CC BY
83
ВЛИЯНИЕ ВОЗДУХОВОВЛЕЧЕНИЯ НА ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ
ДОРОЖНЫХ БЕТОНОВ
Курбатов Владимир Леонидович
канд. техн. наук, профессор Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова, Северо-кавказского филиала, РФ,
г. Минеральные Воды
INFLUENCE OF AIR ENTRAINMENT ON CRACK RESISTANCE OF
PAVEMENT CONCRETE
Vladimir Kurbatov
candidate of Science, professor of North Caucasus branch of Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov, Russia Mineralnye Vody
АННОТАЦИЯ
Рассмотрены работы, посвященные трещиностойкости бетонов и методам ее определения. Показаны преимущества разработанного устройства для определения внутренних напряжений и трещиностойкости материалов. Устройство было использовано при определении влияния пластифицирующих и воздухововлекающих добавок на структурные внутренние напряжения при твердении бетонов и температурные напряжения при их охлаждении, а также на температуры растрескивания от действия этих напряжений.
ABSTRACT
There are examined works devoted to the question of crack resistance of concrete and estimation methods of it. There are shown advantages of the developed device for identification of internal stress and crack resistance of materials. The device has been used when defining the influence of water-reducing and air-entraining admixtures on structured internal stresses during concrete curing, on thermal stresses during its cooling down and on cracking temperatures from stresses effect.
Ключевые слова: трещиностойкость бетонов; методы испытания; добавки
Keywords: crack resistance of concrete; testing methods; admixtures.
Подавляющее число работ различных исследователей, как в нашей стране, так и за рубежом, посвящены изучению прочности бетона и только в отдельных исследованиях Мальцева К.А., Берга О.Я., Зайцева Ю.В., Бабкова В.В., Панасюка В.В., Гузеева Е.А., Леоновича С.Н., Милованова А.Ф. Шейкина А.Е., Федорова А.Е., Грушко И.М. и других авторов уделяется внимание проблемам трещиностойкости бетонов. Это связано с трудоемкостью исследований трещиностойкости бетонов и недостаточной разработки экспериментальных методов ее объективной оценки.
Специфической особенностью цементных бетонов является весьма существенное различие между показателями прочности на сжатие и показателями прочности на растяжение или при изгибе, которые определяют в какой-то мере их трещиностойкость. Трещинообразование в дорожных цементобетонных покрытиях согласно [2] обусловлено усадочными деформациями, возникающими при твердении бетонов, испарении воды и при их охлаждении. Наряду с этим дополнительные деформации (сжатия или растяжения) в дорожном цементобетонном покрытии всегда появляются при замерзании грунтового основания, имеющего в различных точках неодинаковую влажность, что вызывает их неравномерное поднятие. Исследованию усадочных структурных и влажностных деформаций и напряжений в бетонах и растворах посвящены работы Диброва Г.Д., Гвоздева А.А., Берга О.Я., Ахвердова И.Н., Бабкова В.В. и др.
Авторским коллективом с участием академика АН УССР В.В. Понасюка, Е.А. Гузеева и др. разработан ГОСТ 29167-91 «Методы определения характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении бетонов». Определение характеристик кратковременной трещиностойкости образцов бетонов по этому ГОСТу осуществляют при статическом нагружении при равновесных и неравновесных механических испытаниях. Для определения характеристик трещиностойкости испытывают образец с начальным надрезом, который наносят при помощи режущего
инструмента или при формовании образцов путем закладывания фольги или металлической пластины.
При равновесных испытаниях записывают диаграмму: усилие F — перемещение (деформация) образца V. Полученные диаграммы состояния трансформируют в расчетные и производят дополнительные построения, на основе которых определяют по представленным зависимостям силовые и энергетические характеристики трещиностойкости материала.
По результатам неравновесных испытаний образцов на изгиб, на осевое растяжение, на внецентренное сжатие и на растяжение при раскалывании фиксируют значение Fcx-нагрузку, соответствующую динамическому началу движения магистральной трещины и по соответствующим зависимостям 9—12 (ГОСТ 29167-91) определяют характеристику трещиностойкости Ксх- условный критический коэффициент интенсивности напряжений.
Изложенная на основе теоретических положений линейной механики разрушения материалов в ГОСТ 29167-91 методика определения трещиностойкости бетонов позволяет получить детальную характеристику процессов разрушения бетона при определенных схемах нагружения, что, безусловно, представляет значительную научную ценность и расширяет представления о механизме разрушения бетонов. Однако определение трещиностойкости бетонов по изложенной методике весьма трудоемкое, необходимо оперировать с 42 показателями, которые получают по результатам испытания бетонных образцов и при их трансформации. Кроме того, в получаемой информации о трещиностойкости бетонов не учитываются процессы изменения структуры бетонов и их трещиностойкости в процессе эксплуатации, особенно в таких сложных условиях, в которых эксплуатируются дорожные бетоны. Вероятно, этим и обусловлено то, что требования ГОСТ 29167-91 являются рекомендательными.
Исследованию внутренних напряжений и деформаций усадки в процессе твердения и набухания, возникающих в цементном камне и бетоне, посвящено значительное количество работ Г. Д. Диброва и сотрудников [1]. Отмечая, что в
цементном камне одним из самых важных факторов являются физико-химические межмолекулярные структурирующие связи и их изменение под влиянием среды, он результатами своих исследований подтвердил принцип, сформулированный академиком П.А. Ребиндером относительно влияния смачивающих жидкостей на прочность твердых тел. В частности, прочность и трещиностойкость цементного камня и бетонов во многих случаях определяется силами, возникающими в их структуре при высыхании, замораживании, осмотическими, от кристаллизационного давления при сульфатной коррозии цементного камня и др. Он подчеркивает, что величина внутренних усадочных напряжений в цементном камне зависит не от градиента влажности, а прежде всего от природы жидкой фазы и се взаимодействия со структурой.
Развитие внутренних напряжений в цементном камне Дибров Г.Д. изучал с помощью контрактометра-релаксометра, принцип устройства которого основан на измерении с помощью пружинного динамометра усилий в испытуемом образце. Как следует из работы [1], в начальный период замораживания преобладает термическое сжатие структуры. С понижением температуры до -10 °С в цементном камне с наибольшим содержанием воды (В/Ц)=0,5 происходит резкое падение напряжений из-за расширения воды при фазовом переходе ее в лед. Жидкая фаза начинает переходить в лед при температурах, близких к 0 °С, в крупных порах и в сравнительно широких устьях микротрещин. При этом в процессе дальнейшего пониже-ния температуры создаются условия для роста крупных микротрещин и дефектов под влиянием кристаллизационного давления льда. Автор считает [2], что вода граничных слоев (адсорбированная вода) не переходит в лед, а перемещается к тупиковым участкам развивающихся микротрещин, вызывая адсорбционное понижение прочности и образование микротрещин, с чем нельзя согласиться, Адсорбированная на поверхности или в микротрещинах минерального заполнителя вода связана адсорбционными силами и не имеет подвижности даже при положительных температурах. Замерзание пленок адсорбированной
воды происходит при температурах ниже 0 °С по мере появления возможности сближения ее молекул в процессе охлаждения ее подложки. Представленные в работе [1] графики показывают, что охлаждение до -30 °С не приводит к растрескиванию образцов цементного камня, что обусловлено деформированием пружинного динамометра в схеме испытания, представленной в [1], что не моделирует напряженное состояние бетонного покрытия по схеме защемленного по концам образца.
В патенте США [5] предложено устройство для измерения термических напряжений в структуре бетона, включающее образец бетона, расположенный в форме, ограниченной захватами и боковыми пластинами, расположенными между захватами.
Недостатком известного устройства является получение относительных показателей напряжений в испытуемых образцах в связи с тем, что схема испытаний образцов бетона в устройстве не моделирует реальные условия нагружения бетонных покрытий, которые имеют место в практике, а именно при полном или частичном ограничении деформирования материала при структурной и/или температурной усадке.
С целью расширения функциональных возможностей устройства и обеспечения испытания материалов по схеме защемленного по концам образца при действии структурных внутренних напряжений, температурных внутренних напряжений и старения — каждого в отдельности или при любом их сочетании разработано устройство [3], лишенное недостатков описанных в устройстве [5]. В нашей работе использовалось это устройство для исследований усадочных структурных напряжений в процессе твердения образцов в течение 28 суток при температуре 20±2 °С температурных напряжений при последующем охлаждением их до температуры растрескивания.
Для исследований были приняты бетоны, содержащие щебеночные и песчаные фракции, полученные из дробленого гравия и галечника Добровольненского карьера. Гравийно-галечный материал представлен
минералами известняка, кварцита и кварца, истинная плотность 2700 кг/м3, пористость 2,6 %, водопоглощение 0,54 %, содержание пылевидных, глинистых и илистых частиц 0,74 %, содержание зерен пластинчатых, лещадных и игловатых форм 7,02 %, марка по истираемости И-1, по дробимости 1000, по морозостойкости Мрз 50. В смесях использовали цемент производства ОАО «Новороссийский цементный завод» марки ЦЕМ 142,5 Н.
Прочностные и деформативные показатели цементных бетонов, как и других материалов, в значительной степени определяются их пористостью (плотностью).
В обстоятельных работах Полака А.Ф. и Бабкова В.В. показано [4], что повышение прочности бетонов особенно при растягивающих напряжениях, а также ударной прочности, морозостойкости, трещиностойкости достигается при условии создания монопорового пространства в си-теме, то есть размеры пор должны быть одинаковыми и как можно меньших диаметров.
Для изучения влияния таких добавок на трещиностойкость бетонов были взяты: комплексная полифункциональная добавка Д-5 (ТУ 5443-008-446286102011), суперпластификатор С-3 МУ (ТУ 2492-001-45285129-2000) и разработанная комплексная добавка ЖККА (СТО 32647016-001-2009). Составы и свойства мелкозернистых бетонов представлены в табл. 1 и 2.
Таблица 1.
Составы мелкозернистых бетонных смесей_
№ со-ста- Состав бетона, % масс.
цемент песок щебень вода В/Ц Добавки в бетонную смесь
Д-5 С-ЗМУ ЖККА
1 21,46 20,39 48,75 9,40 0,43 — - —
2 21,44 20,43 48,68 9,30 0,43 0,65 - —
3 21,42 20,45 48,65 9,28 0,43 — 0,25 —
4 21,41 20,42 48,64 9,28 0,43 — — 0,25
Таблица 2.
№ Осад-
сос- ка
та- конус
Свойства мелкозернистых бетонных смесей и бетонов
Морозостойкость,
Яеж / Яизг
Тр,
°С
В/Ц
Объем вовлеченного
вов а, ОК, см при сжати и Ясж при растяже нии при изгибе циклы воздуха в бетонной смеси, %
Яизг
1 2 32,9 4,4 109 7,5 +2 0,43 1,8
2 3 40,2 5,5 214 7,3 +1 0,43 2,1
3 3 41,7 5,9 3 4 2 7,1 -4 0,43 3,8
4 3 40,0 6,2 461 6,4 -8 0,43 6,5
Рисунок 1. Развитие структурных усадочных напряжений в бетоне при твердении и температурных напряжений при охлаждении. Цифрами
обозначен № составов по таблице 1
По полученным зависимостям внутренних напряжений, возникающих в бетонном образце в процессе твердения во времени и при последую-щем охлаждении, определяли температуру растрескивания бетона Тр (рис. 1). Как следует из рис. 1 и табл. 1 и 2, температура растрескивания бетонов в значительной степени понижается в зависимости от применяемой добавки. Введение полифункциональной добавки Д-3 позволяет несколько увеличить объем вовлеченного воздуха в бетонной смеси и повысить морозостойкость. Введение пластифицирующей добавки С-ЗМУ и добавки ЖККА позволяет увеличить объем вовлеченного воздуха в бетонных смесях, что проявляется в значительном увеличении морозостойкости и снижении температур
растрескивания Тр бетонов. Особенно значительное понижение Тр (на 10 °С) наблюдается в бетоне при введении разработанной воздухововлекающей и пластифицирующей добавки ЖККА (табл. 2).
8 т
к 7 ж '
х а>
£ _ 6 СС
о.М
X ^
а; ' Л
£ 0
£ з «
а.
а> з с с 5 а>
Н- 1
20
>Ь II, 4 О1 -Ь
~']0 -15 -£0 -^0
Температура, °С
Рисунок 2. Температурные напряжения а т бетонных образцов в зависимости от температуры с различным водонасыщением: 1 — 0 %; 2 —
3,1 %; 3 — 4,9 %; 4 — 5,9 %; 5 — 8,1 %
На температурные напряжения и температуры растрескивания бетонов значительное влияние оказывает присутствие воды в испытуемых образцах. Как следует из рис. 2, по мере возрастания водонасыщения образцов (состав 1, табл. 1) температурные напряжения понижаются, а температуры растрескивания сначала понижаются до достижения водонасыщения порядка 6,0% затем начинают возрастать. Установленная закономерность может быть объяснена тем, что при замерзании вода, увеличиваясь в объеме, снижает коэффициент теплового расширения бетона, переходя в твердое состояние оказывает дополнительный омоноличивающий эффект и увеличивает прочность бетона. При достижении водопоглощения бетона значения, превышающего объем пор, замерзающая вода вследствие невозможности ее перемещения в свободные поры, оказывая давление на стенки пор, приводит к образованию микротрещин в бетоне, снижающем его прочность, и повышению температур растрескивания.
Повышение устойчивости к трещинообразованию от действия структурных усадочных и температурных деформаций может быть учтено при расчете длины плит цементобетонных покрытий и определении числа поперечных швов в покрытиях.
Список литературы:
1. Дибров Г.Д., Фоменко В.К. Природа возникновения внутренних напряжений в дисперсных структурах. // Тезисы докладов и сообщения Всесоюзного совещания «Гидратация и твердение вяжущих». Уфа. 1978. — С. 251—267.
2. Левицкий Е.Ф., Чернигов В.А. Бетонные покрытия автомобильных дорог. М: Транспорт, 1988. — 288 с.
3. Печеный Б.Г., Курбатов В.Л. Данильян Е.А., Потемкин В.Г. Устройство для определения внутренних напряжений и трещиностойкости материалов в покрытиях дорог //Строительные материалы. — 2011. — № 10 — С. 48— 49.
4. Полак А.Ф., Бабков В.В., Андреева Е.П.. Твердение минеральных вяжущих веществ. Уфа. Башкнигоиздат, 1990. — 215 с.
5. Jin Keun Kim, Sang Eun Jeon, Kook Han Kim. Apparatus for and method of measuring thermal stress of concrete structure. Patent US 2001/0049968 A1. //Pub. Date: Dec.13. 2001.
