close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

356.Славчева Г.С. Поризованный бетон структура и строительно-технические свойства

код для вставкиСкачать
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Воронежский государственный архитектурно-строительный университет
Академический научно-творческий центр «Архстройнаука»
Г.С. Славчева
ПОРИЗОВАННЫЙ БЕТОН:
СТРУКТУРА
И СТРОИТЕЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Воронеж 2009
УДК 666.97
ББК Н331.7
С47
Рецензенты:
С.В. Федосов, чл.-корр. РААСН, д-р техн. наук, проф., заведующий
кафедрой строительного материаловедения и специальных технологий
Ивановского государственного архитектурно-строительного университета;
Ш.М. Рахимбаев, д-р техн. наук, профессор кафедры материаловедения,
изделий и конструкций Белгородского государственного технологического университета
им. В.Г. Шухова
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Воронежского государственного архитектурно-строительного университета
Славчева, Г.С.
С47
Поризованный бетон: структура и строительнотехнологические свойства Текст : монография / Г.С. Славчева ; Воронеж. гос. арх.-строит. ун-т. – Воронеж, 2009. - 136 с.
ISBN 978-5-89040-244-8
Представлены результаты исследований строительно-технических свойств поризованных бетонов, охарактеризована их взаимосвязь с параметрами структуры. Особое внимание уделено закономерностям реализации комплекса свойств при влажностных воздействиях эксплуатационной среды.
Рассмотрены вопросы конструирования структур поризованных бетонов с задаваемыми свойствами. Приведены основные положения технологии цементных поризованных
бетонов.
Предназначена для специалистов в области материаловедения и технологии строительства, научных работников, преподавателей, аспирантов, студентов.
Ил. 31. Табл. 32. Библиограф.: 80 назв.
 Славчева Г.С., 2009
ISBN 978-5-89040-244-8
 Воронежский государственный
архитектурно-строительный
университет, 2009
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ………………………………………………………………
4
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………
1. ПОРИЗОВАННЫЙ БЕТОН - МАТЕРИАЛ ДЛЯ НОВЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ
ТЕХНОЛОГИЙ……………………………………………………
1.1. Поризованный бетон как разновидность макропористых
бетонов…………………………………………………………..
1.2. Перспективы применения поризованного бетона
в современном строительстве………………………………….
2. ПРОБЛЕМЫ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ СВОЙСТВ
ПОРИЗОВАННЫХ БЕТОНОВ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ………………………
2.1. Конструкционные свойства поризованных бетонов………….
2.2. Механизм влияния влажностного состояния на проявление
конструкционных свойств композиционных строительных
материалов ……………………………………………………..
2.3. Закономерности изменения влажностного состояния цементных поризованных бетонов как функции их структуры..
2.4. Влияние температурно-влажностного состояния поризованного бетона на его прочностные характеристики……………..
2.5. Эксплуатационная деформируемость поризованных бетонов
2.5.1. Процессы изменения состояния, структуры и
свойств, динамика деформирования поризованных
бетонов при твердении в монолитных конструкциях
2.5.2. Влияние параметров структуры поризованных ……..
бетонов на величину влажностных деформаций……..
2.5.3. Оценка деформативных свойств поризованных
бетонов при длительном действии нагрузки…………
2.6. Температурно-влажностные деформации и морозостойкость
поризованных бетонов………………………………………….
3. КОНСТРУИРОВАНИЕ СТРУКТУР ЦЕМЕНТНЫХ ПОРИЗОВАННЫХ БЕТОНОВ
С ЗАДАВАЕМЫМИ СВОЙСТВАМИ………………………………………...
6
3.1.
3.2.
4.
Постановка задачи конструирования………………………….
Алгоритмы конструирования структур цементных
поризованных бетонов…………………………………………
8
8
13
20
20
25
38
45
51
51
65
78
89
100
100
107
ОСНОВНЫЕ
ПОЛОЖЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ЦЕМЕНТНЫХ ПОРИЗОВАННЫХ
БЕТОНОВ И АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ……………………………
ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………...
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК……………………………………………...
3
118
128
129
ПРЕДИСЛОВИЕ
Социально-экономические процессы последних двух десятилетий, проходившие в нашей стране, самым коренным образом затронули архитектурно-строительный комплекс. На смену решениям, считавшимся до того рациональными, стали приходить новые. Объективно были поставлены под сомнение эффективность и конкурентоспособность многих конструктивных
систем зданий, материалов и технологий, длительное время применявшихся в
отечественной практике. Получили развитие системы монолитных и сборномонолитных зданий, в связи с чем потребовалась разработка новых строительных технологий и адаптированных к ним материалов нового поколения.
Внедрение новых решений применительно к задачам монолитного
строительства призвано было обеспечить высокий уровень индустриальности
и, одновременно с этим, существенно упростить инфраструктуру строительного производства. В значительной мере ключевым здесь оказался вопрос
конструкционно-теплоизоляционного стенового материала, который должен
был отвечать критериям не только функциональности и теплоэффектвности,
но также высокой технологичности, малой ресурсоемкости, необходимой
долговечности. Именно поэтому на повестку дня выдвинулись макропористые бетоны нормального твердения – пенобетоны и поризованные бетоны.
Специалисты
Воронежского
государственного
архитектурностроительного университета (ВГАСУ), имея значительный опыт в разработке
и промышленном внедрении автоклавного силикатного ячеистого бетона и
определенный задел в исследованиях неавтоклавного цементного поризованного бетона, включились в работу по созданию такого материала для монолитного строительства в начале 90-х годов. В процессе реализации этого нового этапа исследований был выполнен необходимый комплекс работ, в рамках
которого рассмотрены научные и прикладные вопросы материаловедения и технологии мелко- и микрозернистых плотных и поризованных бетонов, в результате чего решена задача получения материала средней плотности 800-1800 кг/м3 на
основе разнообразного природного и техногенного сырья; изучены конструкционные и конструкционно-теплоизоляционные разновидности бетонов с комплексом задаваемых строительно-технических свойств для монолитных
строительных конструкций функционального различного назначения; разработаны вопросы построечной технологии бетонирования монолитных конструкций из поризованного бетона, реализованные в виде мобильной строи4
тельно-технологической системы «Монопор» по возведению монолитных
зданий из поризованных бетонов. Возможность реализации получения бетона
на мобильных установках без необходимости иметь сложную производственную инфраструктуру технологического процесса предопределяет перспективность применения цементного поризованного бетона в монолитном
строительстве.
На основе осуществляемых исследований и разработок может быть организовано получение поризованного бетона для применения в качестве материала для ограждающих конструкций зданий, а в малоэтажном строительстве – для всех конструктивных элементов. И именно малоэтажное строительство оказывается той нишей в строительном комплексе, где разработанная технология представляется наиболее эффективной, способной внести положительный вклад в обеспечение условий для развития регионального рынка доступного жилья.
Вместе с этим широкое внедрение данных бетонов в строительную
практику сдерживается недостаточной проработанностью вопросов меры изменения и сохранности расчетно-нормируемых характеристик поризованного
бетона при эксплуатации. В исследованиях многих авторов технологий пенобетонов и поробетонов нормального твердения остаются в тени такие свойства, как эксплуатационная усадка и трещиностойкость. Между тем, в условиях
монолитного строительства определяющим, «критическим» свойством материала, можно сказать, камнем преткновения, выступает именно трещиностойкость, определяемая его эксплуатационной деформируемостью. Этими показателями закладывается работоспособность материала и долговечность конструкций из него. Именно поэтому в ходе комплексных исследований проблем материаловедения и технологии поризованных бетонов особое место
отводилось проблемам, связанным с реализацией их конструкционных
свойств при эксплуатации. Содержание монографии Г.С. Славчевой и посвящено указанным актуальным проблемам.
Академик Российской академии
архитектуры и строительных наук
5
Е.М. Чернышов
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность внедрения в современную строительную практику поризованных бетонов требует специального внимания к вопросам их поведения при
эксплуатационных воздействиях, к их долговечности.
При решении вопросов управления технологией строительных материалов требуется исходить из условий обеспечения строительно-технических
свойств не только на момент изготовления, но и на протяжении всего периода
эксплуатации. Другими словами, существует проблема сохранности и реализации того уровня конструкционных свойств материала, который был достигнут
на технологической стадии жизненного цикла материала.
Изменение свойств – неизбежный и закономерный процесс, так как в результате эксплуатационных процессов в материале происходит преобразование
его состава, структуры и состояния (термодинамического, напряженного, влажностного и др.). Именно поэтому при оценке поведения материала его состав,
структура, состояние и свойства должны рассматриваться изменяющимися во
времени.
Реализация потенциала свойств строительных материалов, используемых
в конструкциях, определяется динамикой и глубиной процессов, последствиями
изменения их состояния при эксплуатации, то есть зависит, главным образом,
от интенсивности их взаимодействия с эксплуатационной средой. Материал
должен сниматься с технологической обработки и направляться на эксплуатацию с таким исходным состоянием структуры, при котором изменение его
функциональных показателей за период эксплуатации не будет выходить за
пределы, соответствующие требованиям надежной службы в строительной конструкции.
В связи с указанным конструирование структур и получение материала
должно не только обеспечивать требуемый уровень его свойств на момент изготовления, но и предопределять допустимую меру их изменения в условиях
действия комплекса эксплуатационных факторов. Среди этих факторов для
данной группы бетонов с развитой пористостью и цементирующим веществом,
сформировавшимся в условиях нормального твердения, критическими оказываются влажностные воздействия. Именно с ними связаны такие свойства и характеристики, определяющие долговечность макропористых бетонов, как усадка и
морозостойкость, зависящие от параметров состояния структуры и соответствующей интенсивности процессов влагообмена со средой.
6
Таким образом, актуальными оказываются вопросы, связанные с реализацией строительно-технических свойств цементных поризованных бетонов в условиях изменения их влажностного состояния при эксплуатации. Рассмотрению
данных вопросов в монографии уделено основное внимание и посвящено ее содержание.
В монографии представлены обобщенные материалы исследований,
отражающие научную концепцию и экспериментальные результаты, раскрывающие вопросы реализации всего комплекса свойств цементных поризованных бетонов при изменении их влажностного состояния. В результате
раскрываются количественные зависимости взаимосвязи меры изменения и
реализации в различном влажностном состоянии основных свойств (прочности, величины деформаций, морозостойкости) цементных поризованных бетонов с характеристиками их твердой фазы и порового пространства. С использованием полученных зависимостей осуществлено в монографии решение задачи конструирования
конструкционного и конструкционнотеплоизоляционного цементного поризованного бетона с задаваемыми свойствами; предлагается система рецептурно-технологических факторов получения материала на различных видах природного и техногенного сырья.
По результатам комплексной оценки строительно-технических свойств
показано, что посредством регулирования строения цементных поризованных бетонов средней плотности 800÷1600 кг/м3 удается варьировать в широком диапазоне свойства, связанные с изменением влагосодержания и определяющие его долговечность - усадку, ползучесть, морозостойкость. Предложены структуры бетонов, свойства которых отвечают нормативным требованиям. Следует подчеркнуть, что рекомендованные разновидности поризованных бетонов, получаемые в условиях естественного твердения, характеризуются величиной усадки не более 1 мм/м при обезвоживании от начального технологического до равновесного эксплуатационного влагосодержания. И это открывает им путь для использования в строительстве, так как
именно эксплуатационная деформируемость и связанная с ней трещиностойкость в основном и определяют работоспособность неавтоклавных макропористых бетонов в строительных конструкциях.
Автор выражает признательность академику РААСН, доктору технических наук, профессору Е.М. Чернышову за научные консультации при подготовке монографии; а также коллегам за сотрудничество в ходе комплексных исследований проблем материаловедения и технологии поризованных бетонов.
7
1. ПОРИЗОВАННЫЙ БЕТОН - МАТЕРИАЛ
ДЛЯ НОВЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
1.1. Поризованный бетон как разновидность
макропористых бетонов
В современной номенклатуре бетонов с регулируемой плотностью
класс макропористых бетонов отличается сегодня большим числом разновидностей:
 по виду вяжущего (цементные, силикатные, на смешанных вяжущих);
 по способу формирования макропористой структуры (пенобетоны, газобетоны, аэрированные бетоны, поризованные бетоны);
 по условиям организации процессов твердения (естественного твердения и твердеющих с применением тепловой обработки автоклавной и
неавтоклавной);
 по применению (от конструкционных до теплоизоляционных).
В последние два десятилетия внимание строителей привлекает новая
перспективная разновидность макропористых бетонов, которую в рамках
сложившейся классификации можно определить как цементные поризованные бетоны, получаемые воздухововлечением при перемешивании бетонной
смеси и твердеющие без применения автоклавной обработки.
Развитие науки и практики макропористых (ячеистых) бетонов условно
можно разделить на 4 этапа.
Первый этап охватывает 20 – 30-е годы двадцатого столетия, когда
после изобретения материала накапливался первый опыт его практического
применения. Был получен и внедрен в строительную практику цементный
пенобетон естественного твердения средней плотности 400-500 кг/м3 (работы
А.А. Брюшкова, Б.Н.Кауфмана, Н.А. Попова, В.В. Ризоватова); также были
сделаны первые шаги по получению конструкционного пенобетона
(И.Т. Кудряшов, Н.Н. Лессинг). Однако из-за малой прочности и высокой
усадочности пенобетоны в этот период не нашли сколько-нибудь широкого
применения.
Второй этап относится к 50 – 60-м годам двадцатого столетия, когда
были получены новые разновидности ячеистых бетонов и накоплен промышленный опыт их изготовления и эксплуатации. Данный этап материаловедения и технологии макропористых бетонов характеризуется параллель8
ным развитием исследований автоклавных силикатных и неавтоклавных цементных бетонов. Комплексные исследования, выполненные в вузах и отраслевых НИИ, позволили получить с использованием широкой гаммы сырья
материалы с удовлетворительными физико-механическими свойствами. Были заложены основы управления структурой и свойствами этих бетонов (работы А.Т. Баранова 1, Г.А. Бужевича 2, П.И. Боженова 3, А.В. Волженского 4, М.Я. Кривицкого 5, И.Т. Кудряшова 6, Л.М. Розенфельда 7,
А.В. Саталкина 8, М.С. Сатина 9 и др.), накоплен опыт их применения и
эксплуатации.
Третий этап (70 – 80-е годы) характеризуется приоритетным развитием научных исследований и началом массового заводского производства автоклавных силикатных и цементных ячеистых бетонов. Причиной приостановки исследований и отказа от производства и применения неавтоклавных
газо- и пенобетонов в конце 60-х – начале 70-х годов послужила неразрешенность проблемы их эксплуатационной усадочности и трещиностойкости.
Четвертый этап начался в 90-е годы прошлого века, когда в связи с
изменившейся экономической ситуацией вновь возник интерес к макропористым бетонам неавтоклавного твердения. Это было обусловлено следующими причинами:
 определенной ориентацией строительной отрасли на возведение малоэтажных зданий, не только сборных, но и монолитных;
 целесообразностью расширения использования местного природного
сырья и материалов, утилизации техногенных отходов;
 необходимостью радикальных изменений в потреблении энергоресурсов;
 необходимостью применения относительно простых технологических
решений, не требующих развитой производственной инфраструктры.
В результате активного развития исследований (работы А.С. Коломацкого, Е.В. Королева, В.С. Лесовика, Л.В. Моргун, Ю.В. Пухаренко, Г.П. Сахарова, Е.С. Силаенкова Ш.М. Рахимбаева, Л.Д. Шаховой.,. В.И. Удачкина,
И.Б. Удачкина, Т.А. Уховой, В.Н. Ярмаковского 10-25 и др.) были получены новые модификации (новое поколение) цементных макропористых бетонов неавтоклавного твердения с удовлетворительным уровнем качества.
Вследствие чего они начали занимать свою нишу в строительном комплексе.
Право же отнесения и принадлежность разрабатываемых и применяемых модификаций макропористых бетонов к новому поколению определяется следующими положениями:
9
1) это новая модификация известного материала (цементного пенобетона)
с более широкой областью применения (в том числе в монолитном
строительстве);
2) это материал с новыми или нетрадиционными технологическими решениями его производства (способы подготовки сырья, поризации,
формования, организации процессов твердения и т.д.).
Коллективом ученых и специалистов ВГАСУ (Л.А. Астафьевой, А.В. Крыловой, В.А. Коноплиным, Д.Н. Коротких, А.И. Макеевым, М.В. Новиковым, Н.Д.
Потамошневой, Г.С. Славчевой, В.В. Яковлевым 26, 27) под руководством
Е.М. Чернышова решена научно-инженерная задача получения цементных поризованных бетонов нормального твердения на основе применения синтетических ПАВ воздухововлекающего действия с использованием различных видов
природного и техногенного сырья. Поскольку при получении поризованных
бетонов воздухововлечением при перемешивании в присутствии добавок
ПАВ не предъявляется специальных требований к химическому составу
компонентов сырьевой смеси, то изготовление поризованных бетонов возможно с применением различных видов заполнителей и наполнителей. Использование их для получения бетонов задаваемой средней плотности с нормируемыми прочностными и деформативными характеристиками главным
образом определяется дисперсностью (табл. 1).
Таблица 1
Характеристика видов и свойств
цементных поризованных бетонов
Характеристика
наполнителей
Кварцевый песок, Мк = 1,2
Отсевки камнедробления, Мк = 2,3
Пылевидный кварцевый песок,
Мк = 0,8
Молотый кварцевый песок,
Sуд = 150-200 м2/кг
Зола-уноса, Sуд = 300 м2/кг
Карбонатсодержащая пыль-унос,
Sуд = 90-120 м2/кг
Прочность бетона при сжатии при марках
по средней плотности, МПа
D800
D1000 D1200
нормируемые физико4,0
механические свойства
не обеспечиваются
2,0
2,5
3,5
4,5
3,5
7,5
9,5
2,5
3,0
3,5
10
5,5
D1400
8,0
D1600
15,0
8,0
12,5
8,5
10,0
нормируемые физикомеханические
свойства
не обеспечиваются
Полученные поризованные бетоны в отличие от своего аналога пенобетона характеризуются большей простотой организации и управления процессами формирования макропористой структуры, не требуют высокого уровня
технологической культуры, свойственной производству пенобетонов. В связи
с вышеуказанным, перспективность производства и применения цементных
поризованных бетонов нормального твердения предопределяется возможностью обеспечения достаточной простоты технологии их получения, которая
позволяет вне связи с элементами традиционной для крупных заводов инфраструктуры получать эффективные конструкционные и конструкционнотеплоизоляционные материалы.
Основой выполненных разработок является концепция гибкой технологии. Понятие «гибкость» в приложении к гибким производственным системам соотносится с их быстрой приспособляемостью, адаптивностью, легкой
переналаживаемостыо, относительно простой сочетаемостью с другими системами и встраиваемостью в них, с универсальностью. Понятие «гибкость»
следует рассматривать как возможность получения в зависимости от целей и
условий реализации задачи многовариантных ее решений с сохранением их
высокой эффективности без изменения принципов технологии. Главным в
качественных критериях гибкости является многовариантность, применимость технологии с ее сохраняющимися неизменными основными признаками к разным начальным условиям и выдвигаемым требованиям. В отношении поризованного бетона (как материала) различного функционального назначения и его технологии можно говорить о следующих признаках, составляющих основу для обеспечения гибкости технологии:
1) единый принцип получения макропористой структуры бетона - воздухововлечение при перемешивании;
2) единая последовательность и совокупность химико-технологических
этапов получения бетона из исходного сырья, включающая подготовку
сырья (измельчение, фракционирование), получение поризованной
сырьевой смеси, формование сырца бетона, организация процессов его
твердения;
3) единая совокупность применяемых аппаратов и оборудования для реализации этапов технологии и ее процессов;
4) при едином принципе формирования макропористой структуры бетон
можно получать из разнообразного сырья.
11
Простота поризации воздухововлечением при перемешивании позволяет иметь материал с разной мерой наполнения смеси макропорами. Универсальность способа поризации бетонов воздухововлечением в процессе перемешивания исходных компонентов с химической добавкой открывает возможности получения большого разнообразия (номенклатуры) поризованных
бетонов.
Из вышесказанного следует, что номенклатура поризованных бетонов
должна рассматриваться исходя из классификационных признаков:
1) назначения и функциональных характеристик (конструкционный, конструкционно-теплоизоляционный, теплоизоляционный материал);
2) области применения или вида строительной конструкции (материал
для наружных и внутренних стен, перегородок, полов, перекрытий, покрытий зданий и др.);
3) технологии изготовления (при одностадийной или многостадийной поризации, в заводских или построечных условиях, при нормальном или
ускоренном твердении, в монолитном исполнении или в виде отдельных строительных деталей);
4) вида омоноличивающего (связующего) материала;
5) вида и масштаба зернистых включений (материал с микронаполнителем, мелким, крупным заполнителем; плотным или пористым заполнителем).
Важно отметить, что группа цементных поризованных бетонов по своим составам, характеристикам структуры и свойствам удовлетворяет требованиям изготовления их и в заводских, и в построечных условиях, в том числе в виде монолитных конструкций и сооружений. Может быть организовано
получение поризованного бетона различного строительного назначения, с
использованием которого могут быть возведены все конструктивные элементы здания - фундаменты, несущие и ограждающие конструкции, перекрытия
и их теплоизоляция. Конкурентоспособность цементных поризованных бетонов может возрасти именно при реализации монолитного способа изготовления с использованием цементного связующего, песка естественной гранулометрии или каких-либо наполнителей техногенного происхождения. Это связано, во-первых, с возможностью организации процессов твердения поризованных бетонов на цементном связующем непосредственно в возводимой
конструкции. Во-вторых, использование немолотого песка или техногенных
продуктов позволяет исключить дополнительные технологические переделы,
12
связанные с подготовкой сырьевых компонентов. Вследствие этого имеется
возможность в построечных условиях организовать технологический процесс
получения бетона с использованием мобильных установок без создания
сложной производственной инфраструктуры.
1.2. Перспективы применения поризованного бетона
в современном строительстве
В свете современных требований к материалам для теплоэффективного
жилого дома в общей системе направлений повышения уровня теплозащиты
возникает необходимость переоценки подходов и требований к материалам
для ограждающих и конструктивных (несущих) элементов зданий. Сегодня
очевидно, что для ограждающих элементов конкурентоспособны и перспективны материалы с максимально возможным исключением несущих функций
и предельным снижением плотности для обеспечения минимальной теплопроводности и соответственно повышенного термического сопротивления.
Одновременно с этим и для материалов несущих конструктивных элементов
обоснованными оказываются требования снижения плотности как средства
уменьшения их теплоемкости, что позволит сократить потребление теплоты
на доведение температуры конструкций до значений, необходимых при создании комфортных условий в помещении 28-30.
Сегодня эффективность всех конструкционных, конструкционнотеплоизоляционных и теплоизоляционных строительных материалов должна
рассматриваться в контексте нового стандарта жилья и архитектурностроительной системы (АСС) зданий (рис. 1).
Под архитектурно-строительной системой понимается 31 совокупность:
1) конструктивной подсистемы, включающей несущие конструкции здания;
2) пространственной подсистемы здания, обусловливающей вариантность
планировочных решений;
3) подсистемы материалов и изделий, а также 4) технологической подсистемы, отражающей строительные технологии и технологии производства
строительных материалов.
В итоге тип АСС здания определяет конкурентоспособность, комфортность, экологические качества и ресурсоемкость строительства, а также последующие эксплуатационные затраты. АСС диктует тип применяемых
строительных материалов, изделий и конструкций, строительные технологии
13
АРХИТЕКТУРНОСТРОИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА
Конструктивная подсистема
Пространственная подсистема
Подсистема материалов и изделий
ЭФФЕКТИВНОСТЬ
РЕСУРСОЕМКОСТЬ
(АСС)
Технологическая подсистема
Рис. 1. Схема взаимодействия подсистем АСС 31
и технологии производства материалов, ресурсоемкость строительства.
Востребованность материалов и изделий нового поколения обусловливается, как отмечалось, новыми архитектурно-строительными и конструктивными системами зданий. Поэтому при разработке концепции новых модификаций макропористых бетонов необходимо опираться на анализ архитектурно-строительных и конструктивных схем зданий и адаптированных к
ним материалов и изделий. В такой постановке взаимосвязанного рассмотрения составных технологических частей строительного производства следует
говорить о концепциях соответствующих строительных систем, ориентированных на определенные ниши жилищного и гражданского, городского и
сельского строительства.
Анализ различных типов конструктивных систем (каркасных, бескаркасных, объемно-блочных, комбинированных) позволил заключить, что наиболее перспективными с точки зрения реализации требований по повышению
теплозащиты зданий гибкости планировочных решений являются:
 каркасная конструктивная система для многоэтажного строительства,
 бескаркасная система с поперечными несущими стенами для многоэтажного и малоэтажного строительства,
 бескаркасная система с продольными несущими стенами для малоэтажного строительства.
14
Главным отличительным моментом здесь является то, что эффективность данных систем определяется разделением несущих и теплоизолирующих функций материалов в конструкциях (рис. 2). В предложенных вариантах стеновой материал заполняет пространство в пределах одного этажа здания, не выполняет несущих функций, и, следовательно, для него не обязательно наличие высоких прочностных характеристик, которые как раз и не
могут быть обеспечены при высокой пористости материала, создаваемой по
условиям получения соответствующих теплоизолирующих свойств. Для реализации предложенных вариантов применяемые макропористые бетоны
должны отвечать двум основным требованиям. С одной стороны, они должны обеспечивать высокий уровень теплозащитных свойств при сохранении
необходимых проектно-нормативных характеристик материала, с другой
стороны, создавать возможность применения гибких и универсальных технологических решений при их производстве. Матрица эффективных вариантов конструкций наружных стен зданий в одно-, двух- и трехслойном исполнении для мало- и многоэтажной застройки с применением мелкоштучных
газосиликатных изделий и монолитного поризованного бетона представлена
в табл. 2 30.
С учетом обозначенных факторов решение вопросов повышения термического сопротивления ограждающих конструкций жилых зданий может
опираться на сочетание применения двух традиционно выделяемых классов
макропористых бетонов - ячеистого бетона автоклавного твердения (газосиликата) и цементного макропористого бетона неавтоклавного твердения (поризованного бетона). Объединение возможностей поризованного бетона в
качестве материала для несущих элементов зданий и автоклавных ячеистых
бетонов пониженной средней плотности и ультралегковесных как материала
для ограждающих конструкций позволит, по нашему мнению, наиболее рационально обеспечивать современные требования к теплоэффективности
жилых зданий.
15
АСС здания
КАРКАСНАЯ
СИСТЕМА
Конструктивные элементы здания
КОЛОННЫ
Плотный мелкозернистый бетон
D1600
ПЕРЕКРЫТИЯ
ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЙ
СЛОЙ ПЕРЕКРЫТИЙ
ПЕРЕГОРОДКИ
НАРУЖНЫЕ САМОНЕСУЩИЕ СТЕНЫ
16
ФУНДАМЕНТЫ
D1400
D1200
D1000
D800
Поризованный
микрозернистый бетон
Поризованный мелкозернистый
бетон
Газосиликат
D400-D600
Газосиликат
D100-D200
Материалы
МОНОЛИТНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
ИЗДЕЛИЯ ЗАВОДСКОГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
Технологии изготовления материалов
Рис.2. Варианты использования макропористых бетонов в различных АСС зданий
АСС здания
БЕСКАРКАСНАЯ ПОПЕРЕЧНО-СТЕНОВАЯ СИСТЕМА
Конструктивные элементы здания
ФУНДАМЕНТЫ
ВНУТРЕННИЕ НЕСУШИЕ СТЕНЫ
ПЕРЕКРЫТИЯ
ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЙ
СЛОЙ ПЕРЕКРЫТИЙ
ПЕРЕГОРОДКИ
НАРУЖНЫЕ САМОНЕСУЩИЕ СТЕНЫ
17
Плотный мелкоD1600
D1400
D1200
зернистый бетон Поризованный мелкозернистый бетон
D1000
D800
Поризованный
микрозернистый бетон
Газосиликат
D400-D600
Газосиликат
D100-D200
Материалы
МОНОЛИТНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
ИЗДЕЛИЯ ЗАВОДСКОГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
Технологии изготовления материалов
Рис. 2 (продолжение). Варианты использования макропористых бетонов в различных АСС зданий
АСС здания
БЕСКАРКАСНАЯ ПРОДОЛЬНО-СТЕНОВАЯ СИСТЕМА
Конструктивные элементы здания
ФУНДАМЕНТЫ
ПЕРЕКРЫТИЯ
ВНУТРЕННИЕ
НЕСУЩИЕ СТЕНЫ
ПЕРЕГОРОДКИ
ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЯ
ПЕРЕКРЫТИЙ
НАРУЖНЫЕ НЕСУЩИЕ
СТЕНЫ
18
Плотный мелкоD1600
D1400
D1200
зернистый бетон Поризованный мелкозернистый бетон
D1000
D800
Поризованный
микрозернистый бетон
Газосиликат
D600
Газосиликат
D100-D200
Материалы
ИЗДЕЛИЯ ЗАВОДСКОГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
МОНОЛИТНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Технологии изготовления материалов
Рис.2 (продолжение). Варианты использования макропористых бетонов в различных АСС зданий
8
Таблица 2
Характеристика стен по вариантам их исполнения
Варианты исполнения
конструкции стены
.Монолитная стена из поризованного бетона (=700 кг/м3)
Кладка из газосиликатных мелких блоков:
=600 кг/м3
3
=500 кг/м
=400 кг/м3
Сопротивление теплопередаче стен - 3,030 м2К/Вт
расчетная тол- расчетная толщи- принятая масса 1
щина констна теплоизолитолщина м2 стерукционного рующего слоя, м
стены, м
ны, кг
слоя, м
Однослойная стена
0,775
-
0,80
560
-
-
0,50
0,40
0,35
320
220
150
0,357
0,281
0,53
0,43
515
425
0,34
300
0,25
190
Двухслойная стена
Стена из газосиликатных блоков с отделочным слоем из мелкозернистого поризованного бетона (=1000 кг/м3) при средней
плотности газосиликата:
=500 кг/м3
=400 кг/м
3
0,146
0,146
Трехслойная стена с термовкладышем
Стена из монолитного поризованного бетона ( =1200 кг/м3) с
термовкладышем из газосиликата - теплопора ( =200 кг/м3)
0,24
0,088
Комбинированная стена
Стена из монолитного поризованного бетона ( = 1200 кг/м3)
при материале теплоизолирующего слоя из газосиликата - теплопора ( = 200 кг/м3)
0,120
0,091
19
2. ПРОБЛЕМЫ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ СВОЙСТВ
ПОРИЗОВАННЫХ БЕТОНОВ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Для эффективного использования и расширения области применения
цементных поризованных бетонов нового поколения в монолитном строительстве необходимо всестороннее изучение их физико-механических
свойств. Применение поризованного бетона в качестве конструкционного и
конструкционно-теплоизоляционного материала требует оценки его расчетно-нормируемых характеристик не только непосредственно после окончания
технологического цикла, но и меры их изменения и сохранности во времени.
Такая постановка задачи представляется вполне закономерной, так как
результаты проведенных комплексных исследований являются основой разработки решений по технологии поризованных бетонов, а также нормирования и составления рекомендаций по проектированию конструкций.
2.1. Конструкционные свойства поризованных бетонов
Для решения задач разработки технологии цементных поризованных
бетонов была выполнена программа экспериментальных исследований процессов структурообразования и рецептурно-технологических факторов получения мелко- и микрозернистого поризованного бетона на основе типичных представителей природного и техногенного сырья. При осуществлении
разработок учитывались следующие предпосылки и требования:
1) для получения поризованного бетона должно использоваться минимально возможное число исходных сырьевых компонентов;
2) необходимым условием простоты технологии является несложность
подготовки сырья, поэтому получение поризованного бетона на основе
различных видов природного и техногенного сырья не должно требовать
дополнительной их переработки;
3) поризованный бетон должен обладать достаточной несущей способностью - пределом прочности при сжатии на уровне нормируемых требований к материалам несущих и самонесущих конструктивных элементов зданий высотностью 4-5 этажей;
4) пористость бетона должна обеспечивать такой уровень теплоизолирующей способности, чтобы стена из него по критерию материалоемкости
могла конкурировать со стенами из ячеистых и легких бетонов;
20
5) бетон должен отличаться высокой эксплуатационной трещиностойкостью, для этого он должен обладать минимально возможной усадочностью и максимально возможной вязкостью разрушения;
6) морозостойкость бетона должна быть на уровне нормируемых для стеновых материалов требований.
При постановке и проведении исследований в факторном пространстве
регулирования компонентного состава бетонной смеси варьировались количественное содержание, химико-минералогический состав и гранулометрия
мелко- и микродисперсных наполнителей, вид и дозировки ПАВ, водотвердое отношение (табл. 3). Гранулометрический состав используемых заполнителей и наполнителей варьировался в диапазоне от микродисперсных с Sуд =
300 м2/кг до мелкодисперсных с Мк = 2,3; химический состав изменялся от
ультракислых до ультраосновных (по Косн согласно классификации П.И. Боженова). Характеристика сырьевых материалов представлена в табл. 4.
Таблица 3
Характеристика факторного пространства исследований условий получения
поризованных бетонов
Средняя
плотность
бетона, кг/м3
600
800
1000
1200
800
1000
1200
1400
1600
Характеристики состава бетонной смеси
В/Ц
В/Т
Содержание заполнителя,
Дозировка добавки ПАВ
3 3
м /м объема твердой фазы
Микродисперсная смесь, Sуд. нап .= 150-350 м2/кг
0,3-0,35
0,4-0,5
0,25 % от массы сухих компонентов
0,3-0,35
0,4-0,55
0,2 % от массы сухих компонентов
0,3-0,32
0,4-0,6
0,15 % от массы сухих компонентов
0,3-0,32
0,4-0,6
0,1 % от массы сухих компонентов
Мелкодисперсная смесь, Мк = 0,8…2,5
0,5-0,8
0,5-0,6
0,2 % от массы цемента
0,4-0,7
0,5-0,6
0,15 % от массы цемента
0,4-0,6
0,5-0,6
0,1 % от массы цемента
0,35-0,6
0,5-0,7
0,07 % от массы цемента
0,35-0,6
0,5-0,7
0,05 % от массы цемента
21
Таблица 4
Характеристика микро- и мелкодисперсных наполнителей
и заполнителей поризованного бетона
Вид
Гранитные отсевки
Кварцевый песок
Пылевидный песок
Хвосты обогащения
ГОК
Карбонатсодержашая
пыль-унос цементного
производства
Зола-уноса ТЭЦ
Группа
по крупности
Мк=2,3
Мк=1,2
Мк=0,8
Мк=0,9
Характеристика
Удельная площадь поИнтегральная оценка
2
верхности, см /г
по Косн
800
250-470
0,003 – кислое сырье
0,01 – кислое сырье
0,03 – кислое сырье
0,4 – кислое сырье
Мк=0,8
900
3,32 – ультраосновное
сырье
-
3000
-0,17 – ультракислое
сырье
В ходе исследований для полученных разновидностей поризованных
бетонов произведена комплексная оценка основных конструкционных характеристик: прочности, вязкости разрушения, влажностной усадки, морозостойкости, теплопроводности. При проведении испытаний кубиковая Rm,
призменная Rb прочность, прочность на растяжение Rbt, модуль упругости Еб,
коэффициент теплопроводности , морозостойкость определялись по стандартным методикам; предельная растяжимость, прочность бетона на растяжение при изгибе оценивались как по стандартным методикам, так и по результатам испытаний образцов по схеме четырехточечного изгиба; для получения показателя КIc проводились испытания образцов размером
4040160 мм, имевших искусственную трещину – надрез 32.
Комплексная оценка свойств (табл. 5,6) позволила определить рациональные направления использования исследованных видов мелко- и микродисперсных наполнителей для получения поризованного бетона различной
средней плотности и обосновать его рациональные составы.
Установлено, что применение песка естественной гранулометрии с величиной Мк1,2, отсевок камнедробления Мк2,3 представляется возможным
и оказывается эффективным для бетона средней плотности 1200...1600 кг/м3.
Использование данного вида бетона для несущих и самонесущих конструкций зданий (внутренних несущих стен, перекрытий, перегородок) следует
считать рациональным, так как обеспечивает снижение материалоемкости
22
Таблица 5
Показатели свойств мелкозернистого поризованного бетона
Марка поризованного бетона
по средней плотности
D1600 D1400 D1200 D1000 D800
Показатели свойств
Прочность при сжатии (кубиковая) Rm, МПа
14,0
6,0
2,5
1,0
0,5
Прочность при сжатии (призменная) Rb, МПа
12,0
5,3
3,0
1,3
0,5
Прочность при растяжении Rbt, МПа
2,3
1,5
0,8
0,4
0,2
Модуль упругости, МПа
22000
12000
6000
3000
1000
Предельная растяжимость  ubt, мм/м
0,15
0,18
0,20
0,23
0,26
Вязкость разрушения КIc, кН/м3/2
200
110
60
30
15
Деформации влажностной усадки , мм/м
0,8
0,8
0,8
1,0
1,0
Марка по морозостойкости
>35
>35
35
35
15
W = 0%
0,35
0,28
0,24
0,21
0,12
W = 8%
0,52
0,44
0,38
0,29
0,21
Коэффициент теплопроводности при
влажности, Вт/ м 0С
Таблица 6
Показатели свойств микрозернистого поризованного бетона
Показатели свойств
Прочность при сжатии (кубиковая) Rm, МПа
Прочность при растяжении Rbt,
МПа
Модуль упругости, МПа
Предельная растяжимость  ubt,
мм/м
Вязкость разрушения КIc, кН/м3/2
Деформации влажностной усадки
, мм/м
Марка по морозостойкости
Коэффициент теплоW = 0%
проводности при
W = 8%
влажности, Вт/ м 0С
Марка поризованного бетона по средней плотности
мелкозернистый
микрозернистый
на немолотом песке
на молотом
на пылипеске
уноса
D1600 D1400 D1200 D1000 D800 D1000 D800
15,0
8,0
4,0
4,5
3,2
3,7
2,6
3,3
2,2
1,3
1,2
0,75
1,2
0,75
18000
10
000
5100
3900
2200
3400
2200
0,12
0,18
0,25
0,36
0,49
0,38
0,41
225
150
100
75
45
85
55
0,8
0,8
0,8
1,5
1,7
2,5
3,4
>35
0,35
>35
0,28
35
0,24
35
0,22
35
0,16
35
0,22
35
0,18
0,52
0,44
0,38
0,34
0,27
0,41
0,35
23
несущих конструкций, позволяет использовать местное сырье при минимальных затратах на подготовку сырьевых компонентов.
Использование пылевидных песков представляется допустимым для
получения поризованного бетона во всем рассмотренном диапазоне его средней плотности. Применение данного вида бетона можно рассматривать как
возможное для всех конструкций малоэтажных зданий.
Важно подчеркнуть, что величина средней плотности 1150-1250 кг/м3
является граничной по возможности и целесообразности использования микродисперсных зернистых включений при получении поризованных бетонов.
Использование микродисперсных наполнителей представляется эффективным для бетона средней плотности 800…1200 кг/м3. При этом наиболее высокой прочностью обладают бетоны на основе золы-уноса. В первую очередь
это может быть обусловлено фактором обеспечения квазиоднородности
структуры межпоровых перегородок в силу наименьшего размера включений
из всех рассмотренных вариантов.
Для получения бетонов плотностью 800...1000 кг/м3 целесообразно
применение микродисперсных техногенных отходов, преимущество использования которых в сравнении с молотым песком обусловлено отсутствием
необходимости дополнительной их обработки измельчением.
При решении вопросов управления технологией строительных материалов требуется исходить из условий обеспечения рассмотренного комплекса строительно-технических свойств не только на момент изготовления, но и
на протяжении всего периода эксплуатации в условиях действия комплекса
механических нагрузок и физико-климатических факторов. Как известно,
долговечность материала, надежность конструкций определяются интенсивностью деструктивных процессов в материале, происходящих от их суммарного действия. Среди них для поризованных бетонов наиболее значимыми
оказываются влажностные воздействия, так как именно от них зависит проявление практически всех конструкционных свойств – прочности, деформативности, морозостойкости, теплопроводности, среди которых критическими
для долговечности являются влажностная усадка и морозостойкость.
24
2.2. Механизм влияния влажностного состояния
на проявление конструкционных свойств
композиционных строительных материалов
При изменении влажностного состояния проявление конструкционных
свойств материала как структурированной системы определяются количественным содержанием и соотношением различных видов воды в его структуре. Общая физическая и химическая природа влияния находящейся в структуре твердого тела воды на его свойства понимается как результат складывающегося в ней баланса внутренних сил, параметры которого определяются
соответственно формой и энергией связи воды.
Дисперсным капиллярно-пористым системам (согласно П.А. Ребиндеру) присущи различающиеся по природе и энергии формы связи структуры с
водой 28:
 химическая (связь в точных количественных соотношениях), обусловленная электростатическими силами взаимодействия (первичными и
вторичными валентностями ионов);
 физико-химическая (связь в различных нестрого определенных соотношениях), определяемая молекулярным силовым полем поверхности
твердой фазы;
 физико-механическая (связь в неопределенных соотношениях), обусловленная наличием капиллярного давления, поверхностным натяжением жидкости, а также механическим удерживанием в поровой структуре.
Для строительных материалов эти формы связи воды реализуются в
следующих ее видах:
1) кристаллической (конституционной), входящей в структуру решеток
различных кристаллогидратов в форме ОН-групп с энергией связи Есв = 600 800 кДж/моль; гидратной и межслоевой (в пакетах кристаллов) в виде молекулярной воды, "связанной" координационно-ненасыщенными атомами и
ионами кристаллической решетки минералов (Есв = 400-600 кДж/моль);
2) адсорбционной, образующейся за счет адсорбционного "притяжения"
молекул воды к активным адсорбционным центрам поверхности минералов.
Среди нее выделяются две разновидности: с наибольшей энергией притяжения к поверхности (около 40 - 120 кДж/моль) - вода мономолекулярной ад-
25
сорбции и с меньшей энергией связи (≈40 кДж/моль) - вода полимолекулярной адсорбции;
3) капиллярно-конденсированной (Есв = 0,5-40 кДж/моль) и капиллярнонасыщенной (Есв = 0,05-0,5 кДж/моль), удерживаемой в строительных материалах капиллярными силами водных менисков;
4) макропоровой свободной; в строительных материалах она делится на
два вида: воду условно-замкнутую в крупных порах (она не участвует в процессах фильтрации) и фильтрационную свободную воду.
Таким образом, энергия связи видов воды со структурой изменяется в
диапазоне от 0,05 до 800 кДж/моль в зависимости от вещественного состава
и других характеристик структурных составляющих материала, ответственных за реализацию той или иной формы их взаимодействия с водой. Модифицирование структуры твердой фазы и порового пространства материала
является прямым средством регулирования сил его взаимодействия с водой.
Происходящее при эксплуатации изменение содержания различных видов
воды в структуре материала закономерно приводит к нарушению баланса
сил и, как следствие, к непрерывной трансформации конструкционных характеристик и свойств, мера чего, в свою очередь, определяется характеристиками структуры материала. Физико-химическая природа влияния влажностного состояния на свойства строительных материалов - показатели сопротивления разрушению, объемные деформации набухания-усадки, теплопроводность, морозостойкость и др. - должна поэтому раскрываться с учетом
меняющегося и складывающегося баланса сил связи видов воды со структурой материала.
Влияние влажностного состояния на показатели сопротивления
материала разрушению рассматривается в рамках действия эффекта Ребиндера, в соответствии с которым понижение прочности увлажненных твердых
тел термодинамически обусловлено уменьшением работы образования новой поверхности при их деформации и разрушении вследствие понижения
запаса свободной поверхностной энергии твёрдого тела в процессе адсорбции жидкой фазы. Молекулярная природа эффекта состоит в облегчении разрыва и перестройки межмолекулярных (межатомных, ионных) связей в твёрдом теле в присутствии адсорбционно-активных инородных молекул (атомов, ионов).
Адсорбционное понижение прочности определяется тремя группами
факторов 33,34:
26
1) химическим сродством газовой и жидкой фазы среды и материала;
2) неоднородностью (дефектностью) структуры материала;
3) условиями деформирования и разрушения материала.
Факторы первой и второй группы соотносятся с механизмом зарождения
трещины, а факторы третьей группы - с зависимостью скорости ее роста в
присутствии адсорбционно-активной среды от вида, скорости приложения
механических нагрузок и механизма распространения жидкой фазы в структуре твердого тела.
Факторы первой группы определяют характер взаимодействий между
молекулами (атомами) жидкой и твердой фазы в поверхности раздела этих
фаз. Как было отмечено Ребиндером, наибольшее понижение прочности
твердого тела имеет место при его контакте с жидкой средой, близкой деформируемому телу по характеру межатомных взаимодействий. Это обусловлено тем, что процессы, лимитирующие адсорбционное понижение
прочности, локализованы не в объеме жидкой фазы, а вблизи фронта растущей трещины. Роль же жидкой фазы как адсорбционно-активного компонента подобных систем определяется гидролитической стимуляцией термофлуктуцонных актов (по Журкову) разрыва межатомных связей, активируемого приложенными напряжениями.
Это условие, по-видимому, выполняются для большинства неорганических строительных материалов при их взаимодействии с водой. При всем
разнообразии их состава и структур они всегда образованы полярными веществами, содержащими в основном связи Si—О и связи Ме-О, которые в той
или иной степени подвержены гидролитическому расщеплению. Эти связи
играют различную по их вкладу роль при разрушении в связи с тем, что гидролиз кремнекислородных связей более затруднен по сравнению с гидролизом полярных связей катион — кислород.
Роль факторов второй группы определяется такими особенностями
структуры материала, как неоднородность, дефектность, мера которых зависит от количественных и качественных характеристик зернистых включений, пор, наличия и размера зародышевых микротрещин и т. п. Следует подчеркнуть, что адсорбционно-активная среда сама по себе не создает дефектов
в теле, она лишь облегчает их развитие. В строительных материалах дефек2
ты, зародышевые микротрещины с «длиной Гриффитса» l  Е / P , как
правило, находятся изначально. Кроме того, роль дефектов выполняют поры,
ослабленные границы между частицами разных фаз, а также другие микро- и
27
макронеоднородности. Влияние структурных элементов твердого тела на интенсивность адсорбционного действия среды заключается в том, что они обладают избыточной свободной энергией, проявляющейся в виде энергии контактной зоны, энергии порового пространства. Наличие такого связанного с
дефектами и неоднородностью структуры запаса энергии в деформируемом
твердом теле приводит к тому, что в присутствии адсорбционно-активной
среды трещинам разрушения оказывается термодинамически более выгодным развиваться вдоль границ контактов и по разделу фаз.
По Гриффитсу, подрастание имеющейся в материале зародышевой
трещины (дефекта) оказывается возможным лишь в том случае, когда энергия внешних сил, затрачиваемая на ее продвижение, будет по крайней мере
равной соответствующему приращению поверхностной энергии тела за счет
образования поверхности разрушения:
Р0  (4Е / l )1 / 2 ,
(2.1)
где Р0 – разрушающее напряжение;  - удельная поверхностная энергия; Е – модуль упругости; l - длина зародышевой трещины.
Из соотношения Гриффитса следует, что сопротивление разрушению
может изменяться, в частности, когда изменяется величина удельной поверхностной энергии твердой фазы . А это становится возможным при адсорбционном взаимодействии твердой фазы с газовой и жидкой фазой эксплуатационной среды. Понижение величины поверхностной энергии твердого тела
происходит не только при адсорбции паров. В такой же или еще в большей
мере оно наблюдается и при капиллярной конденсации с непрерывным переходом к контакту твердого тела с объемной жидкой фазой.
Итак, эффекты снижения прочности твердых тел в результате понижения их поверхностной энергии при контакте с жидкой фазой также включаются в обобщенный механизм адсорбционного понижения сопротивления
разрушению.
Влияние факторов третьей группы (условий деформирования и разрушения твердого тела) на проявление эффекта Ребиндера связано с закономерностями процессов распространения жидкой фазы от основания трещины к ее вершине. Именно эти процессы обеспечивают проникновение атомов (или молекул) жидкой фазы к новой поверхности, возникающей в твер28
дом теле при его деформации и разрушении, адсорбцию этих атомов (или
молекул) на новой поверхности непосредственно в момент ее образования.
Распространение жидкости осуществляется по механизмам 29: капиллярного течения жидкости внутри трещины, растекания жидкости по поверхности трещины, поверхностной диффузии монослоев в непосредственной близости от вершины трещины, нерегулярной диффузии по различным дефектам
структуры в зоне предразрушения. Анализ данных механизмов показывает,
что трещина может расти лишь по мере распространения жидкой фазы вдоль
ее стенок к вершине, так как разрушение материала происходит по мере проникновения жидкости в зону предразрушения. При этом если материал находится под действием напряжений, достаточных для роста трещины в присутствии жидкой среды, то остановка развития трещины и прекращение ее роста могут произойти только из-за прекращения подачи жидкости в вершину
трещины. Внешние воздействия среды (температура, скорость нагружения,
характер приложенных напряжений) способствуют усилению эффектов понижения прочности в том случае, если они вызывают ускорение распространения жидкой фазы в структуре материала. Интенсивность распространения
жидкости определяется следующими параметрами среды и материала: вязкостью жидкой фазы, которая зависит от температуры и энергии связи с
твердой поверхностью; количеством жидкости и условиями смачивания поверхности, микрорельефом поверхности, от которых зависят капиллярное течение жидкости в трещине и растекание фазовой пленки по ее стенкам. Эффект понижения прочности должен усиливаться при повышении температуры и влажности материала, так как при прочих равных условиях нагревание
обеспечивает снижение вязкости жидкой фазы, облегчение условий смачивания, а повышение влагосодержания способствует быстрому заполнению всей
полости образующейся трещины и проникновению жидкости к поверхности
разрушения именно в момент ее образования. Наряду с этим более опасным
можно считать действие статической нагрузки по сравнению с динамической, так как при высокой скорости нагружения скорость роста трещины
значительно превышает скорость распространения жидкости по поверхности
твердой фазы и в объеме трещины.
Из всего сказанного следует вывод, что вода выступает в качестве активного участника процессов разрушения строительных материалов во всем
диапазоне их влажностных состояний – от малоувлажненного до водонасыщенного. Управляющее воздействие на эффект снижения показателей сопро29
тивления разрушению материалов во влажном состоянии может достигаться
посредством модифицирования следующих структурных их характеристик:
 объема, площади поверхности и удельной поверхностной энергии
твердой фазы (определяется химико-минералогическим составом;
морфологией и дисперсностью структурных элементов);
 объемной доли пор и распределения их по размерам, краевого угла
смачивания жидкостью поверхности твердой фазы.
Механизм влажностных деформаций набухания-усадки может рассматриваться в рамках представлений о том, что их проявление предопределяется изменением напряженного состояния материала, изменением его объема вследствие высвобождения сил, участвующих в связи твердой фазы и
порового пространства с жидкой фазой. При увлажнении-обезвоживании материала проявляется действие:
а) капиллярных сил и сил поверхностного натяжения, если изменяется
содержание капиллярно- и адсорбционно связанной воды;
б) сил когезионного и адгезионного взаимодействия в контактах дисперсных частиц, сил внутренних связей в кристаллогидратах, если изменяется содержание межслоевой, гидратной и межкристаллической воды;
в) сил упругого противодействия твердой фазы ее деформированию силами поверхностного натяжения при полном обезвоживании на фоне одновременно протекающих релаксационных процессов в ней. В итоге величина
влажностных деформаций на различных стадиях увлажнения-обезвоживания
оказывается функцией (рис. 3) равнодействующей этих сил.
Мера этих сил в материале принимается и считается зависящей от его состава и структуры, чем собственно и обусловливается возможное содержание в
материале видов воды и баланс сил ее связи со структурой. Проявление же
действия этих сил зависит от степени увлажнения-обезвоживания и соответственно вида удаляемой или поглощаемой воды. В отношении влажностной
усадки данное положение может иллюстрироваться типовой кривой
(по А.Е. Шейкину 37) деформаций цементного камня в условиях квазистатического его обезвоживания (рис. 4). Характер такой кривой принципиально изменяется в зависимости от параметров структуры строительных материалов
(рис. 5). Регулирование баланса сил и управление величиной возможной
влажностной усадки материала может достигаться посредством изменения
количественных и качественных характеристик состава и структуры, влияющих на усадку, согласно общей зависимости
a
 Vц.в.  Vпор 
d
  S тв .ф.b  rэ c  q тв
 w  A
.ф . ,
 V зап

30
(2.2)
П Е Р И О Д Ы
I
II
III
IV
Fk
F
F()
Влагосодержание
max
min

Время высыхания
-Fs
F() – равнодействующая составляющих
усадочного напряжения: F - капиллярной контракции; - FS - напряжения противодействия структуры; Fк – напряжения
когезионно-адгезионного взаимодействия
в контактах частиц.
Периоды: I – удаление свободной воды;
II - удаление
капиллярно-насыщенной
воды; III - удаление капиллярноконденсированной воды, завершающееся
полным «снятием» сил капиллярного стяжения; IV – удаление адсорбционносвязанной воды, гидратной и кристаллохимически связанной воды
Рис. 3. Развитие усадочного напряжения F() при удалении влаги
из материала (по А.С. Аведикову, М.С. Острикову, Г.Д. Диброву 36)
Влагосодержание
max
0
0
Усадка
D
B
A
C
max
E
О Б Л А С Т И
1 2
3
4
F
Области
1 – влажного состояния;
2,3 – гигроскопического состояния;
4 – сухого состояния или удаления межслоевой и внутрикристаллической
воды.
Участки деформаций
АВ – от удаления свободной и части капиллярно-насыщенной воды;
ВС - от удаления
капиллярнонасыщенной воды;
CD - от удаления
капиллярноконденсированной воды при полном
«снятии» сил капиллярного стяжения;
DЕ – от удаления адсорбционносвязанной воды;
EF – от удаления гидратной и кристаллохимически связанной воды
Рис. 4. Типовая кривая влажностной усадки цементного камня
в условиях квазистатической сушки (по А.Е. Шейкину 37)
31
Влагосодержание
Влагосодержание
Wкн
Wкк
Wкн
0
кн
кн
Усадка W
кк
ам
0
кк
Влагосодержание
Wам Wкк
0
0
Wкн
max
Тип III
max
max
ам
32
Усадка W
Wам
max
кк кн
Wкк
0
Усадка W
Wам
max
ам
0
max
Тип I
Тип II
εw - полная влажностная усадка;
εкн - усадка на этапе удаления капиллярно-насыщенной воды Wкн
εкк - усадка на этапе удаления капиллярно-конденсированной воды Wкк
εам - усадка на этапе удаления адсорбционной и межслоевой воды Wам
Рис. 5. Типичные кривые усадки строительных материалов при обезвоживании (по Е.М.Чернышову 38):
Тип I характерен для материалов со структурой, определяющей максимальные значения величины усадки на всех этапах обезвоживания;
Тип II характерен для материалов с промежуточными характеристиками структуры;
Тип III характерен для материалов со структурой, определяющей минимальные значения величины усадки на всех этапах обезвоживания.
32
где А – коэффициент пропорциональности для конкретного материала; Vц.в.объем цементирующего вещества; Vпор – объем пор; Vзап – объем зерен заполнителя; Sтв.ф - площадь поверхности частиц твердой фазы; qтв.ф - удельная
поверхностная энергия твердой фазы; rэ – средний эквивалентный радиус
пор; a, b, c, d – коэффициенты меры соответствующих параметров структуры
материала на его влажностную усадку.
Существо влияния влажностного состояния материала на его теплофизические характеристики, в частности на коэффициент теплопроводности, объясняется согласно положениям строительной теплофизики 39-42,
опирающимся в данном вопросе на принцип Максвелла. Влажный строительный материал рассматривается как дисперсная система, состоящая из
трех компонентов – частиц твердого тела, воды и воздуха между ними, вносящих свой соответствующий определенный вклад в механизмы процессов
теплопереноса в увлажненном материале. В такой системе передача тепла
через твердую и жидкую фазу материала происходит посредством теплопроводности, а в порах, заполненных влажным воздухом, теплопередача дополнительно осуществляется конвекцией и излучением.
Коэффициент теплопроводности  строительного материала в сухом
состоянии определяется объемом и структурой пористости, химикоминералогическим составом твердой фазы. При увлажнении материала влага,
вытесняя воздух, сначала покрывает поверхность пор, а затем заполняет их
частично или полностью. Поскольку теплопроводность воды выше, чем воздуха, то теплопроводность материала закономерно повышается по мере его
увлажнения. Одновременно существенный вклад вносят процессы термоградиентного влагопереноса в увлажненном материале, когда дополнительные
порции тепла переносятся потоками жидкости и пара. Зависимость теплопроводности от влажности материала является нелинейной, и решающее
влияние на величину коэффициента теплопроводности во влажном состоянии оказывает форма связи воды со структурой (рис. 6). В области гигроскопического состояния, когда в структуре уже присутствует вода в жидком состоянии, а вклад влагопереноса в передачу тепла еще невелик, температуропроводность материала резко повышается, так как вода является одним из
наиболее теплоинерционных веществ. Коэффициент теплопроводности увеличивается наиболее сильно, когда объем жидкости в порах становится
больше объема водяного пара, то есть при наличии в структуре капиллярносвязанной воды. Дополнительный вклад капиллярной воды в микропорах в
33
(W)
(W0)
Область влажного состояния
W0
Область гигроскопического влагосодержания
a(W0)
Область содержания адсорбционной влаги
a(W)
W0
Wmax
Wmax
Рис. 6. Общий характер зависимости коэффициента температуропроводности а
и теплопроводности  э от влажностного состояния материала
механизм переноса тепла обусловлен ее молекулярным течением. Если объем
жидкости в материале становится меньше по сравнению с объемом в виде пара, теплопроводность резко падает. Когда же влагосодержание определяется
лишь адсорбционно-связанной водой, теплопроводность принимает наименьшие значения и близка к теплопроводности сухого вещества и подчиняется закону Фурье для молекулярного переноса тепла, то есть определяется
градиентом температуры и теплопроводностью твердой фазы. Дополнительной причиной снижения теплопроводности материала при наличии в нем
только адсорбционной воды является снижение температуропроводности
данного вида воды по сравнению со значениями, характерными для свободной воды.
Таким образом, для величины теплопроводности тела во влажном состоянии определяющая роль принадлежит количественному соотношению
различных видов воды, что зависит от распределения объема пор по размерам в материале, состава и структуры его твердой фазы.
Во всех процессах морозной деструкции главное место принадлежит
гигрометрическим характеристикам материала, которые и определяют интенсивность и меру развития гигромеханических процессов при замораживании, а тем самым меру дилатометрических эффектов и скорость морозного
34
разрушения. Морозное разрушение и морозостойкость строительных материалов по их механизму трактуется, соответственно, как процесс и как следствие процесса накопления повреждений в увлажненном материале при воздействии на него среды с циклически меняющейся отрицательной и положительной температурой. Накопление повреждений в микрообъеме материала
представляется результатом кристаллизационных и одновременно совокупности гигромеханических явлений (кристаллизационного давления льдообразования, гидростатического и гидравлического давления воды), связанных с
преобразованием жидкой фазы в криофазу (льдофазу) 38,39. При этом критериальными для развития морозной деструкции считаются два основных
фактора:
1) критическая степень насыщения объема пор водой (91,7%),
2) температура замерзания воды в материале.
Однако и при докритических значениях степени насыщения пор водой
не исключается возможность интенсивного морозного разрушения от действия кристаллизационного льдообразования. Дело в том, что морозная деструкция в макрообъеме, то есть в конструкции, в условиях одностороннего ее
охлаждения оказывается результатом развития гигромеханических процессов
массопереноса, миграции жидкой фазы в направлении к охлаждаемой поверхности, накопления вблизи нее с льдообразованием. В зоне одностороннего охлаждения содержание жидкой фазы может достигать и превышать
критическое значение, при котором льдообразование способно привести материал к быстрому слоистому разрушению 43.
Критериальный для развития морозной деструкции фактор (температура
замерзания воды в материале) зависит от силы связи воды со структурой материала, предопределяемой адсорбционной активностью поверхности твердой фазы (характеризуется теплотой смачивания qтв.ф), сродством жидкой
фазы к твердой фазе (характеризуется краевым углом смачивания  ), распределением объема порового пространства по радиусу пор drпор/dVпор (характеризуется средним эквивалентным радиусом пор rэ). В зависимости от
структуры материала значение температуры замерзания воды в нем может,
как известно, находиться в интервале 0 0С  -70 0С (табл. 7), а мера деформирования материала при замораживании (рис. 7), являющаяся следствием и
«тестом» возможного проявления кристаллизационного давления при льдо35
образовании, может отличаться на два порядка.
Таблица 7
Зависимость температуры замерзания воды от радиуса пор 44
(на примере силикатного бетона)
Радиус пор, нм
12
12-20
20-100
100
Температура замерзания воды, 0С
-(35÷40) 0С
-(10÷15) 0С
-5 0С
0 0С
Определяющим для развития морозной деструкции может являться
фактор массопроводности материала в термоградиентных условиях его эксплуатации в конструкции. Можно представить такие структуры материала, у
которых сила связи воды с твердой фазой и поровым пространством такова,
что достижение термодинамического (теплового) равновесия в односторонне
охлаждаемой конструкции будет обеспечиваться не тепло- массопереносом, а
преимущественно теплопереносом без сколько-нибудь существенной миграции влаги из теплых зон в охлаждаемые зоны. В этом случае не смогут формироваться слои с критическим влагосодержанием в материале, и сегрегациб) микропористые структуры
а) макропористые структуры
=1200105
+
+
Водонасыщенный
материал
Водонасыщенный
материал
=20105
-t
-80
-40
+ 20
-t
+t
-80
-40
+20
+t
Сухой материал
Сухой материал
-
-
Рис. 7. Дилатометрические эффекты при замораживании сухих
и водонасыщенных образцов макро- и микропористых строительных
материалов 39
36
онное слоистое льдообразование будет исключаться.
Рассмотренные условия влияния гигрометрических особенностей на
морозную деструкцию строительных материалов относятся к направлению
повышения морозостойкости за счет формирования микропористых плотных
их структур. Другое направление соотносится, как известно, с созданием резервного (свободного от жидкости) объема макропористого пространства в материалах, в который может гидравлически отжиматься жидкая фаза при льдообразовании в заполненных водой капиллярных порах. И это другое направление по сути своей также подразумевает регулирование гигрометрических характеристик строительных материалов, а на этой основе возможность управления развитием и проявлением гигромеханических процессов при замораживании-оттаивании и в итоге интенсивностью морозной деструкции материала.
Таким образом, влияние влажностного состояния строительных материалов на конструкционные свойства закономерно определяется силой связи
воды с твердой фазой и поровым пространством материала, а вернее, балансом сил, который может складываться в структуре материала при изменении
его влагосодержания. В результате показатели конструкционных свойств материалов при эксплуатации оказываются функцией их влажностного состояния.
На основе структурного подхода обоснованы принципы и условия
управления конструкционными свойствами строительных материалов, реализуемые посредством варьирования параметров состава и структуры материала, ответственных за интенсивность взаимодействия материала с водяным
паром и водой эксплуатационной среды и, следовательно, за баланс сил в его
структуре при изменении влажностного состояния.
Регулирование баланса сил и соответствующее управление мерой изменения основных конструкционных свойств материала достигается посредством следующей системы структурных факторов:
1) соотношением объемов структурных составляющих Vтв.ф, Vn, Vж.ф. в материале;
2) удельной площадью поверхности твердой фазы,
3) видом связей между структурными элементами твердой фазы, их количеством в единице объема; размером структурных элементов и однородностью их размещения в объеме материала;
37
4) удельной поверхностной энергией твердой фазы, связанной с ее химикоминералогическим составом и структурой (экспериментально характеризуется удельной теплотой смачивания),
5) распределением пор материала по размерам,
6) краевым углом смачивания жидкостью поверхности твердой фазы.
Соответственно
этому
определена
совокупность
рецептурнотехнологических факторов, позволяющих осуществлять такое регулирование
применительно к цементным поризованным бетонам, а именно: вид, дозировки цемента и химических добавок, В/Ц-отношение, вид, гранулометрия,
объемная доли микронаполнителя и заполнителя, условий гидратации и
твердения.
Рассмотренные положения явились основой научных исследований вопросов регулирования конструкционных свойств цементных поризованных
бетонов (показателей сопротивления разрушению, деформативности, теплопроводности, морозостойкости) при изменении влажностного состояния.
2.3. Закономерности изменения влажностного состояния
цементных поризованных бетонов как функции их структуры
В исследованиях цементные поризованные бетоны были представлены
образцами типичных мелкозернистых и микрозернистых структур, полученных на различных видах заполнителя и наполнителя.
В экспериментах использовались образцы с постоянным значением Ц:Н
= 1:1,75 для всех видов бетона. В/Т- отношение назначалось исходя из условия обеспечения поризации бетонной смеси. Требуемая средняя плотность
бетонной смеси и бетона достигалось изменением дозировки воздухововлекающей добавки «Пеностром» в пределах 0,2 - 0,25 % от массы твердой фазы. В опытах использовались цемент портландский ПЦ-500ДО; в качестве
наполнителей применялись материалы, отличающиеся по дисперсности и активности по отношению к воде (табл. 8,9).
При изучении процессов взаимодействия с водяным паром и водой моделировались влажностные режимы, в которых может оказаться эксплуатируемый поризованный бетон в конструкции.
С этой целью в гигростатах в изотермических условиях (20  5)0С создавали модельные среды с относительным парциальным давлением водяного
пара р/р0=0,32;0,5;0,75;1,0. Параметры гигрометрического состояния
38
материала определялись:
1) после выдерживания высушенных образцов в указанных средах;
2) после водонасыщения;
3) после обезвоживания (десорбции) водонасыщенных образцов в аналогичных средах.
Таблица 8
Гигрометрические характеристики
мелкозернистого плотного и поризованного бетона
Гигрометрические
характеристики
Параметры структуры
Параметры структуры
и гигромеханические характеристики
Объем цементного камня, м3/м3
Объем микронаполнителя, м3/м3
Объем заполнителя, м3/м3
Объем микропор, м3/м3
Объем макропор (воздухововлечения), м3/м3
Средний эквивалентный радиус
макропор, мкм
Степень гидратации цемента, %
Минералогический состав цементирующего вещества
Удельная площадь поверхности
твердой фазы, м2/г
Удельная поверхностная энергия
твердой фазы, Дж/г
Адсорбционно-конденсационная
емкость, % по массе (над чертой); степень заполнения объема
пор водой, Vжф/Vпор, м3/м3 (под
чертой) при р/р0=0,98
Капиллярное насыщение, г/см2
Водонасыщение по массе, %
Водонасыщение по объему, %
Соотношение объемов жидкой
фазы и объема пор в водонасыщенном состоянии, Vжф/Vпор,
м3/м3
Соотношение объемов жидкой и
твердой фазы в водонасыщенном
состоянии, Vжф/Vтв.ф., м3/м3
Плотный
на наполна портненном
ландцепортландменте
цементе
0,29
0,15
0,13
0,54
0,51
0,17
0,21
Поризованный
D1600 D1200 D800
0,22
0,40
0,12
0,16 0,11
0,30 0,20
0,10 0,09
-
-
0,24
0,44 0,62
-
-
120
360
820
74
76
61
61
61
Са(ОН)2, C-S-H (II), низкосульфатные гидросульфоалюминаты кальция
75
<2
39
2,3
0,28
1,4
0,14
2,8
0,12
2,9 4,4
0,07 0,06
0,63
7,6
15,9
0,51
8,1
16,6
0,62
10,3
13,7
0,55 0,42
11,0 11,8
10,5 9,4
0,93
0,79
0,45
0,27 0,17
0,19
0,21
0,21
0,22 0,31
Таблица 9
Гигрометрические характеристики поризованных бетонов
на основе различных видов наполнителей
Гигрометрические характеристики
Параметры структуры
Параметры структуры и
гигрометрические характеристики
Марка поризованного бетона по средней плотности
мелкозернимикрозернистый
микрозернистый
стый
(на молотом пес(на немолотом
(на пыли-уноса)
ке)
песке)
D1000 D800
D1000
D800
D1000
D800
Объем цементного камня
0,18
0,16
в бетоне, м3/м3
Объем зернистых вклю0,25
0,22
чений в бетоне, м3/м3
Объем пор (воздухововлечения и микропор) в
0,53
0,62
3 3
бетоне, м /м
Средний эквивалентный
диаметр пор воздуховов460
820
лечения, мкм
Средний эквивалентный
230
диаметр зернистых
(песок
включений, мкм
с МК = 1,2)
Теплота смачивания водой зернистых включе0,71
ний, кДж/кг
Удельная площадь поверхности твердой фазы,
75
2
м /г
Удельная поверхностная
энергия твердой фазы,
<2
Дж/г
Адсорбционноконденсационная емкость,
% по массе (над чертой);
3,5
4,4
степень заполнения объе0,07
0,06
ма пор водой, Vжф/Vпор,
м3/м3 (под чертой)
При р/р0=0,98
Капиллярное насыщение,
0,42
г/см2
Водонасыщение по мас9,1
11,8
се, %
Водонасыщение по объ9,1
9,4
ему, %
Степень заполнения объема пор водой в водона0,171
0,141
сыщенном состоянии,
Vжф/Vпор, м3/м3
40
0,18
0,16
0,18
0,16
0,25
0,22
0,26
0,22
0,53
0,62
0,52
0,62
320
520
370
640
55
Sуд = 150
м2/кг
30
Sуд =200
м2/кг
65
Sуд = 120 м2/кг
0,97
2,77
220
480
<2
5,7
5,5
0,08
5,9
0,07
8,4
0,16
0,68
8,7
0,11
0,90
15,8
21,18
25,0
28,5
15,8
16,9
25,0
22,8
0,34
0,37
0,53
0,5
Посредством периодического взвешивания и измерения в течение
60-100 суток следили за кинетикой изменения влажностного состояния материала и его объемными изменениями. Расчет показателей водонасыщения
производился по приросту массы образцов при выдерживании их под водой в
течение трех суток.
По результатам опытов оценивались гигрометрические характеристики,
позволяющие количественно и комплексно оценить активность структуры в
отношении водяного пара и воды:
1) адсорбционно-конденсационная емкость материала, характеризующая количество водяного пара, которое материал способен поглотить по механизму адсорбции и капиллярной конденсации в средах с известными парциальным давлением и температурой;
2) капиллярное насыщение, характеризующее количество поглощенной
влаги при контакте поверхности материала с водой;
3) водонасыщение по массе и объему, характеризующее предельное количество поглощаемой материалом влаги при контакте с водой.
По результатам оценки гигрометрических параметров взаимодействия
поризованного бетона с гигросредой (см. табл. 8,9; рис. 8,9) можно сделать
следующие выводы о закономерностях влияния состава и структуры материала на взаимодействие с водяным паром и водой.
Анализируя изотермы адсорбции плотного и поризованного бетона,
можно утверждать, что в интервале p/ро = 0,0-0,75 поглощение водяного пара
для всех исследуемых серий образцов бетона происходит преимущественно
по механизму моно- и полимолекулярной адсорбции. При p/ро  0,75 поглощение пара резко интенсифицируется за счет проявления действия механизма капиллярной конденсации. Для образцов мелкозернистого бетона характерны меньшие величины адсорбции во всем диапазоне p/ро по сравнению с
микрозернистыми бетонами. Поглощение водяного пара мелкозернистым бетоном даже в среде с р/р0 = 0,98 не превышает 2,5 % по массе для плотных
бетонов и 4,5 % - для поризованных, а показатель степени заполнения объема пор водой - (Vжф/Vпор) - 0,07 (см. табл. 8); в то же время для микрозернистых бетонов максимальная величина поглощения водяного пара достигает
12-20 % по массе, а Vжф/Vпор = 0,25-0,40 (табл. 9).
41
а)
Величина адсорбции, % по массе
10
9
8
Поризованный бетона
на немолотом песке;
D800
7
- -"- на молотом песке;
6
5
- -"- на золе-уноса;
4
3
- -"- на пыли уноса
2
1
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
Парциальное давление
водяного пара, р/р0
б)
Величина адсорбции, % по массе
5
4,5
плотный мелкозернистый
бетон на портландцементе;
4
3,5
поризованный бетон D1600;
3
2,5
- -"- D1200;
2
1,5
- -"- D800.
1
0,5
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
Парциальное давление
водяного пара р/р0
1
Рис. 8. Изотермы адсорбции неавтоклавного микрозернистого (а)
и мелкозернистого (б) цементного поризованного бетона
42
Величина капиллярного
насыщения, г/см 2
а)
1
на немолотом песке;
0,8
0,6
-"- на золе уноса;
0,4
-"- на молотом песке;
0,2
D 800
-"- на пыли уноса
0
0
20
40
60
80
100
120
Продолжительность насыщ ения, ч
б)
Величина капиллярного
насыщения, г/см 2
0,7
0,6
Поризованный бетон на
немолотом песке D800;
0,5
-"- D1200;
0,4
-"- D1600
0,3
0,2
0,1
0
0
20
40
60
80
100
120
Продолжительность насыщ ения, ч
Рис. 9. Кинетика капиллярного насыщения неавтоклавного цементного
поризованного бетона
микрозернистого (а) и мелкозернистого (б)
43
И это вполне объяснимо, так как немолотый песок характеризуется меньшей
удельной площадью поверхности, а межпоровые перегородки обладают минимальной микропористостью вследствие низких значений В/Ц; в то же время макропоры имеют наибольшее значение среднего эффективного радиуса.
Установлено, что по скорости и предельной величине капиллярного насыщения, водопоглощения наиболее активными также оказались образцы
бетона с тонкодисперсными наполнителями (см. рис. 9, а). Их структурные
параметры предопределяют наибольшую в пределах проводимых экспериментов величину капиллярного давления при поглощении жидкости. Величина капиллярного насыщения и водопоглощения при снижении удельной
площади поверхности и удельной поверхностной энергии наполнителя может быть уменьшена в 1,5 - 2 раза (см. табл. 9). При увеличении средней
плотности капиллярное насыщение образцов поризованного бетона возрастает, что обусловлено уменьшением радиуса пор и соответствующим увеличением капиллярного давления в них (см. рис. 9, б).
Водонасыщение материала является результатом действия капиллярного
и гидростатического давления жидкости. По величине влагосодержания, степени заполнения пор водой плотный и поризованный бетон на немолотом
кварцевом песке характеризуются самыми низкими значениями оцениваемых
гигрометрических показателей. Наиболее активными по отношению к воде
оказались образцы поризованного бетона на основе пыли-уноса; промежуточными характеристиками обладает бетон на молотом песке (см. табл. 9)..
Большая активность по отношению к воде поризованного бетона на пылиуноса по сравнению с бетоном на молотом песке может быть обусловлена
лучшей смачиваемостью (более высоким показателем удельной теплоты смачивания) карбонаткальцевого наполнителя по сравнению с кварцевым.
Характерно, что при увеличении объема макропор для всех видов бетона
наблюдается снижение соотношения объемов жидкой фазы и общего объема
порового пространства материала, несмотря на увеличение абсолютных показателей его влагосодержания. При этом обращает на себя внимание то, что
заполнение порового пространства поризованного бетона водой всегда
меньше 1. Воздухововлеченные поры в обычных условиях испытания погружением образцов в воду не заполняются ею, так как этому препятствует наличие капиллярно-связанной воды в микропорах вследствие того, что капиллярное давление в микропорах межпоровых перегородок намного превышает гидростатическое.
44
По результатам исследований гигрометрических характеристик поризованного бетона правомерен, таким образом, вывод о том, что определяющее
влияние на гигрометрические характеристики имеет состав матрицы бетона.
Наименьшей интенсивностью взаимодействия с водяным паром и водой, а
следовательно и минимальной силой связи его структуры с водой, отличается
материал, который при равной средней плотности и сопоставимом удельном
содержании цементирующего вещества характеризуется пониженным значением удельной площади поверхности и удельной теплоты смачивания наполнителя, а поровое пространство образовано порами с большей (в пределах
рассмотренного в опытах интервала) величиной среднего эффективного радиуса. Снижение средней плотности бетона приводит к увеличению значений
оцениваемых гигрометрических характеристик на 20-30 %, что закономерно
связано с повышением диффузной проницаемости материала при соответствующем изменении объемной доли и среднего радиуса макропор.
Полученные экспериментальные данные позволяют сделать вывод о
том, что эффективность управляющего воздействия структурных факторов
на показатели интенсивности взаимодействия цементного поризованного бетона с водяным паром и водой заключается в возможности снижения адсорбционно-конденсационной емкости в 4 - 5 раз, величин капиллярного и водонасыщения в 1,5-2 раза, соотношения объемов жидкой и твердой фаз, жидкой
фазы и порового пространства в водонасыщенном состоянии материала в 2 2,5 раза.
2.4. Влияние температурно-влажностного состояния
поризованного бетона на его прочностные характеристики
Эксперименты с цементным поризованным бетоном (табл. 10) проводились на представителях конструкционно-теплоизоляционного материала
средней плотности =800-1000 кг/м3, изготовленных на пыли-уноса, и конструкционного материала =1400-1600 кг/м3 на кварцевом песке естественной
гранулометрии. Выбор данных видов поризованного бетона для исследования влияния влажностного состояния на их прочностные характеристики
обусловлен тем, что на основании результатов наших работ (см. раздел 2.3,
45-47) установлено, что эти разновидности поризованных бетонов
45
Таблица 10
Характеристика факторного пространства
экспериментальных исследований цементного поризованного бетона
Вид бетона
Конструкционнотеплоизоляционный
Конструкционный
Марка
Характеристика состава
по средней
В/Т(В/Ц)Соотношение
плотности Характеристика
отношение
Ц:Н по массе
наполнителя
D800
кварцевый песок
В/Т=0,3
1:1,75
2
D1000
Sуд = 150 м /кг;
карбонатсодержащая
пыль-унос
В/Ц = 1,0
2
Sуд = 120 м /кг
D1400
кварцевый
песок В/Ц = 0,4
1:1,75
D1600
МК=1,2
квалифицированы как наиболее отличающиеся по интенсивности влагообмена со средой. Состав и структура, условия изготовления принятых для исследований видов поризованного бетона соответствуют представленным в
разд. 2.2 характеристикам соответствующих его серий (см. табл. 8, 9).
Для изучения закономерностей изменения прочностных характеристик
исследуемых систем в различном температурно-влажностном состоянии серии из шести сухих и шести водонасыщенных образцов цементного микробетона (размером 4040160 мм), цементного бетона на мелком заполнителе
(размером 4040160 мм) и цементного бетона на крупном заполнителе
(размером 7070280 мм), цементного поризованного бетона (размером
4040160 мм) и силикатного ячеистого бетона (размером 4040160 мм)
выдерживались при t = -60; -40; -20; 0; 20; 40; 60 ºС. После стабилизации
температурного состоянии в указанных условиях испытание на прочность
при изгибе и сжатии образцов микробетона и мелкозернистого бетона производилось по ГОСТ 310.4-81, образцов цементного бетона на крупном заполнителе, цементного и силикатного ячеистых бетонов - по ГОСТ 10180 – 90.
Установлено, что более высокой водостойкостью, оцененной по коэффициенту размягчения Кр = Rw/Rс, характеризуются материалы, которые были оценены как наименее активные по отношению к водяному пару и воде
при реализации всей совокупности процессов взаимодействия с ними и соответственно во всем диапазоне изменения их влагосодержания.
По результатам оценки гигрометрических характеристик мелкозернистый поризованный бетон на кварцевом песке естественной гранулометрии
46
по сравнению с микрозернистыми бетонами характеризовался самыми низкими их значениями. Наиболее активными по отношению к воде оказались
образцы поризованного бетона на основе пыли-уноса; промежуточными характеристиками обладает бетон на молотом песке.
Соответственно более высокой водостойкостью, оцененной по коэффициенту размягчения Кр = Rw/Rс в гигроскопическом и водонасыщенном
состоянии, характеризуется мелкозернистый бетон, нежели микрозернистый
(табл. 11). При этом наиболее низкие показатели коэффициента размягчения
характерны для микрозернистого поризованного бетона на карбонаткальцевой пыли-уносе.
Таблица 11
Связь водостойкости, оцениваемой по величине коэффициента размягчения,
с гигрометрическими характеристиками цементного поризованного бетона
средней плотности 800 кг/м3
Вид бетона
на кварцевом песке
естественной гранулометрии
на молотом
кварцевом песке
на карбонатсодержащей пыли-уносе
В области гигроскопического влажностного
состояния
0,93
0,88
0,81
В водонасыщенном
состоянии
0,92
0,86
0,75
Показатели водостойкости
Соотношение
прочности во
влажном и сухом
состоянии,
Кр = Rw/Rс
Рассмотренные закономерности реализации для поризованных бетонов
эффекта Ребиндера могут иметь свои отличительные особенности при дополнительном действии температурного фактора. В области положительных
температур, когда вода, содержащаяся в порах материала, находится в жидком агрегатном состоянии, мера снижения прочности будет зависеть от степени нагревания материала.
Действительно, при прочих равных условиях интенсификация процессов разрушения при повышении температуры жидкой фазы обусловлена
снижением ее вязкости, облегчением условий смачивания, это способствует
быстрому проникновению жидкости к поверхности разрушения именно в
момент ее образования.
47
При отрицательных температурах, когда вода начинает замерзать и
происходит процесс льдообразования, в работу сопротивления помимо собственного материала включается и образовавшийся лед. В процессе разрушения трещина, движущаяся в материале, наталкивается на вязкоупругопластичные частички льда, соответственно удлиняется путь движения трещины.
В результате в структуре начинает действовать фактор упрочнения материала за счет торможения развития трещин вязко-пластичными включениями,
требующими дополнительных затрат энергии на преодоление границ раздела, на отрыв криофазы от твердой фазы, на деформирование криофазы и др.
Вследствие этого возрастают значения показателей сопротивления разрушению строительных композитов.
Для материала в сухом состоянии, в соответствии с термофлуктуационной концепцией механического поведения твердых тел, закономерности процессов их разрушения зависят от активации термофлуктуационных актов разрыва межатомных связей при повышении температуры. В исследованном диапазоне температур изменение энергии активации данного процесса для связей
Ме-О и Si-O считается 48-49 незначительным. В наших экспериментах изменение прочности цементного микробетона и бетона в сухом состоянии не превышает 10 % во всем температурном диапазоне от -60 0С до +60 0С.
Влияние на прочностные характеристики температуры оказывается
принципиально значимым для материала во влажном состоянии. Именно изменения фазового состояния и особенностей взаимодействия воды со структурой в зависимости от температуры определяют механизмы и закономерности процессов разрушения. Возможность и реальность упрочнения при льдообразовании доказывается экспериментально полученными нами данными,
из которых следует, что такое упрочнение может быть многократным.
Степень упрочнения при льдообразовании зависит от параметров состава и структуры материала, которые определяют температуру замерзания воды в нем. Определяющим при этом является фактор температуры перехода
жидкой фазы в криофазу (температуры замерзания воды в материале), которая зависит от силы связи воды со структурой материала, предопределяемой
адсорбционной активностью поверхности твердой фазы (характеризуется теплотой смачивания qтв.ф), сродством жидкой фазы к твердой фазе (характеризуется краевым углом смачивания  ), распределением объема порового
пространства по радиусу пор drпор/dVпор (характеризуется средним эквивалентным радиусом пор rэ). В зависимости от структуры материала значение
48
температуры замерзания воды в нем может находиться в интервале
0 0С  - 70 0С (см. табл. 7).
С появлением льда в замораживаемом увлажненном макропористом материале фактически происходит формирование «нового» композита с импрегнированной (наполненной) льдом структурой. В поровом пространстве,
которое занимает значительную долю объема макропористые бетонов, жидкая фаза, превращаясь в криофазу, становится источником образования нового импрегнирующего структурного элемента с присущими ему свойствами
упруговязкопластичности, адгезивности со стенками пор. Вследствие этого,
для поризованного бетона прочность при сжатии (рис. 10) при t = -40 0С намного выше значений при t = +20 0С. При этом эффект упрочнения усиливается при снижении средней плотности бетона, так как при этом происходит
увеличение радиуса пор и соответствующее повышение доли свободной воды в структуре. Так для водонасыщенного цементного поризованного бетона
ρ = 800-1000 кг/м3 прочность при сжатии в замороженном состоянии возрастает в 3 - 4 раза по сравнению с ее значениями при t = +20 0С, а для бетона
ρ = 1400-1600 кг/м3 – в 1,5 - 2 раза. Одновременно для разновидностей поризованного бетона со средним эквивалентным радиусом пор rэ = 300-400 мкм
(для бетона на пыли уноса ρ = 800 кг/м3 и на немолотом песке ρ = 1400 кг/м3)
повышение прочности водонасыщенных образцов по сравнению с сухими
наблюдается уже при t = 0 0С, а для разновидностей данного материала с
rэ = 100-200 мкм (для бетона на пыли уноса ρ = 1000 кг/м3 и на немолотом
песке ρ = 1600 кг/м3) – только при t = -20 0С.
Таким образом, изменение прочностных характеристик цементного поризованного бетона в различном температурно-влажностном состоянии определяется
энергией взаимодействия их структуры с водой. Наиболее сильное снижение
прочности увлажненного материала в диапазоне положительных температур и,
напротив, наименьший эффект повышения прочности при замораживании характерен для поризованных бетонов с максимальной энергией взаимодействия структуры с водой, которая возрастает при повышении удельной поверхности и поверхностной энергии твердой фазы и уменьшении среднего эффективного радиуса пор. В практическом отношении с целью снижения энергии взаимодействия
структуры с водой для материалов заданной средней плотности (пористости) эффективным приемом может считаться введение инертных по отношению к воде
наполнителей пониженной дисперсности, а также регулирование В/Т-отношения.
49
а)
б)
24
22
D1000
20
18
16
14
12
10
8
6
20
18
16
14
12
10
8
6
4
-80
-60
-40
-20
0
20
4
40
-80
температура, 0С
-60
-40
-20
0
20
40
0
температура, С
12
16
Прочность при сжатии, МПа
50
Прочность при сжатии, МПа
D1600
22
Прочность при сжатии, МПа
Прочность при сжатии, МПа
24
D800
10
8
6
4
2
0
-80
-60
-40
-20
0
20
0
температура, С
40
D1400
14
12
10
8
6
4
-80
-60
-40
-20
0
20
0
температура, С
- в сухом состоянии;
- в сухом состоянии
- в водонасыщ енном состоянии
- в водонасыщ енном состоянии
50
Рис. 10. Изменение прочности при сжатии при замораживании
цементного поризованного бетона на пыли-уносе (а)
и на немолотом кварцевом песке (б) в водонасыщенном и высушенном до постоянной массы состоянии
40
2.5. Эксплуатационная деформируемость поризованных бетонов
Для цементных поризованных бетонов нормального твердения определяющим, критическим свойством, можно сказать камнем преткновения, выступает их трещиностойкость, определяемая эксплуатационной деформируемостью
(усадкой, ползучестью), так как именно от нее зависит долговечность конструкций.
В связи с большей перспективностью применения цементного поризованного бетона в монолитном строительстве проблема управления его деформативными свойствами рассматривалась применительно к этому варианту его
изготовления, когда на процесс рождения и развития бетона сразу же начинает
накладываться влияние эксплуатационных факторов.
2.5.1. Процессы изменения состояния, структуры и свойств,
динамика деформирования поризованных бетонов
при твердении в монолитных конструкциях
Анализ и систематизация (табл. 12) процессов основывается на следующих представлениях. Процессы изменения состояния и деформирования материала развиваются во времени под воздействием внешних и внутренних движущих сил изменений. Движущим силами изменения состояния материала выступают происходящие в нем энергетические явления, термодинамическая направленность которых объясняется закономерным стремлением любой природной системы занять положение с минимальным запасом энергии и перейти в
состояние равновесия.
Внутренние движущие силы обусловлены мерой метастабильности и избыточной энергии твердеющей системы "цемент + вода", а энергетический запас определяется возрастом бетона. Они вызывают развитие гидратации и
твердения как совокупности процессов формирования структуры цементного
камня вследствие гидролиза и гидратации клинкерных минералов, зародышеобразования, кристаллизации, собирательной рекристаллизации с присущими
им тепловыми эффектами
Внешние движущие силы обусловлены наличием неравновесного со средой теплового и вещественного состояния материала, воздействием механической нагрузки и определяются параметрами эксплуатационной среды.
51
Таблица 12
Движущие силы и система процессов, определяющих
формирование напряженно-деформированного состояния материала в
конструкциях
Периоды технологического
и эксплуатационного
циклов
Тип системы «материалсреда»
Внутренние
Движущие
силы изменения состояния материала
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЙ
ЦИКЛ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ЦИКЛ
Твердение
Набор «марочматериала в Распалубка ной» прочноопалубке
сти
закрытая
Загружение
Работа под нагрузкой
о т к р ы т а я
Неравновесное термодинамическое состояние системы твердения
Неравновесное со средой тепловое состояние материала
внешние
Неравновесное со средой вещественное состояние материала
-
Неравновесное напряженное состояние материала от воздействия механической нагрузки
От внутренних движущих сил
Процессы
изменения
состояния От внешних
материала движущих
сил
Г и д р а т а ц и я
Т
е п л о в
и
т в е р д е н и е
ы д е л е н
и е
Т еплообм ен со ср ед ой (нагрева ние- охла ждение)
Массообмен со средой (высыхание,
увлажнение-высушивание)
-
Х и м и ч е с к а я
-
к о р р о з и я
Сжатие-растяжение
Гради ен тн ое п о степ ени ги дра тации и тв ерд ения
Состояние материала в
строительной конструкции
Гради ен тн ое п о темп ера туре
Гради ен тн ое п о влажн ости
-
Градиентное по степени химической
коррозии
Градиентное по уровню напряжений
Напряжения и деформации от развития процессов структурообразования и
твердения
Температурные напряжения и деформации
Составляющие напряжений
и деформаций в материале
Влажностные напряжения и деформации
Напряжения и деформации от химической коррозии
-
Напряжения и деформации от
действия
механической нагрузки
мгновенные
52
длительные
Анализ условий работы поризованного бетона на этапах возведения и
эксплуатации конструкций зданий позволяет принять следующие значения параметров эксплуатационной среды:
 сезонное изменение температур в интервале (-35...+35) 0С;
 влажность наружного воздуха и внутри помещений (30... 100) %;
 концентрация атмосферной углекислоты - 0,03...0,04;
 величина механической нагрузки на элементы конструкций зданий до 4 5 этажей - ≤ 2,0 МПа.
Внешние движущие силы являются возбудителями:
 теплообмена материала со средой, в том числе в виде циклического нагревания-охлаждения конструкции;
 массообмена - как развития процессов высыхания, циклического увлажнения - высушивания,
 химической коррозии;
 сжатия и растяжения от воздействия механической нагрузки.
Вызванные ими изменения будут продолжаться до наступления равновесного состояния "материал - среда" с периодическим повторением при варьировании условий среды, приводящих к нарушению такого равновесия. На всем
протяжении технологического и эксплуатационного циклов материал может
взаимодействовать со средой по типу закрытой и открытой системы 38. В соответствии с положениями термодинамики система "материал-среда" считается
закрытой, когда отсутствует массообмен материала со средой при наличии теплообмена (до распалубки конструкции), и открытой - при осуществлении массо- и теплообмена (после снятия опалубки).
Таким образом, рассмотренные движущие силы определяют закономерности процессов изменения состояния материала, а именно: гидратации и твердения, тепловыделения, тепло- и массообмена со средой, химической коррозии,
сжатия и растяжения от воздействия механической нагрузки.
Развиваясь во времени, данные процессы сопровождаются соответствующими объемными изменениями - контракцией, температурными и влажностными деформациями, деформациями от химической коррозии и механической нагрузки. На основе существующих представлений о механизме объемных изменений принимается, что развитие всех видов деформирования является следствием изменения баланса внутренних сил в материале.
При гидратации развитие внутренних напряжений имеет физикохимическую природу и связано, во-первых, с уменьшением объема системы
53
«цемент-вода» при коагуляционном самоуплотнении цементного теста, которое
определяется адсорбцией воды поверхностью цементных зерен, что внешне сопровождается сжатием системы., Во-вторых, при возникновении новообразований, имеющих меньший объем, чем объем исходных продуктов 50,51, происходит уменьшение объема системы твердения, которое принято называть химической или контракционной усадкой.. Несмотря на то, что контракционная
усадка развивается в раннем возрасте материала, а ее величина незначительна,
в бетоне уменьшение объема цементного камня в результате контракции способствует возникновению растягивающих напряжений в цементной матрице и
на поверхности раздела с заполнителем.
Развитие влажностной усадки при обезвоживании определяется изменением баланса сил, участвующих в связи твердой фазы и пор с жидкой фазой. Ее
проявление обусловлено действие различных по своей природе сил, участвующих в связи твердой фазы и порового пространства с жидкой фазой 52-54
и вызывающих изменение напряженного состояния материала и его объема. В
итоге величина влажностной усадки определяется равнодействующей (см. разд.
2.2, рис. 3):
 сил капиллярного стяжения при удалении свободной, капиллярнонасыщенной и капиллярно-конденсированной воды из пор;
 сил поверхностного натяжения при десорбции воды с поверхности твердой фазы;
 сил когезионного и адгезионного взаимодействия в контактах дисперсных частиц матричного (цементирующего) вещества при удалении межкристаллической воды;
 сил внутренних связей в кристаллах при уходе из них межслоевой воды;
 сил упругого противодействия твердой фазы ее деформированию на фоне
одновременного протекания релаксационных процессов в ней.
Мера этих сил в материале считается зависящей от его состава и структуры, чем, собственно, и обусловливается возможное содержание в материале видов воды и баланс сил ее связи со структурой. Проявление же действия этих сил
зависит от степени обезвоживания и соответственно вида удаляемой воды.
При теплообмене материала со средой напряжения в бетоне обусловлены
различием в величинах коэффициента температурного расширения его структурных составляющих 55.
При химической коррозии в процессе разложения новообразований агрессивными агентами эксплуатационной среды 56,57 напряжения оказывают54
ся следствием изменения объема затвердевшего цементного камня. В нашем
случае речь идет преимущественно о карбонизационной усадке, обусловленной
действием атмосферной углекислоты. Данный вид усадки, как известно, носит
физико-химический характер и является следствием уменьшения объема затвердевшего цементного камня в бетоне при разложении кристаллов гидроокиси кальция, находящегося в напряженном состоянии, в результате их химического взаимодействия с углекислым газом.
Воздействие эксплуатационной механической нагрузки дополнительно
переводит твердеющий бетон в неравновесное напряженное состояние, вызывающее упруго-мгновенные деформации и деформации ползучести.
При этом деформации бетона до распалубки складываются из контракционных и температурных деформаций, а после распалубки в основном - из
температурных, влажностных и деформаций карбонизационной усадки; после
загружения дополнительный вклад вносят деформации от механической нагрузки. Общая величина объемных изменений материала определяется также
силами упругого противодействия твердой фазы ее деформированию на фоне
одновременного протекания релаксационных процессов в структуре.
Проблема проявления материалом деформации и соответственно трещиностойкости связана с формированием напряженно-деформированного состояния материала в конструкции на всем протяжении технологического и эксплуатационного циклов в результате развития рассмотренных процессов.
Именно изменение во времени температурного и вещественного состояния
твердеющего материала, градиенты температуры, влажности, вещественного
состава материала в объеме конструкции является причиной формирования полей деформаций и напряжений, что и приводит к образованию и развитию трещин.
Трещиностойкость материала определяется потенциальной способностью
состава и структуры материала воспринимать развитие деформаций и напряжений при соответствующих эксплуатационных воздействиях. Согласно современным представлениям механики разрушения разрушение материала рассматривается как процесс образования и развития трещин в его структуре 58-60. В
условиях напряжении начальные микротрещины и дефекты развиваются, и потеря несущей способности материалом наступает в результате подрастания
трещин, их объединения в магистральную трещину. В соответствии с этим
управление трещиностойкостью бетонов при эксплуатации следует связывать
как с управлением его деформативными характеристиками, так и с воздействи55
ем на процесс развития и распространения трещин, то есть с управлением вязкостью разрушения материала.
При постановке исследований эксперименты проводили последовательно со
следующими модельными системами: цементным микробетоном, мелкозернистым плотным и мелкозернистым поризованным бетоном (табл. 13).
Таблица 13
«Модельные» системы и границы варьирования
рецептурно-технологических факторов
«Модельные»
системы
Регулируемые параметры
состава и структуры
Объемная доля и средний эквивалентный радиус микропор, объемная доля, минералогический и
морфологический состав новообразований цементирующего вещества
Рецептурно-технологические
факторы и границы их варьирования
в/ц=0,27(нгцт) – 0,55
Плотный
бетон
Объемная доля мезовключений,
удельная поверхность и удельная
поверхностная энергия твердой
фазы
Соотношение цемент :
микронаполнитель = 1:1 – 1:3
кварцевый песок,
Sуд = 150 м2/кг;
микq = 0,97 кДж/кг
ронакарбонатсодержащая
полпыль-унос
нитель
Sуд = 120 м2/кг;
q = 2,77 кДж/кг
Соотношение цемент :
заполнитель = 1:1 –1:3; заполнитель - кварцевый песок с
Мк=1,2
Поризованный
бетон,
 = 800 -1600 кг/м3
Объемная доля пор
воздухововлечения 0 – 0,6 м3/м3
Продолжительность перемешивания от 2 до 6 мин
Цементный
микробетон
Объемная доля микровключений,
удельная поверхность и удельная
поверхностная энергия твердой
фазы
При обосновании условий проведения эксперимента исходили из того,
что развитие процессов изменения состояния и деформирования поризованного
бетона, формуемого и твердеющего в монолитных конструкциях, происходит в
отличающихся температурно-влажностных условиях. Поэтому при постановке
экспериментальных исследований необходимым было создание таких условий
хранения образцов, чтобы, во-первых, моделировались естественные влажностные режимы, в которых может оказаться бетон после операции распалубки отформованной монолитной конструкции, а, во-вторых, обеспечивались также
различные условия обезвоживания по ее сечению. С этой целью создавали "мо56
дельные" среды с относительными парциальными давлениями водяного пара
р/р0 = 0,32; 0,5; 0,75; 1,0.
Отметим, что при твердении материала в среде с р/р0 = 0,32 и 0,5 создаются условия, в которых оказывается поризованный бетон в поверхностных
слоях монолитной стены. Помещение материала в среду с р/р0 = 0,75 позволяет
судить о развитии деформаций во внутренних слоях монолитной стены. Использование среды с р/р0 =1,0 дополнительно позволяет судить о возможном
характере деформирования материала в том случае, когда отсутствует обезвоживание материала. Например, при нанесении защитных покрытий непосредственно после распалубки или при работе материала в теплоизоляционном слое
перекрытий и полов, закрываемых водонепроницаемым пленочным материалом
(линолеумом и т.п.).
Исследования процессов структурообразования, обезвоживания и деформирования производили при квазистатическом режиме высыхания, когда
вследствие принятой малой толщины образцов материала (8...10 мм) достигается минимум градиента влагосодержания по их сечению. Контроль изменения
массы и длины образцов (размером 1040160 мм) производили непосредственно после распалубки, в сроки 1, 3, 7, 14, 28 суток с момента распалубки и
далее через каждые 14 суток. Динамика показателей сопротивления разрушению и трещинообразованию в процессе твердения цементного микробетона,
плотного и поризованного мелкозернистого бетона оценивалась по пределу
прочности на сжатие Rb, модулю упругости Е, критическому коэффициенту интенсивности напряжений (вязкости разрушения) КIc. Испытания образцов проводились после твердения их в нормальных условиях в течение 7, 14, 28, 90,180
суток. Показатель КIc определялся по схеме нормального отрыва на образцах
размером 4080400 мм, имевших искусственную трещину – надрез 27; динамический модуль упругости оценивали на образцах 4040160 мм с помощью ультразвукового прибора УК - 14П; предел прочности при сжатии устанавливали по ГОСТ 10180-90 "Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам".
Параллельно с механическими испытаниями вели оценки степени гидратации цемента, минералогического состава цементирующего вещества, для
чего использовали рентгенофазовый (дифрактометр ДРОН - 4) и дифференциально-термический (дериватограф системы Ф. Паулика, И. Паулика и Л. Эрдея)
методы.
57
Основные результаты исследований процессов изменения состояния и
деформирования рассмотренных модельных систем сводятся к следующему.
Цементный микробетон, являясь матрицей бетонов плотной и поризованной структуры, оказывается носителем развивающихся в материале изменений.
Поэтому закономерности процессов структурообразования и твердения, изменения состояния и деформирования цементного микробетона имеют общее для
плотного и поризованного бетона значение.
Исследованиями установлено, что динамика процессов гидратации и
твердения, изменения влажностного состояния, деформирования микробетона в
принятом диапазоне варьирования рецептурно-технологических факторов и условий среды характеризуется следующими типичными закономерностями (рис.
11).
В ранние сроки гидратации цемента и структурообразования цементного
камня (до 14...28 суток) идет образование портландита (дифракционные максимумы 1,92; 2,61; 4,86 Å), накопление преимущественно гелевидной морфологической разности гидросиликатов кальция (дифракционные максимумы 2,95;
2,78; 1,83 Å). Кроме того, одновременно фиксируется повышенное содержание
эттрингита (дифракционные максимумы 9,51; 5,61; 4,67 Å) (рис. 12, табл. 13).
При дальнейшем развитии процессов гидратации вместе с постепенным прекращением накопления новообразований происходит "старение" гелевидной
фазы, переход эттрингита в низкосульфатные гидросульфоалюминаты кальция
(дифракционные максимумы 8,92; 4,46; 2,45 Å), что сопровождается изменением их удельной поверхности и удельной поверхностной энергии.
Таблица 13
Минералогический состав новообразований
Сроки
твердения, сут
14
28
90
Са(ОН)2,
Са(ОН)2,
Состав
С-S-H(II),
С-S-H(II),
Са(ОН)2,
новообэттрингит, низкосульнизкосульфатные
эттрингит,
разовафатные
гидросульфоалюмиС-S-H(II)
ний
гидросульфоалюминаты
наты
кальция
кальция
58
180
Са(ОН)2,
С-S-H(I),
низкосульфатные
гидросульфоалюминаты
кальция
м икро по ры
0,7
0,6
о статочны е зе р на це м е нта
0,5
но во об р азо вани я
це м е нти рущ е го
в е щ е ства
0,4
0,3
0,2
0,1
Степень
гидратации, %
Объемная доля структурных
составляющих
1
0,9
0,8
Rb,
МПа
0
80
60
40
20
0
КIc ,
0,4 МН/м3/2
40
Rb
30
20
0,3
0,2
КIc(II)
10
0,1
КIc(I)
0
0
0
0
0
0,5

∆m
1,0
2
4
1,5
6
2,0
8
0
15
30
45
60
75
Влагопотери, %
Деформации усадки,
мм/м
0
90 105 120 135 150 165 180
Продолжителность твердения, сут
Рис. 11. Изменение характеристик структуры и свойств
в процессе твердения (на примере цементного микробетона, В/Ц=0,4):
КIc(I) –вязкость разрушения микробетона без наполнителя;
КIc(II) –вязкость разрушения микробетона c наполнителем
59
3,03
1 350
2,61
4,86
1 400
1 250
1,92
8,92
1 300
1 200
8,92
1 100
1,83
2,95
1 150
Дифракционные характеристики
портландит: d =1,92; 2,61; 4,86 Å
гидросиликаты кальция: d=2,95; 2,78;
Р18 Д0 1 сутки v 37817.dat
1,83 Å
Р18 Д0 3 сут.dat
эттрингит: d=9,51;
4,67 Å
Р 18 Д 0 5,61;
7 сут размол..dat
Р18 Д0 14 сут ок, размол..dat
низкосульфатные
гидросульфоалюмиР 18 Д12 28 сут размол..dat
наты кальция: d=8,92; 4,46; 2,45 Å
Спект ры
1 050
1 000
2,95
950
900
180 суток
1,83
850
800
9,51
750
700
1,83
28 суток
600
550
9,51
500
450
14 суток
1,83
400
350
3 суток
300
1,83
60
650
250
200
150
1 сутки
100
50
0
6
8
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70
Рис. 12. Рентгенограммы образцов цементного микробетона в различные сроки твердения
50
Развитие структуры пористости в период от 14 до 90 суток твердения характеризуется (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 деформированию, 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 деформации - 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 дальнейшем развитии процессов гидратации наблюдаемое снижение величины КIc (охрупчивание) вызывается совокупностью процессов "старения" гелевидной фазы, укрупнения частиц новообразований, перехода эттрингита, обеспечивающего «самомикроармирование» структуры на начальном этапе твердения, в низкосульфатные гидросульфоалюминаты кальция с другой формой их кристаллизации. Нужно отметить, что введение микронаполнителя в структуру микробетона 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 значениям, материал обладает в то же время наиболее высоким потенциалом сопротивления трещинообразованию.
Динамика влажностного состояния, деформирования, прочности, модуля
упругости, вязкости разрушения мелкозернистого бетона плотной и поризованной структуры в принятом диапазоне варьирования рецептурнотехнологических факторов и условий среды имеет общие с микробетоном закономерности 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 мелкозернистого бетона приводит к ускорению его обезвоживания, вследствие чего
увеличивается и скорость деформирования. В итоге развитие деформаций усадки 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 твердении 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 микронаполнителя. Высокий прирост прочности в длительные сроки твердения
может положительно повлиять на потенциал сопротивления материала трещинообразованию, так как это компенсирует процессы накопления повреждений
от эксплуатационных воздействий.
62
0,4
=800 кг/м3
0,6
0,8
1
0,7
24
0,6
=2100 кг/м
20
3
Rb
16
0,5
0,4
12
0,3
0,2
8
KIc
4
0,1
0
0
6
0,12
Модуль упругости Ед 10 -3, МПа
KIc
5
0,10
Ед
4
0,08
3
0,06
2
0,04
=800 кг/м3
Rb
1
Вязкость разрушения КIc, МН/м
Ед
28
3/2
Модуль упругости Ед10 -3, МПа
0,8
3/2
1,2
0,02
Вязкость разрушения КIc, МН/м
Деформации усадки, мм/м
=2100 кг/м3
0,2
32
Предел прочности при сжатии Rb, МПа
Предел прочности при сжатии Rb, МПа
0
0
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Продолжительность твердения, сут
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 мелкозернистого поризованного бетона является низкая скорость упрочнения на начальном
этапе твердения и существенный прирост значений данных показателей в период 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 бетона 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 сравнению с микронаполнением эффективнее влияет на повышение вязкости разрушения материала: при введении микронаполнителя вязкость разрушения цементного 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 деформирования поризованного бетона можно сделать следующие выводы.
1. Динамика влажностного состояния, деформирования, прочности, модуля упругости, вязкости разрушения микробетона, мелкозернистого бетона
плотной и поризованной структуры в принятом диапазоне варьирования рецептурно-технологических факторов и условий среды имеет общие закономерности развития. В начальный период твердения, когда деформации предельно интенсивны, величина КТс проходит через максимум своих значений, то есть материал обладает наиболее высоким потенциалом сопротивления трещинообразованию. При дальнейшем твердении на фоне упрочнения материала развивается процесс его охрупчивания.
2. Развитие деформирования материала оказывается результатом совокупности процессов, однако определяющая роль принадлежит процессу обезвоживания. 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 состояния 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 материале 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 предложенной 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 одновременного 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, цементного 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
МАСШТАБНЫЙ
УРОВЕНЬ СТРУКТУРЫ
Анализируемая
система
Структурные составляющие
66
Составляющие
баланса внутренних сил в материале, определяющие его деформирование
Параметры состава и структуры,
определяющие
возможное изменение баланса
внутренних сил на
соответствующих
масштабных уровнях
Рецептурнотехнологические
факторы управления составом и
структурой
МАКРОУРОВЕНЬ
(СТРУКТУРНЫЙ УРОВЕНЬ БЕТОНА)
МЕЗОУРОВЕНЬ (СТРУКТУРНЫЙ
УРОВЕНЬ МИКРОБЕТОНА)
МИКРОУРОВЕНЬ (СТРУКТУРНЫЙ
УРОВЕНЬ ЦЕМЕНТИРУЮЩЕГО
ВЕЩЕСТВА)
мелкозернистый
мелкозернистый
новообразования цементируюцементный микробетон
поризованный
плотный бетон
щего вещества
бетон
Мелкозернистый Зерна заполнителя, цеСкрытокристаллическая и криЗерна микронаполнителя остаточные
плотный бетон, ментный микробетон,
сталлическая морфологические
зерна цемента, новообразования, капоры воздуховов- капиллярные микропоразности, поры гелевые и крипиллярные микропоры, капиллярная,
лечения, вода всех ры, вода всех форм свясталлического сростка, адсорбциадсорбционная и межслоевая вода
форм связи
зи
онная и межслоевая вода
 напряжения при развитии гидратации и химической коррозии (от уменьшения объема системы твердения, от кристаллизационного давления)
 напряжения температурные
 напряжения от сил, участвующих в связи твердой фазы и пор с газовой и жидкой фазой (сил капиллярного стяжения, расклинивающего давления, поверхностного натяжения, межчастичного взаимодействия, сил внутренних
связей в кристаллогидратах)
 напряжения от воздействия механической нагрузки
 напряжения от сил упругого противодействия составляющих твердой фазы ее деформированию
Соотношение объемов Соотношение объемов зерен микро- Состав новообразований, распреСоотношение цементного камня, мик- наполнителя,
остаточных деление по размерам частиц новообъемов макро- ропор, зерен заполните- зерен цементамикропор,
и
частиц
новообразообразований, их удельная поверхпор и межпоро- ля, распределение по
ваний,
распределение
по
размерам
удельная поверхностная
вых перегородок размерам зерен запол- зерен микронаполнителя и микропор ность;
энергия
новообразований
нителя и микропор
Дозировка воздухововлекающей
В/Ц-отношение, дозировка и удель- Условия гидратации и твердения,
Соотношение вяжущего
добавки, продолная поверхность зерен микронапол- вид и дозировка химических добаи заполнителя
жительность пенителя
вок
ремешивания
35
и действием всей их совокупности, и каждый последующий масштабный уровень 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 поризованного 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) цементирующего вещества и химико-минералогическим составом новообразований
(ХМСнв), характеризуемых различной величиной контракции при их образовании 45:
εк=f(Vцк, Vнв, ХМСнв),
(2.3)
2) деформации от химической коррозии также зависят от объема цементирующего вещества как химически активного элемента структуры и от объемного соотношения минералогически различных составляющих новообразований, отличающихся степенью устойчивости при химическом взаимодействии с
агрессивными агентами среды 51:
εхк= f (Vнв, ХМСнв),
(2.4)
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 цементного камня остаточных зерен цемента (Vзц), минералогически различных составляющих новообразований цементирующего вещества, а также видом заполнителя и микронаполнителя 51:
67
ε t= f ( Vзап, КЛТРзап, Vмн, КЛТРмн, Vцк, Vзц, Vнв, ХМСнв),
(2.5)
4) при обезвоживании, то есть при последовательном удалении из материала воды всех форм связи (капиллярно-насыщенной, капиллярноконденсированной, адсорбционной и межслоевой), влажностные напряжения и
деформации обусловлены последовательным включением в действие сил различной природы, а именно: сил капиллярного стяжения, расклинивающего давления, поверхностного натяжения, межчастичного взаимодействия, сил внутренних связей в кристаллогидратах 45-49. Условия и возможности изменения
баланса этих сил в материале следуют из известных соотношений Гиббса,
Кельвина, Лыкова, Дарси, Пуазейля, отражающих существо процессов взаимодействия дисперсной пористой системы с газовой и жидкой фазой как функции
ее структурных характеристик и параметров среды. В поризованном бетоне при
развитии влажностных деформаций цементный камень и микропоры выступают в роли носителя деформаций при удалении всех видов воды, поэтому величина деформаций зависит от объемного содержания цементного камня и соответствующих микропор (Vмп) в структуре бетона. В то же время величина усадочных напряжений определяется качественными характеристиками структурных составляющих цементного камня: распределением по размерам микропор
(rмп) (капиллярных, гелевых, кристаллического сростка), удельной поверхностью (Sуд) и удельной поверхностной энергией (qуд) частиц новообразований,
связанной с их минералогическим и морфологическим составом. В роли противоусадочного каркаса выступают зерна микронаполнителя и заполнителя, а эффективность его работы зависит от объемной доли, вида микронаполнителя и
заполнителя, распределения их зерен по размерам (Rзап, Rмн):
ε w = f (Vзап, Rзап, Vмн, Rмн, Vцк, Vнв, XMCнв, Sуд , qуд, Vмп, rмп),
(2.6)
5) напряжения в структуре бетона от воздействия механической нагрузки
определяются различной способностью его структурных составляющих к восприятию нагрузки, а также к упругому и пластическому деформированию. Поэтому величина деформаций при воздействии механической нагрузки зависит
от объемного соотношения структурных элементов бетона, а именно:
 объема новообразований и соотношения объемов кристаллической (Vк) и
скрытокристаллической (Vск) морфологических разностей в их составе;
68
 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:
ε р = f (Vзап , Rзап , Vмн, Rмн, Vцк, Vнв, Vв, Vск).
(2.7)
Важно отметить, что в поризованном бетоне как композиционном материале, образованном сочетанием плотного мелкозернистого бетона и пор воздухововлечения (макропор), материал межпоровых перегородок как совокупность составляющих его твердой фазы и соответствующих микропор выступает
в двоякой роли. Он является носителем всех видов деформаций, но одновременно 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 достигается включением в действие факторов на всех масштабных уровнях структуры.
Исходя из этого такое управление связывается с регулированием объемного соотношения основных структурных составляющих (заполнителя, микронаполнителя, микро- и макропор, новообразований цементирующего вещества), изменением 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 цемента и химических добавок; В/Ц-отношения; вида, гранулометрии, объемной
доли микронаполнителя и заполнителя, регулирования режимов перемешивания, условий гидратации и твердения.
69
Согласно изложенной концепции управления деформативными свойствами при постановке исследований эксперименты проводили последовательно с
моделями трех масштабных уровней – цементным микробетоном, мелкозернистым плотным и мелкозернистым поризованным бетоном, состав и структура
которых варьировалась в рамкам принятой системы структурных и рецептурнотехнологических 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 «параметрических» и соответственно рецептурно-технологических факторов на деформативные характеристики материала, показана возможность управления эксплуатационной деформируемостью поризованного бетона посредством всей принятой 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, капиллярно-конденсированной, адсорбционной и межслоевой) с присущими им значениями удельной усадки, зависящими от регулируемых в эксперименте параметров состава и структуры материала. Мерилом силы связи воды в материале может служить показатель удельного относительного изменения объема материала 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 увеличение 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
Таблица 16
Параметры структуры и предельные деформации усадки
при обезвоживании цементного микробетона
Содержание струкДеформации
Средний при обезвожитурных
составляюСтепень гидраэффекМинералогический
щих, м3/м3
вании
тации цемента,
,
В/Ц
состав
цементитивный
ра3
%, при
кг/м
уд,
диус пор, полн,
рующего вещества
р/р0 = 0,32…1,0 Vтв.ф Vц.в.. Vз.ц. Vпор
(мм/м)/%
нм
мм/м
исп. воды
0,27 2000
Ca(OH)2,
C-S-H(II), эттрин0,4 1700 гит, низкооснов0,45 1600 ные гидросульфоалюминаты
0,5 1550
кальция
0,55 1500
0,35 1800
53-70
58-73
73-86
-
0,82 0,53 0,23 0,18
7
1,43
0,49
0,73
0,27
13
1,87
0,45
0,70 0,51 0,16 0,29
43
1,89
0,36
0,65
0,35
56
2,2
0,37
0,62 0,5 0,11 0,38
0,62 - 0,38
84
110
2,2
2,20
0,32
0,30
-
-
-
-
Введение противоусадочных включений микронаполнителя и заполнителя в структуру цементного камня вносит существенные изменения в баланс сил
и механизм формирования напряжений в материале при обезвоживании. Это
является закономерным следствием двух причин: во-первых, при введении
зернистых включений уменьшается объемная доля цементного камня в материале, то есть снижается влияние структурной составляющей, являющейся
«носителем» деформаций; во-вторых, проявляется противоусадочное влияние
частиц заполнителя и микронаполнителя. На структурном уровне мелкозернистого бетона роль включений из зерен заполнителя можно считать аналогичной
роли зерен микронаполнителя на структурном уровне микробетона.
Отличие заключается только в масштабе структурного уровня, на котором
будет проявляться действие данного фактора. Установлено, что введение зернистых включений в структуру материала является наиболее значимым фактором управления его деформативными характеристиками, так как в рассмотренном диапазоне позволяет снизить величину деформаций в 2,5…2,7 раза (табл.
17). Полученные данные свидетельствуют, что наиболее результативным оказывается введение как микронаполнителя, так и заполнителя в количестве до
(0,35…0,4) м3/м3. Это позволяет уменьшить величину деформаций в 2 раза по
сравнению с цементным камнем. Последующее увеличение содержания напол-
71
Таблица 17
Изменение величины деформаций материала при варьировании содержания микронаполнителя и заполнителя (q<1 кДж/кг)
Vвключений, м3/м3  микробетона,
мм/м
0
0,35
0,45
0,55
1,89
0,97
0,81
0,68
 мелкозернистого бетона,
мм/м
1,89
0,96
0,78
0,62
нителя и заполнителя до (0,5…0,55) м3/м3 сопровождается снижением величины
деформаций в среднем всего на (20…30) %.
Эффективность регулирования величины влажностной усадки за счет
создания противоусадочного каркаса на уровне микробетона определяется не
только объемным содержанием и дисперсностью микронаполнителя, но в еще
более значительной степени его активностью по отношению к воде, оцениваемой по теплоте смачивания.
Наиболее результативным оказывается введение микронаполнителя в
количестве до (0,35…0,4) м3/м3 при его дисперсности не менее 150 м2/кг и теплоте смачивания поверхности q < 1 кДж/кг, так как позволяет снизить величину деформаций в 3,5 - 4 раза (рис.14, кривая 3) и одновременно получить величину удельной усадки микробетона менее 0,2-0,25 (мм/м)/(%уд.вод.). Применение
более дисперсных и активных по отношению к воде наполнителей даже при их
объемном содержании до (0,45…0,5) м3/м3 не позволяет существенно повлиять
на величину усадки (рис. 14 , кривая 2).
Эффективность воздействия указанных приемов регулирования усадки
цементного микробетона оценивается экспериментально-статистической зависимостью
 W  0 ,9e 3 ,5Vмп  кVвкл ,
(2.9)
где Vвкл –объем включений, Vмп – объем микропор, к – коэффициент, отражающий вклад включений в снижение величины усадки и изменяющийся в
диапазоне от 1,2 до 2,1 в зависимости от их характеристик.
72
Влажность, % по массе
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0
1 – кривая усадки цементного микробетона без наполнителей;
2 – кривая усадки цементного микробетона на молотом песке;
3 – кривая усадки цементного микробетона на пыли-уноса
2
1
2
Деформации усадки, мм/м
3
3
4
1
5
6
Рис. 14.
Развитие деформаций усадки при обезвоживании
цементного микробетона
На основании рассмотренных данных можно утверждать, что эффективность противоусадочного действия зернистых включений мало зависит от размера частиц, а в основном определяется активностью их поверхности по отношению к воде. Использование природного сырья и техногенных отходов естественной гранулометрии в задаче управления эксплуатационной деформируемостью материала имеет определенные преимущества, так как их применение в
качестве противоусадочных включений не требуется специальных затрат для
подготовки. И это необходимо учитывать при конструировании материала.
Результаты исследований усадки поризованного бетона позволяют заключить,
что ее величина прямым образом соотносится с видом и дисперсностью применяемого наполнителя. Данные рентгенофазового анализа (рис. 15) позволяют
заключить, что для рассматриваемых в настоящих исследованиях видов плотного и поризованного бетона параметры состава и структуры новообразований
незначительно отличаются. Поэтому можно полагать, что именно характеристики наполнителя в определяющей мере повлияют на величину влажностной
усадки материала.
Оценка гигрометрических характеристик дала основание квалифицировать
поризованный бетон на пыли-уносе как материал с наибольшей силой его связи с водой. Поэтому при обезвоживании он характеризуется
более
73
Дифракционные характеристики
Спектры
-кварц: d = 3,34; 1,81; 1,57 Å
3,34
5 600
5 400
-
5 200
Пе 800 d менее 0,063.dat
1000 d менее 0,063.dat
тридимит: Пу
d=
4,1; 3,8; 1,91 Å
ЗУ-1 d менее 0,63.dat
5 000
кальцит: d = 3,029; 2,27; 2,09Å
4 800
4 600
3,029
4 400
4 200
4 000
3 800
3 600
3 400
3 200
1,91
2,09
2 400
2,27
2 600
2,48
3,8
2 800
2 200
наполнитель зола-уноса кислая
1,91
2,09
1 600
2,27
3,8
1 800
2,48
4,1
2 000
1 400
наполнитель карбонатсодержащая пыль унос
400
1,81
1,91
600
2,09
800
2,27
1 000
2,48
1 200
4,1
74
4,1
3 000
наполнитель кварцевый песок
200
0
6
8
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70
Рис. 15. Рентгенограммы образцов цементного микробетона на различных видах наполнителей
66
высокими по сравнению с другими разновидностями бетона показателями
влажностной усадки (табл. 18, рис. 16). При равной средней плотности влажностная усадка образцов бетона на пыли-уносе оказалась в 2,8-2,9 раза более высокой, чем у бетона на немолотом песке, и в 1,7-1,9 раза выше, чем у бетона на
молотом песке.
Особенности развития влажностных деформаций плотного поризованного бетона позволили установить, что при удалении из бетона различных видов
воды степень его деформирования заметно отличается (см. табл.18, рис. 16) и
определяется характеристиками наполнителя. Для мелко- и микрозернистого
бетона на песке наибольшая полная и удельная усадка наблюдается при удалении капиллярно-связанной воды (до 70% от ее полной величины); для бетона на
пыли-уносе самые высокие значения усадки характерны при удалении адсорбционной и межслоевой воды (до 50 % от ее полной величины).
При увеличении объемной доли макропор (см. рис. 16,б) в структуре поризованного бетона потенциал усадочности последнего не изменяется, поскольку объемное соотношение структурных элементов межпоровых перегородок поризованного бетона и их качественные характеристики сохраняются. Однако макропоры ослабляют материал, и это снижает потенциал упругого сопротивления матрицы ее деформированию. В итоге величина деформаций мелкозернистого бетона при увеличении объемной доли макропор от 0 до 0,6 м3/м3
(это соответствует изменению его средней плотности от 2000 до 800 кг/м3) возрастает на 20…25 % (с 0,75…0,8 мм/м до 0,93…1,15 мм/м).
По результатам исследований правомерен вывод о том, что управление
эксплуатационной деформируемостью поризованного бетона требует включения в действие всей принятой и последовательно рассмотренной совокупности
параметрических (состав, структура) и соответственно рецептурно - технологических факторов. Установлено, что результативность модифицирования структуры при варьировании обозначенных рецептурно-технологических факторов
характеризуется возможностью снижения величины влажностных деформаций
в 3…3,5 раза.
Пониженной деформативностью отличается материал с минимальной силой связи его структуры с водой, у которого наименьшее удельное содержание
цементирующего вещества, пониженное значение удельной площади поверхности и удельной теплоты смачивания наполнителя, а поровое пространство образовано порами с большей величиной среднего эффективного радиуса. Для поризованных бетонов характер усадки определяется видом микробетона,
75
Таблица 18
Содержание воды различных форм связи в плотном и поризованном
цементном бетоне, величина их полной и удельной усадки
при обезвоживании
76
НачальХарактеристика ная
бетона
влажность,
%
На немолотом 6,0
песке D1600
На немолотом 6,2
песке D1200
На немолотом
11,8
песке D800
На молотом
21,1
песке D800
На пыли-уносе
28,5
D800
Содержание воды различных форм связи, %
Усадка полная (над чертой), удельная (под чертой) от удаления ,
мм/м
свокапиллярномежкапиллярнободконденсированной слоенасыщенной
ной
адсорбционной
вой
всей капиллярнокапиллярно-конденсированной и межслоевой
массы насыщенной
адсорбционной воды
воды
воды
воды
-
1,81
2,27
1,92
-
2,15
2,29
1,81
4,6
2,2
3,24
1,76
3,1
12,1
3,4
2,5
5,7
10,4
7,3
5,1
19
1,84
0,30
1,82
0,29
1,98
0,17
3,16
0,14
5,59
0,19
0,80
0,44
0,80
0,37
1,0
0,45
1,85
0,15
2,5
0,24
0,51
0,22
0,58
0,25
0,42
0,12
0,23
0,06
0,64
0,08
0,53
0,27
0,44
0,24
0,56
0,31
1,08
0,43
2,45
0,48
а) мелко- и микрозернистый поризованный бетон средней плотности 800 кг/м3
Влажность, % по массе
Деформации усадки, мм/м
0
4
8
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
5,5
6
12
16
20
24
28
1 – мелкозернистый поризованный бетон на немолотом песке;
2 - микрозернистый поризованный бетон на молотом песке;
3 - микрозернистый поризованный бетон на карбонатсодержащей пыли-уносе
1
2
3
б) мелкозернистый поризованный бетон различной средней плотности
Влажность, % по массе
0
1
2
3
4
5
6
7
0
Деформации усадки, мм/м
0,2
0,4
0,6
- плотный бетон
0,8
D1600;
1
D1200;
1,2
D800
1,4
1,6
1,8
2
Рис. 16. Развитие деформаций усадки при обезвоживании плотного
и поризованного цементного бетона
77
который использован в качестве материала межпоровых перегородок Оптимизация структуры межпоровых перегородок позволила получить в условиях естественного твердения цементный поризованный бетон с величиной деформаций не более 1 мм/м при его обезвоживании от начального до равновесного
эксплуатационного влагосодержания (3-4% по массе).
2.5.3. Оценка деформативных свойств поризованных бетонов
при длительном действии нагрузки
Для конструкционных поризованных бетонов приоритетным показателем
является их несущая способность, определяемая набором нормируемых прочностных и упругих характеристик.
Для различных модификаций поризованных бетонов экспериментально
оценивались деформации усадки, ползучести, упругого последействия и длительного сопротивления, а также производилось определение изменения их
кратковременной прочности после периода длительного нагружения и действия физико-климатических факторов.
В качестве объекта исследования принят цементный плотный (исходный
непоризованный) и поризованный бетон двух структурных модификаций - мелкозернистый, изготовленный с применением кварцевого песка естественной
гранулометрии, и микрозернистый бетон, при получении которого применялась
зола-уноса ТЭЦ. При выполнении экспериментальных исследований в качестве
сырьевых материалов использовались: портландцемент марки 500 ДО Белгородского цементного завода; ПАВ воздухововлекающего действия «Пеностром»; в качестве наполнителя для микрозернистого бетона применялась зола-унос Воронежской ТЭЦ-2 (Sуд=300 м2/кг, Косн = -0,151), для мелкозернистого бетона кварцевый песок по группе крупности «мелкий» (МК=1,4). Состав бетона по
соотношению «цемент : наполнитель = 1:1,75» принимался исходя из критерия
минимальности усадочных деформаций материала 55.
При проведении испытаний изготавливались образцы поризованного цементного мелкозернистого и микрозернистого бетона марок по средней плотности D1200, D1400 и D1600, а также плотного бетона. Получение поризованной бетонной смеси производилось при одностадийном перемешивании в смесителе турбинного типа. Скорость перемешивания 15 с-1 при продолжительности 4 мин. Обеспечение требуемой средней плотности бетонной смеси достигалось изменением дозировки воздухововлекающей добавки «Пеностром» в диа78
пазоне 0,05 - 0,2 % от массы цемента при 10 %-й концентрации ее рабочего раствора.
Образцы до и после длительных испытаний находились в одинаковых условиях с ненагруженными контрольными призмами. Длительная нагрузка прикладывалась в возрасте 28 суток; предварительно изолированные образцы загружались постоянными во времени длительными сжимающими напряжениями
при различных их относительных уровнях. После выдержки под нагрузкой до
возраста 240 суток (до стабилизации деформаций ползучести) призмы извлекались из рычажных установок и в возрасте 365 суток доводились до разрушения
в обычном прессе.
Значения деформаций ползучести и усадки определялись по стандартной
методике (ГОСТ 24544-81. «Бетоны. Методы определения деформаций усадки
и ползучести») на образцах-призмах размером 100100400 мм нормального
28-суточного твердения. Определение призменной прочности образцов каждой серии проводились на прессе типа ПМС-20. Деформации определялись с
помощью тензорезисторов с базой 50 мм, наклеенных на образцы в центре каждой боковой грани, а также с помощью индикаторов часового типа. Показания
датчиков снимались прибором ЦТМ-5 на каждой ступени нагружения, которая
составляла 0,1 от разрушающей нагрузки.
Испытание образцов длительной нагрузкой проводилось на рычажных установках с возможностью десятикратного ее увеличения. Для исключения погрешностей, связанных с неаддитивностью эффекта проявления деформаций
усадки и ползучести под действием нагрузки, образцы покрывались гидроизоляцией, состоящей из двух слоев парафина и двух слоев полиэтиленовой пленки. Образцы-призмы загружались в возрасте 28 суток (после твердения в нормальных условиях) длительной нагрузкой. Варианты длительных нагрузок составляли определенные доли (0,15; 0,3; 0,45; 0,6; 0,75; 0,9) от разрушающих,
полученных при кратковременных испытаниях контрольных образцов. Деформации определялись на базе 200 мм индикаторами часового типа с ценой деления 0,001 мм. Длительные испытания проводились при температуре 20±2 0С и
относительной влажности воздуха 85±4 %.
По результатам испытаний строились кривые деформаций образцов поризованного бетона. Деформации ползучести определялись как разность между
суммарными деформациями загруженных образцов и деформациями усадки
свободных от нагрузки образцов. По полученным значениям деформаций пол-
79
зучести рассчитывались характеристика и мера ползучести образцов поризованного бетона различной структуры и плотности.
Кинетика изменения физико-механических характеристик в различных условиях характеризуется следующими закономерностями.
1. При твердении в ненагруженном состоянии в лабораторных условиях у
поризованного бетона всех составов наблюдается устойчивый рост прочности и
модуля упругости в течение всего годичного срока хранения. Для поризованных бетонов различной средней плотности и в зависимости от вида заполнителя, прочность и модуль упругости увеличиваются соответственно на 20-50 % и
15-40 % и тем больше, чем ниже средняя плотность бетона.
2. При твердении в условиях действия длительной нагрузки 0,3 Rb, данный
уровень напряжений соответствует области линейной ползучести. За время
твердения в нагруженном состоянии, также отмечается прирост прочности и
модуля упругости на сжатие. Сопоставительные данные о прочности и модуле
упругости призм, находившихся под нагрузкой и ранее ненагружавшихся, свидетельствуют о большем приросте прочности призм под нагрузкой - в среднем
на 8-14 % как для мелко-, так и для микрозернистых поризованных бетонов.
3. При твердении в условиях естественных физико-климатических воздействий ( в течение 15 лет), когда на материал влияли процессы деструкции от
увлажнения-высушивания, замораживания-оттаивания, карбонизации и др.
Прочность мелко- и микрозернистого поризованного бетона марки по средней
плотности D1200 в 1,5 и 1,3 раза превысила значения прочности соответствующих бетонов в 28-суточном возрасте (табл. 19). При этом коэффициент
призменной прочности поризованного бетона на песке составил 0,86, а бетона с
золой – 0,96. Модуль упругости за 15-летний период твердения вырос до 5100 и
3700 МПа, а предел упругости - до относительного уровня 0,7 и 0,6 от Rb соответственно для мелкозернистого и микрозернистого бетона.
Таблица 19
Результаты определения прочности на сжатие поризованного
бетона D1200 в процессе его твердения в естественных условиях
Вид структуры
поризованного
бетона
Мелкозернистая
(на кварцевом
песке)
Микрозернистая (на золеуносе)
Кубиковая прочность поризованного бетона, МПа, в возрасте
1
3
7
14
28
180
1
12
15
сут
сут сут
сут
сут
сут
год
лет
лет
0,3
1,0
1,4
2,0
3,4
3,8
4,0
4,8
5,2
0,2
0,9
1,3
1,8
2,5
2,6
2,7
3,2
3,3
80
По результатам исследований закономерностей развития ползучести
при длительном действии нагрузки величиной 0,3 Rb установлено следующее
(табл. 20). Для микрозернистого бетона на золе-уноса характерны более высокие начальные скорости ползучести, чем для мелкозернистого бетона на песке.
Для одной и той же величины средней плотности ползучесть микрозернистого
бетона больше, чем мелкозернистого в среднем на 20%, а мера ползучести - на
10 - 15 %. Соотношение долей деформаций ползучести и усадки в суммарной
деформации составляет в среднем 0,74 к 0,26 для мелкозернистого бетона и
0,67 к 0,33 – для микрозернистого. Увеличение содержания макропор в структуре бетона при снижении его средней плотности приводит к повышению его
деформативности.
Таблица 20
Характеристики и свойства поризованного бетона
Вид структуры
поризованного
бетона
Средняя
плотность,
кг/м3
Призменная
прочность,
Rbm, МПа
Уровень
сжатия,
/Rbm
Деформ.
ползучести,
εn105
Мелкозернистая
(на кварцевом
песке)
1200
5,3
0,31
1400
10,6
1600
Микрозернистая
(на золе уносе)
94,80
Характер
ползучести,
t
3,26
Мера ползучести,
С(t,τ) 105,
МПа-1
58,16
0,31
75,03
2,68
23,23
14,6
0,32
65,50
1,87
14,12
1200
1400
6,0
12,2
0,29
0,29
115,00
96,25
2,38
1,60
66,09
27,19
1600
18,0
0,29
79,88
1,36
15,30
Кроме того, исследованы закономерности развития усадки и ползучести с
более расширенными уровнями длительных нагрузок (0,15; 0,45; 0,6; 0,75; 0,9
от Rbm) и определены на их основании длительные сопротивления поризованного бетона разных составов и средних плотностей. Это было проведено с целью установления зависимости между деформациями и напряжениями с учетом ползучести и старения бетона и решения вопроса о применении поризованного бетона в несущих строительных конструкциях.
По результатам длительных испытаний установлено следующее.
Испытания на ползучесть при центральном сжатии материала со средней
плотностью 1200-1600 кг/м3, продолжавшиеся 200 суток, показали, что поризованный бетон не обладает повышенной длительной деформативностью по
81
сравнению с другими видами ячеистых бетонов. Величина характеристики ползучести к этому времени составляла соответственно 1,7-3,0 и 1,6-2,6 для поризованного бетона на песке и на золе-уносе, и тем она больше, чем ниже средняя
плотность бетона и выше уровень напряжений (табл. 21.).
Таблица 21
Результаты длительных испытаний поризованного бетона
Характеристика
Удельные деформации ползучести, С(228, τ) 105, МПа-1
Характеристика ползучести, φ(228,
Вид структуры поризованного бетона и марка по
средней плотности
Мелкозернистая
Микрозернистая
(на кварцевом песке)
(на золе-уносе ТЭЦ)
D1200 D1400 D1600 D1200 D1400 D1600
44,3
25,4
13,9
47,3
27,5
16,2
2,45
2,50
1,73
1,97
1,88
1,56
0,71
58,0
0,71
29,7
0,63
17,0
0,66
53,5
0,65
30,4
0,61
19,0
61,9
31,5
18,0
61,6
34,2
21,6
3,6
3,2
2,5
2,5
2,2
1,9
16,1
-
6,0
14,2
-
5,8
0,678
0,677
0,726
0,722
0,676
0,685
τ)
Коэффициент пластичности, λpl
Предельные удельные деформации ползучести, С(∞, τ) 105, МПа-1
Предельная мера ползучести, С*(∞,
5
-1
τ) 10 , МПа
Предельная характеристика ползучести φ(∞, τ) с учетом старения
бетона
Предельная мера упругого последействия, С*elp (∞, τ) 105, МПа-1
Коэффициент длительной прочности, η
В целом, ползучесть поризованного бетона на золе-уносе больше ползучести бетона на песке на 30-50 % и это различие возрастает по мере увеличения
относительного уровня напряжений. В то же время мера их ползучести в области линейной ползучести отличается незначительно и с ростом средней плотности бетона стремится к уменьшению с 44,4 до 13,9105 МПа-1 для мелкозернистого бетона и с 47,3 до 16,2105, МПа-1 - для микрозернистого. Развитие деформаций ползучести поризованного бетона зависит от интенсивности напряжения и продолжительности загружения (рис. 17,18). При продолжительности
наблюдения в течение 200 суток и напряжениях до 0,3 Rbm деформации бетона
82
а)
Удельные относительные деформации, С (t,τ) ∙ 10-5, МПа-1
последействия
ползучести
последействия
ползучести
60
4
50
6
5
40
30
1
2
3
20
10
20
40
60
80
100
120
140
160
0
Продолжительность наблюдения в сутках
-10
-20
б)
60
6
50
5
4
40
30
1
20
20
40
10
20
40
0
-10
60
60
80
80
100
120
2
140 160
3
180
200
100 120
140
160 180
Продолжительность наблюдения в
Продолжительность наблюдения в сут.
-20
Рис. 17. Удельные деформации ползучести и последействия мелко- (а)
и микрозернистого (б) поризованного бетона марки D1200
при разных уровнях напряжений сжатия:
1 – σ = 0,15 Rb; 2 - σ = 0,30 Rb; 3 - σ = 0,45 Rb;
4 - σ = 0,60 Rb; 5 - σ = 0,75 Rb; 6 - σ = 0,90 Rb
83
а)
Удельные относительные деформации, С (t,τ) ∙ 10-5, МПа-1
последействия
ползучести
последействия
ползучести
20
5
6
15
4
3
10
1
5
20
40
60
80
100
120
2
140
160
180
0
Продолжительность наблюдения в сутках
-5
-10
б)
30
25
5
6
20
4
3
15
1
10
5
0
20
2020
40
4040
60
60
60
80
80
80
2
100 120
120 140
140 160
160 180
180 200
200
100
100
120
140
160
180
Продолжительность
наблюдения
вв
Продолжительность
наблюдения
Продолжительность
наблюдения
в сутках
-5
-10
Рис.18. Удельные деформации ползучести и последействия мелко- (а)
и микрозернистого (б) поризованного бетона марки D1600
при разных уровнях напряжений сжатия:
1 – σ = 0,15 Rb; 2 - σ = 0,30 Rb; 3 - σ = 0,45 Rb;
4 - σ = 0,60 Rb; 5 - σ = 0,75 Rb; 6 - σ = 0,90 Rb
84
носят затухающий во времени характер, при напряжениях 0,45-0,75 Rbm – слабо
затухающий. Ползучесть мелкозернистого поризованного бетона развивается
во времени медленнее, чем у микрозернистых бетонов, и стабилизируется к более поздним срокам.При уровнях напряжений > 0,75 Rbm в опытах через некоторый промежуток времени после загружения наблюдалось резкое увеличение
скорости деформирования с последующим трещинообразованием и разрушением образцов. При относительном уровне нагружения (0,8÷0,95) Rbm разрушение
образцов происходило в интервале от нескольких часов до 6,5 месяцев, а при
уровне нагружения ≤ 0,75 Rbm разрушения не происходило в течение всего 200суточного срока наблюдения.
Отличительной чертой развития ползучести поризованных бетонов, особенно на песке, является более высокая, чем у традиционных тяжелых бетонов,
граница, соответствующая началу образования микротрещин сжатия и существенно нелинейной ползучести. Так, граница перехода от практически линейной
ползучести к существенно нелинейной находилась на уровне напряжений, соответствующих 0,60Rb для мелкозернистого бетона и 0,45Rb – для микрозернистого. Причем увеличение средней плотности поризованного бетона практически не влияло на эту границу.
Следует отметить, что для нормирования деформаций ползучести интерес
представляют не удельные деформации ползучести, нарастающие к моменту
окончания опытов, а предельные С*(∞, τ) при t → ∞ с учетом старения бетона (см.
табл. 20).
Исследование деформаций упругого последействия после разгрузки образцов показало, что даже при напряжениях до 0,15 Rb наблюдается лишь частичная обратимость деформаций ползучести. Деформации упругого последействия поризованного бетона практически линейно зависят от напряжений, действовавших в образцах до их разгрузки, а степень обратимости деформаций ползучести оказалась тем больше, чем выше была марка бетона по средней плотности, а
также у мелкозернистых бетонов больше, чем у микрозернистых (см. рис.17,18).
Как уже отмечалось, длительное действие нагрузки в диапазоне уровней (0,80,95)Rbm приводило к разрушению образцов бетона. Как правило, чем больше уровень относительной нагрузки, тем раньше наступало их разрушение. Предел длительного сопротивления поризованного бетона определялся экстраполяцией опытных точек по логарифмической зависимости до момента времени, соответствующему сроку службы сооружений (рис. 19, 20).
85
η(t,τ)
1.0
Бетон марки D1200
1
0.9
0.8
0.7
2
0.6
0.5
η(t,τ)
1.0
0.9
1
Бетон марки D1400
1
Бетон марки D1600
0.8
0.7
2
0.6
0.5
η(t,τ)
1.0
0.9
0.8
0.7
2
0.6
0.5
1
10
100
1000
log (t-τ), сут
Рис. 19. Длительное сопротивление мелкозернистого поризованного
бетона действию постоянных напряжений сжатия:
1 - аппроксимация опытных данных по логарифмической зависимости;
2 - теоретические кривые длительной прочности по [64];
точки - результаты непосредственного определения длительной прочности бетона
86
η(t,τ)
1.0
Бетон марки D1200
1
0.9
0.8
0.7
2
0.6
0.5
η(t,τ)
1.0
1
0.9
Бетон марки D1400
0.8
0.7
2
0.6
0.5
η(t,τ)
1.0
1
0.9
Бетон марки D1600
0.8
2
0.7
0.6
0.5
1
10
100
1000
log (t-τ), сут
Рис. 20. Длительное сопротивление микрозернистого поризованного
бетона действию постоянных напряжений сжатия:
1 - аппроксимация опытных данных по логарифмической зависимости;
2 - теоретические кривые длительной прочности по [64];
точки - результаты непосредственного определения длительной прочности бетона
87
В нормативных документах таким сроком является 100 лет. В результате коэффициент длительной прочности η для обоих видов бетона составил 0,68-0,73.
Таким образом, можно считать, что свойства цементного поризованного бетона на рассматриваемых видах наполнителя со временем улучшаются. Благодаря
приросту призменной прочности и модуля упругости во времени повышается начальная обеспеченность нормативного и расчетного сопротивлений. Это позволяет
рассматривать поризованный бетон с оптимизированной структурой как перспективный к применению в строительстве не только в качестве стенового конструкционно-теплоизоляционного, но и конструкционного материала. Полученные данные
важны для нормирования характеристик материала при расчете конструкций по 1-й
группе предельных состояний.
Таким образом, цементный поризованный бетон по прочностным и деформативным показателям занимает промежуточное место между равнопрочными ячеистыми и легкими бетонами на пористых заполнителях. Причем поризованный бетон
на кварцевом песке приближается по этим свойствам к легким бетонам, а поризованный бетон на золе-уносе - к автоклавным ячеистым бетонам.
Рекомендации (см. разд. 2.1) о возможных рациональных направлениях применения поризованного бетона на различных видах наполнителей 61,62 подтверждаются полученными результатами комплексной оценки прочностных и деформативных свойств. Перспективным для монолитного возведения несущих и самонесущих конструкций зданий (внутренних несущих стен, перекрытий, перегородок) может быть использование мелкозернистого бетона средней плотности 1200...1600
кг/м3, так как при этом может быть обеспечено не только снижение материалоемкости конструкций, но и их теплоемкости. На микродисперсных наполнителях рациональным представляется получение бетонов средней плотностью 800...1000 кг/м3,
которые можно рекомендовать к использования для монолитных ограждающих
конструкций в сочетании с эффективными утеплителями.
88
2.6. Температурно-влажностные деформации
и морозостойкость поризованных бетонов
Морозостойкость материалов связана с их исходным влажностным состоянием, поэтому результаты исследований взаимодействия поризованных бетонов с водяным паром и водой, изложенные нами ранее (см. разд. 2.3), имеют
непосредственное отношение к проблеме морозостойкости. При этом с практической точки зрения целесообразно характеризовать влажностное состояние
материалов, наблюдаемое
а) при длительном пребывании их в среде насыщенного водяного пара
(p/po ≈ 1),
б) непосредственно после окончания технологического процесса,
в) при их водонасыщении.
Такие варианты влажностного состояния материалов соответствуют наиболее
неблагоприятным ситуациям и условиям, в которых они могут оказаться при
эксплуатации.
Анализ полученных результатов (табл. 22) показывает следующее. Цементный микробетон, являющийся матрицей материалов плотного и макропористого строения, может обладать такой структурой, что его поры в каждом из
рассматриваемых вариантов влажностного состояния оказываются в значительной мере или нацело заполненными водой. Это свойственно микробетону,
поровое пространство которого сложено преимущественно порами с радиусом
rэ < 15 нм. Одновременно твердая фаза характеризуется развитой удельной поверхностью (Sуд = 500-800 м2г), обладает повышенным запасом избыточной поверхностной энергии (теплота смачивания q = 6-15 кДж/кг). Это обусловлено
преимущественным содержанием цементирующего вещества, представленного
в основном гидросиликатами кальция С-S-Н(I) и наличием наполнителей с высокой активностью (оцененной по теплоте смачивания) по отношению к воде.
Изменение структуры в направлении увеличения среднего радиуса пор при одновременном снижении удельной поверхности и поверхностной энергии твердой фазы (см. табл. 8, 9, разд. 2.3) за счет введения грубодисперсных, инертных
по отношению к воде наполнителей сопровождается понижением степени заполнения пор водой (Vжф/Vпор , Vжф/Vмп), возрастанием величины не заполненного водой резервного объема пор.
89
Таблица 22
Показатели влажностного состояния цементного микробетона и поризованного бетона
Вид материала Характеристика состава
материала
Цементный
микробетон
После хранения в среде
с р/р0=1,0
Vжф/Vпор Vжф/Vмп Vрп
90
Без наполнителей В/Ц=0,27
и добавок
В/Ц=0,35
В/Ц=0,4
С наполнителями
На молотом
песке
На золе
уноса
Поризованный Мелкозернистый на кварце- 0,12
цементный
вом песке D1600
бетон
Микрозернистый на кварце- 0,07
вом песке D800
Микрозернистый на золе- 0,11
уносе D800
Показатели влажностного состояния
После твердения
После водонасышения
Vжф/Vпор Vжф/Vмп Vрп
Vжф/Vпор Vжф/Vмп Vрп
0,33
0,29
0,27
0,31
0,67
0,71
0,73
0,69
0,54
0,53
0,55
0,34
0,46
0,47
0,45
0,66
1,26
1,10
1,14
0,85
0,00
0,00
0,00
0,15
0,53
0,47
0,57
0,43
1,00
0,00
0,31
0,88
0,27
0,52
0,73
0,68
0,85
0,32
0,48
0,93
0,23
0,91
0,77
0,37
1,62
0,63
0,54
0,89
0,33
1,23
0,67
0,50
1,70
0,50
Примечание:
Vжф/Vпор - степень заполнения пор водой, м3/м3,
Vжф/Vмп - степень заполнения микропор водой, м3/м3,
Vрп =1 - Vжф/Vпор - резервный объем пор, не заполненных водой, м3/м3.
90
В изученном диапазоне варьирования параметров структуры цементного микробетона достигалось почти двухкратное уменьшение степени заполнения пор
водой (см. табл. 22) для влажностного состояния, наблюдаемого после твердения, длительного хранения в среде с p/po ≈ 1 и после водонасыщения. Подчеркнем, что для микробетона, полученного с применением кварцевого песка,
даже после его водонасыщения этот показатель составляет Vжф/Vпор = 0,85, что
ниже критического значения Vжф/Vпор = 0,91.
Фиксируемая для микробетона связь параметров его влажностного состояния с особенностями структуры закономерно проявляет себя в поризованном бетоне, где микробетон используется в качестве материала межпоровых
перегородок. При влажностном состоянии, достигаемом после твердения и после выдерживания в среде с p/po ≈ 1, имеет место 1,5-кратная разница в степени
заполнения общего объема пор и микропор водой для цементного поризованного бетона на кварцевом песке и золе-уносе постоянной средней плотности (см.
табл. 22). Для бетонов различной средней плотности, но с одинаковым по составу и структуре материалом межпоровых перегородок заполнение водой, характеризуемое по отношению к общему объему пор, закономерно понижается
по мере уменьшения средней плотности бетона. Степень же заполнения, определяемая по отношению к объему микропор, содержащихся в мембранах и оцениваемая для влажностного состояния бетона после твердения и после хранения в среде с p/po ≈ 1, оказывается мало отличающейся. Это и понятно, поскольку в качестве материала межпоровых перегородок поризованного бетона
в данном случае использовался один и тот же по составу и структуре микробетон.
Итак, в макропористом бетоне при обычном водонасыщении его микропоры нацело заполняются водой. Однако с учетом объема макропор в материале всегда есть не занятый водой, резервный объем порового пространства. Его
величина зависит от средней плотности бетона, особенностей структуры материала мембран, их дефектности. Выполненные исследования показали, что резервный объем порового пространства возрастает по мере понижения средней
плотности в диапазоне 1600-800 кг/м3 - с 0,32 до 0,5. С другой стороны, при
повышении сродства материала перегородок к воде объем не занятого водой
порового пространства заметно уменьшается для бетонов равной средней плотности.
Наличие в материале резервного объема порового пространства с точки
зрения повышения морозостойкости материала считается положительным фак91
тором 67-69. Однако повышенные значения исходной степени насыщения пор
материала водой или, напротив, пониженные их значения еще не дают оснований прогнозировать по ним соответственно более низкую или более высокую
его морозостойкость. И уже хотя бы потому, что при охлаждении материала
исходное влажностное его состояние и соответствующая ему величина резервного объема пор не сохраняются. В силу развития процесса термоградиентной
миграции влаги в материале с относительно меньшей исходной степенью заполнения пор водой может в зоне его охлаждения возникнуть ситуация критического водонасыщения. В материале же с большим исходным водосодержанием такая ситуация, к примеру, может и не появиться, и он в результате этого
окажется потенциально более морозостойким.
Как следует из рассмотрения механизма и факторов морозного разрушения, повышенную степень заполнения пор водой следует считать необходимым, но не достаточным условием разрушения при замораживании. Определяющее значение будет иметь не то, сколько воды содержалось в порах материала в момент начала его охлаждения, и даже не то, сколько ее стало содержаться в зоне охлаждения после миграционного перемещения, а то, сколько ее
перешло в лед и как при этом развивались напряжения в материале, оцениваемые по проявлению им деформаций в процессе замораживания.
Сравнительные исследования деформирования сухих и водонасыщенных
образцов цементного микробетона и соответствующих видов поризованного
бетона при замораживании позволили охарактеризовать ряд закономерностей
влияния структуры материала на развитие процесса льдообразования и соответствующее этому формирование напряженного состояния.
Характер деформирования водонасыщенного цементного микробетона и
поризованного бетона при охлаждении (рис. 21, 22, 23) свидетельствует, что в
первый период воздействия среды с отрицательной температурой наблюдаемое
уменьшение объема материала является следствием температурного деформирования его твердой фазы. Данные объемные изменения могут уже в этот период в определенной мере перекрываться увеличением объема жидкой фазы при
переходе ее в лед. В последующем деформации материала оказываются связанными в основном с развитием процесса льдообразования. При этом деформированное и напряженное состояние водонасыщенного микробетона при замораживании и соответствующие эффекты на кривых деформирования (t) обусловливаются особенностями его структуры.
92
в) В/Ц=0,4
б) В/Ц=0,35
а) В/Ц=0,27
температура, 0С
0
температура, С
0
температура, С
-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10
0
10 20
-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10
0
10 20
-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10
0
93
0
0
0
0,1
0,1
0,1
0,2
0,2
0,2
0,3
0,3
0,3
0,4
0,4
0,4
0,5
0,5
0,5
0,6
0,6
0,6
0,7
0,7
0,7
0,8
0,8
0,8
0,9
0,9
0,9
1
1
1
1,1
деформа
ции,
мм/м
1,1
1,2
деформа
ции, мм/м
1,2
сухие образцы;
водонасыщенные образцы
Рис. 21. Дилатометрические эффекты при замораживании сухих и водонасыщенных образцов
цементного микробетона с различным В/Ц-отношением
93
1,1
1,2
10
20
деформа
ции,
мм/м
а) на пылевидном кварцевом песке
б) на молотом кварцевом песке
в) на золе-уносе
температура, 0С
температура, 0С
температура, 0С
-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10
0
10
20
-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10
0
10
20
-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10
0
94
0
0
0
0,1
0,1
0,1
0,2
0,2
0,2
0,3
0,3
0,3
0,4
0,4
0,4
0,5
0,5
0,5
0,6
0,6
0,6
0,7
0,7
0,7
0,8
0,8
0,9
0,9
1
1,1
1,2
деформа
ции,
мм/м
1
1,1
1,2
20
0,8
0,9
деформа
ции,
мм/м
сухие образцы
водонасыщ енные образцы
Рис. 22. Дилатометрические эффекты при замораживании сухих и водонасыщенных образцов
цементного микробетона на различных видах наполнителя
94
10
1
1,1
1,2
деформа
ции,
мм/м
а) на кварцевом песке естественной
гранулометрии D 1600
б) на кварцевом песке естественной
гранулометрии D 800
-60
-50
-40
-30
-20
температура, 0С
температура, 0С
температура, 0С
-70
в) на золе-уносе D 800
-10
0
10
20
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
-70
-60
-50 -40
-30
-20
-10
0
95
0
0
0
0,1
0,1
0,1
0,2
0,2
0,2
0,3
0,3
0,3
0,4
0,4
0,4
0,5
0,5
0,5
0,6
0,6
0,6
0,7
0,7
0,7
0,8
0,8
0,8
0,9
0,9
0,9
1
1,1
1,2
1
деформации,
мм/м
1,1
деформации, мм/м
1,2
сухие образцы
водонасыщ енные образцы
Рис. 23. Дилатометрические эффекты при замораживании сухих и водонасыщенных образцов
различных видов цементного поризованного бетона
95
10
20
1
1,1
1,2
деформа
ции, мм/м
Для цементного микробетона без добавок и наполнителей отличия в характере деформирования сухих и водонасыщенных образцов определяются параметрами порового пространства. Несмотря на то, что в водонасыщенном состоянии поровое пространство микробетона полностью заполнено жидкой фазой, в материале с порами среднего радиуса rэ = 5-7 нм (В/Ц = 0,27), величина
объемных изменений водонасыщенных образцов (см. рис. 21,а) соответствует
температурным деформациям сухого материала при охлаждении до -30 °С. Из
этого следует вывод о том, что деформации расширения, соответствующие
льдообразованию, начинают проявляться в области более низких температур
(-40 ÷ -70 0С) по сравнению с температурой стандартных испытаний (-15  -18
°С). Жидкая фаза в материале с такой структурой практически не замерзает, и
льдообразованием в эксплуатационных условиях охватывается незначительный
объем воды, содержащейся в основном в крупных порах материала.. В цементном микробетоне, поровое пространство которого характеризуется двумодальным распределением пор по их радиусам со средним радиусом пор r = 7-10 нм
и r = 30-40 нм (В/Ц = 0,35-0,4) по мере охлаждения материала эффект увеличения объема в результате льдообразования достаточно четко наблюдается в 0 ÷
-10 0С и -50÷-60 0С (см. рис. 21, б, в). По-видимому, эффект температурных
деформаций расширения материала характерен при замерзании воды в порах
средним радиусом rэ = 15 - 20 нм, который можно считать границей замерзаемости воды в поровом пространстве цементного микробетона при средней эксплуатационной температуре, одновременно принятой в стандартных испытаниях на морозостойкость.
Для цементного микробетона с наполнителями, рассматриваемого в качестве матричного материала цементного поризованного бетона, также характерны два температурных диапазона: в одном происходит компенсация температурных деформаций уменьшения объема, в другом - деформации расширения
при замерзании воды. Начальная температура льдообразования определяется
степенью сродства к воде наполнителя. Для серий микробетона на кварцевом
песке различной дисперсности (см. рис. 22, а, б) компенсация температурных
деформаций уменьшения объема наблюдается при температуре -10 ÷ -20 0 С. И
это закономерно связано со структурой пористости и активностью их поверхности по отношению к воде. Средний эквивалентный радиус пор микробетона
данных серий составляет 40-50 нм, а теплота смачивания поверхности твердой
фазы характеризуется значением менее 2 кДж/кг (см. табл.8, разд. 2.3). Для
микробетона на золе-уносе, который характеризуется повышенной теплотой
96
смачивания поверхности твердой фазы (q = 6,1 кДж/кг) и меньшим размером
пор в межпоровых перегородках (r = 20 нм), первый эффект расширения наблюдается при температуре -20 ÷ -30 0С. Однако для микробетона на всех
рассмотренных видах наполнителя основное льдообразование, по-видимому,
происходит при t = -50÷-60 0С, когда величина деформаций расширения достигает 0,4 - 0,5 мм/м.
Дилатометрические исследования показывают, что разность относительных деформаций при замораживании водонасыщенных и сухих образцов (величина приведенных деформаций Δ = вод - сух) при охлаждении в диапазоне температур 0-60 0С, также растет (табл. 23) по мере увеличения среднего эффективного радиуса пор материала и уменьшения запаса избыточной поверхностной энергии твердой фазы. По отношению к другим сериям микробетона с наполнителями наибольшая величина приведенных деформаций характерна для
микробетона на немолотом кварцевом песке, несмотря на наличие свободного
от жидкой фазы объема пор.
Таблица 23
Деформации цементного микробетона и поризованного бетона
при температуре 0 ÷ -60 0С
Вид материала Характеристика состава материала
Цементный
микробетон
Приведенные деформации Δ =вод - сух,,
мм/м, при температуре
Без наполните- В/Ц=0,27
лей и добавок
В/Ц=0,35
В/Ц=0,4
С наполните- На мололями
том песке
На
золе
уноса
На пылевидном
песке
Поризованный Мелкозернистый на кварцецементный
вом песке D1600
бетон
Мелкозернистый на кварцевом песке D800
Микрозернистый на золеуносе D800
0…-10 0С
-20…-30 0С
≤50 0С
нет
0,15
0,30
0,09
0,21
0,16
0,15
нет
0,40-0,50
0,4
0,50-0,60
0,50-0,60
нет
0,17
0,30-0,40
нет
0,15
0,40-0,50
0,22
0,34
0,40-0,50
0,28
0,19
0,20-0,30
0,12
нет
0,1-0,2
97
Для цементных поризованных бетонов снижение температуры замерзания
воды также фиксируется при увеличении силы взаимодействия структуры с
водой за счет повышения удельной поверхностной энергии твердой фазы и
уменьшения радиуса микропор межпорового материала (см. рис. 23). Вследствие этого опасный с точки зрения морозостойкости материала интервал температуры его замораживания все более сдвигается в область менее низких ее значений. Для микрозернистого поризованного бетона с повышенной теплотой
смачивания поверхности твердой фазы (например, на золе-уносе) существенные деформации расширения начинают проявляться
при t < -50 0С, а для мелкозернистого бетона на кварцевом песке такие деформации фиксируются при t = -10; -20; -50 0С, причем их величина возрастает при
увеличении средней плотности. И это при прочих равных условиях закономерно связано со снижением величины не заполненного водой резервного объема
пор в материале при уменьшении его пористости.
Полученные результаты исследований дают основание прогнозировать,
что повышение сопротивления поризованного бетона морозному разрушению
может быть осуществлено при условии модифицирования его порового пространства в направлении уменьшения среднего эффективного радиуса пор.
Твердая фаза должна при этом характеризоваться, возможно, более высоким
сродством к воде, что наряду с уменьшением радиуса пор предопределяет снижение степени замерзания воды в материале. И это подтверждается результатами стандартных испытаний на морозостойкость, которая для бетона средней
плотности 800-1000 кг/м3 на золе-уносе оценивается маркой F50, на молотом
кварцевом песке - F35, на песке естественной гранулометрии – не более F25
(табл. 24). Следует обратить внимание на то, что мелкозернистый поризованный бетон средней плотности 1600 кг/м3 также характеризуется относительно
низкой морозостойкостью (F35), что соотносится с результатами дилатометрических исследований.
Таким образом, определяющим фактором морозной деструкции является
не критическая исходная степень водонасыщения материала, а мера замерзаемости воды в нем. Проявление разрушающего действия замораживанияоттаивания определяется, структурой материала. Снижение уровня морозной
деструкции обеспечивается путем направленного формирования структуры порового пространства и твердой фазы и соответствующего регулирования при
этом температуры замерзания воды в порах поризованных бетонов и, следовательно, деформаций и напряжений при льдообразовании.
98
Таблица 24
Результаты испытаний поризованного бетона
на морозостойкость
Вид бетона
Марка
по средней
плотности
Мелкозернистый
(на немолотом песке)
Мк=1,2)
D800
12,1
26,2
<F25
D1000
0,79
10,8
F25
D 1600
0,65
9,3
F35
D800
3,9
13
F35
D1000
нет
8
F35
D800
2,1
11
F50
D1000
нет
8,1
F50
Микрозернистый
(на молотом песке)
Микрозернистый
(на золе-уносе)
Показатели после 35 циклов замораживания оттаивания
Потеря
Потеря прочномассы, %
сти, %
Марка по морозостойкости
С точки зрения повышения потенциала морозостойкости для условий
эксплуатации изделий с температурой не ниже -(2530) 0С целесообразно формировать поровое пространство межпоровых перегородок со средним радиусом
пор менее 15 – 20 нм и твердую фазу с величинами удельной поверхности твердой фазы не менее 500 м2/г, а теплоты смачивания – 5-6 кДж/кг, что обеспечивается применением тонкодисперсных наполнителей с высоким сродством их
поверхности к воде.
99
3. КОНСТРУИРОВАНИЕ СТРУКТУР ЦЕМЕНТНЫХ
ПОРИЗОВАННЫХ БЕТОНОВ С ЗАДАВАЕМЫМИ СВОЙСТВАМИ
3.1. Постановка задачи конструирования
Понятие «качество» в комплексе учитывает функциональные характеристики материала, обеспечиваемые в технологическом цикле, и меру их реализации при эксплуатации, что, собственно, и определяет его долговечность. Реализация свойств поризованных бетонов при эксплуатации при влажностных воздействиях среды зависит от интенсивности и меры изменения влажностного состояния и определяется способностью структуры сопротивляться таким изменениям. Поэтому считается, что проблема, связанная с проявлением материалом свойств при эксплуатационных влажностных воздействиях, решается через
оптимизацию параметров структуры, которые ответственны за изменение количественного содержания и соотношения в материале видов воды, различных
по силе связей с его структурой. Исходя из этого целью конструирования материала следует считать формирование его структуры, обеспечивающей максимально эффективную реализацию конструкционных свойств при влажностных
эксплуатационных воздействиях.
При этом необходимо выполнение следующих условий:
1) обеспечение набора свойств материала, соответствующего условиям его
применения в конструкции;
2) системное понимание роли структуры в формировании свойств, показатели которых определяются ролью каждого отдельного параметра структуры и взаимосвязью его со всеми другими ее параметрами;
3) минимизация составляющих баланса сил связи воды со структурой материала при взаимодействии с водяным паром и водой. Именно от этого зависит мера изменения влажностного состояния и свойств в заданных условиях эксплуатации.
При выполнении первого и второго условия следует исходить из того, что
для обеспечения задаваемой для поризованных бетонов номенклатуры свойств
характеристики параметров состава и структуры имеют оптимумы при разных
их значениях. Поэтому при решении задачи конструирования требуется определить зону компромиссных решений, которая и может считаться рациональной для данного материала.
100
Выполнение третьего условия достигается через изменение величины активной площади поверхности; удельной поверхностной энергии; смачиваемости поверхности твердой фазы; размерно-геометрических характеристик и
энергонасыщенности объема пор.
Формирование необходимой для выполнения выдвинутых условий структуры материала реализуется через следующие управляющие факторы: соотношение компонентов матрицы и включений, их химический, минералогический,
гранулометрический состав; параметры процессов структурообразования и
твердения. К технологическим средствам регулирования следует отнести:
а) расход, вид и состав вяжущего (матричного материала);
б) расход, вид и гранулометрию заполнителей и наполнителей (включений);
в) исходное содержание жидкости (воды затворения) в сырьевой смеси; г)
дозировку химических добавок ПАВ.
При этом следует рассчитывать не на аддитивный, а скорее на синергетический эффект возможного совместного влияния управляющих рецептурнотехнологических факторов на характеристики твердой фазы и порового пространства и соответственно на влажностное состояние материала и реализацию его
свойств при эксплуатации.
Предлагаемая процедура конструирования поризованных бетонов опирается на классическую методологию постановки оптимизационных задач, определяющую обоснование и выбор критериев оптимизации, ограничений, граничных условий 71-76.
В связи с многокритериальностью задачи, когда нужно достигнуть задаваемого уровня качества одновременно по ряду свойств, критерий оптимизации (целевая функция) будет представлять собой тот из показателей качества
конкретного вида бетона, который является критическим для его долговечности и надежности работы конструкции в зависимости от условий ее эксплуатации. Требования к остальным свойствам, не отраженным в целевой функции,
формируются согласно условиям работы бетона в конструкции, соответствуют
нормируемым значениям свойств для границ изменения влажностного состояния при эксплуатации, и учитываются в виде функциональных ограничений для
их значений.
В качестве целевой функции и функциональных ограничений, исходя из
системно-структурной концепции управления свойствами строительных материалов, используются экспериментально-статистические количественные зависимости типа «рецептурно-технологические факторы - состав, структура, со101
стояние - свойства материала». Основанием к этому являются достижения
компьютерного материаловедения в решении прикладных задач материаловедения и технологии строительных композитов математическими методами.
Они базируются на подходах, позволяющих объединить экспериментальностатистические зависимости с концептуальными моделями структуры материала (работы Ю.М Баженова, Воробьева В.А. 77, А.В. Вознесенского 78, О.Л.
Дворкина 79, В.И. Кондращенко 80, Т.В. Ляшенко 81, Е.М.Чернышова
82, Е.С.Шинкевич 83).
При решении задачи конструирования поризованных бетонов использование экспериментально-статистических зависимостей также опирается на
концептуальные модельные представления о структуре поризованных бетонов
62, которые позволяют определить предельно допустимые значения параметров факторного пространства управления (параметров состава и структуры материала), то есть обосновать граничные условия задачи. В этой связи укажем,
что имеющая место трансформация структуры поризованного бетона по мере
изменения его средней плотности определяет возможность существования, по
крайней, мере двух граничных типов (моделей) структуры (рисунок 24):
1) модель 1 – поры воздухововлечения относительно мелкие, их объем относительно невелик (до 0,4 м3/м3), поэтому более крупные, чем макропоры, включения зерен песка диаметром Dз образуют пространственный каркас, который
омоноличивается цементным камнем, наполненным включениями воздухововлеченных пор диаметром Dп < Dз ;
б) Модель 2 (Dп>Dз)
а) Модель 1 (Dп<Dз)
Цементный камень
Зернистое включение
Пора воздухововлечения
Dз
Dз
Dп
Зернистое включение

Dп
Пора воздухововлечения

Цементный камень
Рис. 24. Модели структуры поризованного бетона:
а) средней плотности 1200 кг/м3; б) средней плотности 800 – 1000 кг/м3
102
2) модель 2 – поры воздухововлечения относительно крупные, их объемное
содержание повышенное (0,5-0,8 м3/м3); диаметр зернистых включений меньше
диаметра макропор, в этом случае макропоры окружены (омоноличены) материалом, состоящим из цементного камня, наполненного зернистыми включениями (Dп > Dз).
В бетоне со структурой по модели 1 очевиден предел меры поризации, то
есть возможности размещения объема генерируемых макропор Dп в объеме, занимаемом межзерновыми прослойками толщиной . Поэтому данная модель
отвечает структуре бетона с небольшой степенью поризации
( = 12003
1600 кг/м ) и характеризуется наличием пространственного каркаса из зерен
песка, омоноличиваемых цементной матрицей с относительно невысокой степенью поризации. При увеличении содержания макропор структура бетона неизбежно приближается к модели 2, для которой принципиально важным становится требование конгруэнтности размера зерен включений Dз толщине межпоровой перегородки , так как для эффективного использования потенциала
прочности межпоровых перегородок в конструкции структуры поризованного
бетона необходимо выполнение условия квазиоднородности 63 структуры
матричного материала, в соответствии с которым размер включения должен
быть меньше величины  как минимум в 4…5 раз. В расчетах величины , проведенных для бетонов задаваемой средней плотности от 800 кг/м3 до 1600 кг/м3,
использовали зависимость между объемным содержанием включений VЭ.В, их
средним эквивалентным диаметром DЭ.В и величиной :
  DЭ . В

 1.
VЭ . В
(3.1)
При определении расчетной величины  исходили из наиболее вероятной гексагональной упаковки шаровидных макропор и учитывали, что применительно
к реальным структурам эта упаковка характеризуется координационным числом не 12, а 9…10 и коэффициентом плотности упаковки  = 0,7. Из полученных расчетных данных величины (табл. 25), следует, что при увеличении объемной доли воздухововлеченных пор толщина межпоровой перегородки 
закономерно уменьшается; одновременно уменьшается и допустимый диаметр
зернистых включений.
103
Таблица 25
Зависимость допустимого расчетного размера зернистых включений
от компонентного состава и средней плотности поризованного бетона
с учетом фактора обеспечения квазиоднородности структуры
межпоровых перегородок (/dэ  4…5)
Соотношение
Ц:Н
1:1
1:1,5
1:2
Толщина межпоровой перегородки (над чертой) и допустимый размер зернистых
включений (под чертой), мкм
при средней плотности поризованного бетона, кг/м3
1200
1100
1000
900
800
700
700
620
540
450
350
250
140-175
120-150
110-135
90-110
70-87
50-62
650
610
420
280
210
160
130-160
110-140
84-105
56-70
42-52
32-40
540
340
250
150
100
80
108-135
68-85
50-62
30-38
20-25
16-20
Проведенные аналитические расчеты 62 и экспериментальные исследования структуры поризованных бетонов 29,30 для диапазона средней плотности  = 800-1600 кг/м3 позволили определить требования к диапазону значений
основных структурных характеристик конструкционного и конструкционнотеплоизоляционного поризованного бетона (табл. 26), ограничивающих факторное пространство управления при конструировании их структур. При обосновании указанных требований по граничным значениям параметров структуры
учитывалось также, что объем пор воздухововлечения (VВВП) И объем микробетона (Vмб) межпоровых перегородок определяется задаваемой средней плотностью. Объем включений (Vвкл) в микробетоне определяется условиями поризации бетонной смеси 84 (верхняя граница) и допустимым по экономическим
соображениям расходом цемента (нижняя граница). Диаметр включений (dвкл)
также определяется средней плотностью, так как от нее, как отмечалось выше,
зависит толщина межпоровой перегородки. Принципиальной характеристикой
для зерен включений является активность их поверхности по отношению к воде, интегральной оценкой которой является теплота смачивания водой (q), зависящая от химико-минералогического состава и дисперсности наполнителей.
От смачиваемости зерен включений зависит объем микропор в микробетоне,
так как именно мерой смачиваемости определяется водопотребность бетонной
смеси и соответствующие значения В/Ц-отношения.
104
Таблица 26.
Характеристика диапазона регулирования параметров структуры
поризованного бетона (граничные условия)
Диапазон значений параметров структуры
Наименование структурной характеристики
конструкционный бетон
(1200-1600 кг/м3)
Объем пор воздухововлечения,
VВВП
Объем микробетона (межпоровых перегородок) в поризованном бетоне, Vмб
Объем включений в единице
объема микробетона, Vвкл
Объем микропор в единице
объема микробетона, Vмп
Диаметр зерен включений, dвкл
Теплота смачивания поверхности включений, qвкл
0,25-0,42 м3/м3
конструкционнотеплоизоляционный
(800-1200 кг/м3)
0,42- 0,62 м3/м3
0,58-0,75 м3/м3
0,38-0,58 м3/м3
0,40-0,55 м3/м3
0,2-0,4 м3/м3.
0,20-0,30 м3/м3
0,25-0,38 м3/м3
150-370 мкм
0,7-2 кДж/кг
30-170 мкм
0,9-3 кДж/кг
бетон
При постановке задачи конструирования следует исходить из того, что для
цементных поризованных бетонов нормального твердения определяющим, критическим свойством, можно сказать, камнем преткновения, выступает их трещиностойкость, определяемая эксплуатационной деформируемостью (усадкой,
ползучестью), так как именно от нее зависит долговечность конструкций. Следовательно, функцией цели при нахождении оптимальных параметров состава
и структуры твердой фазы и порового пространства следует считать минимум
деформативности. Для конструкционно-теплоизоляционного бетона в соответствии с требованиями теплоэффективности зданий может быть выдвинута и
иная функция цели: минимум значений эксплуатационного влагосодержания
для обеспечения минимальных изменений теплопроводности материала при
эксплуатации. При формулировке каждой конкретной задачи в зависимости от
выбранного критерия оптимизации и в соответствии с нормативными требованиями (табл. 27, 28) выдвигаются ограничения по значениям плотности, прочности, диапазону эксплуатационного влагосодержания, морозостойкости и т.д.
Для сформулированных требований к граничным условиям по параметрам структуры и ограничениям по уровню свойств разработаны алгоритмы конструирования конструкционных и конструкционно-теплоизоляционных поризованных бетонов по критериям минимизации деформативности и эксплуатационного влагосодержания.
105
Таблица 27
Характеристика диапазона значений нормируемых свойств
конструкционного поризованного бетона (ограничения)
1
Марка
по
средней
плотности
Класс Нормативное
по
сопротивление
проч- осевому сжаности тию, Rbn, МПа
D1200
В7,5
D1400
D1600
В7,5;
В10
В10;
В12,5
Соотношение расчетного
и нормативного
Влажсопротивления
ностная
бетона, Rb/Rbn с
усадка,
учетом коэффи, мм/м
циента условий
работы по влажности b11
Начальный
модуль упругости, Eb,
МПа
6,9
8700
3
6,9-9,0
8700-9500
9,0-10,5
9500-10000
не нормируется
≥0,85
Равновесная
эксплуатационная влажность,
Wравн, %
10-15
Таблица 28
Характеристика диапазона значений нормируемых свойств
конструкционно-теплоизоляционного поризованного бетона
(ограничения)
2
ВлажНормативное
ностсопротивленая
ние осевому
усадка,
сжатию, Rbn,
,
МПа
мм/м
Марка
по
средней
плотности
Класс
по прочности
D800
В2; В2,5
1,9-2,4
D900
В2,5;
В3,5
2,4-3,3
В3,5; В5
3,3-4,6
D1000
D1100
В5; В7,5
Марка
по морозостойкости
F35F50
F35F50
F35F50
≤3
4,6-6,9
F50
1
Теплопроводность в
сухом
состоянии,  с,
Вт/м 0С
0,180,21
0,200,24
0,230,29
0,260,34
Теплопроводность во
влажном
состоянии,  W,
Вт/м 0С
Равновесная
эксплуатационная
влажность,
Wравн, %
0,33
8-15
0,37
0,41
10-15
0,47
По СНиП 2.03.01–84* «Бетонные и железобетонные конструкции», СНиП II-3-79* «Строительная теплотехника», ГОСТ 25485-89 «Бетоны ячеистые. Технические условия».
2
По СНиП 2.03.01–84* «Бетонные и железобетонные конструкции», СНиП II-3-79* «Строительная теплотехника», ГОСТ 25485-89 «Бетоны ячеистые. Технические условия».
106
3.2. Алгоритмы конструирования структур
цементных поризованных бетонов
При разработке алгоритмов решение задачи конструирования ведется последовательно от макро- к микромасштабному уровню структуры поризованного бетона. Конструирование конкретного вида бетона осуществляется, вопервых, путем направленного формирования его макроструктуры на основе
учета влияния пор воздухововлечения в матрицу микробетона на задаваемые
свойства, во-вторых, путем нахождения рациональных характеристик строения
самого матричного материала – микробетона. При этом учитываются те характеристики исходных компонентов бетона, которые имеют определяющее влияние на энергетические характеристики твердой фазы и порового пространства
и, следовательно, на регулирование составляющих баланса сил связи воды со
структурой, определяющих реализацию задаваемых свойств при эксплуатационных влажностных воздействиях, а также объемные соотношениями между
структурными элементами бетона.
Разработаны алгоритмы и решены задачи конструирования в следующей
постановке:
1) обеспечить минимум деформаций ползучести конструкционного поризованного бетона с нормируемыми характеристиками по плотности, прочности в сухом и влажном состоянии при задаваемых значениях характеристик
исходных компонентов;
2) обеспечить
минимум
влажностной
усадки
конструкционнотеплоизоляционного поризованного бетона с нормируемыми характеристиками по плотности, прочности при задаваемых значениях характеристик исходных компонентов;
3) обеспечить минимум значений эксплуатационного влагосодержания для
достижения минимальных изменений теплопроводности при эксплуатации
конструкционно-теплоизоляционного поризованного бетона с нормируемыми характеристиками по плотности, прочности при задаваемых значениях характеристик исходных компонентов.
Для определения рациональных параметров структуры в алгоритмах использовались экспериментально-статистические зависимости (табл. 29, 30)
107
Таблица 29
Экспериментально-статистические зависимости* взаимосвязи между свойствами конструкционного поризованного бетона и структурными факторами их регулирования
Свойства
Вид экспериментально-статистических зависимостей
На уровне поризованного бетона
Средняя плотность
На уровне микробетона
=1912 – 1665VВВП
VВВП
Прочность при сжатии
Rb= (Rb)0 ·е-4,6
(3.2)
(3.3)
Vвкл
Rмб = Rцк ·е -2,1
(3.5)
RbW = -0,003w2 – 0,3w + Rb(W=0) (3.4)
108
VВВП
Влажностная усадка
Мера ползучести,
С(t,τ)
ПБ = мб е0,49
VВВП
С=4,6е6,1
VВВП
С=6,2е5,4
105
105
(3.6)
(3.8) qвкл=0,7-1
(3.9) qвкл =1-2
* Для диапазона значений диаметра зерен включений dвкл = 150-400 мкм;
теплоты смачивания их поверхности q =0,7-2,0 кДж/кг.
99
Vвкл
мб = цк·е -1,88
(3.7)
Таблица 30
Экспериментально-статистические зависимости* взаимосвязи между свойствами конструкционно- теплоизоляционного поризованного бетона и структурными факторами их регулирования
Наименование свойств
Вид экспериментально-статистических зависимостей
На уровне поризованного бетона
Средняя плотность
На уровне микробетона
=1912 – 1665VВВП (3.10) qвкл=0,9-1,5
-
=1700 – 1650VВВП (3.11) qвкл =1,5-3
Предел прочности
VВВП
Rb= Rмб·е - 4,2
при сжатии
Rb= Rмб ·е
109
Влажностная усадка
-3,6VВВП
VВВП
ПБ = мб·е 0,66
VВВП
ПБ = мб·е 1,36
(3.12) qвкл=0,9-1,5
(3.13) qвкл =1,5-3
Vвкл
Rмб = Rцк ·е -1,2
Vвкл
(3.16) qвкл= 0,8-1,5
Vвкл
(3.18) qвкл= 1,5-3
(3.15) qвкл=0,9-1,5
мб = цк·е -1,76
(3.17) qвкл =1,5-3
мб = цк·е -1,18
цк = 0,9·е 3,5Vмп
-
(3.14)
цк = 0,98·е 2,5В/Ц
(3.20)
(3.21)
Влажность
WПБ = Wмб·е 0,58VВВП
(3.22) Wмб = -2,89q2 + 13,79q – 5,69 (3.23)
Теплопроводность
(W) = се0,04W
(3.24)
* для диапазона значений диаметра зерен включений dвкл = 30-170 мкм; теплоты смачивания их поверхности ,
q = 0,9-3,0 кДж/кг
100
о количественных взаимосвязях в системе «состав, структура, влажностное состояние - свойства», которые были получены путем регрессионного анализа
всего комплекса экспериментальной информации по цементным поризованным
бетонам. Коэффициент достоверности аппроксимации (R2) при регрессионном
анализе составлял не менее 0,85.
Алгоритм расчетов при решении задачи 1 включает следующую систему
шагов (рис. 25):
1) задаются характеристики, нормируемые по плотности, прочности, и минимальные по ползучести; обозначаются начальные условия по характеристикам сырьевых компонентов;
2) исходя из зависимости (3.2) для заданной средней плотности поризованного
бетона вычисляется объем пор воздухововлечения;
3) на основании зависимости (3.3) для заданной прочности поризованного бетона требуемой средней плотности рассчитывается необходимая для ее
обеспечения прочность микробетона Rмб;
4) исходя из соотношения (3.5) для найденного значения Rмб и с учетом марки
цемента рассчитывается необходимый для ее обеспечения объем включений;
5) для фактических значений теплоты смачивания водой наполнителя в соответствии с соотношением (3.23) рассчитывается влажность микробетона
(Wмб);
6) по соотношению (3.22) для найденных значений Wмб и объема пор воздухововлечения (VВВП) определяется минимально возможная для заданных
характеристик сырья величина эксплуатационного влагосодержания поризованного бетона (WПБ);
7) с учетом полученного значения WПБ и в соответствии с нормируемой прочностью бетона по соотношению (3.4) рассчитывается его прочность во
влажном состоянии;
8) соотношение прочности в сухом и влажном состоянии проверяется на соответствие заданной ее величине;
9) на основании зависимостей (3.8) или (3.9) и с учетом характеристик наполнителя для заданной средней плотности и соответствующего объема пор
воздухововлечения определяется значение меры ползучести, которое проверяется на соответствие минимума ее значений;
110
Ввод: ПБ, Rb,Cmin ,
Rцк, qвкл, вкл , Кд, д
VВВП =(1912 –)/ 1665
VВВП
Вывод: «Вы не можете получить на данном сырье поризованный бетон заданной средней плотности с Cmin ».
Rмб = Rb/ е - 4,6
Vвкл = ln(R R )/2,1
Wмб = -2,89q2 + 13,79q 5,69
0,58VВВП
WПБ = Wмб·е
нет
С=6,2е5,4
VВВП
105< Cmin
да
RbW = -0,003w2 – 0,3w + Rb(W=0)
В/Ц = -0,16q2 + 0,79q +0,01
111
нет
да
W
Rb /Rb ≥0,85
qвкл<1,5
Вывод: «Вы не можете на данном
сырье получить поризованный
бетон заданной плотности с
RbW/Rb ≥0,85».
Mвкл= Vвкл(ПБ) вкл
да
нет
С=4,6е6,1
Mц= ПБ 1 - Mвкл
VВВП
да
Vвкл(ПБ) = (1-VВВП) Vвкл
105< Cmin
нет
да
Д = - 0,0003ПБ +0,45
Vд= (Mц Д)/ (Кд д)
Вывод: «Вы не можете получить на данном сырье поризованный бетон заданной средней плотности с Cmin ».
Вывод: «Mвкл,
Mц
Vд,В/Ц».
Рис. 25. Алгоритм конструирования конструкционного поризованного бетона по критерию минимальной ползучести
111
10) для заданной средней плотности и соответствующего объема пор воздухововлечения определяется объем зернистых включений в 1 м3 поризованного бетона;
11) для фактических значений теплоты смачивания водой наполнителя рассчитывается В/Ц-отношение, обеспечивающее необходимую по условиям
поризации консистенцию бетонной смеси в соответствии с соотношением
В/Ц = -0,16q2 + 0,79q +0,01;
12) с учетом характеристик сырья (плотности д и концентрации Кд добавки
ПАВ, плотности зерен включений вкл) определяется состав поризованного
бетона заданной средней плотности: расход на 1 м3 цемента (Mц), наполнителя (Mвкл), добавки ПАВ (Vд), В/Ц-отношение. Именно этот состав позволяет сформировать структуру материала, обеспечивающую получение минимума ползучести (целевой функции) поризованного бетона при эксплуатации.
Алгоритм расчетов для решения задачи 2 (рис. 26) включает следующую систему шагов:
1) задаются нормируемые характеристики по плотности, прочности, допустимой величине влажностной усадки; обозначаются начальные условия по характеристикам сырьевых компонентов;
2) для фактических значений теплоты смачивания водой наполнителя рассчитывается В/Ц-отношение, обеспечивающее необходимую по условиям поризации консистенцию бетонной смеси в соответствии с соотношением
В/Ц = -0,16q2 + 0,79q +0,01;
3) по зависимости (3.21) вычисляется соответствующая найденному значению
В/Ц величина усадки цементного камня цк;
4) с учетом характеристик наполнителя для заданной средней плотности поризованного бетона вычисляется объем пор воздухововлечения, исходя из зависимостей (3.10) или (3.11);
5) на основании зависимостей (3.15) или (3.17) и с учетом характеристик наполнителя для допустимой по условиям задачи величины усадки поризованного бетона заданной средней плотности рассчитывается необходимая
для ее обеспечения усадка микробетона мб;
6) для найденного значения мб рассчитывается необходимый для ее обеспечения объем включений исходя из соотношений (3.16) или (3.18);
7) с использованием формул (3.12, 3.13, 3.15) и с учетом марки цемента определяется обеспечиваемое для найденных параметров структуры (VВВП и
112
Vвкл) значение прочности поризованного бетона, которое проверяется на
соответствие заданной ее величине;
8) для заданной средней плотности и соответствующего объема пор воздухововлечения определяется объем зернистых включений в 1 м3 поризованного бетона;
9) с учетом характеристик сырья (плотности д и концентрации Кд добавки
ПАВ, плотности зерен включений вкл) определяется состав поризованного
бетона заданной средней плотности: расход на 1 м3 цемента (Mц), наполнителя (Mвкл), добавки ПАВ (Vд), В/Ц-отношение. Именно этот состав позволяет сформировать структуру материала, обеспечивающую получение минимум усадки (целевой функции).
Алгоритм расчетов для решения задачи 3 (рис. 27) включает следующую систему шагов:
1) задаются нормируемые характеристики по плотности, прочности, теплопроводности в сухом и влажном состоянии; обозначаются начальные условия
по характеристикам сырьевых компонентов;
2) с учетом характеристик наполнителя для заданной средней плотности поризованного бетона вычисляется объем пор воздухововлечения, исходя из зависимостей (3.10) или (3.11);
3) на основании зависимостей (3.12) или (3.13) и с учетом характеристик наполнителя для заданной прочности поризованного бетона требуемой средней плотности рассчитывается необходимая для ее обеспечения прочность
микробетона Rмб;
4) исходя из соотношения (3.14), для найденного значения Rмб и с учетом
марки цемента рассчитывается необходимый для ее обеспечения объем
включений;
5) для фактических значений теплоты смачивания водой наполнителя в соответствии с соотношением (3.23) рассчитывается влажность микробетона
(Wмб);
6) по соотношению (3.22) для найденных значений Wмб и объема пор воздухововлечения (VВВП) определяется минимально возможная для заданных
характеристик сырья величина эксплуатационного влагосодержания поризованного бетона (WПБ);
7) с учетом полученного значения WПБ и в соответствии с нормируемой теплопроводностью бетона в сухом состоянии по соотношению (3.24) рассчи-
113
тывается его теплопроводность во влажном состоянии, которая проверяется
на соответствие заданной ее величине;
8) для заданной средней плотности и соответствующего объема пор воздухововлечения определяется объем зернистых включений в 1 м3 поризованного бетона;
9) для фактических значений теплоты смачивания водой наполнителя рассчитывается В/Ц-отношение, обеспечивающее необходимую по условиям поризации консистенцию бетонной смеси в соответствии с соотношением
В/Ц = -0,16q2 + 0,79q +0,01;
10) с учетом характеристик сырья (плотности д и концентрации Кд добавки
ПАВ, плотности зерен включений вкл) определяется состав поризованного
бетона заданной средней плотности: расход на 1 м3 цемента (Mц), наполнителя (Mвкл), добавки ПАВ (Vд), В/Ц-отношение. Именно этот состав позволяет сформировать структуру материала, обеспечивающую получение минимума эксплуатационного влагосодержания (целевой функции) и соответственно минимума изменений теплопроводности поризованного бетона при
эксплуатации.
Использование разработанных алгоритмов позволило для задаваемого уровня
качества обосновать решения по параметрам состава и структуры (табл. 31)
разновидностей конструкционных (1200-1600 кг/м3)
и конструкционнотеплоизоляционных (800-1200 кг/м3) бетонов. Эти рекомендации вошли в состав технологических решений по получению поризованных бетонов на основе
различных видов природных и техногенных сырьевых компонентов, отличающихся по происхождению (природных и техногенных), химическоминералогическому составу (силикатное, алюмосиликатное, карбонатсодержащее сырье, зола-уноса, хвосты обогащения, и т.д.), дисперсному составу.
114
Ввод: ПБ, Rb, ПБ, Rцк,
qвкл,, вкл, Кд, д
В/Ц = -0,16q2 + 0,79q
цк = 0,98е2,5В/Ц
нет
qвкл<1,5
Вывод: «Вы не можете
получить поризованный
бетон заданной средней
плотности с ПБ ≤ 1».
нет
115
Вывод: «Вы не можете
получить поризованный
бетон заданной прочности с ПБ ≤ 1».
нет
да
VВВП =(1912 –)/ 1665
VВВП
мб = ПБ/е0,66
VВВП
мб = ПБ/е0,66
( - 4,2VВВП -1,2Vвкл)
да
нет
<1,5
да
<0,8
Vвкл = - ln(мб/цк)/1,76
Rцк ·е
R
VВВП =(1700 –)/ 1650
Вывод: «Вы не можете
получить поризованный
бетон заданной средней
плотности с ПБ ≤ 2».
Vвкл = - ln(мб/цк)/1,18
нет
( - 3,6VВВП -1,2Vвкл)
Rцк ·е
R
≥
≥
Вывод: «Вы не можете
получить поризованный
бетон заданной прочности с ПБ ≤ 2».
да
Vвкл(ПБ) = (1-VВВП) Vвкл
Mвкл= Vвкл(ПБ) вкл
Вывод: «Mвкл,
Mц
Vд,В/Ц».
Mц= ПБ 1 - Mвкл
Д = - 0,0003ПБ +0,45
Vд= (Mц Д)/ (Кд д)
115
Рис. 26. Алгоритм конструирования конструкционно-теплоизоляционного
поризованного бетона по критерию минимальной усадки
Ввод: ПБ, Rb, с,W,
Rцк, qвкл, вкл , Кд, д
нет
qвкл<1,5
да
VВВП =(1912 –)/ 1665
VВВП
Rмб = Rb/ е – 3,6
VВВП
Vвкл = ln(R R )/1,2
Wмб = -2,89q2 + 13,79q 5,69
0,58VВВП
WПБ = Wмб·е
Rмб = Rb/ е - 4,2
116
Вывод: «Вы не можете получить на данном сырье получить поризованный бетон
зад
заданной плотности с W ≤ W ».
VВВП =(1700 –)/ 1650
нет
да
се
0,04W
≤W
Vвкл(ПБ) = (1-VВВП) Vвкл
В/Ц = -0,16q2 + 0,79q +0,01
Вывод: «Mвкл,
Vд,В/Ц».
Mц
Mвкл= Vвкл(ПБ) вкл
Mц= ПБ 1 - Mвкл
Д = - 0,0003ПБ +0,45
Vд= (Mц Д)/ (Кд д)
Рис. 27. Алгоритм конструирования конструкционно-теплоизоляционного поризованного бетона по критерию
минимального116
влагосодержания
Таблица 31
Характеристика параметров структуры и характеристики состава поризованного бетона
на различных видах сырья
Вид бетона
Наименование характеристик
Свойства
наполнителей
Параметры структуры
бетона
117
Состав
бетона
Дисперсность
Эквивалентный диаметр зерен, dвкл
Теплота смачивания поверхности включений,
qвкл
Объем пор воздухововлечения, VВВП
Объем микробетона (межпоровых перегородок) в поризованном бетоне, Vмб
Средний эквивалентный диаметр пор воздухововлечения
Толщина межпоровой перегородки
Объем включений в единице объема поризованного бетона, Vвкл(ПБ)
Объем цементного камня в единице объема
поризованного бетона как суммарный объем
цементирующего вещества с присущими ему
микропорами, Vцк = Vцв + Vмп
Расход цемента, кг/м3
Расход наполнителя, кг/м3
В/Ц-отношение
Расход добавки ПАВ, л/м3
конструкционный
бетон на кварцевом
песке
D1600 D1400 D1200
Мк =1,2-1,6
конструкционно-теплоизоляционный бетон
на
молотом на золе-уносе на карбонатпеске
ной
пылиуносе
D1000 D800 D1000 D800 D1000 D800
Sуд=150 м2/кг
Sуд=350 м2/кг
Sуд=120 м2/кг
250 мкм
40 мкм
25 мкм
65 мкм
0,71 кДж/кг
0,97 кДж/кг
1,65 кДж/кг
2,77 кДж/кг
0,24
0,76
0,32
0,68
0,42
0,58
0,48
0,57
0,58
0,46
0,44
0,57
0,54
0,46
0,38
0,57
0,45
0,46
120
250
360
430
520
300
410
510
640
0,38
0,35
0,31
150-250
0,26
0,23
100-210
0,27
0,2
210-350
0,28
0,22
0,38
0,33
0,27
0,31
0,26
0,3
0,26
0,29
0,24
550
1050
0,43
2,8
475
925
0,43
3,3
380
820
0,45
3,8
315
685
0,8
4,8
280
520
0,7
5,6
300
700
1,0
4,5
275
525
0,9
5,5
285
715
1,0
4,3
240
560
0,8
4,8
78
4. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ
ЦЕМЕНТНЫХ ПОРИЗОВАННЫХ БЕТОНОВ
И АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ
Представленные в монографии исследования являются составной частью
разработок, осуществленных специалистами ВГАСУ по технологии цементных
поризованных бетонов, которая получила название – «Строительная система
Монопор». Строительная система «Монопор» - это автономная, мобильная технология цементного микро- и мелкозернистого плотного и поризованного, конструкционного и конструкционно-теплоизоляционного бетона для изделий различного функционального назначения. Варианты технологии могут быть реализованы в монолитном строительстве и при производстве строительных изделий в заводских условиях. При этом под строительной технологией с применением поризованного бетона понимается вся совокупность решений как по составу, структуре, свойствам материала и его модификаций, так и по основным
процессам, аппаратурному оформлению его производства и применения в деле.
В состав строительной технологии «Монопор» входят:
 технологические решения по получению поризованного бетона средней
плотности 800-1600 кг/м3, включающие ряд ноу-хау по приготовлению формовочных смесей с супервоздухововлекающими добавками;
 комплект проектно-конструкторской документации специального смесительно-поризующего оборудования (аппарат–порогенератор, патент №2109557
Россия «Смеситель-порогенератор») и мелкощитовой опалубки;
 комплект технологической документации (технические условия на поризованный бетон, технологический регламент изготовления поризованного бетона и др.).
Реализацией разработанной строительной системы «Монопор» является
автономный мобильный технологический комплекс для монолитного строительства из эффективных микро- и мелкозернистых плотных и поризованных
бетонов. Комплекс характеризуется универсальностью, возможностью, с одной
стороны, возведения на ее основе различных типов зданий с использованием
одних и тех же материалов и оборудования, с другой стороны, широким варьированием видов применяемого сырья и материалов без изменения принципов
технологии. Возведение зданий с применением автономного мобильного комплекса основывается на использовании эффективных, дешевых строительных
материалов с учетом региональной природно-сырьевой базы.
118
Система «Монопор» ориентирована на потребительскую нишу между индустриальными и ручными технологиями строительства. Применение данной
технологии особенно эффективно в условиях отсутствия производственной инфраструктуры, при строительстве малоэтажных зданий жилого и вспомогательного назначения. В этом случае с применением данной технологии может быть
организовано получение поризованного бетона различного строительного назначения на всевозможных видах заполнителя (рис. 28), с использованием которого могут быть возведены все конструктивные элементы здания - фундаменты, несущие и ограждающие конструкции, перекрытия и их теплоизоляция,
отдельные строительные изделия.
Мелкодисперсный заполнитель
 кварцевый песок Вяжущее
 отсевки камнед- цемент
робления
КОНСТРУКЦИОННЫЙ
D 1200 –D1600
КОНСТРУКЦИОННОВяжущее
цемент
ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЙ
D 800 –D1200
Микродисперсный заполнитель
 пылевидный кварцевый песок
 молотый кварцевый песок
 зола–уноса
 хвосты обогащения руд
 карбонатсодержащие отходы
Рис. 28. Модификации поризованного бетона
При разработке технологических решений строительной системы «Монопор» для возведения монолитных зданий из поризованного бетона и производства изделий в промышленных условиях реализована идея разделения процесса
приготовления мелкозернистой бетонной смеси и процесса ее поризации.
Предварительно приготовленная бетонная смесь перекачивается по трубопроводу в порогенератор, который установлен по месту бетонирования, где производится поризация бетонной смеси, а затем укладка ее непосредственно в опалубку или форму.
Данная технология адаптируется к заводским и построечным условиям
без изменения ее принципов, позволяет возводить здания в монолитном исполнении, производить строительные детали в заводских условиях. Технология
может быть реализована по отдельным ее частям.
Разработано два варианта применения данной технологии:
119
- для построечных условий бетонирования монолитных конструкций из цементного плотного и поризованного бетона (рис. 29);
- для заводских условий производства мелкоштучных изделий (рисунок 30).
Для построечных условий система включает следующие элементы:
1) подготовка сырьевых материалов или готовых к употреблению сухих
смесей из них;
2) технологическое текущее хранение сырьевых материалов или сухих
смесей из них на стройплощадке;
3) приготовление (дозирование, смешение) плотной или поризованной
смеси и ее доставка в опалубку;
4) формование, а также твердение в опалубке и после снятия опалубки.
Первый из этих элементов в случае применения готовых к употреблению
сухих смесей, очевидно, должен размещаться на подсобном предприятии, а остальные - на стройплощадке в виде мобильных (передвижных) агрегатов. В заводском варианте рассмотрена привязка технологии к оборудованию заводов
сборного железобетона применительно к традиционным компоновочным решениям складского хозяйства, смесительного, формовочного отделения, отделения тепловлажностной обработки (при необходимости) с определенной модернизацией операций приготовления тонкомолотых смесей (при необходимости),
получения поризованной бетонной смеси и ее формования при изготовлении
изделий в индивидуальных формах. Предусмотрен также вариант автономного
производства строительных изделий в полигонных условиях.
Автономный мобильный комплекс системы «Монопор» характеризуется
следующими особенностями:
- для всех разновидностей плотного и поризованного бетона применяется
двух- или трехкомпонентная цементно-кремнеземистая смесь;
- приготовление плотного и поризованного бетона производиться по
двухстадийной технологии получения бетонной смеси. На первой стадии приготавливается непоризованная цементно-кремнеземистая смесь, а на второй
смесь поризуется воздухововлечением в присутствии ПАВ в специальном аппарате-порогенераторе;
- питание электроприводов станции осуществляется от автономного электрогенератора или промышленной электрической сети;
- емкость бункеров сырьевых материалов определяется с учетом сменной
производительности станции до 20-25 м3;
120
Сырьевые материалы
Портландцемент
Микро- или мелкодисперсный заполнитель
Транспортирование в расходные бункера мобильной станции
Дозирование
Приготовление непоризованной бетонной смеси
Воздухововлекающая добавка
Вода
Приготовление рабочего раствора
Загрузка в расходную
емкость порогенератора
Транспортирование бетонной смеси в порогенератор растворонасосом
Дозирование в порогенератор
121
Поризация бетонной смеси в порогенераторе
Укладка в опалубку
Твердение до набора распалубочной прочности
Распалубка
Чистка и сортировка опалубки
Твердение до набора проектной прочности
Рис. 29. Технологическая схема возведения монолитных конструкций из плотного и поризованного бетона
79
Сырьевые материалы
Портландцемент
Микро- или мелкодисперсный заполнитель
Вода
Транспортирование в расходные бункера мобильной станции
Дозирование
Приготовление непоризованной бетонной смеси
Транспортирование бетонной смеси в порогенератор растворонасосом
Воздухововлекающая
добавка
Приготовление рабочего раствора
Загрузка в расходную
емкость порогенератора
Дозирование в порогенератор
Поризация бетонной смеси в порогенераторе
Укладка в форму
122
Твердение до набора распалубочной прочности
Распалубка
Чистка и смазка форм
Твердение до набора отпускной прочности
Рис. 30. Технологическая схема на производство изделий из плотного и поризованного бетона
в заводских условиях
80
- дозировочные, смесительные аппараты, емкости для технологических
запасов сырьевых материалов по варианту агрегатируются (в том числе - на базе стандартного автомобильного шасси);
- приведение механизмов станции в рабочее состояние производится без
привлечения грузоподъемных кранов;
- загрузка расходных бункеров сырьевыми материалами производится
малогабаритными типовыми механизмами;
- транспортирование непоризованной бетонной смеси производится к
месту укладки растворонасосом производительностью до 3 м3/час;
- поризованная мелкозернистая бетонная смесь укладывается «в дело» из
порогенератора методом свободной заливки;
- для варианта монолитного строительства предусматривается использование
мелкощитовой опалубки, позволяющей реализовать различные архитектурно-планировочные решения в модуле не менее 3 м;
- для изготовления строительных изделий в заводских условиях или условиях
полигона предусматривается использование комплекта форм.
Центральной частью строительной системы «Монопор» является автономная мобильная станция (рисунок 31).
Техническая характеристика станции:
Производительность …………………………………………….2,5-3,0 м3/ч
Рабочее давление растворонасоса ………………......................1,47 МПа
Дальность подачи раствора
по горизонтали………………………………………...100 м
по вертикали…………………………………………....30 м
Продолжительность перемешивания
компонентов раствора (без поризации) ……………………….....180-200 с
Продолжительность стадии поризации раствора не более……………90 с
Автономная мобильная станция оснащается аппаратом – порогенератором (рис. 32).
Строительная система включает мелкощитовую опалубку, и это позволяет возводить конструкции зданий монолитным способом. В случае малоэтажного строительства можно использовать плотный и поризованный мелкозернистый бетон для возведения с применением универсального комплекта
мелкощитовой опалубки несущих и ограждающих конструктивных элементов
зданий. Конструкция опалубки позволяет выполнять работы на строительном
объекте без применения грузоподъемных механизмов.
123
Рис. 31. Автономная мобильная станция по приготовлению
поризованного бетона
Рис. 32. Смеситель - порогенератор
124
Рис. 33. Смеситель – порогенератор в производственных испытаниях
Рис. 34. Мелкощитовая опалубка и отформованный первый пояс
монолитной стены
125
Опалубка состоит из системы стоек высотой до 3 м и набора щитов размером
не более 1500х1500 мм и массой не более 25-30 кг, что обеспечивает выполнение работ на строительном объекте без применения грузоподъемных механизмов; бетонирование стен может вестись с заливкой смеси слоем до 1,5 м. При
этом с использованием поризованного бетона могут быть возведены различные
конструкции наружных стен (одно-, двух- и трехслойных).
В процессе работы по реализации технологии поризованного бетона решена задача разработки базового проекта малоэтажного здания, ориентированного на комплексное использование поризованных бетонов во всех конструктивных элементах; разработан проект производства работ по монолитной технологии возведения здания. Организованы опытно-промышленные испытания
автономного мобильного комплекса, в процессе которых уложено в монолитные стены опытного объекта более 460 м3 поризованного бетона (рис. 33, 34).
Испытания проводились при непосредственном участии ученых и инженеров
ВГАСУ.
Таблица 32
Сравнительная технико-экономическая эффективность
поризованного бетона
(в конструкциях наружных стен зданий малой этажности)
Варианты исполнения
конструкции стены
Монолитная стена из поризованного бетона D800
Кладка из газосиликатных
блоков D600
Кладка из силикатного
кирпича рядового полнотелого с наружным утеплением
Характеристика вариантов
(сопротивление теплопередаче – 3,03 м2К/Вт)
Относительные
масса
Трудоемкость затраты на 1 м2,
толщина
1 м2
возведения
% от варианта исстены, м
стены, кг
1м2, чел.-ч
пользования кирпичной кладки.
0,75
560
2,38
34,7
0,5
320
2,4
52,2
0,69
1230
7,9
100
Анализ изменения свойств бетона в конструкциях (см. раздел 2.5.3),
оценка их состояния позволяют характеризовать поризованный бетон как достаточно надежный материал, а опыт промышленных испытаний его техноло-
126
гии дает основания говорить о перспективности внедрения в строительную
практику.
Эффективность такого внедрения подтверждается на примере расчетных
оценок эффективности строительной системы «Монопор» в конструкциях наружных стен зданий малой этажности (табл. 32). Показано, что применение
системы обеспечивает снижение затрат и трудоемкости на возведение 1 м2
стены в сравнении не только с кладкой из силикатного кирпича, но даже с наиболее массовым и эффективным материалом современного строительства – газосиликатом. Преимущества разработанной технологии особенно эффективно
могут быть использованы в условиях отсутствия производственной инфраструктуры при строительстве малоэтажных зданий.
127
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В монографии освещены результаты работы по получению ряда новых
материаловедческих и технологических данных, имеющих значение для развития и продвижения в практику цементных поризованных бетонов нормального
твердения.
Осуществленные исследования составляют часть общего решения научно-практической задачи разработки технологии цементного поризованного бетона, интегрированной в виде строительно-технологической системы «Монопор». С ее применением может быть организовано получение поризованного
бетона различного строительного назначения в заводских и построечных условиях.
С использованием положений системно-структурного подхода к исследованию закономерностей управления свойствами макропористых бетонов удалось получить цементный поризованный бетон с уровнем строительнотехнических свойств, открывающим возможность его применения для монолитных строительных конструкций различного функционального назначения.
Возможность реализации технологического процесса получения бетона
на мобильных установках без необходимости создания сложной производственной инфраструктуры определяет перспективность применения технологии
цементного поризованного бетона в монолитном строительстве при возведении
малоэтажных зданий. Именно малоэтажное строительство оказывается той нишей в строительном комплексе, где разработанная технология видится наиболее эффективной, способной внести вклад в обеспечение условий для создания
регионального рынка доступного жилья.
Есть основания полагать, что представленные комплексные разработки
по технологии и материаловедению поризованных бетонов открывают ему дорогу в строительную практику. Для этого необходима реализация соответствующего инновационного комплексного проекта, в котором может синтезироваться потенциал материала, технологии и оборудования строительной системы
«Монопор». Развитие дальнейших работ связывается с этими возможностями.
Автор благодарит за замечания и пожелания чл.-корр. РААСН, д-ра техн. наук, профессора С.В. Федосова и д-ра техн. наук, профессора Ш.М. Рахимбаева,
любезно согласившихся дать рецензии на монографию
128
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Баранов, А.Т. Пенобетон и пеносиликат / А.Т. Баранов. – М. : Промстройиздат,
1956. - 80 с.
2. Баранов, А.Т. Золобетон / А.Т. Баранов, Г.А. Бужевич. – М. : Госсотройиздат,
1960. – 224 с.
3. Боженов, П.И. Основы технологии автоклавных материалов / П.И. Боженов. – Л. : Изд-во ЛИСИ, 1970. – 304 с.
4. Волженский, А.В. Бетоны и изделия на шлаковых и зольных цементах /
А.В. Волженский, Ю.С.Буров, Б.Н. Виноградов, К.В. Гладких. - М. : Госстройиздат, 1963. – 362 с.
5. Кривицкий, М.Я. Заводское изготовление изделий из пенобетона и пеносиликата / М.Я. Кривицкий, Н.С. Волосов. - М. : Госстройиздат, 1958. – 159
с.
6. Кудряшов, И.Т. Ячеистые бетоны / И.Т. Кудряшов, В.П. Куприянов. - М. :
Госстройиздат, 1959. – 182 с.
7. Розенфельд, Л.М. Бесцементный газошлакобетон автоклавного твердения /
Л.М. Розенфельд, А.Г.Нейман. - М. : Стройиздат, 1969. - 147 с.
8. Саталкин, А.В. Высокопрочные автоклавные материалы на основе известково-кремнеземистых вяжущих / А.В. Саталкин, П.Г. Комохов. - М. :
Стройиздат, 1966. - 238 с.
9. Сатин, М.С. Поризованные мелкозернистые бетоны автоклавного твердения / М.С. Сатин, В.Р. Клем - М. : Стройиздат, 1962. - 61 с.
10. Прошин, А.П. Ячеистый бетон для теплоизоляции ограждающих конструкций зданий и инженерных коммуникаций / А.П. Прошин [и др.] //
Строительные материалы. - 2002. - № 3. - С. 14-15.
11. Тарасов, А.С. Гидратация клинкерных минералов и цемента с добавками
пенообразователей / А.С. Тарасов, В.С.Лесовик, А.С. Коломацкий //
Строительные материалы. - 2007. - № 4. - С. 22-25.
12. Лесовик, В.С. Актуальные вопросы развития производства пенобетона в
России / В.С. Лесовик, А.С. Коломацкий // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - 2005. - № 4. - С. 60.
13. Шахова, Л.Д. Особенности получения теплоизоляционного пенобетона на
синтетических пенообразователях / Л.Д. Шахова, В.С. Лесовик // Известия
высших учебных заведений. Строительство. - 2008. - № 3. - С. 51-56
129
14. Моргун, Л.В. Теоретическое обоснование и экспериментальная разработка
технологии высокопрочных фибропенобетонов / Л.В. Моргун //
Строительные материалы. - 2005. - № 6. - С. 59-64.
15. Хежев, Т.А. Ячеистые фибробетоны на основе вулканических горных пород
/ Т.А. Хежев, Ю.В. Пухаренко, М.Н. Хашукаев // Известия высших учебных
заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. - 2003. № 3. - С. 37-40.
16. Пухаренко, Ю.В. Прочность и долговечность ячеистого фибробетона /
Ю.В. Пухаренко // Строительные материалы. - 2004. - № 12. - С. 40-41.
17. Рахимбаев, Ш.М. Сравнительные исследования реологических свойств пенобетонных смесей с пенообразователями «Пеностром» и «Неопор» / Ш.М.
Рахимбаев, Д.В. Твердохлебов, В.Н. Тарасенко // Строительные материалы.
- 2005. - № 6. - С. 64-67.
18. Рахимбаев, Ш.М. Закономерности влияния твердой фазы на свойства пенобетонов / Ш.М. Рахимбаев, В.Н. Тарасенко, Т.В. Аниканова // Известия
высших учебных заведений. Строительство. -2004. - № 8. - С. 53.
19. Сахаров, Г.П. Высококачественные стеновые блоки из неавтоклавного газобетона для индивидуального строительства / Г.П. Сахаров, В.П. Стрельбицкий // Бетон и железобетон. - 1993. - №3. - С.64.
20. Силаенков, Е.С. Монолитные стены коттеджей из газозолобетона естественного твердения / Е.С. Силаенков [и др.] // Бетон и железобетон. - 1996. №5. - С.13.
21. Удачкин, В.И. Классическая механоактивация в технологии пенобетона /
В.И. Удачкин, В.М. Смирнов, В.Е. Колесников, П.В. Рыбаков //
Строительные материалы. - 2005. - №12. – С. 31-34
22. Удачкин, И.Б. Ключевые проблемы развития производства пенобетона /
И.Б. Удачкин // Строительные материалы. - 2002. - №3. – С.8-9
23. Ухова, Т.А. Способы повышения эффективности производства ячеистых
бетонов / Т.А. Ухова // Строительные материалы. - 1993. - № 8. - С. 31.
24. Ухова, Т.А. Ресурсосберегающие технологии производства изделий из неавтоклавных ячеистых бетонов / Т.А. Ухова // Бетон и железобетон. -1993. № 12. - С. 18.
25. Ярмаковский, В.Н. Модифицированные легкие бетоны - тенденции развития и нормативная база / В.Н. Ярмаковский // Промышленное и гражданское
строительство. - 2006. - №8. - С.35-38
130
26. Чернышов, Е.М. Строительная система «Монопор» / Е.М. Чернышов, Г.С.
Славчева // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2000. - №9. - С.20-21.
27. Чернышов, Е.М. Поризованные бетоны для конструкций малоэтажных зданий / Е.М. Чернышов, Г.С. Славчева, Н.Д. Потамошнева // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - 2006. - №5. - С. 16-19.
28. Чернышов, Е.М. Поризованные бетоны для теплоэффективных жилых домов / Е.М. Чернышов, Г.С. Славчева, Н.Д. Потамошнева // Известия вузов.
Строительство. - №5. - 2002. - С. 31-36
29. Чернышов, Е.М. Поризованные бетоны для теплоэффективных жилых домов (часть 2) / Е.М. Чернышов, Г.С. Славчева, Н.Д. Потамошнева // Известия вузов. Строительство. - №9. - 2003. - С. 27-34.
30. Чернышов, Е.М. Материалы и конструкции для эффективной теплозащиты
зданий / Е.М. Чернышов [и др.] // Реализация региональных научнотехнических программ ЦЧР: мат. конф. - Воронеж, 1997. - С. 83-91.
31. Акулова, И.И. Прогнозирование динамики и структуры жилищного строительства : монография / И.И. Акулова. – Воронеж: Воронеж. гос. арх.строит. ун-т., 2007. – 132 с.
32. Чернышов, Е.М., Дьяченко Е.И. Методика оценки вязкости разрушения
силикатных автоклавных материалов / Е.М. Чернышов, Е.И. Дьяченко. –
Воронеж, 1990. - 32 с.
33. Ребиндер, П.А. Адсорбционные слои и их влияние на свойства дисперсных
систем / П.А. Ребиндер // Поверхностные явления в дисперсных системах.
Коллоидная химия : избранные труды. – М. : Наука, 1978. - С. 196-235.
34. Щукин, Е.Д. Роль процессов распространения адсорбционно-активной среды по поверхности твердых тел в проявлении адсорбционного понижения
прочности / Е.Д. Щукин, Б.Д. Сумм // Поверхностная диффузия и растекание : сб. науч. тр. - М. : Изд-во «Наука», 1969. - С.161-187
35. Щукин, Е.Д. Коллоидная химия / Е.Д. Щукин, А.В. Перцов, Е.А. Амелина.
– М. : Высшая школа, 2006. – 444 с.
36. Аведиков, А.С. Об усадочном напряжении в дисперсных структурах / А.С.
Аведиков, М.С. Остриков, Г.Д. Дибров // Докл. АН СССР, серия Химия. 1965. - Т.163. - № 4, 5, 6. - С.1185-1188.
37. Шейкин, А.Е. Структура и свойства цементных бетонов / А.Е. Шейкин,
Ю.В. Чеховский, М.И. Бруссер. - М. : Стройиздат, 1979. - 344 с.
38. Чернышов, Е.М. Управление процессами структурообразования и качест131
вом силикатных автоклавных материалов (вопросы методологии, структурное материаловедение, инженерно-технологические задачи) : дис. ... докт.
техн. наук / Чернышов Евгений Михайлович. - Л., 1988. - 523 с.
39. Богословский, В.Н. Строительная теплофизика / В.Н. Богословский. - М. :
Высшая школа, 1982. - 415 с.
40. Лыков, А.В. Теоретические основы строительной теплофизики / А.В. Лыков. – Минск : Изд-во АН БССР, 1961. – 520 с.
41. Гагарин, В.Г. Теория состояния и переноса влаги в строительных материалах и теплозащитные свойства ограждающих конструкций здания : авторефер. дис. ... докт. техн. наук / Гагарин Владимир Григорьевич. - М., 2000. 47 с.
42. Федосов, С.В. Нестационарный тепло- и массоперенос в многослойных ограждающих конструкциях / С.В. Федосов, A.M. Ибрагимов // Строительные
материалы. - 2006. - № 4. - С. 86-87.
43. Беркман, А.С. Структура и морозостойкость строительных материалов /
А.С. Беркман, И.Г. Мельникова. - М. : Госстойиздат, 1962. – 164 с.
44. Чернышов, Е.М. Морозное разрушение и морозостойкость строительных
материалов: современная трактовка механизма и факторов управления /
Е.М.Чернышов, Г.С. Славчева // Вестник отделения строительных наук РААСН. Вып. 9. – Белгород, 2005. - С.447-459.
45. Чернышов, Е.М. Гигромеханические характеристики цементных поризованных бетонов как функция их структуры / Чернышов Е.М., Славчева Г.С.
// Бетон и железобетон в третьем тысячелетии : матер. 4 Международ. научно-практ. конф. – Ростов-на-Дону, 2006. - С.422-433.
46. Славчева, Г.С. Управление интенсивностью взаимодействия структур строительных материалов с водяным паром и водой / Г.С. Славчева, Е.М. Чернышов
// Academia. Архитектура и строительство. - №2. - 2008. - С.77-83.
47. Славчева, Г.С. Влажностное состояние цементных и силикатных бетонов
в связи с их структурой / Г.С. Славчева // Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура. - № 4. - 2008. - С. 119-129.
48. Андерсон, О.Л. / О.Л. Андерсон // Атомный механизм разрушения : сб. науч. тр. - М. : Металлургиздат, 1963. - С.331.
49. Фридель, Ж. / Ж. Фридель // Атомный механизм разрушения : сб. науч. тр.
- М. : Металлургиздат, 1963. - С.504.
132
50. Волженский, А.В. Характер и роль изменений в объемах фаз при твердении
вяжущих и бетонов / А.В. Волженский // Бетон и железобетон. - 1969. - №3.
- С.16.
51. Комохов, П.Г. Объемные изменения в реакциях гидратации и перекристаллизации минеральных вяжущих веществ / П.Г. Комохов, Р.Н. Мирсаев,
А.Е. Чуйкин // Цемент и его применение. - 1998. - № 4. - С. 16.
52. Красильников, К.Г. Физико-химия собственных деформаций цементного
камня / К.Г. Красильников, Л.В. Никитина, Н.Н. Скоблинская. - М. : Стройиздат, 1980. - 256 с.
53. Шейкин, А.Е. Структура, прочность и трещиностойкость цементного камня
/ А.Е. Шейкин. – М. : Стройиздат, 1974. – 191 с.
54. Цилосани, З.Н. Усадка и ползучесть бетона / З.Н. Цилосани. – Тбилиси :
Изд-во «Мицниереба», 1979. – 230 с.
55. Горчаков, Г.И. Коэффициенты температрного линейного расширения и
температурные деформации строительных материалов / Г.И. Горчаков, И.И.
Лифанов, Л.Н. Терехин. - М. : Стройиздат, 1968. - 241 с.
56. Волженский, А.В. Минеральные вяжущие вещества / А.В. Волженский. -М. : Стройиздат, 1986. - 422 с.
57. Федосов, С.В. Математическое моделирование массопереноса в процессах
коррозии бетона второго вида / С.В. Федосов, В.Е. Румянцева, Н.С. Касьяненко // Строительные материалы. - 2008. - № 7. - С. 35-39.
58. Броек, Д. Основы механики разрушения / Д. Броек. – М. : Высшая школа, 1980. –
368 с.
59. Зайцев, Ю.В. Моделирование деформаций и прочности бетона методами
механики разрушения / Зайцев Ю.В. – М. : Высшая школа, - 1982. - 196 с.
60. Черепанов, Г.П. Механика разрушения композиционных материалов / Г.П.
Черепанов. – М. : Наука. - 1983. – 296 с.
61. Чернышов, Е.М. Системная оценка влияния параметров состава и структуры
поризованных бетонов на их эксплуатационную деформируемость / Е.М. Чернышов, Г.С. Славчева // Современные проблемы строительного материаловедения : матер. V академ. чтений РААСН. - Воронеж, 1999. - С. 539-546.
62. Чернышов, Е.М. Нормирование размера зернистых включений в поризованных бетонах на основе моделирования и экспериментального исследования их структуры / Е.М. Чернышов, Г.С. Славчева, Е.И. Дьяченко // Современные проблемы строительного материаловедения : матер. VI академ. чтений РААСН. – Иваново, 2000. – С. 585 – 595.
133
63. Чернышов, Е.М. О конгруэнтности параметров конгломератной структуры
материала мембран в «конструкции» макропористых бетонов / Е.М. Чернышов, Е.И. Дьяченко // Проблемы строительного материаловедения и новые технологии : сб. науч. тр. – Белгород : Изд-во БелГТАСМ, 1995. - Ч.1. С.137-145.
64. Ползучесть и усадка бетона и железобетонных конструкций : сб. науч. тр. /
под ред. С.В. Александровского. – М.: Стройиздат, 1976. – 351 с.
65. Зайцев, Ю.В. Моделирование деформаций и прочности бетонов методами
механики разрушения / Ю.В. Зайцев. – М. : Стройиздат, 1982. – 298 с.
66. Горчаков, Г.И. Влияние льдообразования в порах бетона на морозостойкость / Г.И. Горчаков, В.И. Иванов, И. И. Лифанов // Бетон и железобетон. –
1977 - №9 - С.35-37.
67. Горчаков, Г.И. Морозостойкость бетона в зависимости от его капиллярной
пористости / Г.И. Горчаков // Бетон и железобетон. – 1964. - №7. - С.302306.
68. Приходько, О.М. Зависимость морозостойкости конструктивного керамзитобетона от структуры пористости / О.М. Приходько // Бетон и железобетон. – 1967. - №10. - С.33-35.
69. Горчаков, Г.И. Зависимость морозостойкости бетона от их структуры и
температурных деформаций / Г.И.Горчаков, Л.А. Алимов, В.В. Воронин //
Бетон и железобетон. – 1971. - №10. - С.7-10.
70. Коршунов, Ю.М. Математические основы кибернетики / Ю.М. Коршунов.
- М. : Энергия, 1980. – 424 с.
71. Ногин, В.Д. Основы теории оптимизации / В.Д. Ногин, И.О. Протодьяконов, И.И. Евлампиев. – М. : Высшая школа, 1986. – 384 с.
72. Кафаров, В.В. Принципы математического моделирования химикотехнологических систем / В.В. Кафаров, В.Л. Перов, В.П. Мешалкин. – М. :
Химия, 1974. – 344 с.
73. Кафаров, В.В. Программирование и вычислительные методы в химии и
химической технологии / В.В. Кафаров, В.Н. Ветохин, А.И. Боятинов. – М. :
«Наука», 1972. – 486 с.
74. Кафаров, В.В. Математическое моделирование основных процессов химических производств / В.В. Кафаров, М.Б. Глебов. – М. : Высшая школа,
1991. – 400 с.
134
75. Вознесенский, В.А. Численные методы решения строительнотехнологических задач на ЭВМ / В.А. Вознесенский, Т.В. Лященко, Б.Л.
Огарков. – Киев : Выща школа. Головное изд-во, 1989. - 328 с.
76. Вознесенский, В.А. Современные методы оптимизации композиционных
материалов / В.А. Вознесенский [и др.]. – К. : Будiвельник, 1983. – 144 с.
77. Баженов, Ю.М. Компьютерное материаловедение строительных композитных
материалов / Ю.М. Баженов, В.А. Воробьев, А.В. Илюхин [и др.]. М. : Изд-во
Российской инженерной академии, 2006. – 256 с.
78. Вознесенский, В.А. ЭВМ и оптимизация композиционных материалов /
В.А. Вознесенский, Т.В. Ляшенко, Я.П. Иванов [и др.]. - К. : Будiвельник,
1989. – 240 с.
79. Дворкин, О.Л. Основи теории та методологии параметричного проектування
склада бетону : авторефер. дис. ... докт. техн. наук / Дворкин Олег Леонидович – Днепропетровськ, 2005. - 36 с.
80. Аскадский, А.А. Компьютерное материаловедение полимеров / А.А. Аскадский, В.И. Кондращенко. - М. : Научный мир, 1999. - 544 с.
81. Вознесенский, В.А. Рецептурно-технологические поля свойств материала в
компьютерном строительном материаловедении / В.А. Вознесенский, Т.В. Ляшенко // Строительные материалы. - №7. - 2006. - С.8-11.
82. Чернышов, Е.М. Методология и алгоритм «конструирования» силикатных автоклавных материалов с комплексом задаваемых свойств / Е.М. Чернышов, Е.И.
Дьяченко // Вестник отделения строительных наук РААСН. - Вып.1. -С.106-111.
83. Шинкевич, Е.С. Анализ влияния технологических факторов на свойства силикатных материалов неавтоклавного твердения / Е.С.Шинкевич // Строительные
материалы. - №7. - 2006. - С.16-18.
84. Чернышов, Е.М. Макропористые бетоны нового поколения для теплоэффективных зданий / Е.М. Чернышов, Г.С. Славчева, Н.Д Потамошнева. [и
др.] // Ресурсо- и энергосбережение как мотивация творчества в архитектурно-строительном процессе: труды годичного собрания РААСН. – Казань,
2003. - С. 356-367.
135
Научное издание
СЛАВЧЕВА Галина Станиславовна
ПОРИЗОВАННЫЙ БЕТОН:
СТРУКТУРА И СТРОИТЕЛЬНО- ТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Монография
Отпечатано в авторской редакции
Подписано в печать 24. 06. 2009 г. Формат 70100 1/8. Уч.- изд. л.9 ,0.
Усл.-печ. л.10,0. Бумага писчая. Тираж 500 экз. Заказ №
Отпечатано: отдел оперативной полиграфии
Воронежского государственного архитектурно-строительного университета
394006 Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84
136
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
48
Размер файла
4 190 Кб
Теги
структура, 356, бетона, технические, славчева, свойства, строительная, поризованный
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа