Морозостойкость бетонов, подвергнутых пропариванию

Морозостойкость бетонов, подвергнутых пропариванию.

Отрицательное влияние пропаривания на морозостойкость пластичных бетонов было установлено впервые в работе Н. А. Попова и А. В. Чуйко и одновременно подтверждено нами в ходе натурных испытаний. Образцы разхмером 15х15х15 см были изготовлены из бетона, имевшего состав 1:0,55: 1,8:4 на основе портландцемента №2-8, расход которого составлял 324 кг/м3. Образцы пропаривали при 80°С, причем подъем температуры длился 4 ч, изотермический прогрев ― 12 ч и охлаждение ― 6 ч. Через 60 суток после изготовления пропаренные образцы и образцы нормального твердения были помещены в з ону переменного уровня морской воды. Через два года один пропаренный образец совсем разрушился, а на остальных наряду с трещинами появились отколы углов и раковины на верхних гранях. Три сохранившихся образца по истечении трехгодичного срока имели трещины на гранях и большие отколы углов и ребер, достигавшие 7з длины ребра.

При осмотре средней части излома раздавленных пропаренных кубов были обнаружены глубокие трещины. Морская вода проникала по ним почти до середины образцов, о чем свидетельствовали отложения солей. Характер разрушения указывает на то, что трещины в пластичном бетоне с В/Ц = 0,55 образовались еще в период его твердения при пропаривании. Замерзающая вода расклинивала эти трещины и сделала их заметными.

В следующих опытах морозостойкость пропаренного бетона изучали в зависимости от его состава, величины капиллярной пористости и режима пропаривания.

Жесткие и пластичные бетоны, изготовленные на основе портландцементов П-0 и П-5, испытывали на морозостойкость в 28-суточном возрасте. Длительность пропаривания бетонных образцов была различной. Во всех случаях морозостойкость пропаренных пластичных бетонов с расходом воды 172 л/м3 оказалась ниже морозостойкости пластичных бетонов нормального твердения. В наибольшей степени снижает морозостойкость пластичного бетона пропаривание по сокращенному режиму с довольно быстрым подъемом температуры и охлаждением (2 + 6 + 2 ч).

Между тем образцы жестких бетонов на основе портландцементов П-0 и П-5, изготовленные при нормальных условиях твердения и с пропариванием по сокращенным режимам (2 + 2 + 1 и 2 + 6+2 ч), после 300 циклов замораживания сохранили 77-92% марочной прочности.

Структура пропаренного цементного камня

Это обстоятельство говорит о том, что при пропаривании цементного камня с В/Ц от 0,3 до 0,4 происходит относительное его уплотнение. При В/Д = 0,5 такого уплотнения не наблюдается, а при В/Ц = 0,6 удельный объем увеличивается.

Анализ дифференциальных кривых показывает, что при пропаривании свободная вода расширяется и увеличивает размеры пор в цементном камне.

На основании проведенных опытов можно сделать вывод, что структура пропаренного цементного камня находится в тесной связи с наличием несвязанной воды и контракцией. Цементный камень с низким водоцементным отношением (0,3-0,4) при пропаривании уплотняется, а с высоким (0,6) ― становится более пористым. Пропаривание по оптимальному режиму положительно влияет на уплотнение цементного камня с низким водоцементным отношением.

При разработке режима пропаривания необходимо учитывать контракционные явления в бетоне и изменения объема свободной воды при повышении температуры. Увеличение объема свободной воды при формировании структуры бетона может вызвать растягивающие напряжения в цементном камне, приводящие к нарушению сплошности его структуры.

Для получения наилучшей структуры цементного камня при пропаривании необходимо повышать температуру таким образом, чтобы суммарный объем контракции в единицу времени был равен суммарному дополнительному объему свободной воды. При таком режиме пропаривания стягивающие напряжения в системе «цемент ― вода», вызываемые контракцией, будут компенсироваться растягивающими напряжениями, возникающими от дополнительного увеличения объема свободной воды.

Результаты исследования процессов, протекающих при твердении цемента в условиях пропаривания по различным режимам, а также изучение пористости пропаренного цементного камня с разными В/Ц, показали, что для частичного устранения отрицательного влияния свободной воды и вовлеченного воздуха при пропаривании и запаривании можно рекомендовать: предельное снижение В/Ц и уменьшение объема воздуха в бетонных смесях, а также снижение скорости подъема температуры.

Из этого следует, что пропаривание малопластичных бетонов является более эффективным, чем пропаривание пластичных бетонов с В/Ц > 0,5.

Фракции в инертной жидкости

На поверхности пропаренных растворных образцов состава 1:4 и 1:6 появились трещины, причем их количество и величина возрастали с увеличением В/Ц. У образцов состава 1:2 с В/Ц = 0,4 трещин на поверхности не наблюдалось.

Результаты опытов свидетельствуют об отрицательном влиянии высокого водоцементного отношения на формирование физико-механических свойств бетонов (растворов) при пропаривании.

Величину пор и распределение их по размерам в цементном камне после пропаривания и нормального твердения определяли путем дробления и растирания высушенного до постоянного веса цементного камня с последующим рассевом на фракции от 60 до 3000 мк. Затем определяли удельный объем каждой фракции в инертной жидкости, и полученные результаты наносили на график в виде интегральной кривой. По этой кривой строили дифференциальную кривую. Высота пиков на дифференциальной кривой указывает процентное отношение пор определенного размера к общему объему пор в цементном камне.

По данной методике был исследован цементный камень из портландцемента №1 с водоцементным отношением 0,3; 0,4; 0,5; 0,6 в возрасте 28 суток. Исследование производилось на цементах, пропаренных по режиму 4+14+4 ч, а также твердевших в нормальных условиях. Интегральная кривая удельного объема пропаренного цементного камня с В/Д=0,3-0,4 располагается ниже интегральной кривой цементного камня нормального твердения. При В/Ц = 0,4 интегральные кривые для нормального твердения и пропаривания почти совмещаются. При В/Ц = 0,6 интегральная кривая пропаренного цементного камня выше интегральной кривой, полученной при нормальном твердении.

Испытание на водонепроницаемость бетонных цилиндров

Испытание на водонепроницаемость бетонных цилиндров, изготовленных из портландцемента П-0, проведенное в 28-суточном возрасте, показало, что образцы бетона состава I (с расходом воды 127 л/м3), пропаренные по режиму 2 + 6 + 2 ч, не обнаружили признаков просачивания воды в условиях стандартного испытания при одностороннем гидростатическом давлении в 16 атм. Водонепроницаемость образцов нормального твердения характеризовалась гидростатическим давлением в 10 атм. Следовательно, пропаривание не ухудшило плотности бетона.

Уменьшение количества воды затворения является основным фактором улучшения свойств пропаренного бетона. Так, капиллярная пористость плотно уложенного бетона с количеством воды затворения 127-130 л/м3 при надлежащих условиях для гидратации цемента приближается к нулю.

Таким образом, в хорошо уплотненном бетоне может быть лишь небольшой объем капиллярных пор (примерно 2-3%), образованных в основном защемленным воздухом. Повышение плотности бетона, понимаемое как уменьшение объема капиллярных пор, является необходимым условием получения морозостойких и водонепроницаемых пропаренных бетонов с высокой начальной прочностью.

Представляет интерес применение поверхностно-активных добавок для повышения морозостойкости пропаренных бетонов.

Пластичные бетонные смеси

В работе Н. А. Попова и А. В. Чуйко была выявлена возможность повышения водонепроницаемости и морозостойкости пропаренных бетонов при введении органических добавок. Вместе с тем в ранее выполненной нами работе были отмечены отрицательные явления, наблюдавшиеся при пропаривании пластичных растворов и бетонов с органическими добавками. В частности, при пропаривании (по режиму 4 + 12 + 4 ч при 80°С) образцы-призмы 4х4х16 см из пластичного раствора состава 1:3 (по весу) на пластифицированном портландцементе (с 0,2% с. с. б.) деформировались. В некоторых случаях на верхней грани образцов из пластичного бетона с добавкой с. с. б. или мылонафта в результате пропаривания образовывался пористый слой толщиной 4-7 мм. Данные лабораторных опытов и практики свидетельствуют о том, что деформации и расслоение цементных материалов с образованием пористых слоев связаны с вовлечениєм воздуха, которое сопутствует применению поверхностно-активных веществ. Воздух, вовлеченный в бетонную смесь и оставшийся в ней после уплотнения, при пропаривании расширяется и перемещается к верхней (свободной) грани формуемого изделия, скапливается в верхнем слое, вызывая его повышенную пористость. Поэтому бетоны с вовлеченным воздухом нуждаются в выдержке перед пропарйванием, продолжительность которой устанавливается опытом и не должна быть менее 4 ч. При установлении режима пропаривания бетона с органической добавкой особое внимание должно быть обращено на длительность предварительной выдержки.

Следует также учесть, что гидрофобный портландцемент для ряда районов является наилучшим благодаря неизменности его свойств при перевозке и длительном хранении.

Пропаривание бетонов

Принято считать, что прочность пропаренных бетонов в возрасте 28 и 90 суток ниже прочности бетонов аналогичного состава, твердевших в нормальных условиях. Этот вывод не распространяется на бетоны с низкими В/Ц, изготовляемые на портландцементе с умеренным содержанием трехкальциевого алюмината.

Пропаривание бетонов с В/Ц = 0,3 эффективнее, чем пропаривание бетонов с В/Ц = 0,4. Прочность бетонов с В/Ц = 0,3 в зависимости от режима пропаривания составляет 83-101% прочности бетонов нормального твердения.

Как известно, эффективность режима пропаривания нельзя оценивать по количеству градусо-часов.

После 250 циклов попеременного замораживания и оттаивания бетоны с В/Ц = 0,4, пропаренные по режимам II, III и I, имели более высокий модуль упругости по сравнению с бетонами нормального твердения.

Таким образом, для бетонов с В/Ц=0,3 допустимо сокращенное 10-часовое пропаривание, соответствующее режиму .

Осмотр образцов показал, что характер разрушения их не одинаков: пропаренные бетоны обычно распадались на куски (размером в поперечнике 1-2 см), а бетоны нормального твердения шелушились с поверхности, при этом ухудшались их физико-механические свойства. В отдельных случаях бетоны нормального твердения полностью разрушались и цементный камень легко растирался в порошок; куски пропаренных бетонов были значительно прочнее.

Эти наблюдения позволяют заключить, что в пропаренных бетонах могут образоваться глубокие микротрещины, однако прочность цементного камня иногда выше, чем в бетонах нормального твердения.

Натурные испытания стойкости бетонов, подвергнутых пропариванию

Натурные испытания пропаренных бетонов проводились в тех же условиях и по той же методике, что и испытания бетонов нормального твердения. Характер воздействий среды на бетон в районе испытаний описан в третьей главе. Особенностью условий, в которых находились образцы, являлось многократное попеременное замораживание и оттаивание бетона, насыщенного морской водой.

Были изготовлены образцы при различных режимах пропаривания. Для изготовления этой серии образцов применяли следующие портландцемента: сульфатостойкий марки 400; гидрофобный марки 300; пластифицированный портландцемент марки 500 (с добавкой с. с. б. в количестве 0,2% от веса цемента); шлакопортландцемент марки 300; расширяющийся гипсоглиноземи-стый цемент марки 500.

В качестве заполнителя использовали гранитный щебень крупностью до 20 мм и местный песок, удовлетворявший требованиям ГОСТ.

Бетоны на указанных портландцементах готовили с В/Ц = 0,45, пропаривали образцы по трем режимам: первый ― 4+12+6 ч; второй ― 9+10+3 ч; третий ― 8+1+15 ч.

 

Прочность пропаренных бетонов

Бетоны на расширяющемся гипсоглиноземистом цементе не пропаривали. Образцы имели размеры 7х7х7 см. Опыты показали, что прочность пропаренных бетонов на сульфатостойком портландцементе в 28-суточном и двухлетнем возрасте была выше прочности бетонов нормального твердения. Эти бетоны после 300 циклов попеременного замораживания и оттаивания, проведенного в лабораторных условиях, сохранились очень хорошо.

После пятилетнего испытания в зоне переменного уровня воды пропаренные образцы на сульфатостойком портландцементе сохранились также достаточно хорошо, при этом их прочность была примерно на 10% выше по сравнению с прочностью образцов нормального твердения. Через 5 лет хранения в море прочность бетонов нормального твердения и пропаренных повысилась по сравнению с марочной на 50-70%. Разрушения образцов при осмотре не было обнаружено.

Прочность пропаренных бетонов на гидрофобном портландцементе не достигла прочности бетонов нормального твердения из того же цемента. Относительно высокие показатели прочности пропаренного бетона на гидрофобном портландцементе были получены в результате пропаривания по режиму 9 + 10 + 3 ч.

Результаты испытания на морозостойкость в лаборатории

При испытании морозостойкости после 300 циклов прочность пропаренных бетонов из гидрофобного цемента повысилась на 30-70% по сравнению с прочностью образцов-близнецов 28-дневного возраста, а прочность бетонов нормального твердения- лишь на 20%.

Характерно, что прочность бетонов на гидрофобном портландцементе в течение пятилетнего пребывания в зоне переменного уровня воды значительно увеличилась и в конце этого периода была на 50-80% выше 28-суточной прочности.

Прочность пропаренных бетонов на пластифицированном портландцементе после дальнейшего твердения в нормальных условиях в течение 2 лет была ниже прочности бетона, не подвергавшегося пропариванию. Относительно высокую прочность имел бетон, пропаренный по режиму 9+10+3 ч, что отмечалось выше и для гидрофобного цемента.

Результаты испытания на морозостойкость в лаборатории и естественных условиях указывают, что более благоприятными для данного пластифицированного цемента являются второй и третий режим пропаривания с постепенным 9-10-часовым подъемом температуры. Абсолютные величины прочности пропаренных бетонов из этого цемента, находившихся на стенде, были весьма близки к показателям прочности бетона нормального твердения.

Сравнение результатов испытания бетонов на шлакопортландцементе выявило, что прочность пропаренных бетонов при последующем нормальном хранении ниже прочности бетонов нормального твердения. Прочность пропаренных бетонов после 300 циклов попеременного замораживания и оттаивания была выше на 30-83% по сравнению с прочностью образцов-близнецов 28-суточного возраста.

В течение 5 лет испытания на стенде бетоны из шлакопортландцемента нормального твердения и пропаренные повысили свою прочность, причем более высокие показатели прочности были у бетона, пропаренного по режиму 8+1+15 ч.

Пропаренный бетон с В/Ц = 0,4 имел наиболее высокие показатели прочности при испытании в натурных условиях в случае применения сульфатостойкого портландцемента.

Проведенные исследования показали, что для устранения отрицательного влияния пропаривания на морозостойкость необходим правильный подбор вида цемента и состава бетона.

На основе лабораторных и натурных исследований рекомендуется для морозостойких пропариваемых бетонов портландцемент, содержащий около 50% трехкальциевого силиката и около 5% трехкальциевого алюмината, размолотый до удельной поверхности порядка 3000-3500 см2/г.

Главным средством повышения стойкости пропаренного бетона в условиях циклического воздействия среды является уменьшение водоцементного отношения.

Верхний предел водоцементного отношения в морозостойком бетоне для сборных элементов, изготовляемых с применением пропаривания, следует ограничить 0,4-0,45.

Режим пропаривания оказывает определенное влияние на стойкость бетона в переменных условиях. Режим пропаривания зависит от вида цемента и состава бетона. Для бетона с В/Ц = 0,45, изготовленном на портландцементе рекомендованного выше состава, примерно равноценно пропаривание при 80°С по режимам 4+12+6, 9+10+3 и 8+1+15 ч.

Повышение морозостойкости быстротвердеющих бетонов для сборных железобетонных конструкций

Портландцемента, содержащие поверхностно-активные вещества (гидрофобный, пластифицированный), а также шлакопортландцемент, в первое время после затворения медленнее взаимодействуют с водой, зерна их медленнее набухают. Эти цементы лучше себя ведут при пропаривании с постепенным подъемом температуры до 80° С в течение 8-9 ч. Гидрофобный и пластифицированный цементы показали более высокие прочности в бетоне при пропаривании по режиму 9+10 + 3 ч. Для шла-копортландцемента эффективнее оказался режим 8+1 + 15 ч.

Для заделки швов между сборными конструкциями, которые, как правило, подвергаются пропариванию, используют растворили мелкозернистый бетон на портландцементе или расширяющемся цементе.

В связи с этим была изучена морозостойкость растворов состава 1:2 с В/Ц = 0,38 на сульфатостойком портландцементе и на расширяющемся гипсоглиноземистом цементе, а также бетона на этом же цементе состава 1 :0,45 : 1,5:3,5.

Использование быстротвердеющих портландцементов

Использование быстротвердеющих портландцементов наряду с применением малопластичных бетонных смесей является в современных условиях одним из основных факторов ускорения процесса изготовления сборных железобетонных конструкций.

Между тем некоторые особенности быстротвердеющего портландцемента (высокое содержание трехкальциевого алюмината, большая тонкость помола, повышенные добавки гипса и др.) могут понизить морозостойкость бетона.

Поэтому исследование бетонов на быстротвердеющих цементах имело главной целью повышение их морозостойкости. Для этого с одной стороны регулировали свойства самого вяжущего путем подбора оптимальной тонкости помола и добавки гипса, с другой ― подбирали рациональный состав бетона.

Влияние удельной поверхности цемента и содержания в нем гипса на морозостойкость бетона

Как известно, повышение тонкости помола цемента и увеличение добавки гипса способствуют повышению начальной прочности цемента.

В данном исследовании главное внимание уделено изучению влияния тонкости помола цемента и содержания гипса на морозостойкость бетона.

Применялись портландцементы на основе клинкеров, существенно отличавшихся друг от друга по своему химико-минералогическому составу.

Для регулирования физико-механических свойств цементов ― водопотребности, сроков схватывания, морозостойкости и прочности ― были использованы добавки сульфата кальция, который в виде полугидрата вводили при помоле клинкера в количестве 1; 2; 3,2; 5,2% веса размолотого цемента (в пересчете на серный ангидрид).

Для помола клинкеров использовали лабораторную шаровую мельницу. Степень дисперсности получаемого портландцемента контролировали при помощи прибора Товарова.

Были приняты три степени дисперсности: первая соответствовала удельной поверхности 2300-2900 см2/г, вторая ― 3500- 3900 см2/г, третья -4700-5100 см2/г.

Показатели прочности портландцементов определяли в жестком растворе по ГОСТ 310-41 и в пластичном растворе по общеизвестной методике с использованием образцов-балочек размером 4X4X16 см. Мелкозернистый бетон с водоцементным отношением 0,55 изготовляли на кварцевом песке и гранитном щебне с размером зерен до 15 мм. Удобоукладываемость бетонной смеси составляла 8 сек.

Изменение дозировки гипса

Химическим анализом было проверено наличие несвязанного гипса в образцах пластичного раствора 1 : 3, изготовленных на портландцементах с удельной поверхностью 2300-2900 см2/г при добавке полуводного гипса в пределах от 1,5 до 8%. Данные этого определения показали, что, несмотря на относительно невысокую тонкость помола этих цементов, в образцах не обнаружено несвязанного гипса даже при введении 8% полуводного гипса.

Изменение дозировки гипса позволяет регулировать сроки схватывания, водопотребность и прочность портландцемента. Изменение удельной поверхности цементов в указанных пределах не повлияло сильно на их водопотребность: нормальная густота цементного теста при увеличении удельной поверхности возрастала на 0,5-2%.

При большой тонкости помола (удельная поверхность 4700- 5000 см2,1г) наблюдалось слишком быстрое схватывание не только цементов В и Г с повышенным содержанием трехкальциевого алюмината, но и малоалюминатного цемента А. У высокоалюми-натного цемента Г при высокой степени измельчения ― около 5000 см2/г ― величины оптимальных добавок гипса, определенные по показателям прочности и по срокам схватывания, не совпадали. Чтобы получить начало схватывания не ранее 45 мин, дозировку гипса надо было повысить по сравнению с той, которая являлась желательной по показателям прочности (табл. 33).

Проведенные испытания активности портландцементов в жестком и пластичном растворах дают возможность проследить влияние дисперсности цемента и добавок сульфата кальция на изменение его прочности. При повышении дисперсности портландцемента начальная прочность существенно возрастает только при введении оптимальной добавки сульфата кальция.

Значения оптимальных дозировок гипса

Кривые, позволяют установить область рациональных дозировок сульфата кальция для цементов определенного химико-минералогического состава в зависимости от тонкости помола. Исследования показали, что с введением оптимальной добавки сульфата кальция при размоле портландцемента начальная прочность вяжущего*повышается на 25-50%- Изменение дозировки добавки в пределах 1-3% (в пересчете на серный ангидрид) особенно сильно влияет на показатели начальной прочности тонкомолотых цементов В и Г с более высоким содержанием трехкальциевого алюмината.

Домол портландцемента с удельной поверхности 2300- 2900 см2/г до получения 4000-5000 см2/г при оптимальной дозировке сульфата кальция позволяет увеличить начальную прочность в 1,5-2 раза и получить быстротвердеющие цементы с показателями трехдневной прочности в пластичном растворе 150-200 кГ/см2 и в жестком растворе 350-500 кГ/см2

Значения оптимальных дозировок гипса, определенные по результатам испытания прочности образцов из жесткого и пластичного растворов состава 1 : 3 нормального твердения, были примерно одинаковыми (табл. 33).

При изменении дозировки гипса в пределах от 1 до 5% (в пересчете на серный ангидрид) наблюдается минимум водопотребности пластичного раствора, при этом оптимальная дозировка гипса в большинстве случаев соответствует наименьшему значению водоцементного отношения.

При оптимальных для каждой тонкости помола дозировках гипса увеличение удельной поверхности цемента в рассматриваемых пределах повысило водопотребность бетонных смесей на 5-10%- Повышение водопотребности обусловлено увеличением количества мелких зерен цемента (размером менее 60 мк).

Показатели прочности портландцементов

Все портландцементы данной серии испытывали в образцах из мелкозернистого пластичного бетона с В/Д = 0,55, которые пропаривали после 2-3-часовой предварительной выдержки по режиму. 4+12 + 4 = 20 ч при максимальной температуре 80°С. Результаты испытания указывают, что при тепловлажностной обработке дозировку гипса необходимо увеличить (табл. 33).

Оптимальные дозировки гипса, определенные по показателям прочности, повышаются при увеличении содержания трехкальциевого алюмината и возрастании степени дисперсности цемента от обычной тонкости помола, характеризующейся удельной поверхностью 2700-2900 см2/г, к самому тонкому в данных опытах измельчению ― около 5000 см2/г.

Показатели прочности портландцементов, содержавших оптимальную добавку гипса, в жестком и пластичном растворах 1 : 3. Наиболее высокие показатели прочности при сжатии, растяжении и изгибе как в условиях нормального твердения, так и при пропаривании имели цементы, изготовленные на основе клинкера А, содержащего 5% трехкальциевого алюмината и около 56% трехкальциевого силиката.

Значительное повышение количества трехкальциевого алюмината в клинкере отрицательно сказывалось на прочности бетона после пропаривания, а также на его морозостойкости.

Величина отношения прочности пластичного раствора к прочности жесткого раствора возрастает с повышением тонкости помола (табл. 35), т.е. эффективность использования цементов в пластичном бетоне увеличивается с повышением тонкости помола.

При оптимальных добавках гипса не наблюдалось понижения прочности при сжатии и изгибе в сроки твердения до 90 суток.

Влияния степени дисперсности цемента

Повышение дисперсности портландцемента способствовало увеличению его 3-суточной прочности на растяжение при изгибе в пластичном растворе и в бетоне, хотя и в меньшей степени, чем прочности на сжатие. Особенно значительно, примерно в 1,4-2 раза, возросла прочность при изгибе, когда удельная поверхность составляла 4700-5Ю0сж2/г.

Большой интерес представляло испытание морозостойкости цементов разной тонкости помола в бетоне, поскольку еще не сложилось единого мнения относительно влияния степени дисперсности цемента на это свойство.

Морозостойкость изучали на образцах-балочках размером 4х4х16 см, изготовленных из мелкозернистого бетона (крупность гранитного щебня 15 мм). На морозостойкость испытывали образцы с достаточно сформировавшейся структурой, которые предварительно в течение 12 мес. выдерживали в камере воздушно-влажного хранения. Принятый срок твердения образцов соответствует условиям строительства крупных гидротехнических сооружений, для возведения которых требуется, как правило, не менее одного года. Испытание на морозостойкость проводилось по обычной методике путем попеременного замораживания образцов и оттаивания.

На основании полученных данных можно составить представление о влиянии добавки гипса в портландцементе на морозостойкость бетона.

Для портландцемента Б характерно относительно небольшое количество трехкальциевого алюмината (6%) при высоком содержании минералов ― силикатов (81,4%). Увеличение дисперсности портландцемента отрицательно сказалось на морозостойкости бетона.

Портландцемент В является среднеалюминатным с относительно высоким содержанием минералов-плавней (СзА + С4АР= = 24,5%). При одинаковой дозировке гипса (2% в пересчете на серный ангидрид) увеличение удельной поверхности этого цемента в 1,5-2 раза привело к понижению морозостойкости примерно в 2 раза. Однако повышение дозировки гипса до оптимальной 3,2% восстановило морозостойкость бетона на тонкомолотом цементе В. По-видимому, образование определенного количества гидросульфоалюмината кальция на первой стадии твердения бетона оказало полезное влияние на плотность цементного камня и уменьшение его усадки.

Что касается высокоалюминатного портландцемента Г, то для него характерна тенденция к понижению морозостойкости по мере увеличения удельной поверхности по сравнению с начальной (2300-2900 см2/г). Подбирая оптимальные дозировки гипса, можно было лишь несколько уменьшить снижение морозостойкости, обусловленное более тонким помолом цемента А.

Из портландцемента А были изготовлены кубы размером 10х10х10 см с применением гранитного щебня крупностью до 30 мм. Кубы испытывали на морозостойкость после 28 суток нормального воздушно-влажного хранения, причем для ускорения испытания предварительное насыщение и оттаивание кубов производилось в искусственной океанской воде трехкратной концентрации (водный раствор солей концентрацией 100 г/л). Видно, что для данного вида цемента при определенной степени его дисперсности имеется область оптимальных дозировок гипса, при которых бетон является наиболее стойким по отношению к совместному действию воды и мороза.

Сульфат кальция, введенный в портландцемент, в процессе гидратации цемента реагирует с алюминатами кальция и частично с алюмоферритами и образует гидросульфо-алюминат. Увеличение объема твердой фазы способствует уплотнению бетона и благоприятно сказывается на его морозостойкости. При количествах гипса, отличающихся от оптимальных, а в особенности при дозировках, превышающих оптимум, стойкость бетона резко понижается. Это явление характерно не только для бетонов на малоалюминатных цементах (А), но и для бетонов на цементах с большим содержанием трехкальциевого алюмината (Г).

По литературным данным, гидросульфоалюминат кальция может существовать в трех-сульфатной и моносульфатной формах. 3. М. Ларионова, Л. В. Никитина, С. И. Герчикова пришли к выводу, что моносульфатная форма гидросульфоалюмината кальция легко переходит в трех-сульфатную под действием как химических, так и физических факторов. Исследования, проведенные О. М. Астреевой и Л. Я. Лопатниковой, показали, что гидросульфоалюминат является непрочным соединением и может разрушаться с образованием двуводного гипса, гидрата окиси кальция и гидрата глинозема. Л. В. Никитина также указывает, что со временем кристаллы гидросульфоалюмината кальция разрушаются. Разрушение гидросульфоалюмината ускоряется при повышении температуры, в морской воде, а также при попеременном увлажнении и высушивании. В некоторых опытах наблюдалось изменение препарата трехсульфата после четырех циклов увлажнения и высушивания.

В наших опытах образцы-балочки с избыточным количеством гипса при испытании настолько деформировались, что их прогиб был виден на глаз; эти образцы быстро покрывались трещинами и через 15-25 циклов замораживания и оттаивания полностью разрушились. Таким образом, в портландцементы для переменных условий службы необходимо вводить оптимальные добавки гипса и нельзя увлекаться так называемыми «повышенными» его дозировками.

Оптимальные дозировки гипса, определенные по результатам испытания прочности и из условия получения наиболее высокой морозостойкости бетона, близки и лишь в некоторых случаях неполностью совпадают.

Наиболее стойким по отношению к совместному действию раствора солей и мороза был цемент А, размолотый до удельной поверхности 3500-3900 см2/г с оптимальной дозировкой гипса.

В результате проведенного исследования выявлены и рекомендованы пределы оптимальных, по показателям морозостойкости, дозировок гипса в зависимости от удельной поверхности цемента и условий твердения бетона.

Исследование морозостойкости и прочности бетонов на быстротвердеющих портландцементах

В связи с освоением цементной промышленностью выпуска быстротвердеющих портландцементов и успешным применением их в строительстве, естественным было исследование морозостойкости и прочности бетонов на этих цементах.

Так, в жестком бетоне с В/Ц = 0,35 и пластичном бетоне с В/Ц = 0,55 были исследованы три портландцемента: марки 500, БТЦ-300 и БТЦ-400, которые предварительно испытывались по стандартной методике.

По мнению С. Д. Окорокова, увеличение тонкости помола цемента интенсифицирует связывание хлористого кальция в оксихлорид кальция и гидрохлоралюминат кальция и тем самым повышает скорость гидратации цемента.

При использовании этого цемента хороший эффект дает кратковременное, 5-часовое, пропаривание бетона или 10-часовой мягкий прогрев при температуре 40°С. Данные показывают, что относительное повышение начальной прочности бетона при применении БТЦ-400 (взамен БТЦ-300) составляет от 20 до 69%. В более поздние сроки твердения наблюдается тенденция к выравниванию прочности бетонов на БТЦ-400 и БТЦ-300. Прочность образцов в процессе испытания определяли через 100 и 280 циклов замораживания и оттаивания (оттаивание происходило в водопроводной воде) и выражали в % к прочности в возрасте 28 суток.

Пластичные бетоны нормального твердения

Пластичные бетоны нормального твердения из БТЦ-300 и цемента марки 500 хорошо выдержали 100 циклов замораживания. После 280 циклов лучше сохранился бетон из цемента марки 500. Однако пластичный пропаренный бетон из БТЦ-300 выдержал 100 циклов замораживания без понижения прочности, в то время как пропаренный бетон из цемента марки 500 разрушился. Добавка 1,5% хлористого кальция оказалась не только сильным интенсификатором твердения бетона из БТЦ-300 и цемента марки 500, но вместе с тем она повысила морозостойкость пластичных бетонов нормального твердения с В/Ц 0,55 и 0,45. Пластичные бетоны с добавкой хлористого кальция, твердевшие в нормальных условиях, после 280 циклов замораживания сохранили 77-102% начальной прочности.

В работе А. А. Гордеева было установлено понижение морозостойкости бетона при добавке хлористого кальция. В наших опытах умеренная добавка хлористого кальция (1,5%) вводилась в бетоны, изготовленные на активных цементах с удельной поверхностью до 4000 см2/г. По-видимому, влияние добавки хлористого кальция на морозостойкость зависит как от дозировки добавки, так и от тонкости помола и химико-минералогического состава цемента.

Обобщены результаты испытания морозостойкости пластичных и жесткого бетонов из БТЦ-300, БТЦ-400 и цемента марки 500, полученные после 280 циклов замораживания и оттаивания. Проведенное исследование привело к общему выводу, что в условиях попеременного замораживания и оттаивания поведение бетонов из быстротвердеющих портландцементов, содержащих оптимальную добавку гипса, принципиально не отличалось от поведения бетонов из цемента марки 500.

Пропаривание по режиму 2 + 6 + 2 ч привело к понижению морозостойкости пластичных бетонов с В/Ц 0,45 и 0,55, что согласуется с предыдущими данными. Наиболее морозостойким оказался бетон с В/Д = 0,45 на тонкомолотом цементе БТЦ-400. Это связано с более быстрой гидратацией активного цемента и интенсивным образованием контракционных пор, компенсирующих вредное влияние теплового расширения воды затворения при пропаривании.

Жесткий бетон (расход воды 126 кг/м3, В/Ц = 0,35) нормального твердения на БТЦ-400 и БТЦ-300 хорошо выдержал 280 циклов замораживания (остаточная прочность 78-95%), причем не наблюдалось существенного различия в поведении бетона с добавкой хлористого кальция и без него. Жесткий бетон из быстротвердеющих цементов, который подвергался гидротермальной обработке, после 280 циклов сохранил 67-75% начальной прочности.

Повышенная тонкость помола быстротвердеющих портландцементов оказывает как положительное, так и отрицательное влияние на структуру, физико-механические свойства и морозостойкость бетона. Интенсификация процесса твердения способствует повышению степени гидратации цемента, увеличению объема контракционных пор в начальные сроки и уменьшению капиллярной пористости.

Применение поверхностно-активных добавок

Увеличение водоудерживающей способности и пластической вязкости цементной суспензии в составе бетонной смеси способствует улучшению однородности бетона, так как при этом уменьшается расслаивание. Уменьшение размера пор в цементном камне при повышении тонкости измельчения цемента, установленное в работах В. В. Стольникова, также способствует повышению морозостойкости бетона.

Благоприятное влияние оказывает повышение механической прочности бетона, в особенности прочности на растяжение в поздние сроки, когда бетон начинает подвергаться воздействию попеременного замораживания и оттаивания.

Отрицательные явления, связанные с увеличением дисперсности цемента, выражаются в повышенной усадке, которая может привести к образованию микро- и макротрещин и понижению морозостойкости бетона.

Результаты исследования морозостойкости выявили основное условие применения быстротвердеющих цементов для получения высокопрочных бетонов, которые хорошо противостоят разрушающему действию многократного замораживания и оттаивания: морозостойкость бетона из быстротвердеющего цемента существенно возрастает с уменьшением капиллярной пористости.

Теоретические основы применения адсорбирующихся добавок заложены в фундаментальных трудах академика П. А. Ребиндера и его школы.

Особо важным является использование научных достижений и практического опыта применения поверхностно-активных добавок в технологии цемента и бетона. Для современной технологии характерно комплексное сочетание методов ускорения твердения бетона, основанных на применении быстротвердеющих цементов пропаривания и т. п. Поверхностно-активные добавки следует рассматривать как средство борьбы с отрицательными свойствами тонкомолотых быстротвердеющих цементов: с их быстрой порчей и пониженной морозостойкостью в пластичных бетонах.

Замена обычного портландцемента пластифицированным

Быстротвердеющим тонкомолотым цементам присущ общий недостаток ― быстрое снижение активности при хранении и перевозке. Особенно резко (через 7-10 суток) снижается начальная прочность БТЦ, содержащего активную минеральную добавку. Это можно объяснить тем, что минеральная добавка вносит в цемент некоторое количество влаги. Снижение активности приводит к тому, что цемент, выпущенный как БТЦ, через 15-30 суток не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к показателям его начальной прочности. Для сохранения активности тонкомолотых быстротвердеющих цементов, хотя бы на короткий срок (15-21 суток), применяют умеренную их гидрофобизацию, которая не снижает показателей прочности.

С целью выявления действия поверхностно-активных добавок на морозостойкость бетонов был использован быстротвердеющий портландцемент с активностью 210 кГ/см2 в суточном возрасте и 477 кГ/см2 ― в 28 суточном. Цемент содержал 8% трепела.

При введении добавки бетоны изготовляли либо с уменьшением В/Ц, либо с сохранением того же В/Ц, что и у контрольного бетона, но с меньшим расходом цемента (табл. 41). Подвижность бетонных смесей сохранялась примерно одинаковой (осадка конуса 3-4 см).

После 300 циклов замораживания и оттаивания один из трех контрольных образцов разрушился, а два других имели значительные повреждения и были сняты с испытания.

Замена обычного портландцемента пластифицированным позволила или снизить В/Ц на 20%, или соответственно уменьшить расход цемента. В последнем случае наблюдалось увеличение морозостойкости бетона из пластифицированного портландцемента, хотя не столь значительное как при уменьшении В/Ц.

Образцы бетонов из гидрофобного портландцемента после 300 циклов сохранились очень хорошо. Испытание этих образцов было продолжено, и они удовлетворительно выдержали 1217 циклов замораживания и оттаивания. То же можно сказать о бетонах на пластифицированном портландцементе с уменьшенным В/Ц. После 1217 циклов образцы имели выколы только по известняковому заполнителю. Шелушения граней или разрушения растворной части бетона не было.

петрографический анализ шлифов бетонов из гидрофобного портландцемента

Приводим петрографический анализ шлифов, приготовленных из образцов, прошедших 1217 циклов (анализ выполнен канд. техн. наук О. М. Астреевой).

Образец бетона на гидрофобном цементе содержал тонкозернистую слабо поляризующую массу и обломки неразложивших-ся зерен клинкера. Некоторые участки выполнены гидратом окиси кальция. Микрохимической реакцией при нагревании выявлен Са(ОН)2. Наблюдавшиеся в цементном камне поры имели размеры от 20 до 120 мк. Неразложившиеся.обломки клинкера составляли около 30%.

Цементный раствор, отобранный из бетона на пластифицированном цементе, представлял собой весьма тонкозернистую массу, в которой находились обломки неразложившегося клинкера (около 30%). Обломки имели размеры от 30 до 90 мк и состояли из кристаллов алита и белита, сцементированных алюмо-ферритами. Основная тонкозернистая масса обладала слабым двойным лучепреломлением. Местами встречались участки, выполненные гидратом окиси кальция. При действии на порошок цементного камня раствором фенола в нитробензоле и нагревании появлялось большое количество кристаллов фенолята кальция, что также указывало на присутствие в образце гидрата окиси кальция. Находившиеся в цементном камне зерна кварца были плотно окружены тонкозернистой массой. Иногда между кварцевым зерном и тонкозернистой массой имелись пустоты, кое где заполненные гидратом окиси кальция.

Петрографический анализ показал, что растворная часть бетона с пластифицирующей добавкой представляется в виде кварцевых зерен (песчинок), плотно окруженных очень тонкозернистой массой новообразований, содержащих около 30% неразложившегося клинкера. Эти данные согласуются с представлениями о диспергировании кристаллитной структуры новообразований и о пептизирующем действии добавки.

Таким образом, значительное повышение морозостойкости бетонов на БТЦ наблюдалось в том случае, когда пластифицирующее действие добавок использовалось для уменьшения В/Ц и, следовательно, капиллярной пористости пластичных бетонов.

Пластификация бетонной смеси адсорбирующимися органическими добавками обусловлена понижением прочности структуры цементного теста и растворной части бетона с увеличением объема цементного теста, вызываемого воздухововлечением. Действие первого фактора ― уменьшения прочности структуры цементного теста в бетоне ― является прямым следствием образования адсорбционных слоев на частицах твердой фазы цементно-водной суспензии.

Путем прямого эксперимента было доказано, что действие поверхностно-активных веществ гидрофильного и гидрофобного типа на пластично-вязкие свойства цементно-водной суспензии имеет адсорбционную основу и проявляется независимо от дополнительного воздухововлечения. Вывод об адсорбционной природе влияния добавок поверхностно-активных веществ на реологические свойства цементного теста согласуется с исследованиями Ю. М. Бутта и Т. М. Берковича, применявшими косвенные методы, и с развитой М. И. Хигеровичем теорией пластификации бетонных смесей гидрофобизующими добавками.

Сравнение пластифицирующего влияния гидрофобизующих добавок

Сравнение пластифицирующего влияния с. с. б. и гидрофобизующих добавок, сделанное применительно к пластичным бетонам, выявило более сильное пластифицирующее действие с. с. б. на пластичные бетонные смеси.

Неудобообрабатываемые малоцементные бетонные смеси лучше пластифицируются гидрофобизующими добавками, вовлекающими воздух.

Из формулы капиллярной пористости видно, что уменьшение количества воды затворения на 8-10%, которое обычно наблюдается при введении добавок в пластичный бетон, приводит при сохранении того же расхода цемента к уменьшению капиллярной пористости бетона на 1,5-2%. Уменьшение капиллярной пористости плотно уложенного бетона с 8-9 до 6-7% сопровождается значительным повышением его морозостойкости. Средний участок графика зависимости морозостойкости от капиллярной пористости характеризует бетоны, которые нуждаются в поверхностно-активной добавке для повышения морозостойкости.

Бетоны, которые имеют капиллярную пористость менее 6%, обычно изготовляют с В/Ц менее 0,5 и с расходом портландцемента более 300 кг/м3. Такие «жирные» бетоны пластифицируются хуже, количество воды затворения в них при введении добавок уменьшается на 4-6%, а капиллярная пористость снижается на 0,7-1%. Натурные испытания подтвердили, что применение поверхностно-активных добавок в бетонах с относительно небольшой капиллярной пористостью не привело к сильному повышению морозостойкости бетонных образцов (глава III). Тем не менее пластифицирующие поверхностно-активные добавки целесообразно применять и в бетонах с В/Ц = 0,45...0,5, в частности для борьбы с расслоением бетонных смесей.

Исследования реологических свойств бетонных смесей

Исследования реологических свойств бетонных смесей показали возможность повышения пластической вязкости цементного теста при введении гидрофобизующих добавок. Вместе с тем пептизирующее влияние адсорбирующихся добавок способствует более равномерному распределению воды и цемента в бетонной смеси и улучшению структуры бетона.

Вследствие равномерного распределения и уменьшения объема капиллярных пор уменьшается направленная миграция влаги, которая в обычном бетоне приводит к увеличению водосодержания отдельных участков железобетонной конструкции. В опытах наблюдалось уменьшение миграции влаги в случае применения гидрофобного портландцемента. В этих опытах влажность «холодного» конца образцов, изготовленных на обычном портландцементе, на 5-6% превышала влажность «теплого» конца, в то время как в образцах из гидрофобного портландцемента это превышение составило только 0,3%. Таким образом, введение добавки способствовало более равномерному распределению влаги в материале.

Уплотнение цементного камня снижает водонасыщение при капиллярном подсосе, что существенно для бетона зоны переменного уровня воды. Уменьшение водонасыщения при капиллярном подсосе было практически одинаковым для гидрофобного и пластифицированного портландцемента, что указывает на второстепенную роль гидрофобизации стенок капилляров.

Гидрофобизация стенок капилляров цементного камня наблюдается в случае применения гидрофобного цемента или при введении гидрофобизующей добавки в бетонную смесь. При этом значительно затрудняется фильтрация воды в плотном бетоне, что должно положительно сказаться на его стойкости.

Уменьшение водонасыщения при капиллярном подсосе

Экспериментально трудно оценить влияние собственно гидрофобизации на стойкость бетона, так как введение в него добавки всегда сопровождается изменением его структуры вследствие адсорбционного модифицирования новообразований, воздухововлечения и уменьшения расхода воды.

Известно, что введение поверхностно-активных добавок часто сопровождается дополнительным вовлечением воздуха в бетонную смесь. При уплотнении бетонной смеси удаляется часть вовлеченного воздуха. В этом случае в уплотненном бетоне имеется дополнительная (по сравнению с обычным бетоном) воздушная пористость. Ее величина зависит не только от дозировки самой добавки, качества примененных для бетона материалов и

состава бетона, но также и от производственных факторов ― длительности перемешивания, толщины уплотняемого слоя бетона, интенсивности уплотнения.

В наших опытах, проведенных с цементно-песчаными растворами состава 1:2,5, которые укладывали слоем 10-63 мм, не наблюдалось дополнительного воздухововлечения при введении гидрофильных и гидрофобных органических добавок. Благодаря пластифицирующему действию добавки укладка растворной смеси была более плотной.

Однако несколько другие данные о воздухововлечении были получены при исследовании пластичных бетонов, изготовленных на гранитном и известняковом щебне с наибольшей крупностью зерен 30 мм и песке с модулем крупности 2,4. Бетонные образцы изготовляли в форме кубов с размером ребра 10 и 15 см. Подвижность бетонных смесей характеризовалась осадкой конуса в пределах 2-8 см и временем вибрирования 8-30 сек. При введении добавки с. сб. воздухововлечение либо вовсе не наблюдалось, либо было относительно небольшим ― до 0,8-1% объема уплотненного бетона.

Гидрофобизующие добавки к бетону

Гидрофобизующие добавки, рекомендованные для производства гидрофобного портландцемента ― мылонафт, асидол-мылонафт, олеиновая кислота ― вызывали, как правило, большее воздухововлечение, чем добавка с. с. б. Наиболее высокое воздухововлечение наблюдалось при введении мылонафта. Объем дополнительных воздушных пор, остававшихся в свежеуплотненном пластичном бетоне, в большинстве случаев был в пределах 2-3%, иногда возрастал до 4-5% и очень редко снижался до 1-1,5%.

Пластичный бетон на гидрофобном портландцементе с добавкой олеиновой кислоты характеризовался меньшим воздухово-влечением. Как показывают опытные и производственные данные, увеличение длительности перемешивания бетонной смеси может привести к значительному увеличению воздушной пористости бетона из гидрофобного портландцемента. Добавки-пенообразователи типа омыленного древесного пека (пекового мыла) характеризовались большей воздухововлекающей способностью-по сравнению с указанными гидрофобизующими добавками.

Оценка влияния воздухововлечения на строительно-технические свойства бетонов зависит от состава, в частности «жирности» бетона. Как известно, «тощие» бетоны и строительные растворы являются неудобоукладываемыми системами. Однако такие смеси лучше пластифицируются гидрофобизующими добавками и значительно хуже или вовсе не пластифицируются сульфитно-спиртовой бардой.

По мнению М. И. Хигеровича, смазочное действие ориентированных гидрофобных пленок приобретает особое значение в малоцементных системах. Вместе с тем введение гидрофобной добавки и вызываемое ею воздухововлечение приводит к увеличению объема цементного теста и улучшению удобноукладываемости «тощих» бетонов и строительных растворов.

 

Воздухововлечение

Воздухововлечение оказывает влияние на прочность, водопоглощение, стойкость и другие свойства бетонов. Физико-химические явления, связанные с образованием адсорбционных слоев на цементных зернах, не оказывают существенного влияния на прочность цементного камня в 28-суточном возрасте. Предполагается, что добавки влияют на прочность постольку, поскольку они изменяют плотность бетона. Прочность бетона при введении в него органических добавок понизится в том случае, если объем дополнительно вовлеченного воздуха будет превышать величину, па которую уменьшилось количество воды затворения. Справедливость указанной зависимости проверяли в опытах с бетоном состава 1:0,55:1,95:3,6 (по весу), изготовленным на гранитном щебне крупностью 5-30 мм с расходом цемента 350 кг/м3.

28-суточная прочность бетона из портландцемента без добавок и с гидрофобизующей добавкой представлена в зависимости от величины цементно-водовоздушного отношения.

Таким образом, экспериментальные данные показывают, что воздушные поры, получающиеся в уплотненном бетоне при применении воздухововлекающих добавок, могут понизить прочность бетона в 28-суточном возрасте.

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,)