-механическим показателям мелкозернистые бетоны несколько отличаются от обычных бетонов с крупным заполнителем: такие свойства, как морозостойкость, призменная прочность, прочность при изгибе и растяжении, динамические характеристики для равных классов бетонов по прочность на сжатие у мелкозернистых бетонов выше при меньшей плотности бетона, однако значения усадки и ползучести больше.
Конечный результат различных физико-механических воздейсты-.я на мелкозернистую бетонную смесь загисит от момента их приложения, интенсивности и длительности, а также от качественно-количественных характеристик, составляющих. Зависимости физш..)-мехенических характеристик мелкозернистого бетона от вида песка и способа перемешивания позволит реализовать представления о закономерностях протекающих процессов в бетоне и тем самым в определенной мере позволит управлять процессами его структурообразования и разрушения, что имеет большое практическое значение.
Учитывая, что такие факторы, как длительность перемешивания, объемная концентрация цементного теста и водоцементное отношение и т.д. были изучены раньше при рассмотрении мелкозернистого бетона [ 1,2, 4, 5], то в данном разделе работы с целью повышения технических и эксплутационных свойс тв бетона нами, была поставлена задача — установить зависимость физико-механических характеристик растворной фазы от:
— вида песка (кварцевый, керамзитовый и смешанный — кварцевый и керамзитовый в соотношении по объему 1:1);
— способа перемешивания смеси на разных песках (обычное с частотой вращения ротора смесителя 40 мин"1 и турбулентное — 900 мин"');
При оценке влияния вида песка и технологических'факторов на процессы структурообразования смеси и свойства мелкозернистого бетона класса В20 были приняты постоянными следующие параметры: подвижность смеси, определенная по
Таблица 1
Характеристика применяемых песков
Вид песка Насыпная плотность рн, кг/м" м«„ Водопотреб-ность,% Полные остатки на ситах. % с размером отверстий, мм
2,5 1,25 0.63 0,315 0,14 0,14
Кварцевый 1460 2,55 7,2 12.6 26,1 38,6 81,4 96,3 100
Смешанный 1080 2,66 15,6 16,1 30.2 41.4 81,7 96,2 100
Керамзитовый 740 2,82 24,4 19.1 35,2 48,7 82,4 96,4 100
Таблица 2
Характеристика портландцемента
Н.Г. 0/ Сроки схватывания, мин Тонкость помола, % МПа МП-з Минералогичес кий состав, % у-- /-ч а* £ < э
начало конец С.,5 С.,5 С.А С,АР
26,5 125 195 86 6,7 41.6 51-58 20-22 10 15 3,5 5 6
Таблица 3
Структурообраэования мелкозернистой бетонной смеси
Частота рабочего органа в смесителе, мин'1 Периоды структурообразования Тангенс угла наклона кривых, а
Вид песка ПоРт ПоУуЛ Длительность индукционного периода
град % град %
40 Формирование Кварцевый . Смешанный Керамзитовый 7,51 8,77 10,06 100 116,8 134.1 6,59 7,72 8,90 100 117,1 135,1 300 240 180
Упрочнение Кварцевый Смешанный Керамзитовый 39,60 44,04 48,36 100 111,2 122,1 37,7 41,77 46,22 100 110,8 122,6 -
900 Формирование Кварцевый Смешанный Керамзитовый 8,91 10,78 12,56 118,6 143,5 167,0 7,89 9,50 11.22 119,7 144,1 170.3 240 180 120
Упрочнение Кварцевый Смешанный Керамзитовый 44,71 49,74 54,81 112,9 125,6 138,4 42,41 47,05 52,44 112,5 124,8 139,1
конусу СтройЦНИИа ОК = 6-8 см; истинное водо-цементное отношение, равное 0,64; объемная концентрация цементного теста (С = 0,4) и песка (5 = 0,6) в смеси. Использовалась раздельная технология приготовления иескобетонной смеси. Вначале готовилась цементная паста в течение 1 мин, затем загружали песок и перемешивали ещё 3 мин.
Характеристика используемых песков приведена в табл. 1. Использовался чернореченский алито-вый среднеалюминатный портландцемент марки 400, физико-механические показатели которого приведены в табл. 2.
Готовую пескобетонную смесь раскладывали в формы и уплотняли в течение 30 секунд с частотой 3500 мин амплитудой 0,25 мм при магнитном креплении форм к вибростолу, Физико-механические показатели мелкозернистого бетона, приготовленного на кварцевом песке в смесителе с частотой вращения ротора 40 об/мин принимались за 100 %. Физико-механические показатели определялись по общепринятой методике согласно ГОСТов.
Для изучения особенности протекающих процессов и оценки реологических свойств в период структурообраэования мелкозернистой бетонной смеси была собрана установка, которая позволила одновременно снимать показания пластической прочности, скорости ультразвуковых импульсов и температуры.
Установлено, что свойства цементного камня наследуют все особенности коагуляционной структуры цементного геля, формирования и упрочнения которые протекают по следующей коагуляционно-кристаллизационной схеме:
1) возникновение дисперсной системы;
2) адсорбция твердой фазы жидкой средой;
3) диссоциация и образование ионного раствора;
4) дальняя и ближняя коагуляция (формирование коагуляционной структуры цементного геля), сопровождающаяся связыванием жидкой фазы и контракцией объема цементного геля;
5) зарождение кристаллогидратов по мере активации ионообмена;
6) трансформация цементного геля в камневидное состояние;
7) упрочнение сил внутри кристаллогидратных комплексов, способствующие росту прочности цементного камня.
В начальной стадии индукционного периода эти явления частично обратимы, а при зарождении
кристаллогидратной структуры вязкопластические свойства цементного геля полностью утрачиваются. Наиболее важными являются первые четыре стадии формирования коагуляционной структуры цементного геля, которые образуется сразу же после за-творения цемента водой в результате растворения отдельных клинкерных минералов и массопереноса из мест с большей концентрации в места с меньшей концентрацией, При растворении клинкерных минералов в воде образуется раствор, постепенно переходящий в насыщенное состояние, которому характерны химическая активность твердой фазы, определенная температура и потенциал внутренних силовых полей между ассоциированными ионными кристаллами.
Результаты исследования процессов структурообраэования мелкозернистых бетонов двумя методами — пластическим и ультрозвуковым (рис. 1) показали, что они взаимозаменяемы, так как характер изменения кривых идентичен. Преимущество второго способа заключается в том, что он более чувствителен к протекающим процессам и позволяет исследовать кинетику формирования структуры любой цементной системы: цементного теста, мелкозернистого бетона и бетонной смеси на крупном заполнителе.
Скорость процессов формирования и упрочнения структуры мелкозернистой бетонной смеси
Время в часах
Рис. 1. Кинетика изменения пластической прочности "Р ", скорости ультразвука "V Л1" и температуры 'Чс" в период структурообразования пескобетонной смеси; "а", "в" - при обычном перемешивании п = 40 мин"1; "б", "г" - при турбулентном перемешивании п = 900 мин"1;----на кварцевом
песке;------ на смешанном песке;--на керамзитовом
песке
2 4 6 Время в часах
Рис. 2. Изменение температуры 'Ч" и скорости ультразвука "V л" в пескобетоннон смеси при структурообразовании;
---- на кварцевом песке;------на смешанном песке;
--на керамзитовом песке
определяли тангенсом угла наклона кривых пластической прочности и скорости ультразвука к оси абсцисс 1д а (табл. 3).
Кривая пластической прочности характеризует изменение механических свойств смеси, то есть напряжение сдвигу, и имеет одну характерную точку, которая разделяет периоды формирования и упрочнения структуры (рис. 1а).
Кривая скорости ультразвука характеризует изменения физических свойств смеси, то есть структуру материала, и имеет две характерные точки, разделяющие её на три участка (рис. 16).
На участке 0-1 (рис. 2) происходит поглощение воды за счет адсорбирования и капиллярного потенциала компонентов смеси, а так же клинкерных частиц и химического связывания извести и гипса в гидросульфоалюминат кальция, что вызывает интенсивный рост скорости ультразвука. Этот период длиться 20-30 мин. На участке 1 -2 увеличение скорости ультразвука протекает менее интенсивно и почти стабилизируется. В этот период происходит лишь растворение клинкерных частиц цемента, в следствие чего увеличивается концентрация водного раствора и повышается плотность жидкой фазы.
Насыщение водного раствора продуктами гидратации цемента связанно с температурным эффектом, который ведет снижению вязкости (плотности) и увеличению удельной концентрации водного раствора. Одновременно обновляется и увеличивается объем водного раствора за счет капиллярной воды, а так же высвобождения 19 молекул воды при перекристаллизации неустойчивых метастабильных гид-росульфоалюминатов типа ЗСаО А^О^ЗСаЗО^З 1Н.,0 в более стабильную низкосульфатную форму ЗСа0А120:)Са50412Н20. Через определенное время наступает энергетическое равновесие участок 2-3, при котором клинкерные минералы практически не растворяются, вследствие чего происходит снижение температуры смеси. Равновесное состояние водного раствора нарушается и переходит в неравновесное. Переход из неравновесного состояние в равновесное сопровождается кристаллизацией — непременное условие, для которого наличие перенасыщенного раствора. Возрастают так же силы капиллярного водопоглащения за счет снижение температуры защемленного воздуха в порах заполнителя, вследствие чего происходят движение влаги из цементного геля в заполнитель и процесс самовакууми-рования цементного камня.
Наложение происходящих физико-химических процессов вызывает резкое возрастание скорости ультразвука, что обуславливает переход мелко-
зернистой бетонной смеси из коагуляционного состояния в кристаллизационное участок 3-4.
По результатам исследования видно, что при турбулентной технологии формирования и упрочнения структуры мелкозернистого бетона протекает интенсивнее, о чем свидетельствуют тангенсы угла наклона прямолинейных участков кривых струк-турообразования, а также продолжительность периодов уменьшается (рис. 2, табл. 3). Сокращение периодов формирования и упрочнения структуры пескобетонной смеси турбулентной технологии происходит за счет механической активации цемента и заполнителя. Удельная поверхность цемента при этом возрастает на 15-20%, а при дроблении слабых зерен заполнителя образуется гидравлически активная, тонкомолотая пыль, которая является активной добавкой к цементу. Появление новых более активных поверхностей, а также дополнительных пор и капилляров увеличивает степень гидратации цемента и эффект самовакуумирования смеси, вследствие чего увеличивается скорость формирования и упрочнения структуры.
Кинетику изменения температуры смеси в период структурообразования можно разделить на четыре участка (рис.2).
На участке 0-1-2 — период стабильных водных растворов — наблюдается интенсивный рост температуры, что обусловливает насыщение водного раствора продуктами гидратации цемента. По мере насыщения раствора определенное количество молекул воды расходуется на образование гидратных оболочек вокруг частиц цемента, вследствие чего растворение минерала замедляется. При этом одновременно заполнитель поглощает выделяемое тепло от протекающих химических реакций и отдает капиллярную воду водному раствору, этим самым обновляя его. Эффективность этих явлений зависит от активности клинкерных частиц цемента, теплоемкости и структуры пор заполнителя.
Второй участок кривой 2-3, когда температура смеси достигает максимального значения является переходным или периодом метастабильных растворов. В этот период концентрация водного раствора увеличивается и достигает максимальных значений при данной температуре смеси. С ростом концентрации раствора ускоряется обратный
ОБЫЧНОЕ ПЕРЕМЕШИВАНИЕ п = 40 мин
ТУРБУЛЕНТНОЕ ПЕРЕМЕШИВАНИЕ п = ЭОО мин
24000 0.52 а 35 1600
20000 0,48 7 эо 1200
16000 0,44 6 25 800
12345 1234 123
Время в часам
Рис. 3. Изменение физико-механических свойств пес-кобетпнд в зависимости от технологии: - - - динамический модуль упругости, "Е "; - - - объемная концентрация новообразований, "Гч"; - - прочность при изгибе, "И "; - - - прочность при сжатии. "Я "; -- скорость ультразвука, "С,..,"
процесс, связанный с развитием центров кристаллизации новой фазы. Наступает равновесное состояние при котором минералы цемента практически перестают растворяться, а температура смеси в течение определенного времени не меняется.
Третий участок кривой 3-4 — период лабильных водных растворов - характеризуется снижением температуры, который способствует переходу водного раствора в пересыщенное состояние, что ведет к интенсивному образованию кристаллической структуры. При этом подогретый заполнитель, отдавая тепло водному раствору, способствует протеканию кристаллизации и в то же время за счет своего капиллярного потенциала поглощает жидкость из цементного геля, что ведет к его самовакууми-рованию.
Обращает на себя внимание тот факт, что характер протекающих процессов в период струк-турообразования смеси по кривым изменения скорости ультразвука совпадает с характером протекающих процессов по кривым изменения температуры, то есть они подчиняются правилу «створа» (рис. 2).
Влияние технологии перемешивания и вида песка на изменение физико механических показателей мелкозернистого показано на рис. 3.
Полученные результаты показывают, что пористый заполнитель за счет своего капиллярного потенциала и теплоемкости сокращает и интенсифицирует периоды формирования и упрочнения структуры. При этом физические явления протекают более плавно с уменьшением деструктивных явлений в цемент-
ном камне, а химические процессы протекают глубже, что увеличивает степень использования вяжущего.
Из анализа полученных результатов следует, что мелкозернистый бетон с увеличением пористости песка более чувствителен к технологическим переделам. Так при увеличении частоты вращения ротора смесителя от 40 до 900 мин"' физико-механические показатели мелкозернистого бетона увеличиваются на кварцевом песке от 6 до 10%, на смешанном песке от 9 до 13% и а керамзитовом от 12 до 29%.
Библиографический список
1. Ахвердов И.Н. Основы физики бетонов,— М.: Строй-издат, 1981.- 456 с
2. Иванов И.А. Легкие бетоны на искусственных пористых заполнителях,- М.; Стройиэдат, 1993 - 182 с.
3. Косач А.Ф. Исследование влияния технологических факторов на физико-механические показатели керамзито-бетона // Известие высших учебных заведений. Строительство. Новосибирск 2003 №6
4. Попов Н А. Новые виды легких бетонов. - М.: Стройиздат, 1999,- 193с.
5. Симонов М.З. Основы технологии легких бетонов. - М: Издательство литературы по строительству, 1973,- 584 с,
КОСАЧ Анатолий Федорович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Производство строительных материалов, изделий и конструкций».
Дата поступления статьи в редакцию: 30.03.06 г. © Косач А.Ф.
удк 666.973.6 В. А. ПОПОВ
А.Ф. КОСАЧ
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
ПРОИЗВОДСТВО ПЕНОБЕТОНА НА АКТИВИРОВАННЫХ ВЯЖУЩИХ
В статье на основе теоретических положений комплексного технологического регулирования эксплуатационных свойств пенобетона предлагается путем обеспечения оптимизации технологических переделов пенобетона с процессами структуро-образования бетонной смеси и особенностями компонентов бетона улучшить физико-механические характеристики пенобетона.
В условиях рыночной экономики и увеличения доли строительства индивидуальных и кооперативных домов с 20 до 80%, по сравнению с государственным жилым фондом, наряду с традиционными материалами ячеистый бетон следует считать эффективным стеновым материалом настоящего и будущего. При этом резко возрастает потребность и расширение производства стеновых блоков и создание монолитного, полигонного и сборного строительства из ячеистого бетона. Факторы конкурентоспособности стеновых материалов приведены в табл. 1.
При оценке конкурентоспособности стеновых материалов в современных условиях необходимо учесть, что в течение последних лет произошло
резкое увеличение стоимости теплоносителей, удорожание транспортных расходов, появилась ориентация на строительство муниципального и малоэтажного жилья.
С целью экономии расходов энергоносителей введён ряд нормативных документов. Это изменения вСНиП 11-3-79" «Строительнаятеплотехника» [1], а применительно к Омской области разработаны и введены Территориальные строительные нормы -ТСН 23-338-2002 «Энергосбережение в гражданских зданиях. Нормативы по теплосбережению и теплозащите» [2].
Вышеупомянутое существенно меняетподход к выбору материалов для ограждающих конструкций. Одним из перспективных материалов является пенобетон.
