Влияние параметров структуры на влажностные деформации высокопрочного модифицированного бетона Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691.327

Г.С. СЛАВЧЕВА, д-р техн. наук, С.Н. ЧЕМОДАНОВА, инженер (shemodan.83@mail.ru), Воронежский государственный архитектурно-строительный университет

Влияние параметров структуры на влажностные деформации высокопрочного модифицированного бетона

Представленные в данной публикации результаты являются продолжением работ [1, 2], в которых исследовались влажностные деформации высокопрочного бетона нового поколения (НРС) с модифицированной структурой. При формулировке проблемы и рассмотрении в ее контексте комплекса эксплуатационных изменений состояния и свойств материала в строительных конструкциях влажностные деформации определены в качестве одной из главных причин трещино-образования, накопления повреждений. Бетон НРС обладает микропористой, высокодисперсной структурой, характеризуемой высоким запасом внутренней энергии. Поэтому при влажностных эксплуатационных воздействиях мера деформативности высокопрочного бетона, определяемая балансом сил связи воды с твердой фазой и поровым пространством, может характеризоваться определенными отличительными особенностями.

С учетом сказанного экспериментальное изучение факторов, определяющих величину влажностных деформаций высокопрочного бетона нового поколения, и разработка технологических приемов управления ее величиной имеют важное практическое значение.

При исследовании деформирования высокопрочного бетона на первом этапе осуществлены эксперименты с цементным микробетоном [2], так как полагалось, что результаты имеют обобщенное значение для бетона, в котором соответствующий состав микробетона выполняет роль матрицы. В данной публикации представлены результаты второго этапа экспериментов, в которых использовали составы высокопрочного модифицированного бетона, рекомендованные специалистами НИИЖБ [3] для промышленного внедрения (табл. 1). Структуру цементирующего вещества регулировали варьированием дозировки модификатора.

С целью моделирования эксплуатационных условий усадки-набухания бетона эксперименты вели в квазистатическом режиме испытания образцов в гигростатах.

Для этого образцы нормального 28 сут твердения размером 160x40 мм при толщине не более 10 мм, выпиленные из предварительно отформованного массива, после высушивания при t = 100—105оС и охлаждения в эксикаторе над безводным хлористым кальцием помещали в гигростаты с парциальным давлением: p/ро = 0,2; 0,32; 0,55; 0,75; 0,99; исследование усадки осуществляли в тех же модельных средах, в которые помещались образцы после водонасыщения. Посредством периодического взвешивания и измерения длины в течение 160 сут следили за кинетикой изменения влажностного состояния и развитием деформаций материала.

При исследовании обеспечивали комплексное применение методов идентификации структуры для ее количественного описания (табл. 2). Минералогический состав цементирующего вещества, степень гидратации цемента определяли с помощью рентгенофазового анализа и ИК-спектроскопии. Удельную площадь поверхности твердой фазы оценивали двумя независимыми методами: методом Пауэрса (по емкости монослоя адсорбированных молекул воды при парциальном давлении водяного пара p/ро = 0,2), а также четырехточечным методом БЭТ (по адсорбции азота на приборе SoftSorbi).

Результаты первого этапа исследований деформаций усадки цементного модифицированного микробетона позволили заключить, что ее величина прямо соотносится с количественным содержанием модификатора МБ-01 и характеризуется минимальными значениями полной усадки и в эксплуатационном диапазоне обезвоживания при его дозировке 15—22% массы цемента. Одновременно установлено, что изменение структуры микробетона при модифицировании (уменьшение объема и среднего радиуса пор, повышение дисперсности и площади поверхности частиц твердой фазы (табл. 2) оказывается фактором роста силы взаимодействия материала с водой и уровня усадочных напряжений при изменении влагосодержания материала. Для их оценки

Таблица 1

Характеристика факторного пространства исследований

Вид материала Используемые компоненты Варьируемые рецептурно-технологические факторы Характеристика сырьевых материалов

Бетон на мелком заполнителе Цемент+вода В/Ц = 0,3-0,35, осадка конуса ОК = 22 см, расход цемента 550-690 кг/м3 Цемент М500Д0 Модификатор МБ-01: МК - 88,9%; СП - 10%; РТ - 0,01%; Sуд = 170 м2/кг Песок кварцевый Мкр = 1,6 Щебень гранитный фракции 5-20 см

Модификатор МБ-01 Массовая доля МБ-01 = 0-30% массы цемента

Песок кварцевый Расход песка 1350-1400 кг/м3

Бетон на крупном заполнителе Цемент+вода В/Ц = 0,3-0,33, осадка конуса ОК = 20 см, расход цемента 475-530 кг/м3

Модификатор МБ-01 Массовая доля МБ-01 = 0-22% массы цемента

Песок кварцевый Расход песка 600-620 кг/м3

Щебень Расход щебня 1100-1250 кг/м3

32

август 2011

£ух105

£нх105

350

300

250

200

3 150

100

50

0

ф ч

350

300

250

200

150

100

50

5 10 15 20 25 30 35 Содержание модификатора МБ-01, % массы цемента

5 10 15 20 25 30 35 Содержание модификатора МБ-01, % массы цемента

X по данным С.С. Каприелова и др. [5, 6] ^ по данным автора

Зависимость относительных деформаций усадки (а) и набухания (б) от содержания комплексного модификатора МБ-01 на стадии и в диапазоне эксплуатационного изменения влагосодержания: 1 - цементный микробетон; 2 - бетон на мелком заполнителе; 3 - бетон на крупном заполнителе

использовали показатель удельных относительных деформаций при изменении влагосодержания. Подчеркнем, что данный показатель является аналогом коэффициентов влажностного деформирования (линейной усадки в и набухания п), которые традиционно используются [4] для расчета величины влажностных напряжений в конструкциях. Установлено, что повышение энергетического потенциала твердой фазы и по-рового пространства модифицированного микробетона определяет увеличение в 1,5—2 раза удельной деформации набухания-усадки в диапазоне эксплуатационного изменения влагосодержания.

По результатам второго этапа экспериментальных исследований установлена неоднозначность влияния увлажнения-обезвоживания на величину влажностных деформаций высокопрочных модифицированных бетонов. Параметры их структуры предопределяют небольшой диапазон изменения эксплуатационного влагосодержания (4—5%). Установлено, что в отличие от традиционных бетонов, у которых составляющие макроуровня структуры (зерна крупного и мелкого заполнителя) позволяют снизить величину деформаций бетона в 5—6 раз по отношению к микробетону, для модифицированных бетонов возможно изменить значения пока-

Параметры структуры цементного микробетона

Таблица 2

б

а

0

Параметры структуры Массовая доля модификатора МБ-01, % массы цемента

0 12 22 30

Степень гидратации цемента, % 82 54 64 70

Объем твердой фазы, м3/м3 0,66 0,7 0,77 0,76

Удельная площадь поверхности твердой фазы, м2/г по адсорбции водяного пара 82,2 33,6 34,2 70,9

по адсорбции азота 3,91 2,79 3,62 5,13

Общий объем пор, м3/м3 0,34 0,3 0,23 0,24

Содержание пор радиусом гэ в % от общего объема пор < 20 нм 24 31 40 31

> 20 нм 76 69 60 69

Плотность средняя, кг/м3 1680 1820 2010 1920

Таблица 3

Величина удельных деформаций усадки и набухания высокопрочных модифицированных бетонов при изменении их влагосодержания в эксплуатационном диапазоне

Массовая доля модификатора, % массы цемента 0 12 22 30

Удельные деформации, (мм/м)/(°/с^) усадки 0,2-0,23 0,25-0,27 0,4-0,42 0,45-0,47

набухания 0,07-0,1 0,18-0,22 0,21-0,23 0,25-0,28

Ы ®

август 2011

33

зателей деформативности всего в 1,5—2 раза (см. рисунок). Принципиально важно, что разница в величине деформаций набухания и усадки модифицированных микробетона и бетона может составить не более 50%. Вследствие этого значения удельной усадки повышаются в 1,5—2,5 раза по отношению к бетонам традиционной немодифицированной структуры (табл. 3).

Таким образом, модифицирование структуры цементирующего вещества бетонов настолько значительно изменяет энергетический потенциал поверхности твердой фазы и порового пространства, что это определяет возрастание величины полных и удельных деформаций набухания-усадки по сравнению с немодифицирован-ным бетоном. Это подтверждает тезис о приоритетном вкладе структурных составляющих микро- и наноуровня в формирование свойств высокопрочного модифицированного бетона нового поколения. Важно отметить, что для бетона по отношению к микробетону характерен более существенный рост деформаций при содержании модификатора 20—30% массы цемента, наиболее явно выраженный для бетона на крупном заполнителе (см. рисунок).

На основании полученных данных можно заключить, что при получении бетона и регулировании его свойств использованием комплексных модификаторов серии «МБ» на основе микрокремнезема и суперпластификатора может существовать противоречие в направлении выбора рациональной дозировки модификатора с точки зрения обеспечения его прочности и приемлемых характеристик эксплуатационной деформируемости. В составах, рекомендованных специалистами НИИЖБ для промышленного внедрения [3, 5, 6], содержание модификатора изменяется в диапазоне 10— 30% массы цемента, что позволяет получить бетон классов по прочности В60—В90. В области значений до-

зировок модификатора 15—22% массы цемента обеспечиваются значения деформаций набухания-усадки не выше, чем для немодифицированного бетона с аналогичным расходом цемента, и одновременно при указанных дозировках имеется возможность получить бетоны классов В60—В80.

Ключевые слова: высокопрочные модифицированные бетоны, эксплуатационная среда, влажностные деформации.

Список литературы

1. Чернышов Е.М., Славчева Г.С. Физико-химическая природа взаимосвязи свойств строительных материалов с их влажностным состоянием // Academia. Архитектура и строительство. 2008. № 1. С. 87—92.

2. Славчева Г.С., Чемоданова С.Н. Влажностные деформации модифицированного цементного камня // Строительные материалы. 2008. № 5. С. 70—72.

3. Каприелов С.С. Общие закономерности формирования структуры цементного камня и бетона с добавкой ультрадисперсных материалов // Бетон и железобетон. 1995. № 4. С. 16-20.

4. Александровский С.В. Расчет бетонных и железобетонных конструкций на изменения температуры и влажности с учетом ползучести бетона. М., 2004. 712 с.

5. Каприелов С.С., Шейнфельд А.В., Карпенко Н.И. и др. Влияние органоминерального модификатора МБ-50С на структуру и деформативность цементного камня и высокопрочного бетона // Бетон и железобетон. 2003. № 3. С. 2-7.

6. Иссерс Ф.А., Булгакова М.Г., Вершинина Н.И. Прочностные и деформативные свойства высокопрочных бетонов с модификатором МБ 10-01 // Бетон и железобетон. 1999. № 3. С. 6-9.

33-я межрегиональная специализированная выстави

НОВЫЙ ГОРОД

3-я межрегиональная специализированна!) выставка

ргкомнтет:

ТУф,: (473) 251-20-12 (многоканальный), 277-48-36 е- та i I :st roy @ veta, ги

Лоддврж

рго«Барож»яив в стро

строительны

лмдлнекой eipoi

Эл^кпншйеепгчсн ПлдчоЬиСш Ч1-ЦН1-

Клнм^тйгвикнци, Sr'IHTH.VULH"

Системы Óftio1inci<0<mt Средств л эвшнгы, Интерьер £hjlihn Риэлторские, оценочные гслрти Ннлестнцыанная коптели м ости Банки, (лралолыо кампании ИммЫшииЛнИыг принты <гс4Шйп ннщстрыи ормпщциные № нелегки нстроит

i ТиргйЬоНраыии Влцсинжсгйн оСм.1|!11> Uifll l44l4ACM]lfr 4 L гр;м| i ц.м>| Вписнш'.СкЬ* ийАягги'

Организаторы:

34

август 2011

ÍÁ ®