CC BY
12УДК 666.972.2
С.Н. ТОЛМАЧЕВ, канд. техн. наук,
Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет (Украина)
Сравнительная оценка истираемости монолитного бетона и его компонентов
Дорожный бетон, работающий в реальных условиях эксплуатации, подвергается многочисленным воздействиям, каждое из которых, отдельно взятое, не может непосредственно являться причиной его разрушения. Он разрушается только при действии комплекса факторов. В этом случае своевременная оценка его эксплуатационного состояния может играть важную роль для принятия решения об эксплуатационной пригодности бетона. Многие исследователи за основу оценки состояния принимают возможные изменения прочности и морозостойкости. Однако такие изменения прочности и морозостойкости являются последствием процессов, которые проходят в бетоне как при формировании структуры при твердении, так и в период эксплуатации. К первым относятся коллоидно-химические процессы смачивания, гидролиза, миграции влаги и ее испарения. Формирующаяся при этом структура бетона предопределяет его свойства. Ко вторым можно отнести процессы, происходящие при действии циклического замораживания-оттаивания, насыщения-высушивания, нагревания-охлаждения и идущий одновременно с ними процесс истирания. Истиранию подвергается в первую очередь верхний слой покрытия, который часто находится в увлажненном или переувлажненном состоянии. В таких условиях происходит износ защитного слоя и последующий послойный износ бетона, обнажение новых поверхностей в глубине. Это облегчает проникновение жидких агрессивных сред в основной массив бетона. Наложение циклических физико-химических и механических воздействий приведет в этом случае вначале к послойному разрушению бетона, а затем к разрушению. При этом у бетона в первую очередь, снижается не прочность или морозостойкость, а износостойкость, критерием оценки которой является истираемость.
Достаточно широко известна молекулярно-механи-ческая теория трения и износа, развитая в работах
И.В. Карагельского [1]. Теория основана на дискретности контакта трущихся поверхностей. Сила трения при этом — сумма сопротивлений, возникающих при молекулярном и механическом взаимодействии.
Для бетона характерно, что износ осуществляется через прослойку жидкости, тогда взаимодействие носит характер физической или хемосорбции и существенно изменяет молекулярную составляющую трения. Прослойка жидкости в этом случае играет роль так называемого третьего тела и при ее наличии износ увеличивается. Однако определенных данных по этому явлению немного.
Монолитный бетон, твердеющий при атмосферных условиях, может потерять достаточно большое количество влаги, особенно при плохом уходе в жаркую и сухую погоду. При испарении влаги разрыхляется верхний слой, что облегчает не только проникновение жидких сред в массив, но и увеличивает истираемость. Однако действующий метод определения истираемости (ГОСТ 13087—81) предусматривает истирание только нижней грани образца бетона. Но эта грань при изготовлении образца оказывается наиболее защищенной от массообменных процессов. Поэтому необходимо определить, насколько отличаются показатели истираемости бетона в верхней и нижней гранях образца.
В действующем нормативе указано, что при испытании необходимо выполнить четыре цикла. Предполагается, что в этом случае будет достигнут основной износ. Однако после этих циклов не всегда до конца истирается верхний защитный слой бетона и обеспечивается доступ к крупному заполнителю, который априори считается более износостойким, чем растворная часть бетона. Поэтому была разработана методика определения истираемости бетона при большем количестве циклов во влажном и сухом состоянии.
Поскольку отсутствует единое мнение о том, какой из компонентов бетона истирается в большей степени,
Таблица 1
Вид материала Грань образца Истираемость, г/см2, после числа циклов истирания
4 (ГОСТ 13087-81) 6 (оригинальная методика)
Гранит - 0,028 0,036
Сиенит - 0,053 0,063
Мраморовидный известняк - 0,067 0,081
Цементный камень Нижняя/верхняя 0,173/1 0,258/1,08
Цементно-песчаный раствор состава: Ц/П = 1:1 Ц/П = 1:2 Ц/П = 1:3 Ц/П = 1:4 Нижняя/верхняя Нижняя/верхняя Нижняя/верхняя Нижняя/верхняя 0,176/0,372 0,201/0,552 0,205/0,617 0,372/1,11 0,23/0,417 0,265/0,623 0,306/0,705 0,447/1,26
Бетон состава Ц:П:Щ = 1:1,6:3,1 Нижняя/верхняя 0,292/0,714 0,380/0,825
¡■Л ®
научно-технический и производственный журнал
декабрь 2012
11
представляет интерес оценить вклад каждого компонента бетона в общую износостойкость, а также оценить разницу в показателях истираемости разных граней в сухом и влажном состояниях по ГОСТу и оригинальной методике. Для этого проводили экспериментальную оценку истираемости крупного заполнителя, цементного камня и цементно-песчаного раствора (табл. 1).
Из приведенных данных видно, что плотные и прочные горные породы, например гранит или сиенит, истираются медленно. Максимальное значение истираемости не превышает 0,028 и 0,053 г/см2 по ГОСТ 13087-81 или 0,036 и 0,063 г/см2 по разработанной методике. В ходе исследования было отмечено, что истираемость пород с увеличением числа циклов возрастает постоянно и примерно на одну и ту же величину, что свидетельствует о высокой однородности текстуры этих горных пород.
Цементный камень, который подвергали истиранию, твердел в условиях лаборатории при температуре воздуха +22-25оС и относительной влажности не более 60%. Специальных мероприятий по уходу за твердеющим камнем не проводили. Верхняя грань образца была открытой, а нижняя грань находилась на полиэтиленовой пленке. Было установлено различие между истираемостью незащищенной верхней грани затвердевшего камня и нижней. При нормированных четырех циклах испытания эта разница составила 5,8 раза, что свидетельствует о разрыхленности верхнего слоя цементного
камня, из которого испарилась влага. Было отмечено, что с увеличением числа циклов истирания до 6 различие в истираемости верхней и нижней граней уменьшилось до 4,2 раза. Это означает, что при указанных условиях твердения структура цементного камня не однородна. Верхний его слой разрыхлен, а на определенном расстоянии от поверхности цементный камень снова приобретет достаточную плотность, твердость и прочность, необходимую для сопротивления истирающим нагрузкам. Экспериментально определенная толщина разрыхленной зоны цементного камня составила 0,2 мм от поверхности образца.
Исследования показали, что истираемость защищенной грани образцов цементных растворов различного состава меньше, чем незащищенной. С уменьшением содержания цемента в растворе истираемость возрастает для обеих граней. Однако в растворах составов Ц:П=1:1-1:3, содержащих 500-900 кг/м3 цемента, истираемость нижней грани изменяется несущественно (0,176-0,205 г/см2), что можно объяснить высоким содержанием цемента в смеси. В этом случае общая истираемость обусловлена истираемостью прочного цементного камня и зоны контакта цементный камень -заполнитель. С уменьшением расхода цемента до 400 кг/м3 и менее истираемость нижней грани резко увеличивается, что объясняется снижением общей прочности раствора за счет понижения прочности зоны контакта. Для бетонов с таким расходом цемента их износостойкость будет определяться истираемостью цементного раствора.
Для верхней грани растворных образцов по сравнению с их нижней частью можно отметить увеличение истираемости в два раза для образцов с расходом цемента больше 600 кг/м3 и в три раза для образцов с меньшим расходом вяжущего. Такое увеличение истираемости можно объяснить общим для всех составов разрыхлением структуры цементного камня и раствора при испарении влаги.
Оценку истираемости бетона проводили на образцах состава, который наиболее часто применяют в строительстве. Расход цемента составил 400 кг/м3. Данные показывают, что его истираемость сравнима с истираемостью растворов с расходом цемента 400-500 кг/м3. Это характерно для нижней и верхней граней образцов. Поэтому можно считать, что истираемость бетона традиционно применяемых составов определяется истираемостью растворной части. Экспериментально определен критический расход цемента, равный 400 кг/м3, ниже которого резко возрастает истираемость, значит, снижается долговечность бетона. Следует отметить, что тенденция, характерная для истираемости цементного камня и раствора, наблюдается и для бетона: истираемость верхней грани бетонного образца в 2-2,5 раза выше, чем нижней.
Как показал анализ изменения эксплуатационных свойств дорожных покрытий, их разрушение начинается с поверхности, которая де-
Таблица 2
Условия твердения бетона Истираемая грань Истираемость, г/см2, бетона состава, кг/м3
Ц-350, Щ-1250, П-750 (гранитный щебень) Ц-350, Щ-1250, П-750 (известняковый щебень)
Нормальные Верхняя 0,496 1,682
Нижняя 0,271 0,968
Воздушно-сухие Верхняя 0,601 2,025
Нижняя 0,365 1,368
Под пленкой Верхняя 0,368 1,092
Нижняя 0,243 0,912
Примечание. Ц - цемент, Щ - щебень, П - песок.
Таблица 3
Компоненты смеси Щебень Песок Цемент Вода
А Гранит 1250 Кварц 750 350 200
Б Гранит 1000 Кварц 1000 350 210
В Гранит 1500 Кварц 500 350 180
Г Известняк 1250 Известняк 750 350 210
Д Известняк 1000 Известняк 1000 350 240
Е Известняк 1500 Известняк 500 350 200
Таблица 4
Таблица 4
Условия истирания Истираемая грань Истираемость, г/см2
А Б В Г Д Е
Сухие Верхняя 0,354 0,523 0,331 0,896 1,254 0,856
Сухие Нижняя 0,27 0,319 0,265 0,766 0,927 0,74
Влажные Верхняя 0,502 0,766 0,365 1,135 1,623 1,051
Влажные Нижняя 0,361 0,447 0,328 1,031 1,217 0,927
научно-технический и производственный журнал 12 декабрь 2012
формируется под действием истирающих нагрузок. Нарушение технологии ухода за твердеющим бетоном, приводящее к разрыхлению его верхнего слоя, усиливает эти процессы. При этом возрастает проницаемость бетона, снижается его прочность. В табл. 2 приведены результаты испытания бетонов, твердевших в различных условиях на различных щебнях.
В исследованиях также было установлено, что с понижением активности цемента на одну марку истираемость повышается в среднем на 15%.
С увеличением расхода цемента в бетонах от 250 до 450 кг/м3 истираемость образцов также изменяется. Для образцов, твердевших в лабораторных условиях, истираемость нижней грани с увеличением расхода цемента в указанных пределах снижается с 0,332 до 0,221 г/см2, а для верхней грани, наоборот, возрастает с 0,425 до 1,521 г/см2. Эти данные согласуются с результатами вышеприведенных исследований (табл. 1).
Учитывая, что в различных регионах используют не только кварцево-гранитные, но и известняковые заполнители, проводили исследования влияния соотношения между мелким и крупным заполнителями различного минерального состава на истираемость бетонов в разных условиях. Составы бетонов приведены в табл. 3.
Оценку истираемости бетонов производили как для верхней, так и для нижней грани образцов (табл. 4). Образцы испытывали в двух состояниях — сухом и водо-насыщенном.
Представленные данные свидетельствуют, что истираемость бетонов при замене кварцево-гранитных заполнителей на известняковые существенно возрастает. Такое увеличение характерно как для нижней, так и для верхней грани образцов, подвергаемых истиранию. При сопоставлении этого показателя для влажных и сухих образцов разница достигает 3,5—4,3 раза. Большую роль
8-я КАЗАХСТАНСКАЯ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННАЯ ВЫСТАВКА
Строй Материалы
13-15 марта 2013
КЦДС "АТАКЕНТ", АЛМАТЫ, КАЗАХСТАН
при этом играет соотношение между крупным и мелким заполнителями. Например, для составов А и Г при соотношении Щ:П=1,67:1 их истираемость совпадает с аналогичными показателями составов В и Е, в которых соотношение Ш:П составляет 3:1. Это означает, что при прочих равных условиях более плотная упаковка заполнителей при правильном выборе соотношения между ними приводит к снижению интенсивности массооб-менных процессов и уменьшению разрыхленности структуры бетона за счет образования сквозных пор и капилляров при испарении влаги.
Наименьшие показатели истираемости нижней и верхней граней образцов бетонов определены для составов В и Е, в которых содержится наибольшее количество щебня. Это характерно для сухих и влажных образцов. Для верхних граней образцов в обоих случаях наблюдается практически аналогичная зависимость. Следует отметить общую закономерность: увлажнение образцов приводит к значительному увеличению истираемости, особенно верхней грани, в то время как для нижней грани это выражено в меньшей мере.
Исследования показали, что в увлажненном состоянии свойства бетона могут существенным образом изменяться в худшую сторону, особенно его механические характеристики, в значительной степени определяющие его долговечность.
Ключевые слова: монолитный бетон, истираемость, износостойкость, горная порода, цементный камень, цементный раствор, заполнитель, долговечность бетона.
Литература
1. Карагельский И.В. Трение и износ. М.: Машиностроение, 1968. 480 с.
■ СТРОИТЕЛЬСТВО
■ ИНТЕРЬЕР
■ ОТОПЛЕНИЕ И ВЕНТИЛЯЦИЯ
■ КЕРАМИКА И КАМЕНЬ
■ ОКНА, ДВЕРИ И ФАСАДЫ
ь КС
Для дополнительной информации посетите официальный сайт выставки: www.kcmexpo.kz
Iteca - Алматы, Казахстан, 050057, ул.Тимирязева, 42 Тел.: +7727 2583434; Факс:+7727 2583444; E-mail: build@iteca.kz
научно-технический и производственный журнал
декабрь 2012
13
