CC BY
27
УДК 693.547.3
ао1: 10.55287/22275398_2021_4_55 т [Д
I-и .0
СТРУКТУРНАЯ ПРОЧНОСТЬ И ДЕФОРМАТИВНОСТЬ БЕТОНА ■ и]
В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СОДЕРЖАНИЯ ВОДЫ В НЕМ
Р.Т. Бржанов
■ и
НАО Каспийский университет технологии и инжиниринга им. Ш. Есенова, г. Актау, Казахстан
Аннотация.
Структура бетона оказывает большое влияние на прочность и дефор-мативность бетона. Чтобы уяснить этот вопрос, рассмотрена схема физико-химического процесса образования бетона. При затворении водой смеси из заполнителей и цемента начинается химическая реакция соединения минералов цемента с водой, в результате которой образуется гель — студнеобразная пористая масса со взвешенными в воде, еще не вступившими в химическую реакцию, частицами цемента и незначительными соединениями в виде кристаллов. Гель превращается в цементный камень, скрепляющий зерна крупных и мелких заполнителей в монолитный твердый материал — бетон.
Ключевые слова:
Структура бетона, прочность и деформативность бетона, цементный камень, пористость цементного камня, капиллярные поры. История статьи: Дата поступления в редакцию 14.11.21
Дата принятия к печати 15.11.21
03
г
м О
-I
м
Э СО
Существенно важным фактором, влияющим на структуру и прочность бетона, является количество воды, применяемое для приготовления бетонной смеси, оцениваемое водоцементным отношением Ш/С (отношением взвешенного количества воды к количеству цемента в единице объема бетонной смеси). Для химического соединения с цементом необходимо, чтобы '/С<0,2. Однако по технологическим соображениям — для достижения достаточной подвижности и удобоукладывае-мости бетонной смеси — количество воды берут с некоторым избытком.. Так, подвижные бетонные смеси, заполняющие форму цод влиянием текучести, имеют Ш/С=0,5...0,6, а жесткие бетонные смеси, заполняющи е форму под влиянием механической виброобработки, имеют Ш/С—0,3...0,4.
Избыточная, химически несвязанная вода вступает впоследствии в химическое соединение с менее активными частицами цемента, а частью заполняет многочисленные поры и капилляры в цементном камне и полостях между зернами крупного заполнителя и стальной арматурой и, постепенно испаряясь, освобождает их. По данным исследований, поры занимают около трети объема цементного камня; с уменьшением Ш/С пористость цементного камня уменьшается и прочность бетона увеличивается. Поэтому в заводском производстве железобетонных нзделий применяют преимущественно жесткие бетонные смеси с возможно меньшим значением Ш/С. Бетоны из жестких смесей обладают большей прочностью, требуют меньшего расхода цемента и меньших сроков выдержки изделий в формах. Структура бетона оказывается весьма неоднородной: она образуется в виде пространственной решетки из цементного камня, заполненной зернами песка и щебня различной крупности и формы, пронизанной большим числом микропор и капилляров, содержащих химически несвязанную воду, водяные пары и воздух. Физически бетон представляет собой капиллярно-пористый материал, в котором нарушена сплошность массы и присутствуют все три
т 2
¡Е х
| и
а 2
2 «
щ Ю
4 К
5 ^
I
га *
а
и
о
а и с н о
I *
£ о
н 2
н и
и га
ей О
т и га
I
о а ю
ш
н ш
фазы — твердая, жидкая и газообразная. Цементный камень также обладает неоднородной структурой и состоит из упругого кристаллического сростка и наполняющей его вязкой массы — геля. Длительные процессы, происходящие в таком материале — изменение водного баланса, уменьшение объема твердеющего вязкого геля, рост упругих кристаллических сростков — наделяют бетон своеобразными упругопластическими свойствами. Эти свойства проявляются в характере деформирования бетона под нагрузкой, во взаимодействии с температурно-влажностным режимом окружающей среды.
Решение прикладных задач повышения эффективности минеральных вяжущих и бетонов на их основе невозможно без углубленного изучения механизма гидратации и структурообразования при твердении вяжущих на основе исследования элементарных процессов, тонких явлений и механизмов на молекулярном и электронном уровнях.
Современные представления о механизме твердения вяжущих веществ, берущие свое начало в работах школы акад. П. А. Ребиндера , развивались в последние десятилетия в работах А. Ф. Полака , В. Б. Ратинова , М. М. Сычева и ряда других исследователей. Этот механизм включает следующие элементарные процессы и этапы [1].
На первом этапе существует водная суспензия частиц вяжущего на расстояниях 10-3 - 10-4 см, существенно больше тех, которые характерны для коагуляции на дальнем расстоянии (~10-5см). Начальный этап процесса растворения и гидратации вяжущего связан с резким возрастанием степени пересыщения раствора и выпадением зародышей кристаллогидратов, имеющих размер ~ 2*10-7см. Количественной мерой этого этапа является число зародышей гидрата в единице объема системы , зависящее от физико-химической природы вяжущего, его объемной концентрации (водовяжущего отношения) и дисперсности (удельной поверхности). Последующее резкое снижение степени пересыщения раствора по отношению к гидрату обусловливает прекращение зародышеобразования и рост возникших зародышей гидрата. На этой стадии процесса расстояния между растущими зародышами гидрата могут быть больше или меньше значения 10~б см, соответствующего энергетическому барьеру, преодоление которого возможно с определенной вероятностью благодаря осуществляемому частицами броуновскому движению. В этих условиях, происходит образование коагуляционной структуры на ближнем расстоянии - 10-7см.
Таким образом, согласно существующим представлениям о механизме твердения, ускорению процессов гидратации и структурообразования могут содействовать воздействия на вяжущее вещество как на исходную фазу для структурообразующих продуктов гидратации и источник создания пересыщения в растворе; воздействия на воду затворения и на продукты гидратации, их морфологию и структурную связность. Эти воздействия могут быть реализованы через ускорение растворения исходного вяжущего, через ускорение выделения и роста конечных или промежуточных продуктов гидратации из пересыщенного раствора, через интенсификацию процессов контактообразования, через изменение структурно-морфологических характеристик цементного камня (дисперсности продуктов гидратации, дифференциальной пористости ЦК). С точки зрения конечного результата влияние должно оказываться на тот элементарный процесс, который лимитирует процесс твердения в целом. В частности, повышенная дисперсность гидратной связки при использовании ряда химических добавок первого и второго классов достигается интенсификацией процесса зародышеобразования за счет удлинения периода и интенсивности пересыщения в растворе и, соответственно, повышения длительности этапа зародышеобразования, увеличения числа зародышей гидрата.
В этих условиях формируется матрица будущей структуры из большего числа первичных элементов — зародышей гидрата, что обусловливает более высокую дисперсность формирующейся кристаллогидрат-ной связки. При равных исходных В/Ц, равных объемах продуктов гидратации, т. е. равной степени гидратации, более высокая дисперсность кристаллогидратной связки обусловливает значительные изменения дифференциальной пористости цементного камня (ЦК). Такая структура соответствует цементному камню со сниженной капиллярной пористостью, что, наряду с повышенной дисперсностью связки, также благоприятно влияет на прочность ЦК [2].
Таким образом, большинство известных путей управления технологическими процессами с цепью повышения прочности и других физико-механических характеристик твердеющих вяжущих и бетонов на их основе реализуется через влияние на структуру, через изменение структурных характеристик кристаллогидратной связки, цементного камня, бетона.
При количественном описании связи прочности и пористости в механике пористых материалов распространение получили степенные зависимости М Ю. Бальшина
К =К0(1-П)2 и К =К0( V5 )
(1)
где К0- прочность плотной (непоризованной) фазы; 5-степенной показатель, отражающий интенсивный (5 > 1) характер нарастания прочности К со снижением пористости П или с ростом относительной объемной концентрации твердой фазы (относительной плотности) V=1-П.
В последние 20 — 30 лет делалось много попыток по использованию зависимости (1) и им подобных для описания связи прочности цементного камня К с его общей или капиллярной пористостью. Ф. Лохером систематизированы экспериментальные данные Р. Фельдмана и Д. Бодуэна, Г. Вербека и Р. Хельмута, М. Юденфройнда, Г. Вишерса по прочности и пористости портландце-ментного камня обычного уплотнения, твердеющего в нормальных условиях и в условиях тер-
мо-влажностной обработки при нормальном давлении. Результаты этой обработки в координатах Ксс - Пк (здесь Ксс ~ прочность цементного камня на сжатие) представлены на рис. 1 (кривая 1). Капиллярная пористость в этих экспериментах определялась, известными методами порометрии или расчетом на основании исходного водоцементного отношения и степени гидратации в предположении, что кристал-логидратная связка цементного камня (так называемый цементный гель) обладает постоянной пористостью около 28% и постоянным удельным объемом твердой фазы около 0,4см3/г. Наиболее низкая капиллярная пористость, близкая к нулевой, и соответственно наибольшая прочность Ксс = 200 МПа в данном случае получена М Юденфройндом за счет высокой дисперсности цементного клинкера (удельная поверхность 6000 — 9000 см /г) при виброуплотнении цементного теста с низким В/Ц = 0,2 с применением суперпластификатора.
Обработка Ф. Лохером вышеназванных данных с помощью зависимости (1) при П= Пк, К = К и К = Ксс дала значения констант уравнения К =203 МПа, 5= 4,67 (здесь К — прочность на сжатие кристаллоги-дратной связки, соответствующая прочности цементного камня при нулевой капиллярной пористости).
Обобщение связи прочности с общей пористостью гидратированных цементов разнообразной минералогии нормального и автоклавного твердения выполнено
В ходе анализа имеющегося в литературе экспериментального материала по изменению прочности цементного камня и характеристик его структуры в
И
о V
\о о X \ о \\ \
с -л 4 X
Пористость
Рис. 1. Обработка Ф.В. Лохером данных ряда исследований по связи прочности цементного камня на сжатие с его капиллярной (1) и общей (2,3) пористостью:
• Аи - данные Р.Ф. Фельдмана и Д.Д. Боуду-эна, Г.И. Вербека и Р.Х. Хельмута, М. Юденфройнда, Г. Вишерса соответственно по
твердению в нормальных условиях;
• — данные Р.Ф. Фельдмана и Д.Д. Боудуэна
по термовлажностной обработке;
• — данные Д.М. Рой и Г.Р. Роуды по горяче-
му прессованию.
г
т 2
г £
£ со
а 2
о ц
ф ш
4 к
2 *
13 X
о а
х ш
у ч
о о а и
С н о
к -
х *
5 и
£ °
н м
и ^
■ М
со а
О л
X X
< 2
* <и
а ю
ш л
^ §
- о
Ш X
процессе твердения, анализа данных известных работ по связи прочности и пористости цементного камня, а также собственных экспериментов нами выявлена специфика этой связи, главным обстоятельством которой является ошибочность попыток увязать прочность с обшей или капиллярной пористостью.
В попытках построения функциональной зависимости прочности цементного камня от пористости нужно иметь в виду, что в отличие от монофазных пористых материалов прочность композиционного материала, каким является цементный камень как совокупность кристаллогидратной связки матрицы и наполнителя в виде гранул клинкера, не может однозначно характеризоваться через общую или капиллярную пористость, хотя таких попыток, как уже отмечалось выше, делалось много. Такая связь будет естественной и монотонной лишь в пределах одного водоцементного отношения или при близких значениях В/Ц Это положение вытекает ил граничных условий для нулевой и максимальной прочности цементного камня и соответствующих им значений общей и капиллярной пористости, существенно меняющихся с изменением В/Ц, В частности, для исходного состояния водовяжущей системы, соответствующего стадии затворения, когда прочность равна нулю, исходная пористость (пустотность) систем для В/Ц = 0,8 и 0,25 будет различаться в соотношении около 1,7.
Для зрелой кристаллогидратной связки на основе портландцемента, имеющей по Т. Пауэрсу [4] пористость около 28%, другое граничное условие, когда прочность цементного камня достигает максимума , равного прочности гидратной связки Rg, общая пористость цементного камня также будет различаться в зависимости от В/Ц. Подобная картина наблюдается и при анализе зависимости прочностиот капиллярной пористости.
На рис. (2) приведены качественные зависимости относительной прочности цементного камня Rc/Rg от П0 и Пк построенные по рассчитанным граничным значениям П0 и Пк для нулевой и максимальной относительных прочностей при двух значениях В/Ц =0,25 и 0,8 и иллюстрирующие обсуждаемое несоответствие.
о
§
К
из
<и
о
0,5
0
2/ , / / ) /1
/ / / / / / /
0,5
0
0,75
0,5
0,25
0
Общая пористость
/1 / / 2/7 / / / / / /
У У У У У
1 0,75 0,5 0,25 0
1/ат1ГЛ 1 ;ГиП[.Г^и ПГЧГЛпе^ГПГ"!'!-
ллсНтиллярНоЯ пористость
Рис. 2. Характер зависимости относительной прочности цементного камня Я/К от общей и капиллярной пористости и водоцементного отношения: 1,2 - В/Ц=0,25 и 0,8 соответственно
Реально возможная по исходной концентрации цементного клинкера область показана сплошными линиями; штриховой линией обозначен участок, связывающий реальный участок зависимости для В/Ц = 0,8 и точки {Кс/ И = 1 при Пк = 0}, { Кс/ И = 1 при П0 — 0,28}.
В общем случае общая пористость цементного камня, складывающаяся из достаточно большой внутрикристаллогидратной пористости и малой капиллярной, может соответствовать хорошо прогидратировавшему цементному камню с высокой прочностью, а количественно такая же пористость, складывающаяся из малого значения внутрикристаллогидратной пористости и большого — капиллярной, будет соответствовать малой прочности, что в принципе возможно для двух водовя-жущих систем, водоцементное отношение первой из которых значительно выше второй (см. рис. 2).
Таким образом, из теоретических предпосылок связь прочности цементного камня с капиллярной и общей пористостью дифференцируется в зависимости от В/Ц. Такой характер связи четко подтверждается данными экспериментов.
0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,5 0,4 0,3 0,2 ОД
Общая пористость Капиллярная пористость
Рис. 3. Зависимость прочности на сжатие от общей пористости
03
г
м О
-I
м
Э СО
Обработанные экспериментальные данные Я. Ямбора , Х.-Г. Смольчика и X. Ромберга , П. Цата-рина и ряда других авторов, подтверждают этот вывод. На рис.3. приведены зависимости Ксс — По, построенные по экспериментальным данным Я. Ямбора для образцов-кубов цементного камня с ребром 2 см водного твердения длительностью до 180 суток при температуре 293К из чистых клинкерных минералов С38 (удельная поверхность по Блейну 8= 3360 м2/г) и в-С28 (8 = 2420 см2/г) при трех значениях В/Ц = 0,3; 0,4 и 0,6, а также зависимости Ксс- Пк для значений Пк, рассчитанных по общей пористости. Характер зависимостей полностью подтверждает отсутствие единства корреляции Ксс- П0, Ксс- Пк для одного и того же цемента вне связи с В/Ц. Естественная корреляция прочности с П0 и Пк наблюдается лишь в пределах одного водоцементного отношения. Зависимости Ксс- П0, Ксс-Пк (см. рис. 3. ), построенные по экспериментальным точкам в виде сплошных линий, дополнены штриховыми участками, выходящими на расчетные значения П0 и Пк, соответствующие исходной пустотности водовяжущей пасты Ки для данного В/Ц, при которой прочность равна нулю. Заметим, что в данном случае в пределах одного водоцементного отношения при равных значениях П0 и Пк прочность цементного камня из С38 и в-С28 оказывается одинаковой, что позволяет говорить об одинаковом качестве кристаллогидратной связки обоих силикатов по прочности.
Завершая краткий анализ имеющегося экспериментального материала с позиций связи прочности и параметров структуры цементного камня П0 и Пк, вернемся к данным Ф. Лохера, приведенным на рис. 1 (кривая I). Эти данные также свидетельствуют о значительном разбросе прочности при равных значениях Пк, достигающем ± 40%. [6].
П0 и капиллярная Пл пористости не могут служить параметрами структуры порового пространства цементного камня, однозначно характеризующими его прочность. Названные параметры не способны учесть влияние структуры ЦК на его прочность в полной мере, как минимум, по двум
т 2
¡Е ®
| а
а 2
2 «
щ И
в К
5 ^
I
га *
а
и
о
а и с н о
I *
£ о
н 2
н и
и га
ей О
т и га
I
о а ю
ш
н ш
причинам. Об одной из них сообщалось выше, и существо вопроса сводится к тому, что в технологии цементных бетонов используются водовяжущие системы в широком диапазоне В/Ц. По ходу гидратации системы с различными В/Ц формируют равнопрочные структуры при совершенно различных значениях П0 и Пк. Во-вторых, в зависимости от минералогического состава цементу применяемых химических добавок и условий твердения возможно формирование ЦК с различной пористостью кристаллогидратной связки, что даже для равных исходных условий (равных В/Ц) при равной степени гидратации обусловливает формирование структур с существенно различной капиллярной и, в целом, дифференциальной пористостью [7,8,9].
Следует отметить, что роль дифференциальной пористости в формировании прочности ЦК исследовалась весьма недостаточно. Не существует понимания роли дифференциальной пористости как самостоятельного структурного фактора в формировании физико-механических характеристик ЦК. Для характеристики дифференциальной пористости материалов и ЦК, в частности, не существует физически ясных структурных критериев и параметров. Можно считать, что наилучшим приближением в этом смысле являются параметры поровой структуры материалов по М. И. Бруссеру, определяемые по кинетике водопогло-щения [10,11]. Методика определения этих параметров — показателя среднего размера капилляров Л и показателя однородности размеров капилляров а — основана на законе капиллярного впитывания и прямой пропорциональности скорости поглощения смачивающей жидкости радиусу капилляров, что позволяет, используя дифференциальное уравнение движения жидкости, для конкретного материала и конкретной жидкости по экспериментальным кривым водонасыщения рассчитать значения Л и а.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Ахвердов И. Н. Основы физики бетона. — М.: Строииздат, 1981. — 464 с. — Библиогр.: с. 456-462 .
2. Славчева Г. С. Структура высокотехнологичных бетонов и закономерности проявления их свойств при эксплуатационных влажностных воздействиях //Воронеж: ВГАСУ-2009.-42 с. - 2009.
3. Razvi S. R., Saatcioglu M. Strength and deformability of confined high-strength concrete columns //Structural Journal. - 1994. - Т. 91. - №. 6. - С. 678-687.
4. Erofeeva I. V. et al. Strength and Deformability of Cement Composites of Various Types //IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - IOP Publishing, 2021. - Т. 1079. - №. 5. - С. 052002.
5. Methods of increasing the initial strength of winter concrete. R. T. Brzhanov et al 2018 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 451 012083
6. Бржанов Р.Т. Термодинамические расчеты минералов цемента. Сб.трудов международной научно-практической конференции «Валихановские чтения 10» г.Кокшетау-2005 г.,стр. 89-92
7. Gomes M, de Brito J. Structural concrete with incorporation of coarse recycled concrete and ceramic aggregates: durability performance //Materials and structures. - 2009. - Т. 42. - №. 5. - С. 663-675.
8. Бржанов Р.Т. К вопросу экономичности зимнего бетонирования. Вестник КазАТК им.М.Тынышпаева,Алма-ты.№5/2010-стр.106-109
9. Erofeev К T. et al. Strength and deformability of cement stone, mortar and concrete during loading //Journal of Physics: Conference Series. - IOP Publishing, 2020. - Т. 1687. - №. 1. - С. 012032.
10. Eskisar T. Influence of cement treatment on unconfined compressive strength and compressibility of lean clay with medium plasticity //Arabian Journal for Science and Engineering. - 2015. - Т. 40. - №. 3. - С. 763-772.
11. Дворкин Л., Дворкин О. Расчетное прогнозирование свойств и проектирование составов бетонов. - Litres, 2019.
12. Бржанов Р.Т. Причины деструктивных процессов при зимнем бетонировании. Материалы Международной научно-технической конферениции «Современные проблемы геотехники, механики и строительства транспортных сооружении» ,28-29мая 2010г.стр235-238
Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:
Р.Т. Бржанов. Структурная прочность и деформативность бетона в зависимости от содержания воды в нем. — Системные технологии. — 2021. — № 41. — С. 55—61.
doi: 10.55287/22275398_2021_4_55
STRUCTURAL STRENGTH AND DEFORMABILITY OF CONCRETE DEPENDING ON THE WATER CONTENT IN IT
R.T. Brzhanov
NAO Caspian University of Technology and Engineering. Sh. Esenova, Aktau, Kazakhstan
Abstract.
The structure of concrete has a great influence on the strength and deformabil-ity of concrete. To clarify this issue, a diagram of the physicochemical process of concrete formation is considered. When a mixture of aggregates and cement is mixed with water, a chemical reaction of the combination of cement minerals with water begins, as a result of which a gel is formed — a gelatinous porous mass with cement particles suspended in water, which have not yet entered
Key words:
concrete structure, strength and de-formability of concrete, cement stone, porosity of cement stone, capillary pores.
Date of receipt in edition: 14.11.21 Date o f acceptance for printing: 15.11.21
into a chemical reaction, and minor compounds in the form of crystals. The gel turns into a cement stone, which holds the grains of large and small aggregates together into a monolithic solid material — concrete.
ID Z
H Û -I H
D
CÛ
УДК 69
doi: 10.55287/22275398 2021 4 61
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ИНФОРМАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ФАСАДНЫХ РАБОТ
М.А. Фахратов, И.Ф. Ибрагим
Федеральное государственного бюджетное образовательное учреждение высшего образования Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, г. Москва
Аннотация.
В представленном исследовании выполнен анализ вопросов связанных с применением технологий информационного моделирования при организации фасадных работ. Основными вопросами при этом являются вопросы анализа исходных данных, вопросы выбора средств подмащивания и подбора численно-квалификационного состава рабочих. Кроме того, важное значение имеет анализ факторов, влияющих на технико-экономические показатели.
Ключевые слова:
фасадные работы, технологии информационного моделирования, организационно-технологические решения, технико-экономические показатели производства работ, группа влияющих факторов, параметры работ. История статьи: Дата поступления в редакцию 22.12.21
Дата принятия к печати 25.12.21
I
О
0
1
X (U H
<и s
I
(U
1 .
и :
Z (К
s s
а i
с га
m
тт °
I?
s
< и
£ i . о
2 !
S *
2 *
Н ГО
cl а
X о
* I
< >s
z Е
