Учебное пособие 800523

Развитие структуры пористости в период от 14 до 90 суток твердения ха-

рактеризуется (по данным М.Ф. Казанского, Ю.В. Чеховского, А.Е. Шейкина

48 ) уменьшением объема микропор в 1,3 – 1,7 раза, а их радиуса – почти на порядок.

Развитие деформаций соответствует изменению влажностного состояния материала (см. рис. 11). При этом с уменьшением влажности среды возрастает скорость деформирования, а период их интенсивного развития и достижения максимума значений сокращается. Величина деформаций возрастает пропорционально уменьшению влажности среды твердения на 25... 30 %.

Основываясь на известных выводах о том, что контракционные изменения внешнего объема твердеющего цементного камня в основном развиваются до момента окончания схватывания, а также исходя из полученных данных о соответствии изменения влажностного состояния материала его деформирова-

нию, можно заключить, что деформации, связанные с физико-химическими процессами твердения, не совпадают во времени с влажностными. Поэтому с момента распалубки материала и начала его вещественного обмена со средой вклад контракционной составляющей деформаций в общую их совокупность можно не учитывать.

Установлено, что величина температурных деформаций в исследованном диапазоне от -40 °С до +70 °С независимо от состава и структуры исследуемых систем в 3 - 4 раза ниже величины влажностных деформаций.

Таким образом, изменение влажностного состояния материала является определяющим фактором его деформативных изменений, а влажностные де-

формации - главной их составляющей.

На фоне упрочнения материала при твердении развивается процесс его охрупчивания. Величина КIc, проходя через определенный максимум своего значения в 14...28 суток твердения, в последующем снижается. При дальней-

шем развитии процессов гидратации наблюдаемое снижение величины КIc (охрупчивание) вызывается совокупностью процессов "старения" гелевидной фа-

зы, укрупнения частиц новообразований, перехода эттрингита, обеспечивающего «самомикроармирование» структуры на начальном этапе твердения, в низко-

сульфатные гидросульфоалюминаты кальция с другой формой их кристаллизации. Нужно отметить, что введение микронаполнителя в структуру микробето-

на обеспечивает повышение показателя КIc особенно в длительные сроки твердения (см. рис. 11).

61

Сопоставление динамики , КIc, Rb позволяет сделать важный вывод о том

(см. рис. 11), что в наиболее "опасный" период твердения, когда деформации предельно интенсивны, а их величина приближается к максимальным значени-

ям, материал обладает в то же время наиболее высоким потенциалом сопротивления трещинообразованию.

Динамика влажностного состояния, деформирования, прочности, модуля упругости, вязкости разрушения мелкозернистого бетона плотной и поризован-

ной структуры в принятом диапазоне варьирования рецептурнотехнологических факторов и условий среды имеет общие с микробетоном зако-

номерности развития (рис. 13). Как и для микробетона, деформации влажностной усадки являются главной составляющей деформаций мелкозернистого плотного и поризованного бетона при действии факторов среды. Однако отличным является то, что введение пор воздухововлечения в структуру мел-

козернистого бетона приводит к ускорению его обезвоживания, вследствие чего увеличивается и скорость деформирования. В итоге развитие деформаций усад-

ки поризованного бетона практически прекращается уже к 14...20 суткам твердения.

Мера влияния влажностных условий твердения и получаемой степени обезвоживания материала в интервале значений р/р0 от 0,75 до 0,32 не зависит от объемного содержания заполнителя и пор воздухововлечения. При изменении р/р0 в данном интервале величина деформаций поризованного бетона, так же как и плотного, возрастает на 25... 30 %.

Динамика упрочнения твердеющего мелкозернистого бетона отличается от характера данного процесса для цементного микробетона отсутствием спадов прочности в возрасте 14...28 суток ( рис. 13).

Мелкозернистый бетон плотной и поризованной структуры характеризуется существенным приростом прочности в период 28...180 суток при тверде-

нии в средах с любым парциальным давлением водяного пара, тогда как прирост прочности микробетона при твердении его в среде с р/р0 = 0,32 после 28

суток практически прекращался. Важно отметить, что прирост прочности был выше в системах с наибольшим суммарным содержанием заполнителя и мик-

ронаполнителя. Высокий прирост прочности в длительные сроки твердения может положительно повлиять на потенциал сопротивления материала трещи-

нообразованию, так как это компенсирует процессы накопления повреждений от эксплуатационных воздействий.

62

Рис. 13. Типичная динамика деформирования, предела прочности, модуля упругости, вязкости разрушения плотного и поризованного бетона

(на примере бетона с В/Ц = 0,4; Ц:П = 1:2; твердение при р/р0 = 0,32)

63

Отличительной особенностью динамики Rb и ЕД твердеющего мелкозернисто-

го поризованного бетона является низкая скорость упрочнения на начальном этапе твердения и существенный прирост значений данных показателей в пери-

од от 28 до 180 суток твердения, обусловленные замедлением твердения цемента в присутствии воздухововлекающей добавки, особенно сильно выраженном именно на начальном этапе твердения.

Динамика показателя КIc мелкозернистого плотного и поризованного бе-

тона также сохраняет общие с микробетоном закономерности развития, когда на фоне упрочнения материала развивается процесс его охрупчивания (см. рис. 13). Вязкость разрушения бетона проходит через максимум своих значений в 14...28 суток твердения, а затем снижается. Введение заполнителя по сравне-

нию с микронаполнением эффективнее влияет на повышение вязкости разрушения материала: при введении микронаполнителя вязкость разрушения це-

ментного микробетона повышается в 1,5 раза, а при введении заполнителя - в 2,5 раза.

Таким образом, по результатам исследований закономерностей развития процессов структурообразования, твердения, изменения состояния и деформи-

рования поризованного бетона можно сделать следующие выводы.

1. Динамика влажностного состояния, деформирования, прочности, моду-

ля упругости, вязкости разрушения микробетона, мелкозернистого бетона плотной и поризованной структуры в принятом диапазоне варьирования рецеп-

турно-технологических факторов и условий среды имеет общие закономерности развития. В начальный период твердения, когда деформации предельно ин-

тенсивны, величина КТс проходит через максимум своих значений, то есть материал обладает наиболее высоким потенциалом сопротивления трещинообра-

зованию. При дальнейшем твердении на фоне упрочнения материала развивается процесс его охрупчивания.

2. Развитие деформирования материала оказывается результатом совокупности процессов, однако определяющая роль принадлежит процессу обез-

воживания. Деформации влажностной усадки являются главной составляющей деформаций при действии факторов среды. Объемные изменения в результате развития процессов гидратации в основном происходят до распалубки и не совпадают во времени с влажностными. Температурные деформации составляют

0,06...0,10 мм/м при изменении температуры на каждые 10 0С и могут явиться дополнительной причиной трещинообразования.

64

2.5.2 Влияние параметров структуры поризованных бетонов на величину влажностных деформаций

При разработке концепции управления деформативными свойствами исходили из следующего понимания проблемы деформирования материала:

1) деформирование материала является следствием изменения в нем баланса внутренних сил при развитии совокупности процессов изменения состоя-

ния материала, характер и интенсивность которых определяются технологическими факторами и факторами эксплуатационной среды;

2) управление технологической и эксплуатационной деформируемостью рассматривается как возможность изменения баланса внутренних сил в мате-

риале через регулирование параметров его состава и структуры и соответственно интенсивностью взаимодействия структуры материала со средой.

Проведенный анализ механизма деформирования поризованного бетона при твердении и работе в монолитных конструкциях является основой предло-

женной системы структурных и рецептурно-технологических факторов управления его деформативными характеристиками и трещиностойкостью (табл. 15).

На основе существующих представлений о механизме объемных изменений принимается, что величина деформаций определяется:

физико-химическими процессами формирования структуры и ее изменения в результате химического взаимодействия со средой;

балансом сил, участвующих в связи твердой фазы и пор с жидкой фазой и «высвобождающихся» при обезвоживании;

температурными напряжениями и напряжениями от воздействия механической нагрузки.

Общая величина объемных изменений материала определяется также силами упругого противодействия твердой фазы ее деформированию на фоне од-

новременного протекания релаксационных процессов в структуре.

С учетом существа механизма деформирования на масштабных уровнях структуры бетона, отвечающих в иерархической последовательности строению собственно поризованного бетона, плотного мелкозернистого бетона, цемент-

ного микробетона и цементирующего вещества, выделяются параметры состава, структуры и состояния, ответственные за изменение баланса внутренних сил в материале при его деформировании. При этом полагается, что деформативные характеристики материала определяются и отдельным параметром структуры,

65

Таблица 15 Система структурных и рецептурно-технологических факторов управления деформативными

свойствами поризованного бетона

35

и действием всей их совокупности, и каждый последующий масштабный уро-

вень включает влияние параметров структуры предыдущих уровней. Полагается также, что при деформировании структурированной системы твердого тела определенные элементы его структуры являются носителями деформаций, а другие - противоусадочными элементами, противодействующими их развитию.

Исходя из этого управление эксплуатационной деформируемостью достигается через регулирование следующих параметров состава и структуры по-

ризованного бетона:

1) носителем деформаций контракции в поризованном бетоне является цементный камень, а величина напряжений в структуре материала от изменения его объема и кристаллизационного давления, следовательно, зависит от объемной доли цементного камня (Vцк) в структуре бетона. В свою очередь, величина контракции определяется объемом новообразований (Vнв) цементирую-

щего вещества и химико-минералогическим составом новообразований (ХМСнв), характеризуемых различной величиной контракции при их образо-

вании 45 :

2) деформации от химической коррозии также зависят от объема цемен-

тирующего вещества как химически активного элемента структуры и от объем-

ного соотношения минералогически различных составляющих новообразований, отличающихся степенью устойчивости при химическом взаимодействии с агрессивными агентами среды 51 :

3) температурные напряжения в структуре композиционного материала являются результатом различия значений величин коэффициентов теплового расширения (КЛТР) его структурных элементов. Следовательно, температурные деформации поризованного бетона определяются объемным соотношением частиц заполнителя (Vзап), микронаполнителя (Vмн), цементного камня (Vцк) в структуре поризованного бетона; объемным содержанием в структуре цемент-

ного камня остаточных зерен цемента (Vзц), минералогически различных составляющих новообразований цементирующего вещества, а также видом за-

полнителя и микронаполнителя 51 :

67

объема, вида и гранулометрии частиц микронаполнителя и заполнителя

(Rзап, Rмн), повышающих способность микробетона сопротивляться деформациям;

пор, делающих материал менее прочным, а следовательно, и более деформируемым:

Важно отметить, что в поризованном бетоне как композиционном мате-

риале, образованном сочетанием плотного мелкозернистого бетона и пор воздухововлечения (макропор), материал межпоровых перегородок как совокуп-

ность составляющих его твердой фазы и соответствующих микропор выступает в двоякой роли. Он является носителем всех видов деформаций, но одновре-

менно его структура определяет способность материала сопротивляться их развитию. Макропоры ослабляют материал, и в результате величина деформаций зависит от их объема в бетоне (Vввп).

Управление деформативными свойствами поризованного бетона достига-

ется включением в действие факторов на всех масштабных уровнях структуры. Исходя из этого такое управление связывается с регулированием объемного со-

отношения основных структурных составляющих (заполнителя, микронаполнителя, микро- и макропор, новообразований цементирующего вещества), из-

менением функции распределения по размерам структурных элементов этих составляющих, изменением удельной поверхности и удельной поверхностной энергии цементирующего вещества, модифицированием химикоминералогического состава новообразований:

ε = f(Vзап Rзап ,КЛТРзап,Vмн,Rмн, КЛТРмн,Vцк,Vнв, ХМСнв, Sуд , qуд,Vмп,rмп,Vввп). (2.8)

Исходя из выделенной совокупности структурно-физических факторов управления показателями сопротивления разрушению и деформативными свойствами поризованного бетона задачей управления его свойствами является получение оптимальных параметров состава и структуры при помощи следующей совокупности рецептурно-технологических факторов: вида, дозировки це-

мента и химических добавок; В/Ц-отношения; вида, гранулометрии, объемной доли микронаполнителя и заполнителя, регулирования режимов перемешива-

ния, условий гидратации и твердения.

69

Согласно изложенной концепции управления деформативными свойства-

ми при постановке исследований эксперименты проводили последовательно с моделями трех масштабных уровней – цементным микробетоном, мелкозерни-

стым плотным и мелкозернистым поризованным бетоном, состав и структура которых варьировалась в рамкам принятой системы структурных и рецептурно-

технологических факторов (см. табл. 13). Методика исследований деформативных характеристик также изложена в разделе 2.5.1.

На основании обобщения результатов исследований была охарактеризована эффективность воздействия каждого из рассматриваемых «параметриче-

ских» и соответственно рецептурно-технологических факторов на деформатив-

той совокупности структурных и рецептурно-технологических факторов.

Величина объемных изменений материала при изменении его влажности, закономерности этого процесса также определяются силой связи структуры с водой. Влажностная усадка материала определяется совокупным влиянием на ее развитие удаляемой воды всех форм связи (капиллярно-насыщенной, капил-

лярно-конденсированной, адсорбционной и межслоевой) с присущими им значениями удельной усадки, зависящими от регулируемых в эксперименте па-

раметров состава и структуры материала. Мерилом силы связи воды в материале может служить показатель удельного относительного изменения объема ма-

териала при изменении влагосодержания, вычисляемый в расчете на единицу его измерения.

Результативность модифицирования структуры при варьировании В/Ц характеризуется возможностью изменения величины объемных деформаций в

1,5…1,7 раза (табл. 16). При этом данный фактор проявляет неоднозначное влияние на деформативные свойства: происходящее при повышении В/Ц уве-

личение объема пор на 20 % и начального влагосодержания материала выступает фактором роста величины деформаций; вместе с тем увеличение среднего радиуса пор от 7 нм до 110 нм оказывается фактором снижения силы взаимодействия материала с водой и соответственно уровня усадочных напряжений при ее удалении из порового пространства. Последнее подтверждается уменьшением значения удельной усадки микробетона.

70