CC BY
91
2/2011 вестник 2/20l]_мгсу
ВЛИЯНИЕ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ЗНАКОПЕРЕМЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР НА СТРУКТУРУ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ВЫСОКОПРОЧНЫХ
БЕТОНОВ
THE INFLUENCE OF PERIODICAL EXPOSURE OF ALTERNATING-SIGN TEMPERATURES ON HYDRATED CEMENT STRUCTURE AND HIGH-STRENGTH CONCRETE PERFORMANCE PROPERTIES FOR TRANSPORT CONSTRUCTIONS
А. Л. Гольденберг A. L. Goldenberg
НИИЖБ им. А. А. Гвоздева - филиал ОАО НИЦ «Строительство»
В статье рассматривается влияние знакопеременных температур на параметры физико-механических свойств и структуры высокопрочных бетонов
In an article there was given a special attention to an influence of alternating-sign temperature exposure on the important physical-mechanic characteristics and hydrated cement microstructure of a high-strength concrete
Долговечность сооружений из бетона, находящихся в переменных условиях эксплуатации, может быть переменной величиной. Это особенно актуально для Российской Федерации, где период климатической зимы в северных регионах страны сменяется относительно теплыми среднесуточными температурами. При этом для большинства мостовых сооружений характерна ситуация, когда вода, в которой находятся опоры, замерзает, происходит морозное разрушение, а затем вода оттаивает, и сооружение достаточное время находится во влажной среде при положительной температуре. Возникает вопрос о степени ущерба нанесенного сооружению. Ряд исследователей [2,6,8] считают, что при таких условиях эксплуатационный ресурс конструкций может быть не полностью исчерпан.
В настоящее время при строительстве транспортных сооружений начинают все чаще использоваться высокопрочные бетоны. Эти бетоны обладают высокой (55-100 МПа) прочностью, низкой проницаемостью, повышенной коррозионной стойкостью, долговечностью и позволяют снизить материалоёмкость конструкций, а также уменьшить трудоёмкость работ при укладке бетона в конструкцию за счёт применения высокоподвижной бетонной смеси.
Целью работы являлось определение зависимости некоторых эксплуатационных свойств бетонов (призменной и кубиковой прочности, динамического и статического модулей упругости, диффузионной проницаемости, плотности структуры) от параметров микроструктуры цементного камня.
Поскольку свойства цементного камня предопределяются свойствами его структуры: пористостью, составом кристаллогидратов (балансом между субмикрокристал-лами геля и крупными кристаллами), возникает задача исследования влияния микроструктуры цементного камня на эксплуатационные свойства высокопрочных бетонов при периодическом воздействии знакопеременных температур, моделирующем циклическую смену отрицательной температуры окружающей среды, в которой находятся железобетонные конструкции, на положительные.
По результатам ранее проведенных исследований была разработана модель эксперимента, которая заключалась в сравнении динамики изменения некоторых физико-механических свойств бетонов одинаковых классов по прочности на сжатие, имеющих равный объем цементного камня, но разного состава. Сравнения проводили по таким параметрам, как морозостойкость, прочность на сжатие, призменная прочность, статический и динамический модули упругости, диффузионная проницаемость. Методика исследований моделировала условия эксплуатации бетонов в условиях воздействия знакопеременных температур, т. е. период циклического замораживания-оттаивания сменялся периодом выдерживания бетона в нормальных условиях и в воде.
Исследования велись на 2 составах высокопрочных бетонов на органо-минеральном модификаторе 20% дозировки (с газообразующей добавкой на основе полигидросилоксанов и без нее). В качестве контрольного состава был взят бетон с добавкой суперпластификатора на нафталинформальдегидной основе с водовяжущим отношением, как и у бетонов на модификаторе. Контрольный образец бетона приготовлен из смеси с 0К=20 см, бетоны с модификатором - из смеси с ОК=22 см. Все образцы тяжелого бетона имели одинаковое водовяжущее отношение [вода/(цемент + модификатор)] равное 0,25, примерно одинаковое количество вяжущего (це-мент+модификатор или цемент) в диапазоне 550^580.
Заформованные образцы хранились в камере нормального твердения (t=20±2 °С, W=95-98%) до достижения ими возраста 28 суток.
Методику оценки эксплуатационных свойств бетона при периодическом воздействии знакопеременных температур можно условно разбить на две стадии:
Первая стадия представляла собой циклическое замораживание - периодическое замораживание и оттаивание в морозильной камере в течение 37 циклов - условный порог, соответствующий марке по морозостойкости F300 в солях по ГОСТ 10060.2-95 - испытания осуществлялись путём попеременного замораживания и оттаивания при -50 °С в 5% растворе хлористого натрия в морозильной камере ILKA. Выбор данного метода был обусловлен его распространенностью в практике испытаний на морозостойкость научно-исследовательскими и контрольно-ревизионными организациями России, и возможностью получать результаты высокой точности за относительно небольшой промежуток времени.
На второй стадии исследования проводилось выдерживание образцов бетона в нормальных и водных условиях - хранение образцов в воздушной среде (T= 20±2 °С, W=95-98%) или в водной среде (T= 20±2 °С, W=100%) в течение 28 суток.
Данный порядок проведения исследований на 2-й стадии эксперимента был выбран по следующим соображениям: большинство сооружений в течение процесса эксплуатации находятся частично в воде и частично на воздухе. Важно было исследовать
2/2п11 вестник _2/2°1]_мгсу
влияние морозной деструкции при самом экстремальном воздействии на участки бетона, остающиеся на воздухе или в воде, после смены температурного режима с отрицательного на положительный (условный период «зима-лето»).
В целях определения достоверности проводимых исследований эксперимент по вышеизложенной методике проводился не в две стадии, а в четыре на одних и тех же образцах. Две последующие стадии испытаний полностью повторяли предыдущие.
Перед началом эксперимента проводились испытания образцов в возрасте 28 суток. Эти данные принимались за нулевую точку отчета. После каждой стадии эксперимента проводились испытания образцов, в количестве достаточном для статистической достоверности исследований.
В работе была поставлена задача получения высокопрочных бетонов с целью их дальнейших исследований. В соответствии с поставленной задачей выбирались вид и качество используемых материалов. Составы бетонов и их свойства приведены в Таблице 1.
Таблица 1
СОСТАВЫ И СВОЙСТВА БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ
№ МБ1 Состав бетонных смесей, кг/м3 Свойства бетонных сме-
со- 0- сей
ста- 30С, Ц МБ10- П Щ В СП КЭ В/Ц+ l, ОК V ' вв>
ва % от Ц 30С С-3 МБ кг/м см %
1 0 580 - 690 960 145 12,8 - 0,25 2393 20 4,2
2 20 460 90 730 960 140 - - 0,25 2380 22 4,3
3 20 460 90 730 960 140 - 0,5 0,25 2381 22 4,9
Для приготовления бетонов использовались следующие материалы:
- портландцемент ПЦ500 ДО (минералогический состав, % С3Б=58, С2Б=19, С3А=6, С4АБ=17), соответствующий ГОСТ 10178 и ГОСТ 30515;
- песок природный кварцевый (Мкр=2,8), соответствующий ГОСТ 8736;
- щебень гранитный (фракции 5-20 мм), соответствующий ГОСТ 8267 и ГОСТ 26633;
- модификатор бетона МБ 10-30С, ТУ 5743-083-46854090-98;
- нафталинформальдегидный суперпластификатор С-3, ТУ 5870-002-58042865-03;
- газообразующая добавка на основе полигидросилоксанов КЭ 30-04 (50% концентрации), ТУ 2251-035-00209013-2004.
Кубиковая и призменная прочность, статический модуль упругости определялись в соответствии с требованиями соответствующих ГОСТ.
Динамический модуль упругости определялся по прохождению резонансных ультразвуковых колебаний через образцы размерами 70x70x210 мм на приборе ПЧМК-3.
Плотность бетонов оценивалась по коэффициенту диффузионной проницаемости Бб по ГОСТ Р 52804-2007 на образцах размером 40x40x160 мм.
Исследования микроструктуры цементного камня проводились методами рентге-ноструктурного анализа, дифференциально-термического анализа и электронной микроскопии.
Для проведения исследований из цементного теста формовались образцы цементного камня размерами 30x30x30 мм, с расходами цемента и количеством добавки ана-
логичными для составов бетона, использовавшихся в работе. Водовяжущее отношение было постоянным и составляло 0,2.
В возрасте 28 суток нормального твердения образцы были испытаны на прочность при сжатии и препарированы для рентгеноструктурного, дериватографиче-ского анализов и микрофотографии, а затем по наступлении 37 циклов попеременного замораживания и оттаивания и 28 суток хранения в водных условиях. Таким образом, образцы проходили первые 3 стадии эксперимента по оценке эксплуатационных свойств бетонов, подвергаемых периодическому воздействию знакопеременных температур. Составы цементного камня и результаты определения прочности на сжатие образцов при периодическом воздействии знакопеременных температур представлены в Таблице 4.
Замещение части цемента на органо-минеральный модификатор при постоянном водотвердом отношении привело к увеличению подвижности бетонной смеси и увеличению объёма вовлеченного воздуха, а также, соответственно, к снижению объёмной массы смеси. Кроме того, введение в бетонную смесь добавки кремнийорганической эмульсии на основе полигидросилоксанов приводит к дополнительному воздуховов-лечению (если сравнить состав 3 с составами 1,2).
Образцы бетона составов на органоминеральном модификаторе (составы 2 и 3) обладали примерно равной кубиковой прочностью на сжатие, в то время как у бетона на нафталинформальдегидном супепластификаторе, при том же количестве вяжущего прочность была меньше на =11%. Таким образом, по показателю прочности бетоны на модификаторе МБ 10-30С можно отнести к классу В70 согласно ГОСТ 53231-2008, а бетон на суперпластификаторе С-3 к классу В60. Аналогичные показатели зафиксированы при испытании призм размерами 100x100x400 мм.
Статический модуль упругости высокопрочных бетонов на органо-минеральном модификаторе после 28 суток нормального твердения составлял =46,0 ГПа. Это значительно выше (на 20%) значений статического модуля упругости для бетона на суперпластификаторе С-3 (35,8 ГПа).
Значения динамического модуля упругости высокопрочных бетонов незначительно отличались в большую сторону по сравнению со статическим модулем. В работе определялось отношение статического модуля упругости бетона к динамическому. Полученные результаты соотносятся с полученными другими исследователями, например А. Невиллем [4], в которых приводятся данные, что с повышением прочности на сжатие отношение модулей повышается до значения близкого к единице. Зависимости между Кку6 и Япр, Един и Ест, полученные по данным результатов исследований, представлены в таблице 2.
Таблица 2
Физико-механические характеристики бетонов в возрасте _28 суток нормального твердения_
№№ соста-вов Прочность бетона, МПа Модуль упругости Е, ГПа р лпр р лкуб р ^дин
Кубов Призм статический динамический
1 82,4 67,0 35,8 38,5 0,81 0,93
2 90,2 75,3 44,0 46,1 0,83 0,95
3 93,1 78,9 45,2 45,9 0,84 0,98
2/2п11 вестник
_±2022_мгсу
Диффузионная проницаемость высокопрочных бетонов изменялась в более широком диапазоне. После 28 суток нормального твердения образцов бетона коэффициент диффузии бетонов на модификаторе МБ 10-30С составлял 42,8-10-9. Повышенный более чем в 10 раз по сравнению с бетоном на МБ коэффициент диффузии у бетона на суперпластификаторе С-3, позволяет говорить о более высокой проницаемости этого бетона, что согласуется с данными по его структуре, полученными по измерению скорости прохождения ультразвука в теле бетона.
После получения исходных результатов исследований высокопрочных бетонов, подвергаемых периодическому воздействию знакопеременных температур на «нулевом этапе», были последовательно получены и обработаны данные на каждой из стадий эксперимента.
Призменная прочность бетона на органо-минеральном модификаторе МБ 10-30С после 37 циклов периодического замораживания и оттаивания в среднем снизилась на 22% от первоначального уровня, а бетона на органо-минеральном модификаторе с добавкой на основе полигидросилоксанов на 16%. Таким образом, подтверждается благоприятное воздействие кремнийорганической эмульсии на морозостойкость высокопрочных бетонов. [5]
Результаты полученные по испытаниям образцов-кубов на прочность при сжатии хорошо коррелируются со значениями призменной прочности - падение кубиковой прочности на сжатие составило 20%.для бетона на органо-минеральном модификаторе МБ 10-30С и 15% для бетона на МБ 10-30С с добавкой кремний органической эмульсии КЭ 30-04. Для контрольного состава бетона на основе нафталинформальдегидного суперпластификатора С-3 потери призменной и кубиковой прочности составляли, соответственно, 19% и 14%.
Снижение статического и динамического модулей упругости составило в среднем 10% для бетонов на модификаторе и бетонов с добавкой МБ и КЭ. Для бетона на С-3 статический и динамический модули понизились на 12%.
Коэффициент диффузии у бетонов на модификаторе МБ 10-30С повысился на 17%, что означает снижение плотности структуры высокопрочных бетонов в результате морозного воздействия.
После помещения образцов бетона в нормальные температурно-влажностные условия и влажную среду наблюдалось повышение эксплуатационных характеристик высокопрочных бетонов. Наиболее интенсивное восстановление свойств бетонов («самозалечивание») наблюдалось в водной среде, что согласуется с данными ряда авторов [2,6,7]. Прирост призменной и кубиковой прочности на сжатие для высокопрочных бетонов составил в среднем 10%, в то время как статический и динамический модули упругости повысились в среднем на 5-7%. Более высокий процент восстановления свойств наблюдался у бетонов на органо-минеральном модификаторе (на5^7%).
Коэффициент диффузионной проницаемости понижался, что означает повышение плотности структуры бетона, и может служить косвенным признаком «самозалечивания» его микротрещин. Снижение коэффициента диффузии составило в среднем 510% от его значений после морозной деструкции.
При повторном морозном воздействии на образцы бетона с последующим восстановлением были получены аналогичные результаты, которые подтверждают адекватность используемой модели исследования. Тем не менее, была выявлена тенденция более высокого прироста эксплуатационных показателей высокопрочных бетонов на модификаторе МБ 10-30С на уровне 10-12% от его значений на этапе замораживания и оттаивания. Важно отметить, что прочностные характеристики восстанавливались практически до начального значения.
Таблица 3
Эксплуатационные свойства высокопрочных бетонов при периодическом воздействии
знакопеременных температур
№№ составов Период испытаний Прочность бетона, МПа Модуль упругости Е, ГПа Диффузионная проницаемость, 10-9 Бб, см2/с
Призм Кубов статический динамический
1 0 67,0 82,4 35,8 38,5 42,8
37 54,5 70,7 31,5 33,8 59,4
норм 56,5 71,1 32,9 34,9 46,2
водн. 60,2 76,8 34,8 37,4 43,1
37-2 54,1 66,2 28,3 31,4 67,9
норм.-2 57,0 72,0 29,8 32,9 60,4
водн.-2 59,0 74,3 33,2 35,3 57,5
2 0 75,3 90,2 44,0 46,1 3,25
37 58,4 72,1 42,7 42,1 5,24
норм. 66,0 80,3 44,5 43,7 4,02
водн. 71,2 84,3 46,1 45,0 3,89
37-2 65,8 77,8 38,6 41,7 5,72
норм.-2 68,2 80,5 44,8 41,5 4,88
водн.-2 74,1 84,5 45,7 44,9 3,66
3 0 78,9 93,1 45,2 45,9 3,09
37 66,2 79,3 40,1 41,6 4,86
норм. 71,0 83,5 40,9 42,7 3,71
водн. 74,9 89,6 45,1 45,2 3,50
37-2 68,5 80,8 40,1 42,0 4,46
норм.-2 71,4 83,9 45,0 42,3 3,54
водн.-2 72,5 85,9 45,9 44,1 3,39
Графическая интерпретация полученных результатов приведена на Рис.1,2,3.
Для более глубокого анализа и подтверждения на микроуровне полученных результатов параллельно с основным экспериментом проводились исследования микроструктуры цементного камня. В таблице 4 приведена информация о составе цементного камня и его прочности на сжатие в возрасте 28 суток нормального твердения, фазовый состав цементного камня в возрасте 28 суток нормального твердения, после прохождения 37 циклов переменного замораживания и оттаивания и 28 суток восстановления. Из приведенных в таблице результатов исследований можно сделать вывод о том, что наличие добавки модификатора МБ 10-30С, в составе высокопрочных бетонов, имеющих одинаковое водовяжущее отношение и практически одинаковую прочность на сжатие, придает цементному камню пониженную степень гидратации цемента и оказывает значительное влияние на содержание гидратных фаз. Степень гидратации цемента образцов на нафталинформальдегидном суперпластификаторе С-3 составляла 80% на начальной стадии эксперимента, после 37 циклов замораживания и оттаивания - 83%, а на стадии восстановления - 87%. Данные исследования показы-
2/2011
вестник _мгсу
вают высокую степень гидратации цемента и низкую реакционную способность цементного камня к дальнейшему кристаллообразованию. С другой стороны, степень гидратации цемента образцов на органо-минеральном модификаторе МБ 10-30С составляла =59% на начальной стадии эксперимента, после 37 циклов замораживания и оттаивания - =63%, а на стадии восстановления - 70%. Из полученных результатов видно, что у образцов цементного камня степень гидратации была ниже, что может объяснять более существенное восстановление эксплуатационных свойств высокопрочных бетонов в зрелом возрасте после морозной деструкции.
loo
2/2011
вестник
_мгсу
V
! 41
***
Чд
■■■■■ г*
л—< "чь
Таблица 4.
Составы и характеристики цементного камня
№ Состав цементного камня, кг/м3 в Период Прочность цемент-мент-ного Свойства цементного камня
Ц + МБ Степень гидрата- Кол-во Са(ОН)2 С8Н(1) , отн.ед.
состава Ц МБ 10- В СП кэ испытаний
30С С-3 камня, МПа ции, %
1 580 - 115 12,8 - 0,2 0 115,4 80 11 100
37 105,7 83 9,6 120
норм 120,8 87 9,4 145
2 460 90 110 - - 0,2 0 138,8 59 3,6 100
37 112,2 64 2,3 152
норм 148,9 71 2,2 210
3 460 90 110 - 0,5 0,2 0 126,4 58 3,4 100
37 115,7 63 2,7 149
норм 129,2 69 2,4 200
Содержание портландита Са(ОН)2 у образцов цементного камня с органо-минеральным модификатором уменьшено практически в 3 раза по сравнению с образцами на суперпластификаторе, в то время как количество низкоосновных гидросиликатов СБН(1) на стадии восстановления увеличилось в 2 раза. Структура цементного камня при этом становится более дисперсной с преобладанием мелкозернистых кри-
2/2011
вестник
мгсу
сталлогидратов и гелеобразных новообразований. Результаты исследований свидетельствуют о самозалечивании микротрещин высокопрочных бетонов на модификаторе за счет низкоосновных гидросиликатов, кольматирующих микротрещины. Фотография микроструктуры цементного камня с органо-минеральным модификатором МБ 10-30С на трех стадиях эксперимента приведена на рис. 5.
1. Эксплуатационные свойства (призменная и кубиковая прочности, статический и динамический модуль упругости, диффузионная проницаемость) высокопрочных бетонов могут восстанавливаться после периодического воздействия знакопеременных температур.
2. После повторного периодического воздействия на бетоны, подвергаемые периодическому воздействию знакопеременных температур, бетон на органо-минеральном модификаторе МБ 10-30С восстанавливался быстрее, причем это не зависело от наличия или отсутствия добавки на основе полигидросилоксанов - кремнийорганической эмульсии КЭ 30-04.
3. Исследования микроструктуры высокопрочных бетонов методами дифференциально-термического и рентгеноструктурного показали, что высокопрочные бетоны на основе органо-минерального модификатора МБ 10-3 0С в зрелом возрасте имеют степень гидратации, более низкую по сравнению с традиционным тяжелым бетоном на С-3. При помещении бетона в водные (Т=20 °С, W=100%) или влажные (Т=20 °С, W=95-98%) условия в структуре бетона, за счет не полностью использованного ресурса гидратации происходит восстановление структуры и, соответственно, эксплуатационных свойств бетона. Залечивание микроструктуры происходит за счет новообразований низкоосновных гидросиликатов кальция, образующихся в устье микротрещин.
Выводы:
Библиографический список
1. Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика. - М.: Стройиздат, 1998 г.
2. Вербецкий Г.П. Прочность и долговечность бетона в водной среде. - М.: Стройиздат, 1976г.
3.Каприелов С.С., Шейнфельд А.В. Бетоны нового поколения с высокими эксплуатационными свойствами // Материалы Международной конференции "Долговечность и защита конструкций от коррозии", Москва, 25-27 мая 1999, с.191-196.
4. Невилль А. Свойства бетона- М.: Стройиздат, 1972г.
5. Шейнфельд А.В., Батудаева А.В. Морозостойкость и морозосолестойкость высокопрочных бетонов из высокоподвижных смесей. / Международная конференция "Долговечность строительных конструкций. Теория и практика защиты от коррозии". // Материалы международной конференции 7-9 октября, 2002, г.Волгоград, с.136-141.
6. C. Edvardsen. Water permeability and Autogenous Healing of Cracks in Concrete - ACI Materials Journal, 1994
7. S. Dunn. Self Healing Concrete - A Sustainable Future - Cardiff University
8. A. Hosoda & S. Komatsu. Self healing properties with various crack widths under continuous water leakage
Literature
1. Batrakov V.G. Modificirovannye betony. Teorija i praktika. - M.: Strojizdat, 1998 g.
2. Verbeckij G.P. Prochnost' i dolgovechnost' betona v vodnoj srede. - M.: Strojizdat, 1976g.
3.Kaprielov S.S., Shejnfel'd A.V. Betony novogo pokolenija s vysokimi jekspluatacionnymi svojstvami // Materialy Mezhdunarodnoj konferencii "Dolgovechnost' i zawita konstruk-cij ot korrozii", Moskva, 25-27 maja 1999, s.191-196.
4. Nevill' A. Svojstva betona- M.: Strojizdat, 1972g.
5. Shejnfel'd A.V., Batudaeva A.V. Morozostojkost' i morozosolestojkost' vysokoproch-nyh betonov iz vysokopodvizhnyh smesej. / Mezhdunarodnaja konferencija "Dolgovechnost' stroitel'nyh konstrukcij. Teorija i praktika zawity ot korrozii". // Materialy mezhdu-narodnoj konferencii 7-9 oktjabrja, 2002, g.Volgograd, s.136-141.
6. C. Edvardsen. Water permeability and Autogenous Healing of Cracks in Concrete - ACI Materials Journal, 1994
7. S. Dunn. Self Healing Concrete - A Sustainable Future - Cardiff University
8. A. Hosoda & S. Komatsu. Self healing properties with various crack widths under continuous water leakage
Ключевые слова: высокопрочный бетон, долговечность, морозостойкость, самозалечивание, эксплуатационные свойства, периодическое воздействие знакопеременных температур, микроструктура, модификатор
Key words: high-strength concrete, durability, frost-resistance, self-healing, performance properties, alternating-sign temperature exposure, microstructure, modiflcator
Телефон/факс автора Моб. тел. 8-926-733-95-37 Факс. 8-499-256-66-11
e-mail aleksandr_golden@mail.ru
Рецензент - Колесников Михаил Сергеевич, главный инженер ООО НИЛ «СТРОЙМАТЕРИАЛЫ»
