CC BY
116
AZ9RBAYCAN KÍMYA JURNALI № 2 2012
95
УДК 666.972.162
СПОСОБЫ УМЕНЬШЕНИЯ АУТОГЕННОЙ УСАДКИ В ВЫСОКОПРОЧНЫХ
БЕТОНАХ
А.А.Гувалов
Азербайджанский архитектурно-строительный университет
abbas. guvalov@akkord. az
Поступила в редакцию 23.04.2012
Показана необходимость внутреннего ухода при твердении высокопрочных бетонов. Установлено, что частичная замена микросилики тонкодисперсными добавками, в частности цеолитом, обеспечивает снижение деформаций аутогенной усадки, при этом не происходит снижение прочностных характеристик бетона. Такая технология может обеспечивать получение малодефектных, надежных и долговечных строительных конструкций из бетона и железобетона.
Ключевые слова: аутогенная усадка, влажностная усадка, высокопрочный бетон, добавки.
Безусловно, переходу на новые виды бетонов способствовали, во-первых, революционные достижения в области пластифицирования бетонных и растворных смесей, а, во-вторых, появление наиболее активных пуццолановых добавок, более плотных, чем природные высокопористые пуццоланы, - микрокремнеземов, дегидратированных каолинов и вулканических пород. Сочетание суперпластификаторов и минеральных добавок позволяет получать сверхтекучие цементно-минеральные дисперсные системы и бетонные смеси [1, 2]. Благодаря своим превосходным свойствам высокопрочный бетон все чаще используется для решения различных практических задач капитального строительства. В последние годы высокопрочный бетон был включен в нормативные строительные документы Европейских стран, что заложило прочную основу для применения подобных бетонов. С точки зрения современной технологии производство высокопрочного бетона сегодня не представляет принципиальных трудностей. Тем не менее непременное достижение проектных качеств свежего и затвердевшего бетона, а также выбор технологически и экономически оптимального состава бетона требуют серьезной научной и практической подготовки.
В последние десятилетия разработаны бетоны ультравысоких технологий (ultrahigh performance concretes UHPC). Применение обычной технологии приготовления таких бетонов неприемлемо - высокая точность дозирования, порядок и продолжительность смешивания компонентов должны непрерывно контролироваться и в необходимых случаях корректироваться. Особого внимания требуют вопросы твердения бетона и набора его прочности [3, 4].
UHPC отличаются очень низким водоцементным отношением смесей (как правило, меньше 0.3), повышенным расходом цемента, наличием пуццолановых добавок, характеризующихся высокой водопотребностью, и суперпластификаторов [5, 6]. Эти бетоны содержат недостаточное количество воды затворения для обеспечения заполнения крупных капилляров, необходимое для поддержания реакций гидратации и пуццолановой реакции.
Перечисленные факторы создают условия для формирования микротонкой капиллярной пористости. В процессе гидратации цемента при отсутствии доступа внешней влаги (активный период твердения бетона) в тонких капиллярах возникают мениски, обезвоживание которых создает большие внутренние напряжения - развивается аутогенная усадка. Аутогенная усадка не вызывается внешними факторами, такими как потеря влаги или температурные изменения. В пластичном бетоне она происходит потому, что объем продуктов гидратации цемента меньше, чем объем цемента и воды до гидратации (процесс, называемый химической усадкой). После затвердевания бетона аутогенная усадка вызывается его "самовысушиванием", поскольку цемент продолжает потреблять воду для гидратации из пор [7] (рис.1).
Это происходит в течение нескольких дней или недель. Другими словами, аутогенная усадка - это макроскопическое внешнее уменьшение размеров цементных систем, которое имеет место в изотермических нестесненных замкнутых условиях. Аутогенная усадка обычно вызывается химической усадкой, и первая равна второй, когда система подобна жидкости [9]. В тот момент, когда в цементной пасте возникает самоподдерживающий каркас из новообразований и система начинает вести себя, как твердое тело (ориентировочно это соответствует времени схватывания), аутогенная усадка становится заметно меньше химической.
Рис. 1. Развитие химической и аутогенной усадки в высокопрочном бетоне [8]: Ц - цемент, В - вода затворения, ПГ - продукты гидратации, П - поры геля.
Химическая усадка
В высокопрочном бетоне аутогенная усадка по абсолютной величине приближается к влаж-ностной усадке обычного бетона и может привести к более существенному трещинообразованию, так как развивается значительно быстрее и происходит в бетоне, когда цементный камень имеет еще низкие прочность и модуль упругости (рис. 2).
Рис. 2. Развитие деформаций усадки во времени [7].
Время, ч
Трещинообразование в свою очередь приводит к снижению прочности и долговечности бетона, потерям предварительного напряжения арматуры, ухудшению внешнего вида конструкций [10].
Для предотвращения развития аутогенной усадки, а также усадки при высушивании UHPC с низким значением В/Ц должны иметь оптимальное отношение цемент:заполнитель и быть обеспечены адекватным влажностным уходом [11]. Специалистами международного комитета по уходу за бетоном (RILEM ТС-196 "Internal Curing of Concrete") предложена классификация способов ухода за бетоном, основанных на контроле его влажности, которая предусматривает как внешний (водный и безводный), так и внутренний (водный и безводный) уход [7].
Наиболее ответственный период твердения UHPC приходится на период от окончания формования до 2-3 суток и, особенно, на первые 12-36 ч твердения. Уход за бетоном (водное твердение или капельное орошение) после этого периода практически бесполезен. Это связано с тем, что микрокапилляры цементного камня уже практически не доступны для диффузии внешней влаги, миграция воды возможна только в поверхностные слои бетона. Поэтому наряду с внешним уходом за твердеющим бетоном перспективно использование добавок, которые обеспечивают снижение испарения влаги из бетона и сохранение водосодержания бетонной смеси. Эта концепция реализуется путем частичной замены крупного заполнителя эквивалентным объемом предварительно во-донасыщенного пористого заполнителя или полимерных добавок с высокой водоадсорбирующей способностью (Superabsorbent polymers SAP), что создает водные резервуары в бетоне [3].
В настоящем исследовании использовали портландцемент СЕМ 1-42.5, микросилику, Тауз-ский трас (клиноптилолитсодержащая порода), Джейранчёльский вулканический пепел и полиа-
А.А.ГУВАЛОВ 97
рилсульфонсульфонатный суперпластификатор САС. Составы и свойства высокопрочных бетонных смесей представлены в табл. 1.
Таблица 1. Составы и свойства высокопрочного бетона
Наименование материала Расход, кг/м3 (для составов)
1 2 3 4
портландцемент 460 430 460 460
микросилика 80 70 40 40
песок речной 830 850 830 830
щебень 900 900 900 900
суперпластификатор САС 16 16 18 17
трас - - 40 -
вулканический пепел - - - 40
вода 140 144 160 150
водоцементное отношение 0,29 0,32 0,33 0,31
средняя плотность бетонной смеси, кг/м3 2428 2420 2428 2428
осадка конуса 23 24 23 23
суммарная усадка, е-10-6 525 498 435 569
Аутогенную усадку бетона исследовали на образцах-призмах размером 40x40x160 мм при твердении в условиях, исключающих испарение влаги из бетона (рис.3). Измерение деформаций образцов выполнено измерительными головками рычажно-зубчатого типа 1ИГ (ГОСТ 18833) с ценой деления 0.001 мм.
Рис. 3. Измерение деформаций аутогенной усадки.
Установлено, что аутогенная усадка бетонов составов 1 и 2, характеризующихся значениями водоцементного отношения соответственно 0.29 и 0.32, достаточно интенсивно начинает проявляться через 10-11 ч с момента формования (рис. 4).
л о
1)
40
80
120
16 20 Возраст бетона, ч
Рис. 4. Изменение деформаций аутогенной усадки во времени: 1 -состав 1, 2 - состав 2, 3 - состав 3.
0
Наиболее интенсивно она развивается в бетоне с наименьшим значением В/Ц=0.29 и к 28 ч твердения достигает значения s =138 10-6. Это связано с высоким расходом портландцемента, наличием высокодисперсного микрокремнезема и низким содержанием воды затворения, которая интенсивно связывается цементом в процессе гидратации, обезвоживая тонкие капилляры. По мере увеличения значения В/Ц деформации аутогенной усадки снижаются - при В/Ц=0.30 на 15%. Как отмечено выше, снизить скорость и абсолютную величину усадки можно путем использования наполнителей, позволяющих удерживать воду в межплоскостных капиллярах. При этом снижение аутогенной усадки составляет 30.4%.
В бетоне состава № 1 часть (50%) микросилики заменена эквивалентным расходом тонкомолотого траса (5000 см2/г) (состав № 3) и вулканического пепла (5000 см2/г) (состав № 4).
Приготовленные бетонные смеси составов были уложены в форму для измерений аутогенной усадки и тщательно укрыты полиэтиленовой пленкой для предотвращения испарения влаги (табл. 1). Измерение деформаций аутогенной усадки осуществляли в течение 28 суток, затем образцы расформовывали, на их торцы наклеивали стальные реперы, и в дальнейшем производили измерения деформаций усадки бетона, вызванных испарением из них влаги (влажностная усадка). При этом образцы хранились в эксикаторе над порошком хлористого кальция.
Установлено, что суммарная величина деформаций бетона состава № 1 в возрасте 90 суток твердения достигает значения s=525 10-6, при этом на аутогенную усадку приходится величина s=320-10-6, что составило 61%. При замене части микросилики трасом наблюдается резкое снижение величины аутогенной усадки, которая составляет s=105 10-6. В то же время в процессе дальнейшего высушивания достаточно интенсивно развиваются деформации, вызванные влажностной усадкой. Суммарные деформации усадки состава № 3 достигают величины s=435-10-6, однако доля деформаций от аутогенной усадки составляет лишь 24.1 %. Положительное влияние на снижение деформаций аутогенной усадки оказывает и частичная замена микросилики вулканическим пеплом (состав № 4).
Установлено, что частичная замена микросилики эквивалентным расходом тонкомолотого наполнителя, в частности цеолитом, обеспечивает снижение деформаций аутогенной усадки, при этом не происходит снижение прочностных характеристик бетона. Такая технология может обеспечивать получение малодефектных, надежных и долговечных строительных конструкций из бетона и железобетона.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гувалов А.А. // Матер. III Междунар. Симпозиума. Минск. 9-11 ноября 2011. В 2 т. Т. 2.
Технология бетона. Минск: Минсктиппроект, 2011. С. 212.
2. Quvalov A.A., Qanbarov D.M., Samadov X.R. // Azarb. kimya jurnali. 2011. № 3. S. 88.
3. Aïtcin P.C. // Mario Collepardi Symp. on Advances in Concrete Science and Technology. Rome
(Italy). 1997. Proc. P. 107.
4. Батраков В.Г. // Строительные материалы. 2006. № 10. С. 4.
5. El-Dieb A.S. // Constr. Build. Mater. 2007. V. 21. P. 1282.
6. Bentz D P. // Cem. Concr. Соmp. 2004. V. 26. No 6. P. 677.
7. Justnes H., Clemmens F., Depuydt P. et al // The Intern. RILEM Workshop [Baroghel-Bouny V. &
Aïtcin P. editors]: RILEM Publications, 2000. Paris. Proc. V. 1. P. 57.
8. Holt E.E // Espoo 2001. Technical Research Centre of Finland. VTT Publications 446. 184 p.
9. Sliwinski J. // LLP - Erasmus: 9203-0574/IP/Kosice 03/REN. 2010. 189 p.
10. Yang Y., Sato R., Kawai K. // Cem. Concr. Res. 2005. V. 35. No 3. P. 449.
11. Aïtcin P.C. // Nelu Spiratos Symp. Committee for the Organization of CANMET/ACI Conferences.
2003. Proc. 2003. P. 69.
А.А.ГУВАЛОВ
99
YUKSOK MÔHKaMLÏKLÎ BETONLARDA AUTOGEN ÇÔKMONÏN AZALDILMASI
USULLARI
A.A.Quvalov
Yuksak môhkamlikli betonlarda barkimasi zamani daxili qullugun vacibliyi gôstarilmiçdir. Muayyan edilmiçdir ki, mikrosilikani muayyan qadar narin dispers alavalarla, xususila seolitla avaz etdikda autogen çôKma naticasinda ya-ranan deformasiya azalir, lakin betonun môhkamlik gôstaricilari asagi duçmur. Bela texnologiya beton va damir-betondan az qusurlu, etibarli va uzunômurlu inçaat konstruksiyalarinin alinmasini tamin eda bilir.
Açar sozlzr: autogen çôKM3, namliKli çôKm3, yuksak môhkamlikli beton, alavahr.
EFFECTIVE MEANS FOR REDUCTION OF AUTOGENOUS SHRINKAGE IN HIGH-STRENGTH
CONCRETE
A.A.Guvalov
The necessity of internal curing during the hardening of high-strength concretes is shown. It has been determined that the partial replacement of microsilica with addition of finely dispersed, in particular zeolite reduces the autogenous shrinkage strain, while there is no reduction in the strength characteristics of concrete. This technology can enable collection of low-defect, reliable and durable building structures made of concrete and reinforced concrete.
Keywords: autogenous shrinkage, moisture shrinkage, high-strength concrete, additives.
