close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Структура и свойства сланцезольно-портландцементного бетона

код для вставки
Приведены взаимосвязи в системах "технология - структура", "технология - свойства" и "структура - свойства" для обычного и сланцезольно-портландцементного бетона. Рассмотрены расходы цемента и воды, заполнителей, консистенция смесей, обычное тверден
Строительный факультет
ДИССЕРТАЦИИ ТАЛЛИННСКОГО
ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
THESES
OF TALLINN TECHNICAL UNIVERSITY
Автореферат докторской диссертации
Стеллиан Грабко
Структура и свойства
сланцезольно-портландцементного
бетона
Structure and Properties of
Oil-Shale
Portland Cement Concrete
TALLINN 1993
1
Это исследование выполнено
в Институте Строительного Производства
Таллиннского Технического Университета
Защита диссертации состоится 20 января 1994 года в 14 часов в аудитории
III-215 Таллиннского Технического Университета,
ул. Эхитаяте 5, ЕЕ0026, Таллинн, Эстония.
Официальные оппоненты:
Проф., д.т.н. А.Сарья
Лаборатория структурного строительства ВТТ, Финляндия
Проф., д.т.н. В.Рейман
Таллинский Технический Университет, Эстония
К.т.н. П.Тедер
Стройтест, Таллинн, Эстония
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Таллиннского Технического
Университета и на сайте www.openthesis.org.
Т.Лаур, Секретарь Совета строительного факультета
Адрес автора:
Лаборатория Института Строительного Производства,
Таллиннский Технический Университет,
ул. Копли 101, ЕЕ0017, Таллинн, Эстония
Телефон: (3722) 475-370
Факс: (3722) 532-446
2
I. ВВЕДЕНИЕ
Актуальность
портландцемента
Таллиннском
исследования.
были
разработаны
Техническом
Основы
научным
Университете.
производства
подразделением
Этот
цемент
сланцезольного
проф.
получают
В.Кикаса
путем
в
помола
портландцементного клинкера (72-82 %) и мельчайшей фракции летучей сланцевой золы
(18-28 %). В последние годы ежегодный выпуск этого цемента составляет около 300 тысяч
тонн или четверть общего производства цемента в Эстонии.
Исследования обычных бетонов на основе сланцезольного портландцемента проводили
В.Кикас, Г.Кийвет, А.Хайн, Р.Сойдра, Р.Вихвелин, Х.Йоон и др. Результаты этих
исследований послужили основой для применения сланцезольного портландцемента в
строительстве и в производстве сборного железобетона.
Однако в вышеназванных исследованиях вопросы формирования структуры бетона не
рассматривались. Детальное изучение этих вопросов позволяет глубже понять принципы
формирования свойств бетона, что является надежной основой для регулирования и
оптимизации структуры и свойств сланцезольно-портландцементных бетонов.
Данная диссертация представляет собой комплексное исследование всех основных
параметров структуры и свойств бетона и, в частности, взаимосвязей в системах:
«технология — структура», «технология — свойства», и «структура — свойства».
Целью данной работы является получение четкого представления о взаимосвязях между
различными
технологическими
факторами,
параметрами
структуры
и
основными
свойствами сланцезольно-портландцементного бетона.
С этой целью в данной работе при проведении опытов и анализе результатов
использовались
статистические
методы
планирования
экспериментов,
а
также
корреляционный, факторный и регрессионный анализы. Выявленные взаимосвязи между
различными
технологическими
факторами,
параметрами
структуры
и
основными
свойствами сланцезольно-портландцементного бетона представлены в наглядном виде на
180 отдельных рисунках, включенных в данную диссертацию.
На
этой
основе
разработаны
практические
рекомендации
для
выбора
состава
сланцезольного портландцемента, для подбора состава бетона на таком цементе и выбора
режима пропаривания с учетом требований, предъявляемых к бетону.
Научная новизна. Полученные в данной диссертации результаты расширяют знания в
области взаимосвязей между технологией, структурой и свойствами бетона. В частности,
новыми научными результатами являются следующие:
3
–
Наличие золы в сланцезольном портландцементе обеспечивает рост
гидратационной активности цемента;
–
Предельная прочность бетона достигается, когда образующиеся гидросиликаты
кальция имеют минимальное содержание связанной воды;
–
При изменении технологических факторов (исключая расходы воды и заполнителя и
крупность зерен) содержание макрокапиллярных пор меняется соответственно
изменению содержанию связанной воды в бетоне;
–
Увеличение удельной поверхности заполнителя приводит к увеличению
макрокапиллярной пористости бетона из-за «эффекта стенки», препятствующего
компактной укладке частиц цемента у поверхности зерен заполнителя;
–
Оптимальное содержание микропор и условно-замкнутых пор в бетоне
положительно влияет на прочность, морозостойкость и водонепроницаемость
бетона;
–
При пропаривании в контактных зонах у поверхности зерен крупного заполнителя
образуются поры, подобные седиментационным порам в подвижной бетонной смеси;
–
При пропаривании в ходе изотермического периода протекает процесс перехода
первичных новообразований во вторичные, что сопровождается увеличением
содержания макрокапиллярных пор в бетоне.
Диссертация включает 125 стр. машинописного текста, 4 таблицы, 175 рисунков,
список литературы (230 наименований) и 57 стр. приложения.
II. ОПИСАНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Исходные материалы. В данном исследовании в качестве вяжущего использовался
сланцезольный портландцемент Кундаского цементного завода, а также портландцемент и
сланцезольные цементы, изготовленные в лаборатории путем добавления сланцевой золы
разного качества в различных количествах к портландцементному клинкеру Кундаского
цементного завода или завода «Акменцементас» (Литва). При изготовлении сланцезольных
цементов использовались мелкая и мельчайшая фракции летучей сланцевой золы
Прибалтийской ГРЭС. В качестве мелкого заполнителя в основном использовался
кварцевый песок из месторождения Мяннику в Таллинне. В одной серии опытов
использовался кварцевый песок из Вильнюса. В качестве крупного заполнителя в основном
использовался щебень из известняка Мардуского месторождения. В одной серии опытов
использовались добавки суперпластификатора С-3.
Параметры структуры и свойств. Структура бетона слагается из трех основных
элементов — заполнителя, цементного камня и пор. Заполнитель как составляющая
4
структуры бетона характеризовался крупностью зерен и объемным содержанием в бетоне.
Цементный камень характеризовался как количественным параметром — содержанием
цементного камня в бетоне, так и качественным параметром — содержанием связанной
воды в цементном камне. Из элементов поровой структуры бетона рассматривались
содержание воздушных пор в бетонной смеси, а также содержание микропор (менее 100
нм), макрокапиллярных
и условно-замкнутых пор в затвердевшем бетоне. Содержания
микропор и макрокапиллярных пор определялись по данным о десорбции воды и
водопоглощению бетонных образцов, а содержание воздушных и условно-замкнутых пор —
на основании как расчетных, так и экспериментальных данных.
В данном исследовании определялись следующие свойства бетона: прочности при сжатии,
при изгибе и на растяжение, скорость ультразвука в бетоне, динамический модуль
упругости, водопроницаемость, морозостойкость, расширение и усадка.
Планирование экспериментов. В данной работе осуществлен анализ результатов
пяти серий опытов, в которых варьировались технологические факторы, характеризующие
состав цемента и бетона, крупность зерен заполнителей и условия твердения бетона.
Бетонные образцы твердели во влажных условиях и в воде при температуре 20±2 оС, а
также в условиях пропаривания разной интенсивности. В качестве основного плана
экспериментов
использовался
трехуровневый
пятифакторный
план.
Все
опыты
повторялись, что обеспечило надежную оценку повторяемости результатов. Как основные,
так и повторные опыты были полностью рандомизированы.
Процедуры анализа результатов. В ходе предварительного анализа полученных
результатов данные по варьируемым технологическим факторам, характеристикам
использованных составов бетона и результаты определения структурных параметров и
свойств бетона во всех сериях опытов были подвергнуты корреляционному и факторному
анализу. Это позволило получить общее представление о взаимосвязях между всеми
вышеназванными характеристиками бетона. Вычислялись как коэффициенты парной
линейной корреляции, так и коэффициенты парной корреляции второй степени. Последние
позволили выявить нелинейные взаимосвязи между анализируемыми параметрами.
При этом выяснилось, что из изученных технологических факторов наибольшее влияние на
структуру и свойства бетона оказывают расходы цемента и воды в бетоне. Благодаря
принятой при планировании опытов независимости этих факторов, появилась возможность
строить корреляционные диаграммы в координатах «расход цемента — расход воды» путем
непосредственного использования корреляционных коэффициентов в качестве координат
точек. Использование таких диаграмм вместо факторных диаграмм предпочтительнее, так
как в этом случае можно применить коэффициенты корреляции второй степени, что
позволяет учесть нелинейность некоторых взаимосвязей между параметрами.
5
Дальнейший
анализ
многофакторной
полученных
полиномиальной
результатов
регрессии
проводился
второй
степени.
с
использованием
Оценка
соответствия
полученных регрессионных уравнений результатам опытов проводилась статистически. В
качестве обобщающей статистической характеристики использовался параметр, названный
достоверностью описания уравнениями регрессии содержащейся в опытных данных
информации об изучаемых взаимосвязях. Достоверность описания вычислялась как
произведение
относительной
D-эффективности*
на
коэффициент
множественной
корреляции второй степени. Графический анализ полученных результатов проводился для
уравнений регрессии, имевших максимальный уровень этого параметра.
Полученные уравнения регрессии для консистенции бетонной смеси и для свойств бетона в
зависимости от основных технологических факторов решались совместно при заданных
уровнях
консистенции
бетонной
смеси.
Таким
путем
определялось
влияние
технологических факторов на свойства бетона при равной консистенции бетонных смесей.
При дальнейшем анализе результатов значения прочности и других свойств бетона при
заданных
уровнях
консистенции
бетонной
смеси
повторно
аппроксимировались
уравнениями регрессии. Полученные уравнения решались совместно при заданных уровнях
прочности при сжатии бетона в возрасте 28 суток. Это позволило определить
соответствующие значения расхода цемента и морозостойкости или водопроницаемости
бетона. Эти данные позволили выявить условия, обеспечивающие наиболее эффективное
использование сланцезольного портландцемента для производства морозостойких и
водонепроницаемых бетонов при заданных уровнях консистенции бетонной смеси и
прочности бетона.
III. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Основные технологические факторы. Из изученных технологических факторов
наибольшее влияние на структуру и свойства бетона оказали расходы цемента и воды в
бетонной смеси — их суммарный эффект составил в среднем соответственно 36,1 и 24,0 %,
в сумме 60,1 %. Из других технологических факторов наибольшее влияние на структуру и
свойства бетона оказали время предварительной выдержки и время подъема температуры
при пропаривании — соответственно 16,6 и 19,0 %. Для расхода крупного заполнителя в
бетоне и содержания сланцевой золы в цементе эта величина в среднем составляла
соответственно 15,8 и 13,8 %. Суммарный эффект других изученных технологических
факторов на структуру и свойства бетона находился в пределах от 8,7 до 14,6 %.
Основными технологическими факторами, предопределяющими поровую структуру и
свойства бетона, являются производные факторы, являющиеся комбинациями расходов
*
Величина D-эффективности характеризует информативность распределения точек, соответствующих разным
комбинациям технологических факторов, в факторном пространстве переменных.
6
цемента и воды в бетонной смеси, а именно, содержание цементной пасты и цементноводное отношение бетонной смеси. При увеличении расхода цемента и воды в бетоне
содержание связанной воды и содержание микропор растет, а содержание воздушных пор в
бетонной смеси уменьшается. В связи с этим отмечается сильная зависимость содержания
этих компонентов структуры бетона от содержания цементной пасты в бетонной смеси.
Однако когда расходы цемента и воды оказывают противоположное влияние, что
характерно для содержания макрокапиллярных пор в бетоне, содержания связанной воды в
цементном камне и для основных свойств бетона, то наблюдается сильное влияние
цементно-водного отношения на эти параметры бетона. Как известно, при увеличении
цементно-водного отношения бетонной смеси макрокапиллярная пористость бетона и
содержание связанной воды в цементном камне уменьшаются, а прочностные свойства,
водонепроницаемость и морозостойкость бетона возрастают. Результаты показали, что
прочность при сжатии и водопроницаемость бетона при изменении цементно-водного
отношения в широком диапазоне имеют линейную зависимость от lg(C/W).
Вторым важным производным технологическим фактором, определяющим как прочность,
так и морозостойкость бетона, является предельная прочность бетона в возрасте 28 суток,
которая зависит от конкретных исходных компонентов бетона, использованных при его
изготовлении. Она может быть рассчитана с использованием значений прочности
использованного цемента и удельной поверхности мелкого заполнителя. При уменьшении
удельной поверхности мелкого заполнителя предельная прочность бетона в возрасте 28
суток возрастает. При увеличении предельной прочности бетона морозостойкость бетона
также возрастает, что можно объяснить соответствующим улучшением сопротивления
бетона внутренним напряжениям.
Влияние сланцевой золы на структуру бетона. Наличие добавки золы в
сланцезольном портландцементе обеспечивает:
- снижение водопотребности бетонной смеси;
-
увеличение
гидратационной
активности
цемента,
наблюдаемое
как
увеличение
содержания связанной воды в бетоне;
- уплотнение бетона как результат его умеренного расширения при твердении в достаточно
жестких формах.
Влияние этих факторов обеспечивает создание благоприятной поровой структуры и
улучшение физических и механических свойств бетона.
Наибольшая гидратационная активность цемента и минимальная пористость бетона
обеспечиваются при содержании золы в цементе в основном в пределах 15-20 % и модуле
7
качества золы* 5,0-5,5 м2/г. Очевидно, при этом обеспечиваются наиболее благоприятные
условия для взаимной активации твердения компонентов цемента и для гидратации
сланцезольного цемента в целом.
При пропаривании твердение цемента в основном происходит в формах, в связи с чем для
рационального использования фактора расширения для уплотнения бетона и улучшения его
физических и механических свойств эффективно некоторое увеличение содержания золы в
цементе и уменьшение модуля качества золы. Наибольшая эффективность пропаривания
бетона обеспечивается при использовании в цементе золы с модулем качества 3,0-3,5 м 2/г,
содержании золы в цементе 28-33 % и расходе цемента в бетоне 400-450 кг/м2. С точки
зрения морозостойкости пропаренного бетона оптимальный модуль качества добавляемой
к цементу золы также находится в пределах 3,0-3,5 м2/г.
Связывание воды в бетоне. При изменении расхода цемента, количества и качества
золы в цементе, добавки суперпластификатора С-3 или условий пропаривания бетона
содержание макрокапиллярных пор изменяется соответственно изменению содержания
связанной воды в бетоне. При этом с увеличением содержания связанной воды объем
твердой фазы в бетоне возрастает и, соответственно, макрокапиллярная пористость
уменьшается.
В зависимости от водо-цементного отношения и условий твердения гидросиликаты кальция,
образующиеся при твердении бетона, могут иметь разное содержание связанной воды. С
точки зрения прочности бетона оптимальное содержание связанной воды в цементном
камне не превышает 28 % по объему. Некоторое количество цемента в бетоне остается
негидратированным даже в поздние сроки и, следовательно, оптимальное содержание
связанной воды в гидратированном материале несколько больше этого значения. Можно
предположить, что когда содержание связанной воды в гидросиликатах кальция превышает
оптимальное количество, то силы, связывающие отдельные слои их кристаллической
решетки, ослабевают из-за размещения молекул связанной воды между этими слоями. В
результате прочность как цементного камня, так и бетона снижается.
Оптимальное
содержание
связанной
воды
в
цементном
камне
для
обеспечения
минимального расширения твердеющего в воде бетона значительно больше, чем в случае
прочности и составляет 38-40 %. Можно предположить, что когда содержание связанной
воды в гидросиликатах кальция велико, то из-за ослабления связи между слоями
кристаллической
решетки
частицы
гидросиликатов
кальция
становятся
более
деформируемыми и компенсируют часть деформаций расширения.
При оптимальных режимах пропаривания к началу изотермического периода бетон уже
* Модуль качества золы есть соотношение удельной поверхности золы (м2/г) и долевого содержания
свободной извести в золе по массе.
8
содержит значительные количества первичных новообразований, образовавшихся при
невысоких температурах
и характеризуемых несколько повышенным
содержанием
связанной воды. В условиях изотермической выдержки роль равновесных продуктов
реакции переходит ко вторичным новообразованиям с пониженным содержанием
связанной воды. Поэтому одновременно с процессом дальнейшей гидратации цемента
начинается процесс преобразования первичных новообразований во вторичные. И если
процесс
преобразования
первичных
новообразований
во
вторичные
становится
преобладающим, то в ходе дальнейшего пропаривания происходит снижение содержания
связанной воды и увеличение макрокапиллярной пористости бетона.
Влияние цементного камня на свойства бетона. Из структурных факторов
наибольшее влияние на формирование свойств бетона оказывает содержание цементного
камня в бетоне. В соответствии с характером влияния этого фактора на свойства бетона
последние можно разделить на две группы. Такие свойства бетона, как прочностные
показатели, морозостойкость и водопроницаемость относятся к первой группе. Характерной
чертой этой группы является тот факт, что при увеличении содержания цементного камня
рост значений этих свойств постепенно затухает и, в конце концов, при некотором
содержании цементного камня эти свойства достигают максимальных значений.
Содержание цементного камня в бетоне определялось как суммарный объем цемента и
связанной воды в бетоне. Поэтому характер влияния цементного камня на свойства бетона
в основном аналогичен влиянию расхода цемента на эти свойства. А влияние последнего,
как известно, в основном определяется соответствующим изменением водо-цементного
отношения
бетонной
смеси.
Максимальные
значения
названных
свойств
бетона
обеспечиваются при таких значениях водо-цементного отношения, которые обеспечивают
оптимальное содержание связанной воды в гидросиликатах кальция и оптимальную
поровую структуру бетона.
Вторая группа включает такие свойства бетона, как расширение и усадка. В этом случае
при увеличении содержания цементного камня в исследованном диапазоне деформации
растут постоянно и никакого замедления роста деформаций при высоком содержании
цементного камня не наблюдается. Это объясняется тем, что при увеличении содержания
как цемента, так и связанной воды в бетоне происходит постоянный рост как количества
кристаллических новообразований, часть из которых вызывает расширение бетона при
твердении в воде, так и количества гелевых новообразований, которые дают усадку при
испарении воды из бетона в окружающий воздух.
Степень расширения сланцезольно-портландцементного бетона в первую очередь зависит
от модуля качества использованной в цементе золы. Наименьшее расширение отмечается
при использовании золы с модулем качества в диапазоне 5-6 м 2/г. Если используется зола
9
с меньшим модулем качества, расширение бетона при твердении в воде значительно
возрастает из-за излишнего содержания свободной извести в золе. А если модуль качества
золы превышает указанный уровень, то расширение бетона тоже возрастает, но в меньшей
степени. Очевидно, это связано с увеличением содержания излишнего ангидрита в золе.
Влияние поровой структуры на свойства бетона. Различные типы пор
оказывают разное влияние на свойства бетона. Отрицательное влияние макрокапиллярных
пор на свойства бетона общеизвестно. С другой стороны, максимальные значения
прочностных свойств и морозостойкости бетона обеспечиваются при оптимальном
содержании микропор в пределах 60-95 л/м3. Это можно объяснить следующим образом.
Во-первых, одним из компонентов микропор являются гелевые поры. Их содержание
непрерывно возрастает в ходе твердения бетона и роста его прочностных свойств. И вовторых, в отличие от макрокапиллярных пор, в бетоне, твердеющем во влажных условиях,
микропоры заполнены не воздухом, а несжимаемой водой. И если относительный объем
таких пор в сравнении с содержанием твердой фазы в бетоне невелик, то содержащаяся в
микропорах вода снижает концентрации напряжений в зонах твердой фазы, примыкающих
к таким порам и, таким образом, помогает несущему твердому каркасу бетона
противостоять
механическим
нагрузкам.
Увеличение
морозостойкости
бетона
при
оптимальном содержании микропор объясняется тем, что при стандартных условиях
замораживания вода в микропорах не замерзает. При увеличении объема микропор,
которые не пропускают воду, возникает все больше и больше препятствий для
перемещения воды, и это повышает водонепроницаемость бетона.
При увеличении содержания условно-замкнутых пор в исследованном диапазоне прочность,
морозостойкость
и
водонепроницаемость
бетона
возрастают.
Основной
причиной
положительного влияния условно-замкнутых пор на прочностные свойства бетона является
сильная зависимость
содержания условно-замкнутых пор от расхода воды в бетонной
смеси. Увеличение расхода воды одновременно приводит как к снижению прочностных
свойств, так и к уменьшению
условно-замкнутых
пор
содержания условно-замкнутых пор в бетоне. Наличие
обеспечивает
также
блокирование
сквозных
путей
для
перемещения воды, что повышает водонепроницаемость бетона.
Морозостойкость бетона, твердеющего во влажном воздухе, в значительной степени
определяется совместным влиянием условно-замкнутых пор и содержания цементного
камня в бетоне. Чтобы обеспечить высокую морозостойкость при низком содержании
условно-замкнутых пор в бетоне, необходимо значительно увеличить содержание
цементного камня в бетоне, что ведет к повышению прочности бетона и улучшению его
сопротивления большим внутренним напряжениям, возникающим при малом объеме
резервных пор. Однако если повысить содержание условно-замкнутых пор в бетоне, то
можно значительно уменьшить содержание цементного камня в бетоне, сохраняя при этом
10
достаточно высокую морозостойкость бетона и обеспечивая экономию цемента.
Наибольшая морозостойкость бетона обеспечивается, когда достигаются оптимальные
содержания как
цементного камня, так и условно-замкнутых пор в бетоне. В этом
исследовании оптимальное содержание цементного камня составило 180-190 л/м3 и
оптимальное содержание условно-замкнутых пор 25-30 л/м3. Однако следует отметить, что
при высоком содержании макрокапиллярных пор позитивное влияние условно-замкнутых
пор на морозостойкость бетона в значительной степени нейтрализуется.
При увеличении общей пористости и содержания макрокапиллярных пор расширение и
усадка бетона существенно уменьшаются, так как одновременно уменьшается и
содержание цементного камня в бетоне, которое оказывает значительное влияние на
влажностные деформации бетона.
Влияние заполнителя на свойства бетона. Заполнители бетона — щебень из
плотных пород, гравий и кварцевый песок, сами по себе существенно не влияют на
прочностные свойства, морозостойкость и водонепроницаемость бетона. Лишь при
увеличении содержания крупного заполнителя отмечается некоторое увеличение прочности
при
сжатии,
так
как
это
благоприятствует
формированию
каркаса
в
бетоне,
воспринимающего сжимающие нагрузки.
В то же время изменение крупности зерен заполнителя или его расхода в бетоне оказывает
значительное влияние на поровую структуру цементного камня, что и определяет в
значительной мере вышеназванные свойства бетона. Увеличение суммарной поверхности
зерен заполнителя, обеспечиваемое путем увеличения расхода заполнителя в бетоне или
снижения крупности его зерен, приводит к увеличению содержания связанной воды и росту
макрокапиллярной пористости бетона. Это объясняется увеличением водо-цементного
отношения цементной пасты непосредственно в зонах контакта цементного камня и зерен
заполнителя вследствие «эффекта стенки», затрудняющего компактную укладку цементных
частиц у поверхности зерен заполнителя. В результате в контактных зонах ускоряется
связывание воды и, в то же время, создаются благоприятные условия для формирования
макрокапиллярных пор.
С увеличением расхода мелкого заполнителя все прочностные показатели бетона
существенно понижаются вследствие увеличения содержания воздушных пор в исходной
бетонной смеси и макрокапиллярных пор в бетоне. При увеличении максимальной
крупности зерен заполнителя и размера частиц мелкого заполнителя прочность при сжатии
и водонепроницаемость бетона возрастают из-за снижения суммарного содержания
контактных зон в бетоне, имеющих повышенную пористость. Перемещение воды через
бетон в основном происходит по зонам контакта цементного камня с заполнителем.
При увеличении расхода крупного заполнителя морозостойкость бетона снижается из-за
11
увеличения содержания контактных зон и, соответственно, содержания макрокапиллярных
пор в бетоне. При уменьшении крупности зерен заполнителя увеличивается содержание
воздушных пор в бетонной смеси и условно-замкнутых пор в бетоне, что оказывает
положительное влияние на морозостойкость бетона. Повышенная морозостойкость бетона
обеспечивается при использовании мелкого заполнителя средней крупности, так как
использование мелкого песка приводит к существенному увеличению содержания
контактных зон и макрокапиллярной пористости бетона.
Морозостойкость пропаренного бетона определяется суммарной поверхностью крупного
заполнителя в единице объема бетона. При пропаривании в контактных зонах у
поверхности частиц крупного заполнителя в ходе термоградиентного переноса воды из-за
экранирующего эффекта образуются поры, подобные седиментационным порам в
подвижной бетонной смеси. С увеличением суммарной поверхности крупного заполнителя
объем таких пор возрастает, что приводит к снижению морозостойкости бетона.
Как известно, при увеличении расхода как крупного, так и мелкого заполнителя усадка
бетона уменьшается. В отличие от усадки, наибольшее расширение бетонов на
сланцезольном цементе при твердении в воде наблюдается при повышенном расходе
крупного заполнителя, то есть при контактной структуре бетона. Можно предположить, что
когда цементный камень расширяется в более стесненных условиях, в бетоне возникает
большое внутреннее давление, что и приводит к росту деформаций расширения бетона.
Оптимальные составы цемента. Оптимальное содержание золы в сланцезольном
цементе полностью определяется модулем качества использованной золы. При высоком
модуле качества золы (7,8 м2/г) содержание золы в цементе может достигать 35 %, чем
обеспечивается наибольшая экономия цемента в бетоне. Когда модуль качества золы
невысок (3,2 м2/г), оптимальная добавка золы, обеспечивающая минимальный расход
цемента, составляет 25-30 %. И если используется зола пониженного качества (2,3 м 2/г), то
оптимальная добавка золы составляет 15-23 %. Можно предположить, что при малой
добавке золы с несколько повышенным содержанием свободной извести вызванное ею
расширение еще не является опасным и, кроме того, оно способствует уплотнению
формирующейся структуры бетона.
Для получения безусадочного бетона, при твердении которого обеспечивается баланс
между деформациями расширения и усадки, можно использовать сланцезольный
портландцемент, при производстве которого учитываются следующие дополнительные
ограничения: добавка золы должна иметь модуль качества не менее 4,0 м 2/г и содержание
золы в цементе не должно превышать 20 %. В этом случае разница в величине деформаций
расширения и усадки невелика. Она не превышает 0,1 мм/м и практически не зависит от
расхода цемента при его изменении в широких пределах — от 200 до 500 кг/м3.
12
Подбор состава бетона. Полученные в данной работе результаты показали, что при
подборе состава сланцезольно-портландцементного бетона следует учитывать следующее:
1. Необходимо использовать формулу прочности бетона, учитывающую особенности бетона
на основе сланцезольного цемента. Обобщение результатов для сланцезольнопортландцементных бетонов дало следующую формулу прочности бетона (Н/мм2):
Rco= Ru. d.lg(d.C/W),
где Ru — предельная прочность бетона в возрасте 28 суток; d — коэффициент, учитывающий
как условия твердения, так и возраст бетона; для бетона, твердеющего во влажном воздухе
d = B.t0.05 и для пропаренного при 80оС бетона d = B.t0.04; B — коэффициент, равный 1,2; t —
возраст бетона, сутки; C и W — соответственно расходы цемента и воды в бетонной смеси,
кг/м3.
Предельная прочность бетона в возрасте 28 суток в основном зависит от прочности
использованного цемента Rc и удельной поверхности мелкого заполнителя:
Ru= 58+0.04.(Rc-32)2-0.48.(sfa+0.2.Rc-17)2, где удельная поверхность мелкого заполнителя
согласно формуле, предложенной Ладинским:
sfa=0.6.K.(g5+2g4+4g3+8g2+16g1+32g0),
К — коэффициент, характеризующий форму частиц, К = 1,65; gi - остатки на ситах в порядке
возрастания размера сит, в долях единицы.
2. При определении расхода воды в бетонной смеси нельзя использовать правило
постоянства водопотребности. Оно действует практически только в очень узком диапазоне
расходов цемента. Зависимость водопотребности бетонных смесей от расхода цемента
следующая:
W = W0+ (С - 320)2 . 10-3,
где W0 - водопотребность бетонной смеси при расходе цемента 320 кг/м3.
В случае сланцезольно-портландцементного бетона она составляет
Wo=78.(3.15-J)+40.(J+2).(afa-0.2).lg(10/aca), где средняя крупность зерен крупного заполнителя
(мм)
aca = 7.5.(g6 + 2g7 + 4g8), и мелкого заполнителя afa= 0.235.(g1 + 2g2 + 4g3 +8g4 + 16g5).
Здесь для подвижных бетонных смесей показатель консистенции J = 1 – l/20,
и для жестких смесей J = lg(t/0.63), где l — осадка (см) и t — жесткость бетонной смеси (с).
3. Для повышения точности расчетов следует учитывать содержание воздушных пор в
бетонной смеси (л/м3). Для грубой оценки их содержания может использоваться формула
Vav= 0.22.(440 - C/dc- W), где dc — объемная плотность цемента, кг/л.
4. Выбор крупности заполнителя должен производиться с учетом требований к прочности,
морозостойкости и водонепроницаемости бетона, чтобы обеспечить получение бетона с
заданными свойствами.
При этом возможны следующие варианты:
13
А.
При
проектировании
задается
только
прочность
при
сжатии
бетона.
В этом случае максимальный размер зерен заполнителя определяется как обычно, с
учетом наименьшего размера поперечного сечения бетонной конструкции и минимального
расстояния между стержнями арматуры. В таких условиях с целью экономии цемента
желательно использовать более крупный мелкий заполнитель.
В.
Необходимо
обеспечить
повышенную
морозостойкость
бетона.
В этом случае следует использовать либо более мелкий крупный заполнитель (фракцию 510 мм) и мелкий заполнитель средней крупности (содержание фракции 0,63-5 мм в мелком
заполнителе
20-30
%),
что
приводит
к
увеличению
расхода
цемента,
или
же
воздухововлекающие добавки. Здесь выбор подходящего варианта делается исходя из
экономических соображений.
С.
Необходимо
обеспечить
повышенную
водонепроницаемость
бетона.
Для этой цели при производстве бетона с низким расходом цемента (до 250 кг/м3)
целесообразно использовать крупный заполнитель с максимально допустимой крупностью
в сочетании с более мелким мелким заполнителем. Последнее позволяет уменьшить
раздвижку зерен крупного заполнителя и обеспечить достаточную плотность структуры
бетона при малых расходах цемента. При других расходах цемента предпочтительно
использовать более крупный мелкий заполнитель.
5. Необходимо обеспечить согласованность зерновых составов крупного и мелкого
заполнителей бетона, иначе водопотребность бетонной смеси возрастает, что отрицательно
влияет на структуру и свойства бетона. Для обеспечения согласованности зерновых
составов крупного и мелкого заполнителей целесообразно учитывать раздвижку зерен
крупного заполнителя крупными частицами мелкого заполнителя. В расчете используем
средний размер зерен мелкого и крупного заполнителей, определяемые как взвешенные
значения по массе. При таком подходе для определения расходов крупного и мелкого
заполнителей используются формулы:
где pca и pfa — соответственно пустотность крупного и мелкого заполнителей, в долях
единицы; Va — расход заполнителей в бетоне, л/м3; d — прирост размера зерен мелкого
заполнителя в результате налипания цементной пасты к их поверхности, мм.
При этом следует подобрать такое значение d, при котором сумма полученных значений
14
Vca и Vfa становится равной общему расходу заполнителя Va , получаемому из условия:
Va= 1000 - C/dc- W – Vav.
6. Применяя полученные в этой работе формулы с использованием значений водоцементного отношения и содержания цементной пасты в бетонной смеси Vcp (л/м3) можно
дополнительно оценить некоторые структурные параметры проектируемых бетонов:
a) содержание связанной воды в бетоне (л/м3):
–
Vfw = 0.0012.(Vcp- A).(A +150), где A = 19.5.(RC- 44.5).
Эта формула может применяться при прочности сланцезольного цемента в пределах
Rc= 45-55 Н/мм2.
b) содержание макрокапиллярных пор (л/м3):
- в бетоне, твердевшем во влажном воздухе Vmcmcp=200.(1.28-A).(A-lg(C/W)),
- в пропаренном бетоне Vscmcp=132.(1.80-A).(A- lg(C/W)),
где для бетона в возрасте 28 суток A = 16.(wc- 0.3), и wc — водопотребность цемента
(отношение W/C, обеспечивающее заданный расплыв стандартного раствора - 113-115 мм).
c) содержание микропор (л/м3):
- в бетоне, твердевшем во влажном воздухе Vmcmp= 0.00049.(Vcp-A).(530+A),
- в пропаренном бетоне Vscmp= 0.00045.(Vcp – A).(450+A),
где для бетона в возрасте 28 суток
A = 2/3. 104.(wc- 0.343) .
d) содержание условно-замкнутых пор (л/м3):
Vccp= A.(376 - Vcp),
где для бетона, твердевшего во влажном воздухе A = 0.20, и для пропаренного бетона A =
0.25.
Пропаривание. При оценке эффективности пропаривания бетона
с использованием
отношения e2= Rsc28/Rmc28* оптимальные уровни изученных технологических параметров для
обеспечения наиболее эффективного расходования цемента оказываются значительно
ниже тех, которые необходимы для получения максимальных значений e1= Rsc1/Rmc28. Это
объясняется тем, что чем выше прочность непосредственно после пропаривания, тем
медленнее протекает дальнейшее твердение бетона. Таким образом, при выборе
технологических параметров для изготовления бетона необходимо исходить не только из
обеспечения достаточной прочности непосредственно после пропаривания, но также из
необходимости обеспечивать сохранение достаточных резервов для роста прочности
бетона в послепропарочный период.
*
Rsc28 и Rmc28 соответственно прочность при сжатии в возрасте 28 суток пропаренного бетона и бетона,
твердевшего во влажном воздухе, Rsc1 — прочность при сжатии пропаренного бетона в возрасте 1
сутки.
15
Гидратация цемента на последних стадиях пропаривания также протекает замедленно и
поэтому необходимо обеспечивать достаточную степень гидратации цемента на начальных
стадиях пропаривания. Этого можно достигнуть правильным выбором времени начала
изотермической
выдержки.
Полученные
результаты
показали
целесообразность
применения комбинированного параметра — общего времени предварительной выдержки и
подъема температуры, который обеспечивает снижение числа контролируемых параметров
при пропаривания бетона.
Минимальный расход цемента для обеспечения заданных значений прочности бетона и
консистенции бетонной смеси достигается при использовании времени предварительной
выдержки 3,5 часа, времени подъема температуры 3 часа и пониженных температурах
пропаривания — 65-80 оС. При этом целесообразно использовать температуры выше 70 оС,
если необходимо получить бетон повышенной прочности. Чтобы обеспечить задаваемое
значение прочности бетона
при минимальном расходе цемента, необходимо увеличить
время изотермической выдержки при температурах 65-80 оС до 8 часов и более.
Для получения морозостойких сланцезольно-портландцементных бетонов с разными
уровнями заданной прочности на основе бетонных смесей разной консистенции следует
использовать режимы пропаривания с временем предварительной выдержки 3,5-5 часов,
временем подъема температуры 2-3 часа, температурой пропаривания 70-76
сокращенном
времени
изотермической
выдержки
—
3-7
часов.
Для
С при
о
обеспечения
морозостойкости пропаренного бетона задаваемой прочности приходится увеличивать
расход цемента на 16-71 кг/м3. При этом в случае повышенной заданной прочности бетона
необходимо выбирать в указанных диапазонах более высокую температуру и большую
длительность пропаривания.
Несмотря на сравнительно умеренные режимы пропаривания, требуемые для получения
морозостойких бетонов с заданной прочностью, получаемые бетоны в возрасте 1 суток в
основном имеют прочность в пределах 66-85 % от 28-суточной прочности, что соответствует
результатам, получаемым при других режимах пропаривания.
IV. ВЫВОДЫ
1. Основными технологическими факторами, определяющими поровую структуру и свойства
бетона, являются цементно-водное отношение и содержание цементной пасты в бетонной
смеси. Другим важным технологическим фактором, определяющим как прочность, так и
морозостойкость бетона, является предельная прочность бетона в возрасте 28 суток,
соответствующая оптимальной структуре и минимальному содержанию связанной воды в
формирующихся гидросиликатах кальция.
Из структурных факторов наибольшее влияние на формирование свойств бетона оказывает
содержание цементного камня в бетоне.
16
2.
Присутствие
золы
в
сланцезольном
портландцементе
обеспечивает
снижение
водопотребности бетонной смеси, увеличение гидратационной активности цемента и
уплотнение бетона как результат его умеренного расширения при твердении в достаточно
жестких формах.
Оптимальное содержание золы в сланцезольном цементе полностью предопределяется
модулем качества используемой золы. При высоком модуле качества (7,8 м 2/г) содержание
золы в цементе может достигать 35 %, что обеспечивает максимальную экономию цемента
при изготовлении бетона. Для получения безусадочного бетона необходимо использовать
сланцезольный портландцемент, содержащий не более 20% сланцевой золы с модулем
качества не менее 4,0 м2/г.
3. При изменении расхода цемента, количества и качества добавляемой к цементу золы,
добавки
суперпластификатора
С-3
или
условий
пропаривания
содержание
макрокапиллярных пор в бетоне изменяется соответственно изменению содержания
связанной воды в бетоне. При увеличении содержания связанной воды объем твердой
фазы бетона возрастает и, соответственно, макрокапиллярная пористость уменьшается.
4. В отличие от макрокапиллярной пористости, наличие оптимальных количеств микропор и
условно-замкнутых пор в бетоне оказывает положительное влияние на прочностные
свойства,
водонепроницаемость
и
морозостойкость
бетона.
Микропоры
содержат
несжимаемую, не замерзающую и недвижимую воду и их оптимальное содержание в бетоне
(60-95 л/м3) соответствует наличию достаточных количеств гелевых новообразований.
Основной причиной положительного влияния содержания условно-замкнутых пор на
прочностные свойства бетона является сильная зависимость их содержания от расхода
воды в бетонной смеси.
5. Все технологические факторы, изменяющие суммарную поверхность зерен заполнителя,
оказывают большое влияние на поровую структуру цементного камня и, соответственно, на
прочностные
показатели,
морозостойкость
и
водонепроницаемость
бетона.
Это
объясняется увеличением водо-цементного отношения и, соответственно, увеличением
содержания макрокапиллярных пор в бетоне непосредственно в зонах контакта цементного
камня и зерен заполнителя из-за «эффекта стенки», затрудняющего компактную укладку
частиц цемента у поверхности зерен заполнителя. Поэтому перемещение воды в бетоне в
значительной степени происходит по зонам контакта цементного камня и заполнителя.
Кроме того, при увеличении удельной поверхности заполнителя содержание воздушных пор
в бетонной смеси и условно-замкнутых пор в бетоне возрастает.
6. При пропаривании в контактных зонах у поверхности зерен крупного заполнителя из-за
экранирующего эффекта при термоградиентном переносе воды образуются поры,
аналогичные седиментационным порам в подвижных бетонных смесях, что отрицательно
17
влияет на свойства бетона. При пропаривании в условиях изотермической выдержки роль
равновесных продуктов реакции переходит ко вторичным новообразованиям с пониженным
содержанием связанной воды. Поэтому одновременно с процессом дальнейшей гидратации
цемента начинается процесс перехода первичных новообразований во вторичные. И если
данный процесс
становится преобладающим, то в ходе дальнейшего пропаривания
происходит снижение содержания связанной воды и увеличение макрокапиллярной
пористости бетона.
7.
При
изготовлении
пропаренного
бетона
минимальный
расход
сланцезольного
портландцемента обеспечивается при пониженных температурах пропаривания — 65-80 оС.
Температуры выше 70 оС должны использоваться для получения бетона с повышенной
средней прочностью и морозостойкостью. При изготовлении морозостойкого бетона
длительность
изотермического
пропаривания
не
должна
превышать
3-7
часов
в
зависимости от консистенции бетонной смеси и заданной прочности бетона.
Применение режимов пропаривания, разработанных в данной диссертации, обеспечивает
экономию сланцезольного портландцемента до 16 % и снижение расхода пара до 26 %.
8. При подборе состава сланцезольно-портландцементного бетона необходимо учитывать
его специфику. Поэтому целесообразно использовать формулу прочности бетона и
формулу для определения водопотребности бетонной смеси, полученные в данной работе.
Выбор крупности зерен заполнителя должен производиться с учетом требований по
прочности, морозостойкости и водонепроницаемости бетона. Расходы крупного и мелкого
заполнителей бетона должны назначаться с учетом их зернового состава с применением
зависимостей, полученных в данной работе.
V. ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Grabko S. The influence of structure characteristics on the frost resistance of
concrete. TIZ International, 1-2, Februar y, Coburg, Ger man y, 1992.
2. Grabko S. Der Einfluss von Strukturpara metern auf die Frost beständigkeit des Betons,
ll.ibausil, Wei mar, BRD, 1991.
3. Грабко С. Формирование макрокапиллярной пористости сланцезольно-портландцементного
бетона. Труды Таллиннского технического университета, № 703, Таллинн, 1989.
4. Грабко С. Химическое связывание воды цементом в бетоне. Труды Таллиннского технического
университета, № 703, Таллинн, 1989.
5. Грабко С., Хайн А. Возможности прогноза прочности, водонепроницаемости и морозостойкости
сланцезольно-портландцементных бетонов. Труды Таллиннского политехнического института,
№ 618, Таллинн, 1986.
6. Грабко С. Анализ особенностей формирования поровой структуры и прочности сланцезольно18
портландцементных
бетонов.
Труды
Таллиннского
политехнического
института,
№
618,
Таллинн,1986.
7. Грабко С., Кузнецова Е.., Рылова И. Исследование особенностей структуры бетонов на основе
сланцезольного портландцемента, Тезисы докладов СНТК вузов Прибалтики, БССР и МССР,
Таллинн, 1986.
8. Грабко С. О взаимосвязях состава и свойств сланцезольно-портландцементных бетонов. Тезисы
докладов НТК "Отходы энергетической промышленности - ценная минеральная добавка для
производства портландцемента", Таллинн, 1986.
9.
Пиксарв Э., Нурм В., Грабко С. Деструктивные изменения сульфатосодержащих фаз
высокоалюминатных цементов в процессе пропаривания. Труды Таллиннского политехнического
института, № 573, Таллинн, 1984.
10.
Расс Ю., Грабко С. Сульфоалюминатное расширение мелкозернистого бетона на
сланцезольном цементе в зависимости от содержания ангидрита в сланцевой золе. Труды
Таллиннского политехнического института, № 548, Таллинн, 1983.
11. Пиксарв Э., Грабко С. Возможности повышения активности портландцемента цементного завода
"Пунане Кунда" путем до бавления фракции летучей золы сланца-кукерсита. Тезисы докладов НТК
"Эффективные зольные портландцементы", Таллинн, 1981.
12. Пиксарв Э., Кикас В., Нурм В., Грабко С. Влияние содержания щелочных сульфатов в цементе и
температуры пропаривания на деструктивные процессы в цементном камне. Труды Таллиннского
политехнического института, № 469, Таллинн, 1979.
13. Пиксарв Э., Кикас В., Грабко С. О гидратации сланцезольного портландцемента. Труды НТК
"Изучение и применение сланцезольных цементов", Таллинн, 1971.
19
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа