Влияние усадки на структуру и прочность растворов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 666.972.11

Д.С. ТОЛМАЧЕВ, инженер (Tolmach_serg@mail.ru),

Харьковский национальный университет строительства и архитектуры (Украина)

Влияние усадки на структуру и прочность растворов

Расширение объемов применения монолитного бетона в строительстве приводит к тому, что требует дальнейшего рассмотрения проблема возникновения и развития в твердеющем бетоне деформаций усадки. Усадка бетонов ведет к образованию различного рода трещин, поверхностному шелушению и ухудшению свойств бетона. Исследователи, занимающиеся проблемами усадки, в основном рассматривают причины ее проявления. Значительно меньше исследованы последствия усадки. Например, в отношении влияния усадки на прочность бетона взгляды ученых неоднозначны: имеются сведения о том, что усадка оказывает существенное отрицательное влияние на прочность, но есть и противоположное мнение. Поэтому исследования в этом направлении являются актуальными.

Практически все исследователи сходятся во мнении, что основной причиной усадки является избыточное количество влаги в бетоне. Известно, что вода в бетонной смеси находится в различных состояниях [1]. Относительно небольшая (до 10—15%) часть воды за-творения вступает в реакции гидратации и находится в химически связанном состоянии. Часть воды, адсорби-руясь на поверхности твердой фазы, связывается физико-химически. Количество физико-химически связанной воды меняется в процессе гидратации из-за увеличения количества твердой фазы за счет появления новообразований. Свободная вода составляет основное количество воды, заполняет поры и капилляры, находится в межзерновом пространстве. Количество свободной воды определяет консистенцию бетонной смеси. Кроме того, увеличение ее количества приводит к раздвижке частиц заполнителя и утолщению водных оболочек на их поверхности. Это приводит к отклонению от оптимальных значений коэффициентов раздвижки зерен щебня и песка в составе бетонной смеси, ведет к ослаблению сил молекулярного сцепления и капиллярных сил, следствием чего является увеличение подвижности смеси. Значительное количество свободной воды может привести к расслоению бетонной смеси.

Одной из наиболее нежелательных особенностей твердения свежеуложенного бетона в условиях высокой температуры и недостаточной влажности является интенсивное испарение из него влаги, которому сопутствуют различные деструктивные процессы, в первую очередь пластическая усадка [2]. Уже в первые часы твердения на поверхности бетона появлялись трещины длиной более 1 м, глубиной до 10 см и шириной раскрытия до 3—4 мм. Образуется также сетка трещин и большое количество микротрещин. Величина усадки зависит от соотношения между цементным тестом (причина появления усадочных деформаций — сжимающая фаза) и заполнителем (останавливающим развитие усадки — тормозящая фаза). Большими деформациями пластической усадки характеризуется система, полностью состоящая из сжимающей фазы, а самыми малыми — бетон, содержащий наибольшее количество тормозящей фазы. При этом крупный заполнитель, формируя каркас, сдерживает усадку.

Сдерживающим усадку фактором в твердеющем цементном тесте является то, что цементный камень начинает приобретать прочность, а также из-за миграции влаги из глубины бетона к поверхности. В то же время в наружных слоях материала при миграции и далее при испарении возникают растягивающие напряжения, превышающие достигнутую ими прочность и приводящие к появлению значительных усадочных трещин. Кроме того, образуются микротрещины в зоне контакта цемент—заполнитель. С другой стороны, отмечают, что при усадке происходит уплотнение структуры.

Эти процессы и вызванные ими явления не могут не оказывать влияния на качество бетонов. Поэтому целью исследования являлось установление характера влияния усадки на структуру и прочность растворов.

В исследованиях использовали пески: мелкий Безлюдовского карьера Харьковской области с Мкр=1,3; песок средний Вознесенского карьера Николаевской области с М^=2,2; цемент ПЦ 1-500 и ПЦ П/А-Ш - 400 Балаклейского цементного завода. Химические добавки: ускорители — хлорид и нитрат натрия; суперпластификаторы с замедляющим действием Sm12 и с ускоряющим действием Sm21 (производство фирмы «Конви-соль», Украина).

Аналогичные результаты получены авторами статьи [3], в которой указано, что при введении пластификатора с выраженным замедляющим действием — ЛСТ внутренние напряжения от усадки уменьшаются.

Для оценки влияния химических добавок из растворных смесей изготавливали образцы-балочки размером 40x40x160 мм, которые твердели при температуре + 18—22оС и относительной влажности 60—63%. Деформации усадки измеряли в течение первых 14 сут твердения (табл. 1).

Как видно из приведенных данных, наименьшая усадка к 3 сут твердения наблюдается у растворов без добавок. Введение ускорителя схватывания хлорида натрия приводит к значительному увеличению усадочных деформаций — в три раза. Применение ускорителя твердения нитрата натрия также вызывает увеличение усадки на 30%. Интересно, что в случае применения суперпластификатора с некоторым замедляющим действием Sm12 усадка по сравнению с раствором без добавок не увеличивается. В то же время введение суперпластификатора с ускоряющим действием вновь приводит к росту деформаций усадки на 67%. Это свидетельствует о том, что ускорение твердения растворов на начальном этапе ведет к росту усадочных деформаций.

Большую роль в характере развития усадки играет состав бетона и содержание в нем цемента. Это объясняется тем, что цемент при твердении вносит свой вклад в развитие общих деформаций усадки — контракцион-

Таблица 1

Усадка растворов состава Ц:П=1:2 в возрасте 3 сут

Добавка Без добавки 3% NaCl 3% NaNOз 1% Sm12 1% Sm21

Усадка 1,510-5 4,8.10-5 210-5 1,610-5 2,5.10-5

62

научно-технический и производственный журнал

октябрь 2013

01 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Время, сут

Рис. 1. Усадка растворов с Ц=400 кг/м3 (Ц:П=1:4): 1 - Ц М400, П Мкр=1,3; 2 - Ц М500, П Мкр=1,3; 3 - Ц М500, П Мкр=2,2; 4 - Ц М400,

1 2 3 4 5 6

7 8 9 10 11 12 13 14 Время, сут

Рис. 2. Усадка растворов с Ц=500 кг/м3 (Ц:П=1:3): 1 - Ц М400, П Мкр=1,3; 2 - Ц М500, П Мкр=1,3; 3 - Ц М500, П Мкр=2,2; 4 - Ц М400,

1,2

0,8

0,6

0,4

0,2

0

1 ^ Л

\4 2

\з

Г 1 1 1 1111 | | | |

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Время, сут

Рис. 3. Усадка растворов с Ц=650 кг/м3 (Ц:П=1:2): 1 - Ц М400, П Мкр=1,3; 2 - Ц М500, П Мкр=1,3; 3 - Ц М500, П Мкр=2,2; 4 - Ц М400,

ную усадку. На сегодня не существует единого мнения о том, в каком случае преобладает воздушная усадка и когда начинается действие контракции. Например, в статьях [4, 5] показано, что при введении поликарбо-ксилатных гиперпластификаторов в цементные композиты общая усадка цементного камня меняется несущественно, за счет уменьшения контракционной пористости. Поэтому в дальнейших исследованиях наблюдали развитие усадки на растворах различного состава, которые твердели в лаборатории при температуре +24—26оС и влажности 45—50%.

Песчаные бетоны с соотношением Ц:П=1:4. Для этих бетонов с расходом цемента 400 кг/м3 (рис. 1) наименьшая усадка отмечена в случае применения средних песков с модулем крупности 2,2 на цементе М400. Ее величина не превышает 0,5-10-4 к 14-м сут твердения. А к 7-м сут она такая же, как у бетонов на очень мелких песках с модулем крупности 1,3 и цементе М500. Усадочные деформации развиваются особенно интенсивно в первые 7 сут, далее равномерно затухают.

При повышении марки цемента характер развития усадки не меняется — для бетонов на средних песках и цементе М500 она также интенсивно развивается в течение первых 7 сут, а затем затухает. К 14-м сут ее величина превышает усадку песчаных бетонов на цементе М400 незначительно — на 10%.

Уменьшение модуля крупности песка с 2,2 до 1,3 приводит к изменению характера развития усадки. Деформации в этом случае развиваются достаточно интенсивно и равномерно в течение всех 14 сут. К концу этого периода они также затухают. Так, для бетонов на цементе М500 величина усадки к 14-м сут достигает 0,68-10-4, что на 24—36% выше, чем величина усадки на бетонах со средним песком.

Наибольшая усадка отмечена для бетонов на очень мелких песках и цементе М400. Ее величина достигает 0,78-10-4, что превышает усадку бетонов на средних песках на 40-55%.

Это позволяет сделать вывод, что при снижении активности цемента и уменьшении модуля крупности песков усадка развивается более длительное время и достигает большой величины. Такая усадка полностью определяется ее воздушной составляющей, т. е. усадкой при испарении влаги из бетона.

Песчаные бетоны с соотношением Ц:П=1:3. Для бетонов с расходом цемента 500 кг/м3 характер развития усадки изменяется — она развивается более длительное время и достигает большей величины (рис. 2). Например, для песчаных бетонов на среднем песке и цементе М400 усадка повышается с 0,5^ 10-4 (бетоны с расходом цемента 400 кг/м3) до 0,8-10-4. Аналогично величина усадки возрастает для всех бетонов в 1,5—1,6 раза.

Такой характер развития усадочных деформаций может свидетельствовать о том, что свой вклад в усадку начинает вносить контракция. За счет контракции происходит уменьшение объема цементного камня при гидратации так, что суммарный объем исходных клинкерных материалов и воды меньше конечного объема полученных кристаллогидратов. Поскольку этот процесс происходит не сразу, а постепенно, усадка развивается более длительное время (как в нашем случае). Но при этом величина усадки может возрастать за счет вклада усадочных деформаций от контракции.

Можно отметить, что в этом случае, так же как и в предыдущем, наибольшая усадка характерна для бетонов с очень мелким песком и цементом меньшей марки.

В то же время в бетонах на средних песках расход воды меньше, что снижает эффект влияния воздушной усадки.

Песчаные бетоны с соотношением Ц:П=1:2. В бетонах с расходом цемента 650 кг/м3 наибольшая усадка отмечается в случае применения низкомарочного цемента независимо от модуля крупности применяемого песка (рис. 3).

При этом общая величина усадки для бетонов на среднем песке возросла по сравнению с усадкой бетонов при расходах цемента 400 и 500 кг/м3 в 2 и 1,25 раза соответственно. Это свидетельствует о том, что вклад контракции в общую величину усадки бетона с увеличением расхода цемента возрастает (рис. 4).

Г^ научно-технический и производственный журнал

М ® октябрь 2013 63~

Таблица 2

Физико-механические свойства растворов

Добавка Величина усадки на 7-е сут Прочность, МПа Истираемость, г/см2 Водопоглощение, мас. %

R псж R пизг

3 сут 28 сут 3 сут 28 сут

- 7,8.10-5 15,6 28,7 2,22 4,15 0,56 6,1

3% метакаолина 4,6.10-5 19,6 35,3 2,81 5,19 0,41 4,1

5% метакаолина 310-5 21,4 39,5 3,44 5,73 0,34 3,6

7% метакаолина 2,8.10-5 19 36,9 3,21 5,42 0,32 3,2

Примечание: твердение при t = + 26оС; ф = 50%.

Рис. 4. Песчаный бетон с содержанием цемента: 1 - 400 кг/м3; 2 - 500 кг/м

В целом можно сказать, что снижение марки цемента приводит к большему увеличению деформаций усадки, чем уменьшение крупности песка.

Вышеприведенные данные нашли подтверждение в исследованиях [6]. На основании анализа испарения влаги из растворов с различным расходом песка показано, что величина и скорость испарения воды при твердении различна.

Из приведенных графиков (рис. 5) очевидно, что к 3-м сут влагопотери для состава Ц:П=1:1 — 1:3 составляют 0,39 г/см2. При уменьшении доли цемента в составе раствора наблюдается снижение уровня влагопотерь на 10—15%. Минимальные потери приходятся на растворы состава Ц:П=1:4—1:5. Это подтверждает полученные данные о том, что при повышенных расходах цемента в составе раствора к воздушной усадке добавляется усадка от контракции. Последующее уменьшение расхода цемента приводит к увеличению влагопотерь на 30%, что

0,45

0,4

0,35

0,3.

Г 1

5

- / //

Г 1 1 1 1 \4_ 1 1

3 4 Время, сут

объясняется снижением плотности раствора, при котором облегчается испарение воды затворения за счет увеличения количества свободной влаги на зернах заполнителя.

Известно, что введение микронаполнителей приводит к изменению свойств бетонной смеси и бетонов [7— 9]. В первую очередь это должно отражаться на усадке и прочности растворов.

В состав растворов Ц:П=1:3 вводили метакаолин в количестве 3; 5; 7% от массы цемента. Испытания показали, что метакаолин способствует существенному уменьшению усадки (табл. 2). Ее величина уменьшается в 1,7—2,8 раза.

Метакаолин уплотняет в первую очередь микроструктуру раствора, т. е. цементный камень, тем самым резко снижается влияние контракци-онной составляющей усадки. Это приводит к повышению прочности растворов, которая увеличивается при оптимальном количестве метакаолина на 37% при сжатии и на 55—38% на растяжение при изгибе. Рост прочности в большей степени на растяжение при изгибе свидетельствует о большей упорядоченности и однородности структуры. Это подтверждает снижение коэффициента однородности структуры (по И.М. Грушко), являющегося отношением прочности при сжатии к прочности при изгибе. Такие структурные изменения привели к уменьшению в два раза водопоглощения и в 1,75 раза истираемости раствора. Выводы

Установлено, что с увеличением расхода цемента в составе растворов усадка складывается из воздушной и контракционной составляющих, а ее величина возрастает за счет контракции.

Показано, что понижение активности цемента приводит к большему увеличению деформаций усадки, чем уменьшение крупности песка. Доказана положительная роль метакаолина в снижении усадки и формировании структурно-механических свойств растворов.

1.

3.

Рис. 5. Влияние расхода цемента на влагопотери из бетона: 1 - Ц:П=1:1; 2 - Ц:П=1:2; 3 - Ц:П=1:3; 4 - Ц:П=1:4; 5 - Ц:П=1:5; 6 - Ц:П=1:6; 7 - Ц:П=1:7 при t = +30оС и ф = 45-60%

Ключевые слова: долговечность, прочность, усадка бетона, цементный раствор, деформации, структура, ме-такаолин.

Список литературы

Питерский А.М., Шляхова Е.А., Васильев С.М. Эффективность использования пылевидных отходов в технологии бетона // Эффективные материалы и конструкции для сельскохозяйственного строитель-

0

2

5

6

7

научно-технический и производственный журнал ф/рЦУГ/^^Ц^^ 64 октябрь 2013 ~ Л1] ®

ства: Сб. трудов международной конференции. Новосибирск. 1995. С. 94-97.

2. Миронов С.А., Невакшонов А.Н., Малинский Е.Н. Пластическая усадка бетона в условиях сухого жаркого климата // Бетон и железобетон. 1977. № 8. С. 32-34.

3. Королев Е. В., Очкина Н.А., Бакенов Ю. М., Прошин А. П., Саденко С.М., Очкин И.А. Усадочные деформации и внутренние напряжения в радиационно-защитных строительных растворах на основе высокоглиноземистого цемента // Строительные материалы. 2004. № 6. С. 26-28.

4. Несветаев Г.В., Давидюк А.Н. Гиперпластификаторы Melflux для сухих строительных смесей и бетонов // Строительные материалы. 2010. № 3. С. 38-39.

5. Несветаев Г.В., Давидюк А.Н. Влияние некоторых гиперпластификаторов на пористость, влажностные деформации и морозостойкость цементного камня // Строительные материалы. 2010. № 1. С. 44-46.

6. Толмачев С.Н. Роль мелких заполнителей в формировании структуры и свойств долговечных дорожных цементных бетонов // Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов: Сб. докладов международной научно-практической конференции. Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова. Ч. 3. Белгород. 2010. С. 255-262.

7. ДворкшЛ.Й., Рунова Р.Ф., Лушшкова Н.В., Троян В.В. Метакаолш в будiвельних розчинах i бетонах. Кшв: Вид. КНУБьА, 2007. 216 с.

8. Дворкин Л.И., Соломатов В.И., Выровой В.Н., Чудновский С.М. Цементные бетоны с минеральными наполнителями. Киев: Будiвельник, 1991. 136 с.

9. Перфилов В.А. Трещиностойкость бетонов [Монография] Волгоград: Волгоградская государственная архитектурно-строительная академия. 2000. 240 с.

ть м р у международная специализированная выставка

^лшш индустрии нерудных материалов

9U NERUDEX

Россия, Москва 25-27 февраля 2014

^ Проводится в тандеме с международной специализированной выставкой

асфальтовой индустрии ASPHALT

Основные разделы:

• Минералы и нерудные материалы: камень природный, строительный; песок речной, карьерный, кварцевый; песчано-гравийные смеси; щебень гранитный, известняковый, гравийный; отсев; торф, грунт, чернозём, торфо-грунтовые смеси; глина, керамзит; асбест; силикаты; нерудные ископаемые вулканического происхождения; мелы, извести, карбонатные породы; минеральный порошок; гипс;

• Разработка месторождений нерудных материалов

• Производство маркшейдерских работ

• Проектирование и строительство предприятий по добыче, обработке и производству нерудных материалов

• Оборудование, техника, комплектующие, запчасти, оснастка для добычи и обработки нерудных материалов

• Автоматизация производственных процессов

• Буровзрывные работы

• Технологии разработки и производства нерудных материалов

• Транспортировка, перевалка, хранение

• Утилизация отходов, уборка территории, экологическое сопровождение

• Инженерные изыскания, научные исследования

• Сертификация, лицензирование, контроль качества

Деловая программа: научно-практические конференции «Современное состояние и перспективы развития производства и использования нерудных материалов», «Состояние и перспективы развития рынка

асфальтов и битумов в России»,

Дирекция выставки: ООО «Оргтехстрой», г. Москва, ул. Б. Серпуховская, д. 44. Тел.: 8 (498) 657-21-36, (499) 685-00-23, http://an-expo.ru, info@an-expo.ru

CJ научно-технический и производственный журнал

X.'SA-nUl'u* октябрь 2013 65