Корзина
37 отзывов
+380 (67) 760-76-88
Контакты
ПП Будпостач: газобетон и газоблок по оптовой цене
Наличие документов
Знак Наличие документов означает, что компания загрузила свидетельство о государственной регистрации для подтверждения своего юридического статуса компании или физического лица-предпринимателя.
+380675486412kyivstar
+380677607688kyivstar
+380660875308мтс
+380662600001МТС
+380445675357укртелеком
Александр Здоров, Дарья, Виктория, Надежда, Оксана.
УкраинаКиевул. Бориспольская 10 ком 6 (Дом культуры Днепр) напротив радио завода
Карта

Теория морозостойкости бетона

Теория морозостойкости бетона

Теория морозостойкости бетона,При разработке теории морозостойкости бетона была поставлена основная цель - установить зависимость морозостойкости от характеристик пористости и использовать эту зависимость для проектирования состава морозостойких...

Теория морозостойкости бетона

При разработке теории морозостойкости бетона была поставлена основная цель ― установить зависимость морозостойкости от характеристик пористости и использовать эту зависимость для проектирования состава морозостойких бетонов.

Теория морозостойкости бетона основывается на обобщении результатов экспериментальных исследований физического строения цементного камня и бетона.

Исследование физического строения и пористости цементного камня и бетона

В последние два десятилетия проведены ценные исследования физического строения цементного камня и бетона. Для изучения физического строения цементного камня применялись сорбционные методы.

Определяя удельную поверхность частиц цементного геля, Пауэрс и Броунярд использовали уравнение Брунауэра, Эм-мета и Теллера (БЭТ) для полимолекулярной адсорбции.

Теория морозостойкости бетона

Недорого купить пеноблоки в Закарпатье с доставкой по обл.
Капиллярная конденсация при низких давлениях пара мала, поэтому Пауэрс применял уравнение БЭТ при давлениях пара в пределах от 0,05ps до 0,4/ps. Количество адсорбированного пара определялось по изотермам сорбции (при постоянной температуре изменяется в зависимости от p/ps).

На основании адсорбционных данных с помощью уравнения БЭТ определялась величина m, а затем удельная поверхность гидратированного цемента. Пауэре и Броунярд экспериментально установили, что при p/ps < 0,4 адсорбция водяного пара прямо пропорциональна степени гидратации цемента, которая оценивалась количеством связанной (неиспаряющейся) воды.

Прямая пропорциональность между m и wn показывает, что удельная поверхность продуктов гидратации (т. е. цементного геля) является постоянной величиной и не зависит от степени гидратации цемента. С другой стороны, она позволяет заключить, что развитие внутренней поверхности цементного камня, т. е. увеличение его удельной поверхности, происходит в прямой зависимости от степени гидратации портландцемента, которая оценивается количеством связанной воды.

Теория морозостойкости бетона

В качестве модели цементного геля приготовляли цементный камень с водоцементным отношением от 0,12 до 0,32 (по весу), который длительное время (в некоторых опытах до 10 лет) твердел во влажных условиях.

Из рассмотрения изотерм адсорбции водяного пара Пауэрс и Броунярд установили, что этот цементный камень способен адсорбировать наибольшее количество водяного пара (при p/ps = 1), равное примерно 4m. На основании этих экспериментальных данных было принято, что количество испаряющейся воды, удерживаемое плотным, хорошо гидратированным цементным камнем, может быть охарактеризовано как количество воды wg, которое способен удержать цементный гель (по весу, т. е. в г/г сухого вещества).

Современные данные о физическом строении цементного камня

Более поздние опыты Коуплэнда и Хейса, в которых проверялись результаты работы Пауэрса, подтвердили, что общее количество воды в хорошо гидратированном цементе равно примерно удвоенному количеству связанной воды. Таким образом, цементный гель включает 0,25 (по весу) связанной не испаряющейся при 105° С и 0,25 испаряющейся адсорбционно связанной воды, при этом водоцементное отношение в геле будет примерно 0,5. На основании этих данных и зависимости (4) можно заключить, что количество воды в цементном геле составляет:

Современные данные о физическом строении цементного камня и о формах связи воды в нем использованы при выводе формул для вычисления характеристик пористости цементного камня и бетона.

Комплексное исследование структуры цементных растворов с применением ряда методов определения размеров и оценки строения пор проводится Ф. М. Ивановым и В. Л. Солнцевой. Экспериментальные методы дают возможность получить характеристику пористости в виде кривой распределения пор по размерам, которая является весьма ценной характеристикой строения. Она позволяет судить об однородности материала, дает возможность изучить влияние на размер пор ряда факторов: тонкости помола цемента, седиментационных процессов и др.

В ряде работ были сделаны попытки установить количественную зависимость между размерами пор и степенью морозостойкости материала.

Теория морозостойкости бетона

По данным А. С. Беркмана, кирпич, как правило, выдерживал 25 циклов замораживания и оттаивания в том случае, когда кривые распределения имели первый максимум в области пор размером более 0,02 см.

Зависимость между степенью морозостойкости бетона и средним интервалом между порами

Пауэрс в своей «теории интервала между порами» пытался найти зависимость между степенью морозостойкости бетона и средним интервалом между порами. Эта теория основывается на предположении, что цементный камень не будет расширяться при замерзании, если замерзающая вода будет оттесняться в воздушные поры, что возможно при определенном интервале между порами.

Метод получения данных для расчета по этим формулам, так называемый «метод линейной секущей», изложен в статье Брауна и Пирсона. Формулы Пауэрса не дают действительного интервала, но позволяют, по его мнению, рассчитать величины интервала, которые примерно пропорциональны действительному среднему интервалу.

Теория морозостойкости бетона

В дальнейших работах Пауэрса интервал используется как мера среднего расстояния между порами для установления эмпирических зависимостей. Одна из таких зависимостей была получена путем обработки результатов лабораторных испытаний, полученных Клайджером. В этих испытаниях морозостойкость оценивалась числом циклов замораживания до расширения 0,1%. Пауэрс пришел к выводу, что морозостойкость различных составов была примерно одинакова, когда их факторы интервала были близкими и не превышали 0,01 дюйма. В адрес Пауэрса были сделаны критические замечания. В частности, отмечалось, что три различных сочетания из цементов и заполнителей имели различную морозостойкость при том же самом факторе интервала. В случае различных заполнителей фактор интервала не является определяющим. Указывалось также, что бетоны с L ниже 0,01 дюйма и с относительно небольшими колебаниями величины L сильно различались по морозостойкости.

Теоретический анализ, проведенный нами, позволил сделать вывод, что предельная величина интервала не может быть постоянной величиной, например, 0,01 дюйма, а зависит от характеристик материала (коэффициента фильтрации, предела прочности при растяжении) и скорости замораживания.

В 1958 г. была опубликована работа Майленза, Волкодова, Бэкстрома и Бэрроуза, посвященная возникновению, развитию и влиянию системы воздушных пор в бетоне. В этой работе приведены характеристики воздушно-пористой системы в затвердевшем бетоне, полученные с помощью микроскопических методов исследования. Представляют интерес результаты исследования образцов бетона, высверленных из сооружений, а также контрольных образцов, полученных со строительств.

В числе исследованных бетонов без воздухововлекающих добавок были образцы из плотин крупных гидростанций Гранд-Кули, Гувера и Паркера. В таком бетоне содержание воздуха колебалось от 0,2 до 5,7% и составляло в среднем 1,9%. Удельная поверхность воздушных пор была в пределах 43-444 см2/см3, в среднем 177 см2/см3. Фактор интервала Пауэрса, характеризующий расстояние между порами, колебался в очень широких пределах от 0,02 до 0,15 см, а его средняя величина 0,063 см значительно превосходила норму, рекомендованную Пауэрсом для морозостойких бетонов (0,025 см).

Теория морозостойкости бетона

Таким образом, опытные данные показывают, что средний размер пор или интервала между порами не является фактором, определяющим морозостойкость бетона. Особенность бетона состоит в том, что функция, которую выполняют его поры при действии попеременного замораживания и оттаивания, зависит не только от их размеров, но также от их расположения в цементном геле и происхождения.

Отсюда следует, что необходимо разработать характеристики пористости, которые учитывают размер и качество определенных групп пор в бетоне. Желательно, чтобы эти характеристики позволяли предвидеть изменения пористости твердеющего бетона во времени и могли бы быть использованы как при проектировании состава морозостойкого бетона, так и для контроля за структурой уложенного бетона.

Характеристики пористости цементного камня и бетона

При рассмотрении связи морозостойкости и строения бетона исходили из обоснованного В. Н. Юнгом представления о цементном камне как о микробетоне, состоящем из гелевых и кристаллических продуктов гидратации цемента и многочисленных включений в виде негидратированных зерен клинкера и добавок. Гелевая составляющая представлена главным образом гидросиликатами кальция. Состав гидросиликатов меняется в зависимости от условий гидратации и, по данным Н. А. Торопова, может быть выражен общей формулой хСаО • yS2 • гН20, в которой х отношение ― находится в пределах от 1,65 до 2. Коллоидальные продукты гидратации портландцемента представляются в виде агрегатов субмикрокристаллов. Поэтому продукты гидратации портландцемента в литературе условно называют «цементным гелем».

Если цементное тесто хорошо уплотнено (воздушная пористость не превышает 1-2%). то поры в твердеющем цементном камне образуются главным образом испаряющейся водой. Характер таких пор обусловлен формами связи влаги с материалом.

Классификация форм связи влаги с материалом

Классификация форм связи влаги с материалом, предложенная акад. П. А. Ребиндером, построена по принципу интенсивности энергии связи и в полном виде приведена в книге А. В. Лыкова. По этой классификации все формы связи влаги с материалом подразделяются на три основные группы.

Теория морозостойкости бетона

Химическая связь, возникающая в определенных молекулярных соотношениях (т. е. стехиометрическая), является наиболее сильной по сравнению с другими формами связи. Химическая связь, как правило, не нарушается при сушке. Для ее нарушения требуется прокаливание, либо химическое взаимодействие с другим веществом.

Физико-химическая связь устанавливается не в строго определенных соотношениях. Для бетона, являющегося гидрофильным капиллярно-пористым телом, большое значение имеет связь влаги в гидратных оболочках субмикроскопических частиц цементного геля. При полимолекулярной адсорбции наиболее прочно связан мономолекулярный слой воды, находящийся под большим давлением, обусловленным молекулярным силовым полем. Вследствие этого плотность воды повышается, что является одной из причин сжатия (контракции) системы цемент ― вода. Последующие слои молекул воды в гидратных оболочках удерживаются менее прочно и свойства их по мере удаления от поверхности твердых частиц постепенно приближаются к свойствам обычной свободной воды. Адсорбционно связанная вода имеет специфические свойства. Б. В. Дерягин экспериментально доказал, что тонкие пленки такой воды (толщиной около 0,1 мк) обладают свойствами упругого твердого тела. Промежутки между частицами геля очень невелики, порядка 15-40 А. Поэтому можно полагать, что та часть испаряющейся воды, которая находится в агрегатах частиц геля («вода геля»), связана с материалом адсорбционной связью.

Капиллярные поры

Необходимо учитывать, что адсорбционно связанная вода переходит в лед при более низких температурах, чем «объемная».

Часть испаряющейся воды, не связанной в агрегатах частиц цементного геля, находится между ними и имеет с материалом физико-механическую связь. Эта часть испаряющейся воды, условно названная «капиллярной», удерживается в материале капиллярным давлением. Основная масса удержанной капиллярной воды является свободной и сохраняет свои свойства.

Следовательно, испаряющаяся вода имеет с цементным камнем две формы связи ― физико-химическую и физико-механическую. На этой основе можно выделить в твердеющем цементном камне три основные группы пор, отличающиеся по размеру, расположению в цементном камне и по их влиянию на морозостойкость бетона.

Капиллярные поры, образуемые «капиллярной» испаряющейся водой, имеющей с материалом физико-механическую связь, расположены между агрегатами частиц цементного геля. Их вероятный размер от 1 • Ю-4 до 50 • №~*см и более в тысячи раз превышает размер пор геля. Капиллярные поры благоприятствуют впитыванию и миграции воды, которая замерзает в них при обычных условиях охлаждения (начиная с -6 до -8°С). Капиллярные поры являются основным дефектом строения плотно уложенного бетона, понижающим его морозостойкость.

По классификации А. В. Лыкова капиллярные поры являются макрокапиллярными (с радиусом более 1 • Ю-5 см).

Контракцнонные поры образуются вследствие уменьшения абсолютного объема системы цемент ― вода.

В. Н. Юнг, Ю. М. Бутт, В. Ф. Журавлев, С. Д. Окороков указывали, что контракция вызывает уменьшение внешних размеров системы, добавочное поглощение воды и образование в системе новых (контракционных) пор. По размерам контракционные поры занимают, по-видимому, промежуточное положение между порами геля и капиллярными. При замерзании бетона контракцнонные поры играют роль своеобразных запасных резервуаров, в которые может отжиматься» часть воды из капиллярных пор. Благодаря этому уменьшается давление замерзающей воды на стенки капиллярных пор и повышается морозостойкость бетона. Если бетон с самого начала твердеет в водных условиях, то вследствие вакуума в контракцнонные поры еще в период предварительного твердения засасывается вода, в результате чего морозостойкость бетона понижается. Экспериментальные данные указывают на заметное снижение морозостойкости бетона после 28-суточного предварительного водного твердения.

Теория морозостойкости бетона

Поры геля представляют собой промежутки между его частицами, образованные испаряющейся водой, адсорбционно связанной в гидратных оболочках частиц геля, и расположенные в агрегатах частиц цементного геля. Они имеют наименьший размер (примерно от 15- Ю-8 до 40 • 10~8слі) по сравнению с другими порами цементного камня. Если мысленно увеличить пору / геля до 1 мм, то поперечник капиллярной поры представится; отрезком около 10 м. Вода в порах геля находится в особом состоянии и не переходит в лед при низких температурах порядка -40 и даже -78° С, что согласуется с выводами Б. В. Дерягина, Н. А. Цытовича и М. И. Сумгина о специфических свойствах тонких слоев воды.

Как уже отмечалось, при современном состоянии методов, экспериментальных исследований пористости цементного камня еще нельзя достаточно простым способом определить раздельно пористость геля, контракционную и капиллярную.

Гидратация минералов цементного клинкера

Нами применен метод расчетного определения характеристик пористости, который основан на современных данных о формах связи воды в цементном тесте-камне и изменении объема его «твердой фазы» в процессе твердения. При выводе формул для вычисления характеристик пористости расходы воды и цемента в кг на 1 м3 бетона обозначены соответственно В и Ц. Величина а, названная степенью гидратации цемента, представляет отношение количества гидратированного цемента ко всему расходу цемента Ц и может изменяться в пределах от О* до 1. Степень гидратации пропорциональна количеству связанной воды wn :

В процессе гидратации часть объема капиллярных пор, равная w ta Ц, замещается продуктами гидратации цемента, порами геля и контракционными порами. Объем контракционных пор можно определить исходя из соотношения составных частей цементного камня, которое в графической форме представлено».

Продукты гидратации 1 см3 цемента (взятого в плотном состоянии) занимают вместе с порами геля объем, равный т см3.

При гидратации минералы цементного клинкера увеличиваются в объеме в разной степени. По имеющимся данным объем гидратированного портландцемента возрастает примерно в 2,1-2,26 раза.

Из формулы следует, что объем контракционных пор увеличивается в прямой зависимости от степени гидратации и количества цемента, причем коэффициенты q и а учитывают влияние, на контракцию состава и тонкости помола цемента, а также количества введенного гипса, величины В/Ц и условий твердения.

Сопоставление контракции, вычисленной по формуле, с опытными данными, показывает, что величина коэффициента q для портландцементов ближе к нижнему пределу 0,09-0,11.

Капиллярная пористость цементного камня

Контракция вычислена по данным В. Н. Юнга о количестве связываемой цементом воды в сроки от начала затворения до 1 года. В книге не приведен минералогический состав и другие характеристики портландцемента, но, судя по количеству воды, связанной в начальный период, цемент был весьма активным. Вычисленные величины показывают очень быстрый рост величины контракции в начальный период гидратации. Для односуточного и одногодичного сроков твердения вычисленные и опытные данные по контракции удовлетворительно совпадают.

В книге В. Н. Юнга, Ю. М. Бутта, В. Ф. Журавлева и С. Д. Окорокова авторы на основе исследования, выполненного В. В. Некрасовым, принимают предельную величину контракции для большинства обычных цементов равной 7-9 мл (округленно 8 мл) на 100 г цемента. Следовательно, в бетоне с расходом цемента 250 кг/м3 сжатие системы цемент ― вода может достигать 20 л на 1 м3 бетона, или около 2% его объема.

По данным Пауэрса и Броунярда, Коуплэнда и Хейса удельный объем воды геля равен 0,8-0,9. Поскольку в порах геля находится 0,25 воды (по весу), то объем пор геля при удельном объеме воды геля 0,8 составит:

Приведены формулы для вычисления капиллярной, контракционной, гелевой и общей пористости цементного камня. Капиллярная пористость цементного камня зависит от величины В/Ц и степени гидратации цемента, между тем как капиллярная пористость бетона зависит еще и от расхода цемента.

Теория морозостойкости бетона

Формулы, дают возможность вычислить усредненные значения пористости, нужные при рассмотрении морозостойкости, но они вовсе не исключают необходимости дальнейших экспериментальных исследований пористости, явления контракции, строения цементного геля и других проблем, связанных с формированием структуры бетона.

 

Зависимость капиллярной пористости

Эти формулы позволяют отделить капиллярную пористость, образуемую капиллярной испаряющейся водой, от контракционных пор, что отличает их от формул «капиллярной пористости», предложенных Пауэрсом и Броунярдом, Коуплэндом и Хейсом. Эти исследователи вычисляли в качестве «капиллярной» суммарную пористость от капиллярной воды и от контракции, что неправильно, так как эти виды пор по-разному влияют на морозостойкость бетона.

Капиллярная пористость возрастает при увеличении В/Ц и уменьшается при более полной гидратации цемента.

Зависимость капиллярной пористости от В/Ц представляется в виде гиперболы. Как показывает, решающим фактором уменьшения капиллярной пористости при низких В/Ц является достижение более полной гидратации цемента. Активизация цемента и надлежащий уход за бетоном необходимы как для более полного использования цемента, так и для уменьшения капиллярной пористости и повышения стойкости бетона. Влияние двух главных факторов ― В/Ц и относительного количества связанной воды (степени гидратации) ― мы представили в виде номограммы. Линии на этом графике соответствуют одинаковой капиллярной пористости цементного камня. Капиллярная пористость цементного камня резко уменьшается при снижении величины В/Ц до 0,35-0,45 и повышении степени гидратации до 0,8-1.

Как видно, уменьшается общий объем пор цементного камня, но происходит это медленно. Например, тот объем пор, который цементный камень имел в 3-суточном возрасте, уменьшился к 90-суточному сроку твердения примерно на 12% и лишь при полной гидратации цемента уменьшение объема всех пор было более значительным. Однако гидратация резко изменяет характер пор в цементном камне. Капиллярные поры заполняются продуктами гидратации (цементным гелем), содержащими поры геля и контракцнонные поры.

Прогрессирующая гидратация цемента

Прогрессирующая гидратация цемента вызывает качественное изменение пористости цементного камня ― уменьшение капиллярной и увеличение контракционной и гелевой пористости при некотором снижении общего объема пор.

Из формулы капиллярной пористости следует, что капиллярные поры в цементном камне полностью заместятся продуктами гидратации и контракционными порами на той стадии твердения, когда wta станет равным В/Ц. Таким образом, капиллярная пористость в цементном камне отсутствует при условии, если при весьма длительном твердении в благоприятных условиях. Практически ко времени эксплуатации сооружения вероятная степень гидратации цемента будет порядка 0,6-0,8. Для ликвидации капиллярных пор при данной степени гидратации потребуется снизить В/Ц до 0,3-0,4, т. е. в среднем примерно до 0,35.

Физический предел процесса гидратации наступает тогда, когда капиллярные поры заполняются продуктами гидратации, т. е. полная гидратация невозможна при водоцементном отношении менее 0,5, что согласуется с мнением А. Е. Шейкина. Наибольшая степень гидратации цемента при В/Ц меньше 0,50 определяется расчетно.

Следовательно, величина В/Ц, при которой возможно устранение капиллярной пористости, и наибольшая возможная степень гидратации цемента при этом В/Ц взаимно связаны. Капиллярная пористость может быть устранена только в цементном камне, изготовленном с В/Ц, не превышающим 0,5, причем капиллярная пористость исчезает при достижении наибольшей степени гидратации.

Теория морозостойкости бетона

Характеристики пористости бетона

Пористость бетона обусловлена наличием пор в цементном камне, а также специфическими для бетона процессами внутреннего и внешнего расслоения (седиментации) бетонной смеси и воздухововлечения.

Роль седиментационных процессов в формировании строения бетона всесторонне исследована в работах В. В. Стольникова и его учеников. Водоотделение бетонной смеси ухудшает контакт растворной составляющей с зернами крупного заполнителя, усиливает неоднородность строения бетона, в результате чего ухудшается водонепроницаемость и морозостойкость бетона. Увеличение тонкости помола цемента сопровождается уменьшением седиментационного расслоения цементного теста. Эффективными мероприятиями для борьбы с расслоением бетонных смесей являются тщательный подбор гранулометрического состава заполнителя с целью уменьшения размеров межзерновых пространств и расхода воды, а также введение поверхностно-активных добавок.

Поры, образующиеся вследствие воздухововлечения, которое возникает при применении добавок поверхностно-активных I веществ («условно замкнутые» по терминологии П. А. Ребиндера), по данным В. В. Стольникова, имеют размеры от 0,0025 до 0,025 см. «Условно замкнутые» поры оказывают положительное влияние на морозостойкость, выполняя в процессе замораживания бетона ту же роль, что и контракционные поры.

Поры в бетоне, возникшие вследствие недостаточного уплотнения, а также образованные защемленным воздухом, имеют крупные размеры; их случайное расположение увеличивает неоднородность цементного камня, поэтому наряду с капиллярными порами они являются дефектом структуры бетона.

При хорошем уплотнении объем защемленного воздуха не превышает 1-3% объема свежеуплотненного бетона. Пористость такого бетона, изготовленного на заполнителях из плотных горных пород и практически не имеющего дефектов, вызванных седиментацией, обусловлена в основном пористостью цементного камня. В этом бетоне главным дефектом строения являются капиллярные поры.

При рассмотрении зависимости морозостойкости плотно уложенного бетона от его состава и пористости мы будем выделять капиллярную пористость, пользуясь формулами, полученными на основании предыдущих зависимостей для пористости цементного камня.

Формулы табл. 6 могут служить для оценки относительного объема пор различного характера и размера.

При этом капиллярная пористость бетона (в отличие от капиллярной пористости цементного камня) зависит не только от В/Ц и степени гидратации, но и от расхода цемента в бетоне. Как видно, ограничение верхнего предела В/Ц еще не обеспечивает необходимой плотности бетона. В действительности характеристики пористости бетона зависят от трех факторов: расхода цемента, количества воды затворения и степени гидратации цемента, которая объединяет влияние на характеристики пористости бетона тонкости помола и химико-минералогического состава цемента, а также ряда производственных условий (приготовления, уплотнения бетонной смеси, способа и времени твердения бетона).

Теория морозостойкости бетона

Уменьшения капиллярной пористости бетона

Капиллярная пористость уменьшается при снижении количества воды затворения и увеличении расхода цемента. Увеличение расхода цемента, необходимое для уменьшения капиллярной пористости на 1% (при сохранении количества воды затворения), определяется из равенства:

Следовательно, для уменьшения капиллярной пористости бетона на 1% необходимо повысить расход цемента при степени гидратации а = 1 на 20 кг/м3, при < х = 0,8 ― на 25 кг/м3, а при а = 0,6 ― на 33 кг/м3.

Таким образом, каждый процент снижения капиллярной пористости достигается уменьшением количества воды затворения на 10 л/м3, либо увеличением расхода цемента на 20-35 кг/м3, т. е. в 2-3 раза превышающим сокращение расхода воды. Повышение расхода цемента при постоянном количестве воды оказывает противоречивое влияние на капиллярную пористость бетона. Уменьшение В/Ц и возрастание количества связанной воды снижает капиллярную пористость, но при этом повышение расхода цемента приводит к увеличению объема цементного теста в бетоне и несколько повышает капиллярную пористость бетона.

Из этих данных видно, что для уменьшения капиллярной пористости бетона следует прежде всего снижать количество воды затворения, применяя одновременно пластифицирующие добавки и интенсивное уплотнение смеси. Если идти только по пути увеличения расхода вяжущего, то это вызовет повышение расхода цемента и удорожание бетона, а также ухудшение его свойств, в частности, вследствие возрастания усадки.

Сокращение объема капиллярных пор при равномерном распределении их в бетоне должно сопровождаться уменьшением эффективного размера пор, что способствует повышению стойкости бетона. Изменение в качественном составе пористости оказывает решающее влияние на морозостойкость бетона.

Исследование зависимости морозостойкости бетона от его пористости

Исследование зависимости морозостойкости бетона от характера его пористости

Характеристики пористости бетона вычисляли по формулам, при этом степень гидратации цементов определяли петрографическим методом.

Морозостойкость бетона изучали применительно к двум возможным путям регулирования водоцементного отношения:

1) изменением количества воды затворения при постоянном расходе цемента (при этом меняется удобоукладываемость бетонной смеси);

2) изменением расхода цемента при сохранении количества воды затворения и удобоукладываемости бетонной смеси.

Зависимость морозостойкости бетона от количества воды затворения

Бетонные образцы готовили при одинаковом расходе цемента (285 кг/м3), расход воды изменяли в пределах от 140 до 220 л/м3. При возрастании количества воды увеличивается подвижность бетонной смеси и уменьшается ее объемный вес.

Теория морозостойкости бетона

Наибольшую морозостойкость имели бетоны, изготовленные с расходами воды 140 и 150 л/м3.

Бетонные смеси с таким водосодержанием являлись относительно жесткими (нулевая осадка конуса). Однако при уплотнении на стандартной виброплощадке в течение 30 сек смеси хорошо заполняли формы и бетон получался с минимумом выхода.

Как видно, причиной понижения морозостойкости плотно уложенного бетона при возрастании количества воды затворения является увеличение капиллярной пористости (с 3,7 до 11,7%). При данном числе циклов замораживания понижение морозостойкости наблюдалось в тех случаях, когда капиллярная пористость бетона превышала 6,8%.

При изготовлении образцов расход воды сохраняли для всех серий бетонов постоянным (190 л/м3), поэтому и подвижность бетонных смесей была примерно одинаковой ― около 2 см по осадке конуса. Расход цемента изменяли в широких пределах ― от 246 до 387 кг/м3. W

Во время испытания морозостойкости образцы оттаивали в пресной воде.

Зависимость морозостойкости бетона от расхода цемента

Морозостойкость пластичных бетонов повышалась при увеличении расхода цемента, а величина коэффициента выхода бетона изменялась незначительно.

При рассмотрении данных видно, что в каждой из двух серий бетонов уменьшение В/Ц до известного предела сопровождается повышением морозостойкости бетона. Однако в бетонах, которые выдержали 240 циклов, предельное значение

В/Ц составляет в первой серии 0,60, а во второй ― 0,53. При этом капиллярная пористость бетона с расходом цемента 285 кг/м3 и В/Я = 0,60 равна 6,8%, а бетона с расходом цемента 359 кг/м3 и б/Д = 0,53 равна 6,1%. Бетоны, показавшие в данном опыте наибольшую относительную морозостойкость (составы 1 и 2), имели наименьшую капиллярную пористость (5- J 6,1%) и наиболее высокое соотношение между контракционной и капиллярной пористостью, которое превышало 35%.

По мере увеличения капиллярной пористости и уменьшения отношения контракционной пористости к капиллярной морозостойкость бетона закономерно понижалась и была наиболее низкой у бетонов с капиллярной пористо-

Результаты испытания морозостойкости бетонов разного состава из портландцемента Б-2 с насыщением образцов в искусственной океанской воде (концентрация солей 35 г/л) подтверждают сделанные выводы (табл. 10). На рис. 16 число циклов замораживания, вызвавшее понижение прочности образцов на 30%, представлено в зависимости от капиллярной пористости. Для данной серии бетонов увеличение показателя морозостойкости в зависимости от уменьшения капиллярной пористое™ можно описать эмпирическим уравнением

Значительное и устойчивое повышение морозостойкости наблюдалось при уменьшении капиллярной пористости ниже 7%. В области значений капиллярной пористости 7-8% показатели морозостойкости были неустойчивыми.

Для бетонов была вычислена контракционная пористость. Эти данные привели к выводу, что одним из существенных факторов повышения морозостойкости бетона при той же капиллярной пористости является увеличение отношения контракционной пористости к капиллярной (т. е. увеличение отношения П2/П1).

Из минералов цементного клинкера наибольшей контракцией обладает трехкальциевый алюминат. В то же время увеличение его содержания в цементе понижает морозостойкость бетона. Поэтому увеличение отношения П2/П1 должно достигаться не повышением СзА в цементе, а снижением объема капиллярных пор П1. Наиболее морозостойкими оказались бетоны с величиной капиллярной пористости 5,9-6,8% и отношением П2/П1 в пределах 30-35%, что согласуется с результатами предыдущей серии опытов.

Теория морозостойкости бетона

Морозостойкость пластичных бетонов

Зависимость морозостойкости от В/Ц следует рассматривать в связи с характеристиками пористости бетона. Каждая кривая соответствует определенному расходу воды и, следовательно, примерно одинаковой удобоукладываемости бетонной смеси, величина В/Ц меняется только путем изменения расхода цемента.

Совместное влияние на капиллярную пористость бетона трех факторов: ВЩ, расхода цемента и расхода воды. Из рисунка видно, что только в одном случае капиллярная пористость прямо пропорциональна В/Ц, когда при постоянном расходе цемента В/Ц меняется путем изменения расхода воды. Увеличение расхода цемента при постоянном В/Ц повышает капиллярную пористость. В общем случае влияние В/Ц на строение бетона и его морозостойкость необходимо рассматривать совместно с другими факторами: расходом воды и цемента способом уплотнения и удобоукладываемостыо бетонной смеси, а также степенью гидратации цемента, зависящей от условии и времени твердения.

Проверка зависимости морозостойкости бетона от характеристик пористости по данным других исследователей.

Для проверки зависимости морозостойкости бетона от характеристик его пористости были изучены данные испытаний, проведенных другими исследователями.

Для сравнительной оценки морозостойкости использованы два показателя. Первым является отношение динамического модуля упругости бетона после 250 циклов замораживания к модулю упругости в начале испытания (в 28-суточном возрасте) на основании данных таблицы, приведенной в работе. Продолжение испытания (свыше 250 циклов) вызвало понижение модуля упругости у части образцов более чем на 50%.

Результаты испытания морозостойкости

Результаты испытания сильно разрушившихся образцов, по нашему мнению, не являются характерными для сопоставления. Вторым показателем служит количество циклов замораживания, соответствующее уменьшению начальной величины динамического модуля упругости на 25%. Количество циклов определили по кривым зависимости динамического модуля упругости бетона от числа циклов замораживания.

Характеристики пористости бетонов вычислены по формулам в предположении, что степень гидратации цемента к 28-суточному сроку твердения составляла около 0,6.

Высокие устойчивые показатели морозостойкости имел бетон, у которого капиллярная пористость была наименьшей (6,3%), а отношение контракционной пористости к капиллярной равно 0,27.

Наблюдается закономерное повышение показателей морозостойкости при уменьшении капиллярной пористости до 6,3%. Особенно сильно морозостойкость повысилась, когда наряду с уменьшением капиллярной пористости увеличивалось отношение контракционной пористости к капиллярной. При увеличении капиллярной пористости с 6,3 до 9,8-10,1% характеристика капиллярного всасывания, определенная по В. В. Стольникову, возросла с 33,2 до 54,8-61.

Были обработаны результаты шведского исследования морозостойкости цементно-песчаных растворов разного состава рассчитаны расходы цемента и вычислены величины капиллярной и общей пористости.

Перерасчет был вызван тем, что содержание теста в растворах колебалось в очень широких пределах ― от 33 до 68%. По формулам вычислены характеристики капиллярной и общей пористости при степени гидратации цемента 0,6.

Эмпирическая формула морозостойкости бетона

Число циклов замораживания М, потребовавшееся для понижения модуля упругости на 10% или для достижения показателя удлинения ― 2, представлено в зависимости от капиллярной пористости. За исключением одной серии образцов, результаты испытания выявили определенную тенденцию в изменении морозостойкости. Общий характер этой тенденции такой же, как у бетонов. Уменьшение капиллярной пористости испытанных растворов с 11,2 до 7% сопровождалось, заметным, но сравнительно медленным повышением морозостойкости. Дальнейшее уменьшение капиллярной пористости с 7 до 3% привело в резкому возрастанию морозостойкости.

Теория морозостойкости бетона

В данном случае морозостойкость испытанных цементно-песчаных растворов можно приближенно связать с капиллярной пористостью следующей эмпирической зависимостью (для интервала значений капиллярной пористости от 3 до 9%).

Эмпирическая формула выявляет характерную тенденцию в изменении морозостойкости. Уменьшение капиллярной пористости бетона или цементно-песчаного раствора с 10-11 до 8% сопровождалось относительно небольшим повышением морозостойкости. Дальнейшее уменьшение капиллярной пористости приводит к значительному улучшению морозостойкости.

Однако эмпирическую формулу для вычисления показателя морозостойкости в зависимости от характеристики капиллярной пористости можно применять только с учетом контракционной пористости, качества материалов и технологических условий.

Экспериментальное исследование структуры бетона

Стремление найти функцию, связывающую строение раствора и бетона с морозостойкостью, характерно и для некоторых зарубежных работ. В статье рассматривалась зависимость морозостойкости цементно-песчаных растворов от функции С (В/Ц -0,2) (где С -объем цементного теста в % к объему цементного раствора).

Ф. М. Иванов и В. Л. Солнцева провели экспериментальное исследование структуры и свойств цементного раствора. Они пришли к выводу, что в плотном цементном растворе с В/Ц ― = 0,2...0,23 при твердении на воздухе преобладают поры размером от 0,35 до 0,05 мк, а при твердении в воде ― менее 0,05 мк. С увеличением возраста образцов существенно увеличивается доля тонких пор (размером менее 0,05 мк) и незначительно изменяется общая пористость. При этом цементный камень с тонкопористой структурой оказался наиболее морозостойким.

Таким образом, анализ результатов работ других исследователей привел к выводу, что примененные расчетно-экспериментальные характеристики пористости правильно отражают изменение пористости бетона, заключающееся в увеличении доли микропор (пор геля и контракционных пор) и одновременном уменьшении относительного объема макропор (капиллярных пор) с ростом срока твердения во влажных условиях. Подтверждается основная зависимость ― повышение морозостойкости бетона при уменьшении относительного объема макропор.

Влияние напряжений на морозостойкость бетона

Влияние на морозостойкость бетона микроструктурных напряжений, возникающих при твердении и замерзании бетона. Составные части бетона ― твердеющий цементный камень и зерна заполнителя ― имеют разные физические свойства и по-разному деформируются при изменении влажности и температуры. Поэтому в бетоне возникают собственные напряжения второго рода или микроструктурные напряжения (по терминологии Ю. А. Нилендера), являющиеся следствием его конгломератной структуры.

Структурная ячейка бетона может быть представлена в двух вариантах:

1) в виде двух кусков камня (зерен заполнителя) и цементирующего слоя между ними,

2) в виде зерна заполнителя с оболочкой из цементирующего материала.

Каждая из моделей представляет собой сочетание двух материалов с разной усадочной и температурной деформацией, которые условно названы «камень» и «цементирующий слой».

Первая модель («камень-цементирующий слой») рассмотрена нами па основе решения, разработанного советскими учеными А. В. Думанским и А. Ю. Ишлинским, применительно к взаимодействию коры дерева и его ствола, который оказывает распирающее действие на кору в процессе роста.

Вторая модель («каменное зерно ― цементирующая оболочка») рассмотрена на основе решения задачи Ламе.

Модели были использованы как для теоретического анализа, так и для моделирования процесса растрескивания цементирующего слоя. Теоретический анализ являлся качественным, поскольку он относился к структурной ячейке, условно выделенной из бетона.

Теория морозостойкости бетона

Усадка и растрескивание цементирующего материала, находящегося в сцеплении с природным камнем

Механическое взаимодействие цементирующего материала с каменным основанием рассмотрено на модели «камень ― цементирующий слой».

При усадке цементирующего слоя вследствие сцепления возникает касательное напряжение, действующее по поверхности контакта с камнем

Расстояние между усадочными трещинами зависит от усадки цементирующего материала (цементного теста, раствора или бетона), от величины предельной деформации удлинения, толщины слоя и соотношения модулей деформаций при растяжении и сдвиге. Трещины в цементирующем слое образуются под влиянием разности усадочной (или температурной) деформации слоя и каменного основания на определенных расстояниях друг от друга.

Изучение взаимного расположения трещин в штукатурке

Изучение взаимного расположения трещин в штукатурке, фактурных слоях блоков, торкрете, а также наблюдение за процессом трещинообразования на специально изготовленных образцах подтвердило, что трещины располагаются на определенном расстоянии друг от друга, либо образуют замкнутые участки определенного периметра, если трещинообразование под влиянием усадки не было нарушено внешними силами. Такой же характер растрескивания наблюдал А. В. Думанский в коре деревьев, в гелях, жирных глинах и т. п.

Полученные зависимости характеризуют также механизм образования трещин. При высыхании слоя его усадка увеличивается постепенно. Однако можно видеть, что по мере развития усадки не происходит монотонного уменьшения расстояния между трещинами. Усадочные трещины появляются периодически после того, как растягивающие напряжения достигнут величины предела прочности, что подтверждается экспериментальными данными.

А. К. Шрейбер, Г. И. Горчаков, П. Н. Сабуренков проводили опыты с плоскими двухслойными образцами в виде мраморных и известняковых плит длиной 40 см, покрытых цементным тестом с ВЩ = 0,3 (толщина слоя 0,5 см). Образцы хранились в лаборатории на воздухе в тех же условиях, что и образцы-призмы для замера усадки. Через 29 суток на плоских образцах с цементным тестом появились три поперечные трещины, из которых одна располагалась посередине, а две другие ближе к торцам. Через 69 суток появилась сетка трещин с четко выраженным шагом, равным 3-4 см. Периодичность возникновения трещин полностью согласуется с данными теоретического анализа.

Зависимости, полученные для модели «камень ― цементирующий слой», позволяют выявить качественную связь «внутреннего» растрескивания бетона с усадкой, предельной деформацией и другими физико-механическими свойствами цементирующего материала.

Если в < 8пред , то цементирующий слой не будет растрескиваться при любой протяженности его контакта с камнем, иначе говоря, растрескивание в бетоне не будет зависеть от крупности зерен камневидной составляющей.

Если є > епрэ1, то образование трещин зависит от протяженности контакта; при этом цементирующий слой не будет растрескиваться в том случае, когда протяженность контакта р меньше шага трещин, т.е. при pL цементирующий слой будет растрескиваться.

Величина є = є2 ― ех зависит главным образом от усадки цементирующего материала, поскольку усадка зерен заполнителя из плотных горных пород невелика. Вначале по мере увеличения є по отношению к епр,д расстояние между трещинами быстро убывает, при этом число трещин в цементирующем слое возрастает. Дальнейшее увеличение усадки цементирующего слоя оказывает меньшее влияние на процесс образования трещин.

Опыты показали, что тонкие слои цементирующего материала, хорошо связанные с основанием, имеют повышенную трещино-стойкость. В этих опытах на постель предварительно замоченного силикатного кирпича наносили цементное тесто с В/Ц = 0,46; толщина слоев была различной. В наших опытах не наблюдалось растрескивания слоев толщиной 0,1-0,2 см, что можно объяснить сильным адгезионным влиянием поверхности камня.

Теория морозостойкости бетона

По данным Б. Г. Скрамтаева в пластичном бетоне толщина слоев цементного теста между зернами песка составляет около 0,014 мм, а раздвижка зерен крупного заполнителя ― около 0,04-0,08 мм.

Уменьшение толщины цементирующих слоев в бетоне

Уменьшение толщины цементирующих слоев в бетоне способствует снижению его усадки и повышению трещиностойкости. Вместе с тем опыты показали, что формула (18) применима в определенном диапазоне значений толщины цементирующего слоя.

Бетон, находившийся в контакте с камнем, был подвергнут рентгеновскому и петрографическому анализу. Образец для анализа представлял собой растворную часть контактной зоны бетона, прочно прилипшую к полированной поверхности гранитного вкладыша и оставшуюся на поверхности камня в виде слоя толщиной около 2 мм. Слой раствора был счищен с поверхности гранита, измельчен в агатовой ступке и просеян через сито 10 000 отв/см2 для отделения зерен заполнителя. Анализу подвергалась часть пробы, прошедшая через сито.

Рентгеновский анализ выполнен канд. техн. наук Ю. С. Малининым и инж. В. П. Рязиным в лаборатории физико-химических исследований НИИЦемента с помощью рентгеновского дифрактометра УРС-50И. Проба содержала около 5% кварца в виде тонких зерен песка и около 15-20% негидратированных минералов c3s и C2S. Характерным было большое количество СаСОз -в пределах 20-25% и Са(ОН)2-8-10%.

Проба бетона в виде кусков размером 20-30 мм и тонко-растертого порошка была подвергнута петрографическому анализу в петрографической лаборатории НИИЦемента. Петрографический анализ выполнен канд. техн. наук Л. Я. Лопатниковой. При исследовании обломков бетона в проходящем свете в прозрачном шлифе наблюдались крупные зерна заполнителя и в промежутках между ними тонкозернистая анизотропная масса, характеризующаяся сравнительно высоким двупреломлением: от 1,533-1,543 до 1,555. Вокруг обломков заполнителя часто можно наблюдать тонкую пленку из тонковолокнистых кристаллов Са(ОН)2.

Наличие Са(ОН)2 на контакте заполнителя с цементным тестом подтверждается микрохимической реакцией при исследовании белого налета на заполнителе.

В самом цементном камне было немного гидрата окиси кальция. В тонкозернистой массе наблюдались также остатки негидратированных обломков клинкера и шлака. Последний ― главным образом в виде изотропных обломков шлакового стекла. Негидратированные обломки клинкера и шлака составляли около 30-35% по отношению к цементному камню. Наблюдались также включения мельчайших кристаллов СаС03. На микрофотографии дается структура бетона.

Порошкообразный образец представлен главным образом тонкозернистой анизотропной массой с показателем светопреломления в среднем около 1,546-1,558, а также мельчайшими кристаллами СаС03. В образце обнаружены также остатки негидратированного клинкера и шлака, обломки кварца. Изредка встречались кристаллы в виде призм с высоким двупреломлением и различными оптическими константами. Идентифицировать эти кристаллы при помощи петрографического анализа не представлялось возможным.

Результаты рентгеновского и петрографического анализов указывают на преобладание Са(ОН)2 и СаСОз в зоне контакта бетона с природным камнем (гранитом). Самозатягивание трещин в цементном камне также связано с выделением Са(ОН)2 и СаСОз. Эта аналогия приводит к выводу, что из продуктов гидратации портландцемента наиболее активную роль в сращивании цементного камня играет гидрат окиси кальция, заполняющий щель (контактную зону) и восстанавливающий монолитность цементного камня и бетона.

Трещиностойкость цементного раствора

Для качественной оценки взаимодействия зерна заполнителя с окружающей его оболочкой из цементирующего материала Хенк, Смит и др. использовали модель структурной ячейки бетона в виде сферического зерна, покрытого оболочкой постоянной толщины. При высыхании оболочка и зерно сжимаются. Усадка цементного камня и растворной составляющей бетона значительно превосходит относительное сжатие горных пород, используемых в качестве заполнителя. В этом случае оболочка обжимает зерно. В ней возникают растягивающие (тангенциальные) и сжимающие (радиальные) напряжения, зависящие от разности величин усадки зерна и оболочки.

Под влиянием этой разности є2 ― єх = є на поверхности контакта возникает равномерно распределенное давление, величину которого можно определить из уравнения деформаций:

Для определения величины нормальных напряжений в сферической оболочке использовано решение задачи Ламе для полой сферы, находящейся под действием внутреннего равномерно распределенного давления. Ниже приведены полученные зависимости в окончательном виде:

Теория морозостойкости бетона

Увлажнение бетона после продолжительного твердения на воздухе вызывает набухание. При чередующемся высыхании и увлажнении в оболочке возникают переменные нормальные напряжения. В данном случае при высыхании усадка не является полностью обратимой.

Н. А. Попов доказал, что действие попеременного высыхания и увлажнения на бетон можно уподобить влиянию многократно повторной нагрузки. Усадочные деформации увеличиваются, следуя затухающей кривой. Если напряжения, вызываемые попеременным высушиванием и увлажнением, превышают предел выносливости, то деформации оболочки зерна не стабилизируются, а непрерывно растут, и в ней образуются трещины.

Микроструктурные трещины в бетоне

Исследованиями Н. А. Попова и О. Я. Берга доказано, что пределу выносливости соответствует момент появления в бетоне микротрещин. Разрыхление бетона микротрещинами проявляется в виде необратимого приращения размеров образца при многократном воздействии замораживания и оттаивания или увлажнения и высыхания.

Микроструктурные трещины обнаруживаются по увеличению водопроницаемости бетона и по понижению его морозостойкости. В условиях переменных воздействий среды (замораживание и оттаивание, высыхание и увлажнение) внутренние трещины развиваются и быстро разрушают бетон. Трещины, вызванные микроструктурными напряжениями, целесообразно назвать микроструктурными. Этот термин является более точным, нежели термин «внутреннее растрескивание» (который часто употребляется в зарубежных работах), так как микроструктурные трещины могут выходить на поверхность бетона.

Было экспериментально изучено влияние на трещиностойкость цементного раствора химико-минералогического состава портландцемента, добавок сульфитно-спиртовой барды и мылонафта, а также величины водоцементного отношения.

Клинкеры были размолоты в лабораторной шаровой мельнице с 3-4% двуводного гипса и полученные портландцемента имели следующую удельную поверхность: №1 ― 3160 см2/г, №2 ― 3552 см2/г и №3 ― 3040 см2/г.

Относительную трещиностойкость определяли испытанием образцов-колец, изготовленных из цементно-песчаного раствора 1:2 (по весу) на нормальном Вольском песке. Кольца имели стальной сердечник, препятствующий усадке раствора. Внутренний и наружный диаметры кольца соответственно равны 100 и 140 мм, высота 25 мм. После изготовления образцы в течение суток находились в формах во влажных условиях.

Через сутки кольцо вместе с сердечником извлекали из формы и хранили в помещении с относительной влажностью воздуха около 70% при температуре 18-22°С. Показателем относительной трещиностойкости являлось время от изготовления образца до появления первой трещины.

Раствор из цемента №2, который отличался от других большим содержанием трехкальциевого алюмината и более тонким помолом, растрескался раньше всех. После введения с. с. б. и мылонафта при изготовлении раствора из цементов №1 и 2 относительная трещино-стойкость образцов существенно увеличилась.

Статьи pp-budpostach.com.ua Все о бане

Статьи по пеноблоку,пенобетону,пенобетонным блокам

Статьи pp-budpostach.com.ua Статьи по бетону

Статьи Все о заборах

Статьи pp-budpostach.com.ua Все о крышах ( виды, материал, как лутше выбрать)

Статьи Все о Фундаменте

Статьи по газобетону ( газоблоку ), газобетонных блоков, газосиликатнных блоков

Новости, статьи, слухи, факты, разное и по чу-чуть

Статьи по кирпичу ( рядовому, лицевому,облицовочному,клинкерному, шамотному, силикатному,)

facebook twitter

Статьи pp-budpostach.com.ua Статьи по бетону

Другие статьи