Теорія морозостійкості бетону

Теорія морозостійкості бетону

При розробці теорії морозостійкості бетону була поставлена основна мета ― встановити залежність морозостійкості від характеристик пористості і використовувати цю залежність для проектування складу морозостійких бетонів.

Теорія морозостійкості бетону ґрунтується на узагальненні результатів експериментальних досліджень фізичної будови цементного каменю і бетону.

Дослідження фізичної будови і пористості цементного каменю та бетону

В останні два десятиліття проведені цінні дослідження фізичної будови цементного каменю і бетону. Для вивчення фізичної будови цементного каменю застосовувалися сорбційні методи.

Визначаючи питому поверхню частинок цементного гелю, Пауерс і Броунярд використовували рівняння Брунауэра, Ем-мета і Теллера (БЕТ) для полимолекулярной адсорбції.

Капілярна конденсація при низьких тисках пара мала, тому Пауерс застосовував рівняння БЕТ при тисках пари в межах від 0,05 ps до 0,4/ps. Кількість адсорбованого пара визначалося за ізотермами сорбції (при постійній температурі змінюється в залежності від p/ps).

На підставі адсорбційних даних за допомогою рівняння БЕТ визначалася величина m, а потім питома поверхня гідратованого цементу. Пауерс і Броунярд експериментально встановили, що при p/ps < 0,4 адсорбція водяної пари прямо пропорційна ступеню гідратації цементу, яка оцінювалася кількістю зв'язаної (неиспаряющейся) води.

Пряма пропорційність між m і wn показує, що питома поверхня продуктів гідратації (тобто цементного гелю) є постійною величиною і не залежить від ступеня гідратації цементу. З іншого боку, вона дозволяє укласти, що розвиток внутрішньої поверхні цементного каменю, тобто збільшення його питомої поверхні, відбувається у прямій залежності від ступеня гідратації портландцементу, яка оцінюється кількістю зв'язаної води.

В якості моделі цементного гелю готували цементний камінь з водоцементным ставленням від 0,12 до 0,32 (по вазі), який тривалий час (у деяких дослідах до 10 років) твердів у вологих умовах.

З розгляду ізотерм адсорбції водяної пари Пауерс і Броунярд встановили, що цей цементний камінь здатний адсорбувати найбільшу кількість водяної пари (при p/ps = 1), що дорівнює приблизно 4m. На підставі цих експериментальних даних було прийнято, що кількість випаровується води, що утримується щільним, добре гідратованих цементним каменем, може бути охарактеризоване як кількість води wg, який здатний утримати цементний гель (за вагою, тобто в г/г сухої речовини).

Сучасні дані про фізичну будову цементного каменю

Пізніші досліди Коуплэнда і Хейса, в яких перевірялися результати роботи Пауерса, підтвердили, що загальна кількість води в добре гідратованому цементі дорівнює приблизно подвоєному кількості зв'язаної води. Таким чином, цементний гель містить 0,25 (по вазі) пов'язаної не випаровується при 105° С і 0,25 випаровується адсорбційно зв'язаної води, при цьому водоцементне відношення в гелі буде приблизно 0,5. На підставі цих даних і залежності (4) можна зробити висновок, що кількість води в цементному гелі становить:

Сучасні дані про фізичну будову цементного каменю і форми зв'язку води в ньому використані при виведенні формул для обчислення характеристик пористості цементного каменю і бетону.

Комплексне дослідження структури цементних розчинів з застосуванням низки методів визначення розмірів і оцінки будови пір проводиться Ф. М. Івановим і Ст. Л. Солнцевої. Експериментальні методи дають можливість отримати характеристику пористості у вигляді кривої розподілу пор за розмірами, яка є досить цінною характеристикою будови. Вона дозволяє судити про однорідність матеріалу, дає можливість вивчити вплив на розмір пір ряду факторів: тонкості помелу цементу, седиментаційних процесів та ін.

У ряді робіт були зроблені спроби встановити кількісну залежність між розмірами пор і ступенем морозостійкості матеріалу.

За даними А. С. Беркмана, цегла, як правило, витримував 25 циклів заморожування і відтавання в тому випадку, коли криві розподілу мали перший максимум в області пір розміром більше 0,02 див.

Залежність між ступенем морозостійкості бетону і середнім інтервалом між порами

Пауерс у своїй «теорії інтервалу між порами» намагався знайти залежність між ступенем морозостійкості бетону і середнім інтервалом між порами. Ця теорія ґрунтується на припущенні, що цементний камінь не буде розширюватися при замерзанні, якщо замерзаюча вода буде оттесняться в повітряні пори, що можливо при визначеному інтервалі між порами.

Метод отримання даних для розрахунку за цими формулами, так званий «метод лінійної січної», викладений у статті Брауна і Пірсона. Формули Пауерса не дають дійсного інтервалу, але дозволяють, на його думку, розрахувати величини інтервалу, які приблизно пропорційні дійсному середнього інтервалу.

У подальших роботах Пауерса інтервал використовується як міра середньої відстані між порами для встановлення емпіричних залежностей. Одна з таких залежностей була отримана шляхом обробки результатів лабораторних випробувань, отриманих Клайджером. В цих випробуваннях морозостійкість оцінювалася числом циклів заморожування до розширення 0,1%. Пауерс прийшов до висновку, що морозостійкість різних складів була приблизно однакова, коли їх чинники інтервалу були близькими і не перевищували 0,01 дюйма. На адресу Пауерса були зроблені критичні зауваження. Зокрема, зазначалося, що три різних поєднання з цементу і заповнювачів мали різну морозостійкість при тому ж самому факторі інтервалу. У випадку різних заповнювачів фактор інтервалу не є визначальним. Вказувалося також, що бетони з L нижче 0,01 дюйма і з відносно невеликими коливаннями величини L сильно розрізнялися по морозостійкості.

Теоретичний аналіз, проведений нами, дозволив зробити висновок, що гранична величина інтервалу не може бути постійною величиною, наприклад, 0,01 дюйма, а залежить від характеристик матеріалу (коефіцієнта фільтрації, межі міцності при розтягуванні) і швидкості заморожування.

У 1958 р. була опублікована робота Майленза, Волкодова, Бэкстрома і Берроуза, присвячена виникненню, розвитку та впливу системи повітряних пор у бетоні. У цій роботі наведені характеристики повітряно-пористої системи у затверділому бетоні, отримані з допомогою мікроскопічних методів дослідження. Інтерес представляють результати дослідження зразків бетону, высверленных споруд, а також контрольних зразків, отриманих з будівництв.

Серед досліджених бетонів без воздухововлекающих добавок були зразки з гребель великих гідростанцій Гранд-Кулі, Гувера і Паркера. У такому бетоні вміст повітря коливалося від 0,2 до 5,7% і становило в середньому 1,9%. Питома поверхня повітряних пір була в межах 43-444 см2/см3, в середньому 177 см2/см3. Фактор інтервалу Пауерса, що характеризує відстань між порами, коливався в дуже широких межах від 0,02 до 0,15 см, а його середня величина 0,063 см значно перевищувала норму, рекомендовану Пауерсом для морозостійких бетонів (0,025 см).

Таким чином, досвідчені дані показують, що середній розмір пор або інтервалу між порами не є чинником, визначальним морозостійкість бетону. Особливість бетону полягає в тому, що функція, яку виконують його пори при дії поперемінного заморожування і відтавання, залежить не тільки від їх розмірів, але також від їх розташування в цементному гелі і походження.

Звідси випливає, що необхідно розробити характеристики пористості, які враховують розмір і якість певних груп пор в бетоні. Бажано, щоб ці характеристики дозволяли передбачити зміни пористості тверднучого бетону в часі і могли б бути використані як при проектуванні складу морозостійкого бетону, так і для контролю за структурою укладеного бетону.

Характеристики пористості цементного каменю та бетону

При розгляді зв'язку морозостійкості і будови бетону виходили з обґрунтованого Ст. Н. Юнгом уявлення про цементному камені як про микробетоне, що складається з гелевих та кристалічних продуктів гідратації цементу і численних включень у вигляді негидратированных зерен клінкеру і добавок. Гелева складова представлена головним чином гидросиликатами кальцію. Склад гідросилікатів змінюється в залежності від умов гідратації і, за даними Н. А. Торопова, може бути виражений загальною формулою хСаО • yS2 • гН20, в якій х відношення знаходиться в межах від 1,65 до 2. Коллоидальные продукти гідратації портландцементу представляються у вигляді агрегатів субмикрокристаллов. Тому продукти гідратації портландцементу в літературі умовно називають «цементним гелем».

Якщо цементне тісто добре ущільнений (повітряна пористість не перевищує 1-2%). пори в твердеющем цементному камені утворюються головним чином випаровується водою. Характер таких пір обумовлений формами зв'язку вологи з матеріалом.

Класифікація форм зв'язку вологи з матеріалом

Класифікація форм зв'язку вологи з матеріалом, запропонована акад. П. А. Ребиндером, побудована за принципом інтенсивності енергії зв'язку і в повному вигляді наведена в книзі А. В. Ликова. За цією класифікацією всі форми зв'язку вологи з матеріалом поділяються на три основні групи.

Хімічна зв'язок, що виникає в певних молекулярних співвідношеннях (тобто стехіометрична), є найбільш сильною в порівнянні з іншими формами зв'язку. Хімічна зв'язок, як правило, не порушується при сушінні. Для її порушення потрібно прожарювання, або хімічну взаємодію з іншою речовиною.

Фізико-хімічна зв'язок встановлюється не в суворо визначених співвідношеннях. Для бетону, що є гідрофільним капілярно-пористим тілом, велике значення має зв'язок вологи в гідратних оболонках субмікроскопічних частинок цементного гелю. При полимолекулярной адсорбції найбільш міцно пов'язаний мономолекулярный шар води, що знаходиться під великим тиском, зумовленим молекулярним силовим полем. Внаслідок цього щільність води підвищується, що є однією з причин стиснення (контракції) системи цемент ― вода. Наступні шари молекул води в гідратних оболонках утримуються менш міцно і властивості їх по мірі віддалення від поверхні твердих частинок поступово наближаються до властивостей звичайної вільної води. Адсорбційно зв'язана вода має специфічні властивості. Б. В. Дерягін експериментально довів, що тонкі плівки такої води (товщиною близько 0,1 мк) мають властивості пружного твердого тіла. Проміжки між частками гелю дуже невеликі, близько 15-40 А. Тому можна вважати, що та частина випаровується води, яка знаходиться в агрегатах часток гелю («вода гелю»), пов'язана з матеріалом адсорбційної зв'язком.

Капілярні пори

Необхідно враховувати, що адсорбційно зв'язана вода переходить у лід при більш низьких температурах, ніж «об'ємна».

Частина води випаровується, не пов'язаної частинок в агрегатах цементного гелю, знаходиться між ними і має з матеріалом фізико-механічну зв'язок. Ця частина води випаровується, умовно названа «капілярної», утримується в матеріалі капілярним тиском. Основна маса утриманої капілярної води є вільною і зберігає свої властивості.

Отже, випаровується вода має з цементним каменем дві форми зв'язку ― фізико-хімічну і фізико-механічну. На цій основі можна виділити в твердеющем цементному камені три основні групи пір, відрізняються за розміром, розташуванням у цементному камені і по їх впливу на морозостійкість бетону.

Капілярні пори, утворені «капілярної» випаровується водою, що має з матеріалом фізико-механічну зв'язок, розташовані між агрегатами частинок цементного гелю. Їх ймовірний розмір від 1 • Ю-4 до 50 • №~*см і більше в тисячі разів перевищує розмір пор гелю. Капілярні пори сприяють всмоктуванню та міграції води, яка замерзає в них при звичайних умовах охолодження (починаючи з -6 до -8°С). Капілярні пори є основним дефектом будови щільно покладеного бетону, що знижує його морозостійкість.

За класифікацією А. В. Ликова капілярні пори є макрокапиллярными (з радіусом більше 1 • Ю-5 см).

Контракцнонные пори утворюються внаслідок зменшення абсолютного обсягу системи цемент ― вода.

В. Н. Юнг, Ю. М. Бутт, В. Ф. Журавльов, З. Д. Окостів вказували, що контракція викликає зменшення зовнішніх розмірів системи, додаткове поглинання води і освіта в системі нових (контракционных) досі. За розмірами контракционные пори займають, мабуть, проміжне положення між порами гелю і капілярними. При замерзанні бетону контракцнонные пори відіграють роль своєрідних запасних резервуарів, в які може віджиматися» частина води з капілярних пір. Завдяки цьому зменшується тиск замерзлої води на стінки капілярних пір і підвищується морозостійкість бетону. Якщо бетон з самого початку твердне у водних умовах, то внаслідок вакууму в контракцнонные пори ще в період попереднього твердіння засмоктується вода, в результаті чого морозостійкість бетону знижується. Експериментальні дані вказують на помітне зниження морозостійкості бетону після 28-добового попереднього водного твердіння.

Пори гелю являють собою проміжки між його частинками, утворені випаровується водою, адсорбційно зв'язаної в гідратних оболонках часток гелю, і розташовані в агрегатах частинок цементного гелю. Вони мають найменший розмір (приблизно від 15 - Ю-8 до 40 • 10~8слі) порівняно з іншими порами цементного каменю. Якщо подумки збільшити пору / гелю до 1 мм, то поперечник капілярної пори випаде; відрізком близько 10 м. Вода в порах гелю знаходиться в особливому стані і не переходить в лід при низьких температурах порядку -40 і навіть -78° С, що узгоджується з висновками Б. В. Дерягіна, Н. А. Цытовича і М. І. Сумгина про специфічні властивості тонких шарів води.

Як вже зазначалося, при сучасному стані методів, експериментальних досліджень пористості цементного каменю ще не можна досить простим способом визначити окремо пористість гелю, контракційну і капілярну.

Гідратація мінералів цементного клінкеру

Нами застосовано метод розрахункового визначення характеристик пористості, який заснований на сучасних даних про форми зв'язку води в цементному тесті-камені і зміні обсягу його «твердої фази» в процесі твердіння. При виведенні формул для обчислення характеристик пористості витрати води і цементу в кг на 1 м3 бетону позначені відповідно В і Ц. Величина а, названа ступенем гідратації цементу, представляє відношення кількості гідратованого цементу до всього витраті цементу Ц і може змінюватися в межах від* до 1. Ступінь гідратації пропорційна кількості зв'язаної води wn :

В процесі гідратації частину об'єму капілярних пір, рівна w ta Ц, заміщається продуктами гідратації цементу, порами гелю і контракционными порами. Обсяг контракционных пір можна визначити виходячи із співвідношення складових частин цементного каменю, яка в графічній формі представлено».

Продукти гідратації 1 см3 цементу (взятого в щільному стані) займають разом з порами гелю обсяг, рівний т см3.

При гідратації мінералів цементного клінкеру збільшуються в об'ємі в різній мірі. За наявними даними обсяг гідратованого цементу зростає приблизно в 2,1-2,26 рази.

З формули слід, що обсяг контракционных пір збільшується в прямій залежності від ступеня гідратації і кількості цементу, причому коефіцієнти q і а враховують вплив, на контракцію складу й тонкості помелу цементу, а також кількості введеного гіпсу, величини В/Ц і умов твердіння.

Зіставлення контракції, обчисленої за формулою, з досвідченими даними, показує, що величина коефіцієнта q для портландцементів ближче до нижньої межі 0,09-0,11.

Капілярна пористість цементного каменю

Контракція обчислена за даними Ст. Н. Юнга про кількість зв'язаної цементом води в терміни від початку замішування до 1 року. У книзі наведено мінералогічний склад та інші характеристики портландцементу, але, судячи з кількості води, зв'язаної в початковий період, цемент був дуже активним. Обчислені величини показують дуже швидке зростання величини контракції в початковий період гідратації. Для односуточного і однорічної строків твердіння обчислені і досвідчені дані по контракції задовільно збігаються.

У книзі Ст. Н. Юнга, Ю. М. Бутта, В. Ф. Журавльова і С. Д. Окорокова автори на основі дослідження, виконаного Ст. Ст. Некрасовим, приймають граничну величину контракції для більшості звичайних цементів дорівнює 7-9 мл (округлено 8 мл) на 100 г цементу. Отже, у бетоні з витратою цементу 250 кг/м3 стиснення системи цемент ― вода може досягати 20 л на 1 м3 бетону, або близько 2% його обсягу.

За даними Пауерса і Броунярда, Коуплэнда і Хейса питомий об'єм води гелю дорівнює 0,8-0,9. Оскільки в порах гелю знаходиться 0,25 води (по вазі), то об'єм пор гелю при питомому об'ємі води гелю 0,8 складе:

Наведено формули для обчислення капілярної, контракционной, гелевою і загальної пористості цементного каменю. Капілярна пористість цементного каменю залежить від величини В/Ц і ступеня гідратації цементу, між тим як капілярна пористість бетону залежить ще і від витрати цементу.

Формули, що дають можливість обчислити середні значення пористості, потрібні при розгляді морозостійкості, але вони зовсім не виключають необхідності подальших експериментальних досліджень пористості, явища контракції, будови цементного гелю та інших проблем, пов'язаних з формуванням структури бетону.

 

Залежність капілярної пористості

Ці формули дозволяють відокремити капілярну пористість, утворену капілярної випаровується водою, від контракционных пір, що відрізняє їх від формул капілярної пористості», запропонованих Пауерсом і Броунярдом, Коуплэндом і Хейсом. Ці дослідники обчислювали як «капілярної» сумарну пористість від капілярної води і від контракції, що неправильно, так як ці види пір по-різному впливають на морозостійкість бетону.

Капілярна пористість зростає при збільшенні В/Ц і зменшується при більш повної гідратації цементу.

Залежність капілярної пористості від В/Ц представляється у вигляді гіперболи. Як показує, вирішальним фактором зменшення капілярної пористості при низьких В/Ц є досягнення більш повної гідратації цементу. Активізація цементу і належний догляд за бетоном необхідні як для більш повного використання цементу, так і для зменшення капілярної пористості і підвищення стійкості бетону. Вплив двох головних факторів ― В/Ц і відносної кількості зв'язаної води (ступеня гідратації) ― ми представили у вигляді номограми. Лінії на цьому графіку відповідають однаковою капілярної пористості цементного каменю. Капілярна пористість цементного каменю різко зменшується при зниженні величини В/Ц до 0,35-0,45 і підвищення ступеня гідратації до 0,8-1.

Як видно, зменшується загальний обсяг пір цементного каменю, але відбувається це повільно. Наприклад, той обсяг часу, який цементний камінь мав у 3-добовому віці, зменшився до 90-добового терміну твердіння приблизно на 12% і лише при повній гідратації цементу зменшення обсягу всіх пір було більш значним. Однак гідратація різко змінює характер пір в цементному камені. Капілярні пори заповнюються продуктами гідратації (цементним гелем), що містять пори гелю і контракцнонные пори.

Прогресуюча гідратація цементу

Прогресуюча гідратація цементу викликає якісна зміна пористості цементного каменю ― зменшення капілярної і збільшення контракционной і гелевою пористості при деякому зниженні загального об'єму пор.

З формули капілярної пористості випливає, що капілярні пори в цементному камені повністю заместятся продуктами гідратації і контракционными порами на тій стадії твердіння, коли wta стане рівним В/Ц. Таким чином, капілярна пористість в цементному камені відсутня за умови, якщо при досить тривалому твердінні в сприятливих умовах. Практично до часу експлуатації споруди ймовірна ступінь гідратації цементу буде близько 0,6-0,8. Для ліквідації капілярних пір при даній ступеня гідратації потрібно знизити В/Ц до 0,3-0,4, тобто в середньому приблизно до 0,35.

Фізичний межа процесу гідратації настає тоді, коли капілярні пори заповнюються продуктами гідратації, тобто повна гідратація неможлива при водоцементном відношенні менш 0,5, що узгоджується з думкою А. Е. Шейкіна. Найбільша ступінь гідратації цементу при В/Ц менше 0,50 визначається розрахунково.

Отже, величина В/Ц, при якій можливе усунення капілярної пористості, і найбільша можлива ступінь гідратації цементу при цьому В/Ц взаємно пов'язані. Капілярна пористість може бути усунена лише в цементному камені, виготовленому з В/Ц, що не перевищує 0,5, причому капілярна пористість зникає при досягненні найбільшої ступеня гідратації.

Характеристики пористості бетону

Пористість бетону обумовлена наявністю пір в цементному камені, а також специфічними для бетону процесами внутрішнього і зовнішнього розшарування (седиментації) бетонної суміші і повітровтягування.

Роль седиментаційних процесів у формуванні будови бетону всебічно досліджена в роботах В. о. Стольникова і його учнів. Водовідділення бетонної суміші погіршує контакт розчинної складової з зернами крупного заповнювача, посилює неоднорідність будови бетону, в результаті чого погіршується водонепроникність і морозостійкість бетону. Збільшення тонкості помелу цементу супроводжується зменшенням седиментационного розшарування цементного тіста. Ефективними заходами для боротьби з розшаруванням бетонних сумішей є ретельний підбір гранулометричного складу заповнювача з метою зменшення розмірів межзерновых просторів і витрати води, а також введення поверхнево-активних добавок.

Пори, які утворюються внаслідок залучення повітря, яке виникає при застосуванні добавок поверхнево-активних речовин I («умовно замкнуті» по термінології П. А. Ребиндера), за даними В. о. Стольникова, мають розміри від 0,0025 до 0,025 див. «Умовно замкнуті» пори надають позитивний вплив на морозостійкість, виконуючи в процесі заморожування бетону ту ж роль, що і контракционные пори.

Пори в бетоні, що виникли внаслідок недостатнього ущільнення, а також утворені защемленным повітрям, мають великі розміри; їх випадкове розташування збільшує неоднорідність цементного каменю, тому поряд з капілярними порами вони є дефектом структури бетону.

При хорошому ущільненні обсяг затисненого повітря не перевищує 1-3% обсягу свежеуплотненного бетону. Пористість такого бетону, виготовленого на заповнювачах із щільних гірських порід і практично не має дефектів, викликаних седиментацией, обумовлена в основному пористість цементного каменю. У цьому бетоні головним дефектом будови є капілярні пори.

При розгляді залежності морозостійкості щільно укладеного бетону від його складу і пористості ми будемо виділяти капілярну пористість, користуючись формулами, отриманими на підставі попередніх залежностей для пористості цементного каменю.

Формули табл. 6 можуть служити для оцінки відносного об'єму пор різного характеру і розміру.

При цьому капілярна пористість бетону (на відміну від капілярної пористості цементного каменю) залежить не тільки від В/Ц і ступеня гідратації, але і від витрат цементу в бетоні. Як видно, обмеження верхньої межі В/Ц ще не забезпечує необхідної щільності бетону. В дійсності характеристики пористості бетону залежать від трьох чинників: витрати цементу, кількості води замішування і ступеня гідратації цементу, яка об'єднує вплив на характеристики пористості бетону тонкості помелу і хіміко-мінералогічного складу цементу, а також ряду виробничих умов (приготування, ущільнення бетонної суміші, способу і часу твердіння бетону).

Зменшення капілярної пористості бетону

Капілярна пористість зменшується при зниженні кількості води замішування і збільшення витрати цементу. Збільшення витрати цементу, необхідне для зменшення капілярної пористості на 1% (при збереженні кількості води замішування), визначається з рівності:

Отже, для зменшення капілярної пористості бетону на 1% необхідно підвищити витрату цементу при ступені гідратації а = 1 на 20 кг/м3, при < х = 0,8 ― на 25 кг/м3, а при а = 0,6 ― на 33 кг/м3.

Таким чином, кожен відсоток зниження капілярної пористості досягається зменшенням кількості води замішування на 10 л/м3, або збільшенням витрати цементу на 20-35 кг/м3, тобто у 2-3 рази перевищує скорочення витрати води. Підвищення витрати цементу при постійній кількості води надає суперечливе вплив на капілярну пористість бетону. Зменшення В/Ц і зростання кількості зв'язаної води знижує капілярну пористість, але при цьому підвищення витрати цементу призводить до збільшення обсягу цементного тіста в бетоні і дещо підвищує капілярну пористість бетону.

З цих даних видно, що для зменшення капілярної пористості бетону слід насамперед знижувати кількість води замішування, застосовуючи одночасно пластифікуючі добавки та інтенсивне ущільнення суміші. Якщо йти тільки по шляху збільшення витрат в'яжучого, то це викличе збільшення витрати цементу і подорожчання бетону, а також погіршення його властивостей, зокрема, внаслідок зростання усадки.

Скорочення об'єму капілярних пір при рівномірному розподілі їх в бетоні повинно супроводжуватися зменшенням ефективного розміру пор, що сприяє підвищенню стійкості бетону. Зміна у якісному складі пористості робить вирішальний вплив на морозостійкість бетону.

Дослідження залежності міцності бетону від його пористості

Дослідження залежності міцності бетону від характеру його пористості

Характеристики пористості бетону обчислювали за формулами, при цьому ступінь гідратації цементів визначали петрографічним методом.

Морозостійкість бетону вивчали стосовно двох можливих шляхів регулювання водоцементного відносини:

1) зміною кількості води замішування при постійній витраті цементу (при цьому змінюється легкоукладальність бетонної суміші);

2) зміною витрати цементу при збереженні кількості води замішування і легкоукладальності бетонної суміші.

Залежність міцності бетону від кількості води замішування

Бетонні зразки готували при однаковій витраті цементу (285 кг/м3), витрата води змінювали в межах від 140 до 220 л/м3. При зростанні кількості води збільшується рухливість бетонної суміші і зменшується її об'ємний вагу.

Найбільшу морозостійкість мали бетони, виготовлені з витратами води 140 і 150 л/м3.

Бетонні суміші з таким вмістом води були відносно жорсткими (нульова осадка конуса). Однак при ущільненні на стандартній вібромайданчику протягом 30 сек суміші добре заповнювали форми і бетон виходив з мінімумом виходу.

Як видно, причиною зниження морозостійкості щільно укладеного бетону при зростанні кількості води замішування є збільшення капілярної пористості (з 3,7 до 11,7%). При даному числі циклів заморожування зниження морозостійкості спостерігалося у тих випадках, коли капілярна пористість бетону перевищувала 6,8%.

При виготовленні зразків витрата води зберігали для всіх серій бетонів постійним (190 л/м3), тому і рухливість бетонних сумішей була приблизно однаковою ― близько 2 см осадки конуса. Витрата цементу змінювали в широких межах ― від 246 до 387 кг/м3. W

Під час випробування морозостійкості зразки відтавали в прісній воді.

Залежність міцності бетону від витрати цементу

Морозостійкість пластичних бетонів підвищувалася при збільшенні витрати цементу, а величина коефіцієнта виходу бетону змінювалася незначно.

При розгляді даних видно, що в кожній з двох серій бетонів зменшення В/Ц до відомої межі супроводжується підвищенням морозостійкості бетону. Проте в бетонах, які витримали 240 циклів, граничне значення

В/Ц становить у першій серії 0,60, а в другій ― 0,53. При цьому капілярна пористість бетону з витратою цементу 285 кг/м3 і В/Я = 0,60 дорівнює 6,8%, а бетону з витратою цементу 359 кг/м3 і б/Д = 0,53 дорівнює 6,1%. Бетони, що показали в даному досвіді найбільшу відносну морозостійкість (склади 1 і 2), мали найменшу капілярну пористість (5 - J 6,1%) і найбільш високе співвідношення між контракционной і капілярної пористістю, яка перевищувала 35%.

По мірі збільшення капілярної пористості і зменшення відносини контракционной пористості до капілярної морозостійкість бетону закономірно знижувалася і була найнижчою у бетонів з капілярної пористо-

Результати випробування морозостійкості бетонів різного складу портландцементу Б-2 з насиченням зразків штучної океанській воді (концентрація солей 35 г/л) підтверджують зроблені висновки (табл. 10). На рис. 16 число циклів заморожування, що викликало зниження міцності зразків на 30%, представлено в залежності від капілярної пористості. Для даної серії бетонів збільшення показника морозостійкості в залежності від зменшення капілярної пористе™ можна описати емпіричним рівнянням

Значне і стійке підвищення морозостійкості спостерігалося при зменшенні капілярної пористості нижче 7%. В області значень капілярної пористості 7-8% показники морозостійкості були нестійкими.

Для бетонів була обчислена контракционная пористість. Ці дані привели до висновку, що одним з істотних чинників підвищення морозостійкості бетону при тій же капілярної пористості є збільшення відношення контракционной пористості до капілярної (тобто збільшення відношення П2/П1).

З мінералів цементного клінкеру найбільшою контракцией має трехкальциевого алюмінат. У той же час збільшення його вмісту в цементі знижує морозостійкість бетону. Тому збільшення відношення П2/П1 повинно досягатися не підвищенням СзА в цементі, а зниженням об'єму капілярних пір П1. Найбільш морозостійкими виявилися бетони з величиною капілярної пористості 5,9-6,8% і ставленням П2/П1 в межах 30-35%, що узгоджується з результатами попередньої серії дослідів.

Морозостійкість пластичних бетонів

Залежність морозостійкості від В/Ц слід розглядати у зв'язку з характеристиками пористості бетону. Кожна крива відповідає певному витраті води і, отже, приблизно однакової легкоукладальності бетонної суміші, величина В/Ц змінюється тільки шляхом зміни витрати цементу.

Спільне вплив на капілярну пористість бетону трьох факторів: ВЩ, витрати цементу і витрати води. З малюнка видно, що тільки в одному випадку капілярна пористість прямо пропорційна В/Ц, коли при постійній витраті цементу В/Ц змінюється шляхом зміни витрати води. Збільшення витрати цементу при постійному В/Ц підвищує капілярну пористість. У загальному випадку вплив В/Ц на будову бетону і його морозостійкість необхідно розглядати спільно з іншими факторами: витратами води і цементу способом ущільнення і удобоукладываемостыо бетонної суміші, а також ступенем гідратації цементу, що залежить від умов і часу твердіння.

Перевірка залежності морозостійкості бетону від характеристик пористості за даними інших дослідників.

Для перевірки залежності морозостійкості бетону від характеристик його пористості були вивчені дані випробувань, проведених іншими дослідниками.

Для порівняльної оцінки морозостійкості використані два показника. Першим є відношення динамічного модуля пружності бетону після 250 циклів заморожування до модуля пружності на початку випробування (у 28-добовому віці) на підставі даних таблиці, наведеної в роботі. Продовження випробування (понад 250 циклів) викликало зниження модуля пружності у частині зразків більш ніж на 50%.

Результати випробування морозостійкості

Результати випробування сильно зруйнованих зразків, на нашу думку, не є характерними для зіставлення. Другим показником є кількість циклів заморожування, відповідне зменшення початкової величини динамічного модуля пружності на 25%. Кількість циклів визначили кривими залежності динамічного модуля пружності бетону від числа циклів заморожування.

Характеристики пористості бетонів обчислені за формулами в припущенні, що ступінь гідратації цементу до 28-добового терміну твердіння становила близько 0,6.

Високі стійкі показники морозостійкості мав бетон, у якого капілярна пористість була найменшою (6,3%), а відношення контракционной пористості до капілярної одно 0,27.

Спостерігається закономірне підвищення показників морозостійкості при зменшенні капілярної пористості до 6,3%. Особливо сильно морозостійкість підвищилася, коли поряд із зменшенням капілярної пористості збільшувалося відношення контракционной пористості до капілярної. При збільшенні капілярної пористості з 6,3 до 9,8 10,1% характеристика капілярного всмоктування, визначена за Ст. Ст. Стольникову, зросла з 33,2 до 54,8-61.

Були оброблені результати шведського дослідження морозостійкості цементно-піщаних розчинів різного складу розраховані витрати цементу і обчислені величини капілярної і загальної пористості.

Перерахунок був викликаний тим, що зміст тесту в розчинах коливався в дуже широких межах ― від 33 до 68%. За формулами обчислені характеристики капілярної і загальної пористості при ступені гідратації цементу 0,6.

Емпірична формула морозостійкості бетону

Число циклів заморожування М, знадобилася для зниження модуля пружності на 10% або для досягнення показника подовження ― 2, представлено в залежності від капілярної пористості. За винятком однієї серії зразків, результати випробування виявили певну тенденцію у зміні морозостійкості. Загальний характер цієї тенденції такий же, як у бетонів. Зменшення капілярної пористості випробуваних розчинів з 11,2 до 7% супроводжувалося помітним, але порівняно повільним підвищенням морозостійкості. Подальше зменшення капілярної пористості з 7 до 3% привело до різкого зростання морозостійкості.

В даному випадку морозостійкість випробуваних цементно-піщаних розчинів можна наближено пов'язати з капілярної пористістю наступною емпіричною залежністю (для інтервалу значень капілярної пористості від 3 до 9%).

Емпірична формула виявляє характерну тенденцію в зміні морозостійкості. Зменшення капілярної пористості бетону або цементно-піщаного розчину з 10-11 до 8% супроводжувалося відносно невеликим підвищенням морозостійкості. Подальше зменшення капілярної пористості призводить до значного поліпшення морозостійкості.

Однак емпіричну формулу для обчислення показника морозостійкості в залежності від характеристики капілярної пористості можна застосовувати тільки з урахуванням контракционной пористості, якості матеріалів і технологічних умов.

Експериментальне дослідження структури бетону

Прагнення знайти функцію, яка пов'язує будова розчину і бетону за морозостійкістю, характерна і для деяких зарубіжних робіт. У статті розглядалася залежність морозостійкості цементно-піщаних розчинів від функції З (В/Ц -0,2) (де З -обсяг цементного тіста у % до обсягу цементного розчину).

Ф. М. Іванов і Ст. Л. Солнцева провели експериментальне дослідження структури і властивостей цементного розчину. Вони прийшли до висновку, що в щільному цементному розчині з В/Ц ― = 0,2...0,23 при твердінні на повітрі переважають пори розміром від 0,35 до 0,05 мк, а при твердінні у воді ― менше 0,05 мк. З збільшенням віку зразків істотно збільшується частка тонких пір (розміром менше 0,05 мк) і незначно змінюється загальна пористість. При цьому цементний камінь з тонкопористой структурою виявився найбільш морозостійким.

Таким чином, аналіз результатів робіт інших дослідників привів до висновку, що застосовані розрахунково-експериментальні характеристики пористості правильно відображають зміну пористості бетону, яка полягає у збільшенні частки мікропор (пор гелю і контракционных пір) і одночасному зменшенні відносного об'єму макропор (капілярних пор) із зростанням терміну твердіння у вологих умовах. Підтверджується основна залежність ― підвищення морозостійкості бетону при зменшенні відносного об'єму макропор.

Вплив напруг на морозостійкість бетону

Вплив на морозостійкість бетону мікроструктурному напруг, що виникають при твердінні і замерзання бетону. Складові частини бетону ― твердне цементний камінь і зерна заповнювача ― мають різні фізичні властивості і по-різному деформуються при зміні вологості і температури. Тому в бетоні виникають власні напруги другого роду або мікроструктурні напруги (по термінології Ю. А. Нилендера), що є наслідком його конгломератної структури.

Структурна осередок бетону може бути представлена в двох варіантах:

1) у вигляді двох шматків каменю (зерен заповнювача) та цем'янкового шару між ними,

2) у вигляді зерна заповнювача з оболонкою з цементуючого матеріалу.

Кожна з моделей являє собою поєднання двох матеріалів з різною усадкової і температурної деформації, які умовно названі «камінь» і «цементуючий шар».

Перша модель («камінь-цементуючий шар») розглянута нами па основі рішення, розробленого радянськими вченими А. В. Думанским і А. Ю. Ишлинским, стосовно до взаємодії кори дерева і його стовбура, який надає распирающее дію на кору в процесі росту.

Друга модель («кам'яне зерно ― цементуюча оболонка») розглянуто на основі рішення задачі Ламе.

Моделі були використані як для теоретичного аналізу, так і для моделювання процесу розтріскування цементуючого шару. Теоретичний аналіз був якісним, оскільки він ставився до структурної комірці, умовно виділеної з бетону.

Усадка і розтріскування цементуючого матеріалу, що знаходиться в зчепленні з природним каменем

Механічне взаємодія цементуючого матеріалу з кам'яною основою розглянуто на моделі «камінь ― цементуючий шар».

При усадці цементуючого шару внаслідок зчеплення виникає дотичне напруга, чинне на поверхні контакту з каменем

Відстань між усадочными тріщинами залежить від усадки цементуючого матеріалу (цементного тіста, розчину або бетону), від величини граничної деформації видовження, товщини шару і співвідношення модулів деформацій при розтягу і зсуву. Тріщини в цементирующем шарі утворюються під впливом різниці усадкової (або температурної) деформації шару і кам'яного підстави на певних відстанях один від одного.

Вивчення взаємного розташування тріщин в штукатурці

Вивчення взаємного розташування тріщин в штукатурці, фактурних шарах блоків, торкрете, а також спостереження за процесом тріщиноутворення на спеціально виготовлених зразках підтвердило, що тріщини розташовуються на певній відстані один від одного, або утворюють замкнуті ділянки певного периметра, якщо тріщиноутворення під впливом усадки не було порушено зовнішніми силами. Такий же характер розтріскування спостерігав А. В. Думанський в корі дерев, в гелях, жирних глинах і т. п.

Отримані залежності характеризують також механізм утворення тріщин. При висиханні шару його усадка збільшується поступово. Проте можна бачити, що по мірі розвитку усадки не відбувається монотонного зменшення відстані між тріщинами. Усадочні тріщини з'являються періодично після того, як розтягуючі напруження досягнуть величини межі міцності, що підтверджується експериментальними даними.

А. К. Шрейбер, Р. В. Горчаков, П. Н. Сабуренков проводили досліди з плоскими двошаровими зразками у вигляді мармурових і вапнякових плит довжиною 40 см, покритих цементним тестом з ВЩ = 0,3 (товщина шару 0,5 см). Зразки зберігалися в лабораторії на повітрі в тих же умовах, що і зразки-призми для вимірювання усадки. Через 29 діб на плоских зразках з цементним тестом з'явилися три поперечні тріщини, одна з яких розташовувалася посередині, а дві інші ближче до торців. Через 69 діб з'явилася сітка тріщин з чітко вираженим кроком, рівним 3-4 див. Періодичність виникнення тріщин повністю узгоджується з даними теоретичного аналізу.

Залежності, отримані для моделі «камінь ― цементуючий шар», дозволяють виявити якісну зв'язок «внутрішнього» розтріскування бетону з усадкою, граничною деформацією та іншими фізико-механічними властивостями цементуючого матеріалу.

Якщо в < 8пред , то цементуючий шар не буде розтріскуватися при будь-якої протяжності контакту з каменем, інакше кажучи, розтріскування в бетоні не буде залежати від крупності зерен камневидной складової.

Якщо є > епрэ1, то утворення тріщин залежить від протяжності контакту; при цьому цементуючий шар не буде розтріскуватися в тому випадку, коли довжина контакту р менше кроку тріщин, тобто при pL цементуючий шар буде розтріскуватися.

Величина є = є2 ― ех залежить головним чином від усадки цементуючого матеріалу, оскільки усадка зерен заповнювача з щільних гірських порід невелика. Спочатку по мірі збільшення є по відношенню до епр,д відстань між тріщинами швидко зменшується, при цьому число тріщин у цементирующем шарі зростає. Подальше збільшення усадки цементуючого шару чинить менший вплив на процес утворення тріщин.

Досліди показали, що тонкі шари цементуючого матеріалу, добре пов'язані з підставою, мають підвищену тріщин-стійкість. У цих дослідах на постіль попередньо замоченого силікатної цегли наносили цементне тісто з В/Ц = 0,46; товщина шарів була різною. В наших дослідах не спостерігалось розтріскування шарів товщиною 0,1-0,2 см, що можна пояснити сильним адгезійним впливом поверхні каменю.

За даними Б. Р. Скрамтаева в пластичному бетоні товщина шару цементного тіста між зернами піску складає близько 0,014 мм, а розсунення зерен крупного заповнювача ― близько 0,04-0,08 мм

Зменшення товщини цементуючих шарів у бетоні

Зменшення товщини цементуючих шарів у бетоні сприяє зниженню його усадки і підвищення тріщиностійкості. Разом з тим досліди показали, що формула (18) застосовна в певному діапазоні значень товщини цементуючого шару.

Бетон, який перебував у контакті з каменем, був підданий рентгенівського та петрографічного аналізу. Зразок для аналізу представляв собою розчинну частина контактної зони бетону, міцно прилипла до полірованої поверхні гранітного вкладиша і залишилася на поверхні каменю у вигляді шару товщиною близько 2 мм Шар розчину був зчищений з поверхні граніту, подрібнений в агатовою ступці і просіяний через сито 10 000 отв/см2 для відділення зерен заповнювача. Аналізу піддавалася частину проби, що пройшла через сито.

Рентгенівський аналіз виконаний канд. техн. наук Ю. С. Малініним і інж. В. П. Рязиным в лабораторії фізико-хімічних досліджень НИИЦемента за допомогою рентгенівського дифрактометра УРС-50И. Проба містила близько 5% кварцу у вигляді тонких зерен піску і близько 15-20% негидратированных мінералів c3s і C2S. Характерним було велика кількість СаСОз -в межах 20-25% і Са(ОН)2-8-10%.

Проба бетону у вигляді шматків розміром 20-30 мм і тонко-розтертого порошку була піддана петрографічного аналізу в петрографічною лабораторії НИИЦемента. Петрографічний аналіз виконаний канд. техн. наук Л. Я. Лопатниковой. При дослідженні уламків бетону в світлі, що проходить в прозорому шлифе спостерігалися великі зерна заповнювача і в проміжках між ними тонкозернистая анізотропна маса, що характеризується порівняно високим двупреломлением: від 1,533-1,543 до 1,555. Навколо уламків заповнювача часто можна спостерігати тонку плівку з тонковолокнистих кристалів Са(ОН)2.

Наявність Са(ОН)2 на контакті заповнювача з цементним тестом підтверджується микрохимической реакцією при дослідженні білого нальоту на заповнювачі.

У самому цементному камені було трохи гідрату окису кальцію. У тонкозернистим масі спостерігалися також залишки негидратированных уламків клінкеру і шлаку. Останній ― головним чином у вигляді ізотропних уламків шлакового скла. Негидратированные уламки шлаку клінкеру і становили близько 30-35% по відношенню до цементного каменю. Спостерігалися також включення найдрібніших кристалів СаС03. На мікрофотографії дається структура бетону.

Порошкоподібний зразок представлений головним чином тонкозернистим анізотропної масою з показником світлопереломлювання в середньому близько 1,546-1,558, а також дрібними кристалами СаС03. У зразку виявлено також залишки негидратированного клінкеру і шлаку, уламки кварцу. Зрідка зустрічалися кристали у вигляді призм з високим двупреломлением і різними оптичними константами. Ідентифікувати ці кристали за допомогою петрографічного аналізу не представлялося можливим.

Результати рентгенівського і петрографічного аналізів вказують на переважання Са(ОН)2 і СаСОз в зоні контакту бетону з природним каменем (гранітом). Самозатягування тріщин у цементному камені також пов'язане з виділенням Са(ОН)2 і СаСОз. Ця аналогія приводить до висновку, що з продуктів гідратації портландцементу найбільш активну роль у зрощенні цементного каменю грає гідрат окису кальцію, заповнює щілину (контактну зону) і відновлюючий монолітність цементного каменю і бетону.

Тріщиностійкість цементного розчину

Для якісної оцінки взаємодії зерна заповнювача з навколишнього його оболонкою з цементуючого матеріалу Хенк, Сміт та ін. використовували модель структурного осередку бетону у вигляді сферичного зерна, покритого оболонкою постійної товщини. При висиханні оболонка і зерно стискаються. Усадка цементного каменю і розчинної складової бетону значно перевершує відносне стиснення гірських порід, що використовуються в якості заповнювача. У цьому випадку оболонка обжимає зерно. У ній виникають розтягуючі (тангенціальні) і стискаючі (радіальні) напруги, що залежать від різниці величин усадки зерна і оболонки.

Під впливом цієї різниці є2 ― єх = є на поверхні контакту виникає рівномірно розподілений тиск, величину якого можна визначити з рівняння деформацій:

Для визначення величини нормальних напружень у сферичній оболонці використано рішення задачі Ламе для порожнистої сфери, що знаходиться під дією внутрішнього рівномірно розподіленого тиску. Нижче наведено отримані залежності в остаточному вигляді:

Зволоження бетону після тривалого твердіння на повітрі викликає набухання. При чергується висиханні і зволоженні в оболонці виникають змінні нормальні напруги. В даному випадку при висиханні усадка не є повністю оборотною.

Н. А. Попов довів, що дія поперемінного висихання і зволоження на бетон можна уподібнити впливу багаторазово повторного навантаження. Усадочні деформації збільшуються, слідуючи затухаючої кривої. Якщо напруги, викликані перемінним висушуванням і зволоженням, перевищують межу витривалості, то деформації оболонки зерна не стабілізуються, а безперервно ростуть, і в ній утворюються тріщини.

Мікроструктурні тріщини в бетоні

Дослідженнями Н. А. Попова О. Я. Берга доведено, що межі витривалості відповідає момент появи в бетоні мікротріщин. Розпушення бетону мікротріщинами проявляється у вигляді безповоротної збільшення розмірів зразка при багаторазовому впливі заморожування і відтавання або зволоження і висихання.

Мікроструктурні тріщини виявляються збільшення водопроникності бетону і зниження його морозостійкості. В умовах змінних впливів середовища (заморожування і відтавання, висихання і зволоження) внутрішні тріщини розвиваються і швидко руйнують бетон. Тріщини, викликані микроструктурными напругами, доцільно назвати микроструктурными. Цей термін є більш точним, ніж термін «внутрішнє розтріскування» (який часто вживається в зарубіжних роботах), так як мікроструктурні тріщини можуть виходити на поверхню бетону.

Було експериментально вивчено вплив на тріщиностійкість цементного розчину хіміко-мінералогічного складу портландцементу, добавок сульфітно-спиртової барди і милонафта, а також величини водоцементного відносини.

Клінкери були розмелені в лабораторному кульовому млині з 3-4% двоводяного гіпсу і отримані портландцементу мали таку питому поверхню: №1 ― 3160 см2/м, №2 ― 3552 см2/г та №3 ― 3040/см2 р.

Відносну тріщиностійкість визначали випробуванням зразків-кілець, виготовлених з цементно-піщаного розчину 1:2 (по вазі) на нормальному Вольському піску. Кільця мали сталевий сердечник, що перешкоджає осіданню розчину. Внутрішній і зовнішній діаметри кільця відповідно дорівнюють 100 і 140 мм, висота 25 мм. Після виготовлення зразки протягом доби перебували в формах у вологих умовах.

Через добу кільце разом з серцевиною витягували з форми і зберігали в приміщенні з відносною вологістю повітря близько 70% при температурі 18-22°С. Показником відносної тріщиностійкості було час від виготовлення зразка до появи першої тріщини.

Розчин з цементу №2, який відрізнявся від інших великим вмістом трьохкальцієвого алюмінату і більш тонким помелом, розтріснувся раніше за всіх. Після введення с. с. б. і милонафта при виготовленні розчину з цементів №1 і 2 відносна тріщин-стійкість зразків істотно збільшилася.

Статті pp-budpostach.com.ua Все про лазні

Статті по пїноблоку,пінобетону,пінобетонним блокам

Статті pp-budpostach.com.ua Статті по бетону

Статті Все про парканах

Статті pp-budpostach.com.ua Все про дахах ( види, матеріал, як краще вибрати)

Статті Все про Фундаменті

Статті по газобетону ( газоблокам ), газобетонних блоків, блоків газосиликатнных

Новини, статті, чутки, факти, різне і по чу-чуть

Статті по цеглині ( рядовому, особового,облицювальної,клинкерному, шамотною, силікатній,)