Структурные факторы обеспечения морозостойкости цементных пенобетонов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691.327

Г.С. СЛАВЧЕВА, д-р техн. наук ([email protected])

Воронежский государственный архитектурно-строительный университет (394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84)

Структурные факторы обеспечения морозостойкости цементных пенобетонов

Для макропористых бетонов предложена обобщенная трактовка механизма морозного разрушения с обоснованием критериальных для его регулирования параметров структуры. Представлены результаты дилатометрических исследований цементных пенобетонов, позволивших выявить взаимосвязь параметров их структуры с мерой деформирования материала при замораживании водонасыщенных образцов.

Ключевые слова: пенобетоны, структура, морозостойкость, дилатометрия.

G.S. SLAVCHEVA, Doctor of Sciences (Engineering) ([email protected])

Voronezh State University of Architecture and Givil Engineering (84, 20-letija Oktjabrja Street, 394006, Voronezh, Russian Federation)

Structural Factors Ensuring the Frost Resistance of Cement Foam Concretes

For macro-porous concretes, a generalized interpretation of the mechanism of frost destruction with the substantiation of structure parameters criterial for its regulatory is proposed. Results of dilatometric studies of cement foam concretes, which revealed the interrelationship of the parameters of their structure with the measure of deformation of the material during the freezing of water-saturated samples, are presented.

Keywords: foam concretes, structure, frost resistance, dilatometry.

Обоснование факторов повышения морозостойкости цементных пенобетонов основывается на анализе физических явлений морозного разрушения как следствие процесса накопления повреждений в увлажненном материале при воздействии на него среды с циклически меняющейся отрицательной и положительной ее температурой, приводящих к износу материалов.

Согласно существующим классическим (А.С. Берк-ман, И.Г. Мельникова. Структура и морозостойкость строительных материалов. М.: Госстройиздат. 1962. 164 с.; Г.И. Горчаков. Состав, структура и свойства цементных бетонов. М.: Стройиздат. 1976. 144 с.) и современным [1—5] представлениям о механизме морозного разрушения, а также предложенной Е.М. Чернышевым и развиваемой автором его трактовке [6, 7], накопление повреждений является результатом совокупности явлений (гидростатическим давлением воды при запирании ее в замкнутом объеме образующимся льдом; гидравлическим давлением воды при отжатии ее льдом от зоны льдообразования в поры), связанных с преобразованием жидкой фазы в криофазу (льдофазу) в объеме материала. Ощутимо кристаллизационное, гидростатическое и гидравлическое давление может проявляться при предельных или близких к ним значениях наполнения пор материала водой. И в связи с этим необходимым условием развития деструкции в результате давления льдообразования и сопутствующих ему указанных выше гигромеханических эффектов считается наличие критической степени насыщения пор материала водой, равной 91,7%.

Во всех процессах морозной деструкции определяющее место принадлежит структурным характеристикам материала, которые и задают интенсивность и меру развития всех процессов при замораживании, а тем самым скорость и меру морозного разрушения. Критериальным для развития морозной деструкции является фактор температуры перехода жидкой фазы в криофазу (температуры замерзания воды в материале), которая зависит от силы связи воды со структурой материала, предопределяемой адсорбционной активностью поверхности твердой фазы (характеризуется теплотой смачивания 9тв.ф), сродством жидкой фазы к твердой фазе (характеризуется краевым углом смачивания 6), распределением объема порового пространства по радиусу пор drпор/ dVпор (характеризуется средним эквивалентным радиу-

сом пор гэ). В зависимости от структуры материала значение температуры замерзания воды в нем может находиться в интервале 0оС — -70оС. Для макропористых бетонов значимым фактором повышения морозостойкости является создание резервного (свободного от жидкости) объема макропористого пространства в материалах, в который может гидравлически отжиматься жидкая фаза при льдообразовании в заполненных водой капиллярных порах. И это в основе своей также подразумевает регулирование структурных характеристик материала, а на этой основе возможность управления гигромеханическими процессами при замораживании-оттаивании и в итоге интенсивностью морозной деструкции.

Таким образом, механика процессов проявления и реализации морозостойкости строительных материалов в связи с их структурой оказывается многоплановой с точки зрения принципов и возможностей управления. Диапазон этих возможностей иллюстрируется данными, полученными автором применительно к цементным пенобетонам с варьируемыми структурами твердой фазы и порового пространства.

Морозостойкость бетонов связана с их исходным влажностным состоянием, поэтому с практической точки зрения целесообразно характеризовать влаж-ностное состояние материалов, наблюдаемое: а) при длительном пребывании их в среде насыщенного водяного пара (р/рв~1); б) непосредственно после окончания технологического процесса; в) при их водонасы-щении. Такие варианты влажностного состояния бетонов соответствуют наиболее неблагоприятным ситуациям и условиям, в которых они могут оказаться при эксплуатации.

Показано, что посредством регулирования параметров состава и структуры цементного микробетона (табл. 1), рассматриваемого в качестве матрицы пенобе-тонов, можно многократно изменять степень заполнения пор жидкой фазой и соответственно резервный объем порового пространства (табл. 2).

Цементный микробетон без добавок и наполнителей (рассматриваемый в качестве эталона) обладает такой структурой, что его поры в каждом из рассматриваемых вариантов влажностного состояния оказываются в значительной мере или полностью заполненными водой. Изменение структуры в направлении увеличения сред-

Таблица 1

Параметры структуры «модельных» образцов цементного микробетона, принимаемых в качестве матрицы

цементных пенобетонов

Модели структуры микробетона Эталон Матрицы поризованных бетонов

Характеристика состава В/Ц 0,4 0,4 0,8 1

Вид наполнителя Без наполнителя Пылевидный кварцевый песок Молотый кварцевый песок Зола-уноса ТЭЦ

5уд, м2/кг 60 15 350

Теплота смачивания водой, кДж/кг 0,71 0,97 1,65

Массовое соотношение цемент-наполнитель 1:1,75 1:1,5 1:1,5

Параметры структуры Степень гидратации цемента, % 82 74 79 90

7ц.в, м3/м3 0,43 0,18 0,2 0,23

Кщ, м3/м3 0,19 0,06 0,06 0,03

Ими, м3/м3 0,54 0,48 0,43

Кп, м3/м3 0,33 0,22 0,26 0,31

^тв.ф, м2/г 82,2 7,5 22 70,2

#тв.ф, кДж/кг 15,1 <2 <2 6,1

Содержание пор радиусом гэ<20 нм, % от общего объема пор 24 10 22 30

Примечание. Кц.в - объем цементирующего вещества; Кзц - объем остаточных зерен цемента; ¥ин -объем микронаполнителя; Кп - объем пор; 5тв.ф - удельная площадь поверхности; #тв.ф - удельная поверхностная энергия твердой фазы; гэ - эквивалентный радиус пор.

Таблица 2

Показатели влажностного состояния цементного микробетона и пенобетона средней плотности 800 кг/м3

Характеристика составов микробетона и поризованного бетона Показатели влажностного состояния

После хранения в среде с р/р0=1 После твердения После водонасыщения

^жф/ ^пор Vpn ^жф/ Vnop Vpn ^жф/ ^пор Vpn

Для микробетона

Без наполнителей В/Ц=0,4 0,27 0,73 0,55 0,45 1,14 0

С наполнителями На молотом песке 0,31 0,69 0,34 0,66 0,85 0,15

На золе-уноса 0,53 0,47 0,57 0,43 1 0

Для пенобетона

На немолотом песке 0,06 0,94 0,11 0,89 0,17 0,83

На молотом песке 0,07 0,93 0,23 0,77 0,37 0,63

На золе-уноса 0,11 0,89 0,33 0,67 0,5 0,5

Примечание. Ижф/Кпор - степень заполнения пор водой, м3/м3; Ирп=1 - Ижф/Кпор - резервный объем пор, не заполненных водой, м3/м3.

него радиуса пор при одновременном снижении удельной поверхности и поверхностной энергии твердой фазы за счет введения грубодисперсных, относительно малоактивных по отношению к воде наполнителей (табл. 1) сопровождается понижением степени заполнения пор водой (Кжф/Кпор), возрастанием величины не заполненного водой резервного объема пор. Подчеркнем, что для микробетона, полученного с применением кварцевого песка, даже после его водонасы-щения этот показатель составляет ^жф/^пор=0,85, что ниже критического значения ^жф/^пор=0,91.

Фиксируемая для микробетона связь параметров его влажностного состояния с особенностями структуры закономерно проявляет себя в пенобетонах, где соответствующий вид микробетона используется в качестве матричного материала. Для бетона на кварцевом песке и золе-уноса одинаковой средней плотности при влаж-ностном состоянии, достигаемом после твердения и после выдерживания в среде с p/p0~1, имеет место 1,5-кратная разница в степени заполнения общего объ-

ема пор и микропор водой (табл. 2). В макропористом бетоне при обычном водонасыщении его микропоры полностью заполняются водой. Однако с учетом объема макропор в материале всегда есть незанятый водой, резервный объем порового пространства. Его величина зависит при равной средней плотности бетона от особенностей структуры материала мембран. Выполненные исследования показали, что резервный объем порового пространства возрастает для бетонов равной средней плотности по мере понижения сродства материала перегородок к воде, уменьшения относительного объема микропор.

Однако повышенные значения исходной степени насыщения пор материала водой или, напротив, пониженные их значения еще не дают оснований прогнозировать по ним соответственно более низкую или более высокую его морозостойкость. При охлаждении материала исходное влажностное его состояние и соответствующая ему величина резервного объема пор не сохраняются. В силу развития процесса термоградиент-

Ы ®

научно-технический и производственный журнал

сентябрь 2015

53

Таблица 3

Деформации цементного микробетона, макропористых бетонов (пенобетонов) при температуре 0 - -60оС

Вид материала Характеристика состава материала Приведенные деформации Де=евод—есух, мм/м при температуре

0 - -10оС -20 - -30оС <50°С

Цементный микробетон Без наполнителей и добавок В/Ц=0,4 0,3 0,15 0,5-0,6

С наполнителями На молотом песке 0,09 нет 0,5-0,6

На золе-уноса нет 0,17 0,3-0,4

На немолотом песке нет 0,15 0,4-0,5

Цементный пенобетон На немолотом кварцевом песке D800 0,28 0,19 0,2-0,3

На молотом кварцевом песке D800 0,13 нет 0,3-0,5

Микрозернистый на золе-уносе D800 0,12 нет 0,1-0,2

-70 -60 -50

ной миграции влаги в материале с относительно меньшей исходной степенью заполнения пор водой может в зоне его охлаждения возникнуть ситуация критического водонасыщения. В материале же с большим исходным водосодержанием такая ситуация, к примеру, может и не появиться, и он в результате этого окажется потенциально более морозостойким. Как следует из изложенного выше понимания механизма и факторов морозного разрушения, повышенную степень заполнения пор водой следует считать необходимым, но недостаточным условием разрушения при замораживании. Определяющее значение будет иметь вероятная температура замерзания воды в порах и мера деформирования материала при замораживании [8, 9], являющаяся следствием и показателем возможного проявления кристаллизационного давления при льдообразовании.

Сравнительные исследования деформирования сухих и водонасы-щенных образцов цементного микробетона и соответствующих видов поризованных бетонов при замораживании позволили охарактеризовать ряд закономерностей влияния структуры материала на развитие процесса льдообразования и соответствующее этому формирование напряженного состояния.

Характер деформирования водо-насыщенного цементного микробетона при охлаждении (рис. 1) свидетельствует, что в первый период воздействия среды с отрицательной температурой наблюдаемое уменьшение объема материала является следствием температурного деформирования его твердой фазы. Данные объемные изменения могут уже в этот период в определенной мере перекрываться увеличением объема жидкой фазы при переходе ее в лед. В последующем деформации материала оказываются связанными в основном с развитием процесса льдообразования. При этом деформированное и напряженное состояние водонасыщенного микробетона при замораживании и соответствующие эффекты на кривых деформирования обусловливаются особенностями его структуры.

Для цементного микробетона без добавок и наполнителей отличия в характере деформирования сухих и водонасыщенных образцов определяются параметрами порового пространства. Несмотря на то что в водона-сыщенном состоянии поровое пространство микробетона полностью заполнено жидкой фазой, в цементном микробетоне, поровое пространство которого характеризуется двумодальным распределением пор по их радиусам (например, при В/Ц= 0,4) по мере охлаждения материала эффект увеличения объема в результате льдообразования достаточно четко наблюдается в интервале температуры 0 —10оС и -50 —60оС (рис. 1, а).

Температура, °С ■40 -30 -20 -10

-70 -60 -50

Температура, °С ■40 -30 -20 -10

б Температура, °С

-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10

г Температура, °С

-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20

111111 / /А

// -

//

2 / -

: /Л

" Ц. г/ 'х -

- \// -

- / -

- ак -

/

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

1,1 1,2

Рис. 1. Дилатометрические эффекты при замораживании сухих и водонасыщенных образцов цементного микробетона на различных видах наполнителя: а - без наполнителя (эталон); б - на золе-уноса; в - на молотом кварцевом песке; г - на немолотом кварцевом песке; 1 - сухие образцы; 2 - водонасыщенные образцы

Таблица 4

Результаты испытаний пенобетона на морозостойкость

Вид бетона Марка по средней плотности Показатели после 35 циклов замораживания-оттаивания Марка по морозостойкости

Потеря массы,% Потеря прочности, %

Мелкозернистый (на немолотом песке) Мк=1,2 D800 12,1 26,2 <F25

D1000 0,79 10,8 F25

Микрозернистый (на молотом песке) D800 3,9 13 F35

D1000 нет 8 F35

Микрозернистый (на золе-уноса) D800 2,1 11 F50

D1000 Нет 8,1 F50

-60

-40

Температура, °С -20

20

1 Марка по 1 1 У // // ~

морозо-

стойкости F50 2 // ■ 4 -

- //*

/

0

0,2

0,4

0,6

0,8

С

1

1,2 1,4

б Температура, °С

-60 -40 -20 0

е

20

0,2 0,4 0,6 0,8

1

- 1,2

1,4

в -60

е

Температура, °С -40 -20 0

20

0

0,2

0,4

0,6

0,8

н

с

1

1,2 1,4

Рис. 2. Дилатометрические эффекты при замораживании сухих и водонасыщенных образцов различных видов цементного пенобетона (р=800 кг/м3): а - на золе-уноса; в - на молотом кварцевом песке; г - на немолотом кварцевом песке: 1 - сухие образцы; 2 - водонасыщенные образцы

а

0

0

Для цементного микробетона с наполнителями, рассматриваемого в качестве матричного материала цементного поризованного бетона, также характерны два температурных диапазона: в одном происходит компенсация температурных деформаций уменьшения объема, в другом — деформации расширения при замерзании воды. Начальная температура льдообразования определяется степенью сродства к воде наполнителя. Для серий микробетона на кварцевом песке различной дисперсности (рис. 1, в, г) компенсация температурных деформаций уменьшения объема наблюдается при температуре -10 —20оС. И это закономерно связано со структурой пористости и активностью их поверхности по отношению к воде. В поровом пространстве пор микробетона данных серий доля пор гэ<20 нм не превышает 20%, а теплота смачивания поверхности твердой фазы характеризуется значением менее 2 кДж/кг (табл. 1). Для микробетона на золе-уноса, который характеризуется повышенной теплотой смачивания поверхности твердой фазы (#=6,1 кДж/кг) и содержанием пор гэ<20 нм до 30% от их общего объема, первый эффект расширения (рис. 1, б) наблюдается при температуре -20 - -30оС.

По данным авторских дилатометрических исследований установлено, что при замораживании макропористых бетонов (пенобетонов) характер их деформирования соответствует характеру деформирования соответствующего вида микробетона (рис. 2). Снижение температуры замерзания воды также фиксируется при увеличении силы взаимодействия структуры с водой за счет повышения удельной поверхностной энергии твердой фазы и уменьшения радиуса микропор межпорово-

го материала. Вследствие этого опасный с точки зрения морозостойкости материала интервал температуры его замораживания сдвигается в область более низких ее значений. Для микрозернистого пенобетона с повышенной теплотой смачивания поверхности твердой фазы (например, на золе-уноса) существенные деформации расширения начинают проявляться при К-50°С, а для мелкозернистого бетозна на кварцевом песке такие деформации фиксируются при ?=-10; -20; -50оС. И это несмотря на снижение величины не заполненного водой резервного объема пор в материале на золе-уноса.

Таким образом, дилатометрические исследования показывают, что разность относительных деформаций при замораживании водонасыщенных и сухих образцов (величина приведенных деформаций Де=£шд—£сух) при охлаждении в диапазоне температуры 0 - -60оС растет (табл. 3) по мере уменьшения содержания нанопор в материале и снижения запаса избыточной поверхностной энергии твердой фазы. По отношению к другим сериям микробетона и бетона наибольшая величина приведенных деформаций характерна для микробетона на немолотом кварцевом песке и соответствующего вида пенобетона, несмотря на наличие свободного от жидкой фазы объема пор.

Полученные результаты исследований дают основание прогнозировать, что повышение сопротивления бетонов морозному разрушению может быть осуществлено при условии модифицирования его порового пространства в направлении уменьшения среднего эффективного радиуса пор. Твердая фаза должна при этом характеризоваться возможно более высоким сродством

fj научно-технический и производственный журнал

® сентябрь 2015 5б"

к воде, что наряду с уменьшением радиуса пор предопределяет снижение степени замерзания воды в материале. И это подтверждается результатами стандартных испытаний на морозостойкость рассмотренных разновидностей пенобетонов. Согласно их результатам морозостойкость бетона средней плотности 800—1000 кг/м3 на золе-уноса оценивается маркой F50, на молотом кварцевом песке — F35, на песке естественной гранулометрии — не более F25 (табл. 4).

Таким образом, определяющим фактором морозной деструкции является не критическая исходная степень водонасыщения материала, а мера «замерзаемости» воды в нем. Проявление разрушающего действия замораживания-оттаивания определяется структурой материала. Снижение уровня морозной деструкции

обеспечивается путем направленного формирования структуры порового пространства и твердой фазы пори-зованных бетонов и соответствующего регулирования при этом температуры замерзания воды в его порах и величины соответствующих деформаций и напряжений при льдообразовании. С точки зрения повышения потенциала морозостойкости для условий эксплуатации изделий с температурой не ниже 25—30оС целесообразно формировать микропоровое пространство межпоро-вых перегородок с преимущественным содержанием пор радиусом менее 20 нм и твердую фазу с величинами удельной теплоты смачивания твердой фазы более 10 кДж/кг, что для пенобетонов обеспечивается использованием тонкодисперсных наполнителей с высоким сродством их поверхности к воде.

Список литературы

1. Гузеев Е.А., Пирадов К.А., Мамаев Т.Л. Оценка морозостойкости бетона по параметрам механики разрушения // Бетон и железобетон. 2000. № 3. С. 26-27.

2. Александровский С.В., Александровский В.С. Базовая модель теории промерзания влажных пористых тел // Бетон и железобетон. 2005. № 6. С. 20-21.

3. Добшиц Л.М. Физико-химическая модель разрушения бетонов при попеременном замораживании-оттаивании // Вестник гражданских инженеров. 2009. № 3 (20). С. 104-110.

4. Зоткин А.Г. Воздушные поры и морозостойкость бетона // Технологии бетонов. 2011. № 5-6. С. 18-21.

5. Леонович С.Н., Зайцев Ю.В., Пирадов К.А. Физическая модель кинетики разрушения бетона при теп-ловлажностных воздействиях // Вестник гражданских инженеров. 2014. № 1 (42). С. 34-36.

6. Чернышов Е.М., Славчева Г.С. Морозное разрушение и морозостойкость строительных материалов: современная трактовка механизма и факторов управления // Вестник отделения строительных наук РААСН. Вып. 9. Белгород, 2005. С. 447-459.

7. Славчева Г.С., Чернышов Е.М. Влияние структуры высокопрочных модифицированных бетонов на дилатометрические эффекты при их замораживании // Вестник инженерной школы ДВФУ. Строительные материалы и изделия. 2015. № 1 (22). С. 63-70.

8. Шейнин А.М., Эккель С.В. О применении дилатометрического метода для прогнозирования морозостойкости дорожного бетона // Строительные материалы. 2004. № 12. С. 50-51.

9. Дикун А.Д., Фишман В.Я., Дикун В.Н., Нагор-няк И.Н., Алексеев А.В. Практика применения уско -ренного дилатометрического метода определения морозостойкости бетонов по ГОСТ 10060.3-95 // Строительные материалы. 2009. № 4. С. 97-101.

References

1. Guzeev E.A., Piradov K.A., Mamaev T.L. Evaluation of frost resistance of concrete in the parameters of fracture mechanics. Beton i zhelezobeton. 2000. No. 3, pp. 26—27. (In Russian).

2. Aleksandrovskii S.V. Aleksandrovskii V.S. Basic model theory of freezing wet porous bodies. Beton i zhelezobeton. 2005. No. 6. pp. 20-21. (In Russian).

3. Dobshits L.M. Physico-chemical model of the fracture of concrete under alternate maintenance-thawing. Vestnik grazhdanskikh inzhenerov. 2009. No. 3 (20), pp. 104-110. (In Russian).

4. Zotkin A.G. The air pores and frost resistance of concrete. Tekhnologii betonov. 2011. No. 5-6, pp. 18-21. (In Russian).

5. Leonovich S.N., Zaitsev Yu.V., Piradov K.A. The physical model of the kinetics of destruction of concrete in the heat and humidity effects. Vestnik grazhdanskikh inzhenerov. 2014. No. 1 (42), pp. 34-36 (In Russian).

6. Chernyshov E. M. Slavcheva, G. S. Frost destruction and frost resistance of building materials: a modern interpretation of the mechanism and management factors. Vestnik otdeleniya stroitel'nyh nauk RAASN. Vol. 9. Belgorod, 2005, pp. 447-459. (In Russian).

7. Slavcheva G.S., Chernyshov E.M. Influence of structure of high strength modified concrete on dilatometric effects when freezing. Vestnik inzhenernoi shkoly DVFU. Stroitel'nye materialy i izdeliya. 2015. No. 1 (22), pp. 6370. (In Russian)

8. Sheinin A.M., Ekkel' S.V. On the application of dilatometric method for predicting the frost resistance of concrete road. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2004. No. 12, pp. 50-51. (In Russian).

9. Dikun A.D., Fishman V.Ya., Dikun V.N., Nagor-nyak I.N., Alekseev A.V. The practice of applying accelerated dilatometric method for determination frost resistance of concrete in accordance with GOST 10060.3-95. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2009. No. 4, pp. 97-101. (In Russian).

Подписка на электронную версию журнала «Строительные материалы»®

http://ejournal.rifsm.ru/