Особенности структуры и свойств легких бетонов для монолитного и индустриального домостроения

Хахуташвили Г. Особенности структуры и свойств легких бетонов для монолитного и индустриального домостроения // Бетон и железобетон. 2004 . №1. C. 6-8

Об эффективности применения легких бетонов в монолитном и индустриальном строительстве хорошо известно. Их физико-механические свойства и структурные особенности дают основания считать легкий бетон одним из перспективных строительных материалов. Однако при проведении научных исследований выявляются такие своеобразности, учет которых безусловно позволит улучшить технологию производства и экономические показатели легких бетонов в целом.

Исследования в разное время проводились в НИИЖБе, в Мюнхенском и Эссенском университетах, в ПТУ. В качестве основного легкого пористого заполнителя применялся вулканический шлак, большие природные запасы которого находятся на Дальнем Востоке, в Китае, в Закавказье, в Центральной Европе, в Южной Америке. Сходство строения и химико-минералогического состава вулканического шлака дает основания распространить результаты исследований легких бетонов на этом заполнителе и на указанные регионы.

Для бетона на вулканическом шлаке R28-20 МПа с объемной массой 1740 кг/м3 использовали песок, полученный дроблением крупного заполнителя с расходом материалов на 1 м3: щебень ? 514 кг, песок ? 812 кг, вода ? 320 л при В/Ц = 0,75 и O.K. = 4-6 см. Для керамзитобетона такой же прочности на кварцевом песке с объемной массой 1760 кг/м3 расход воды составлял 250 л при В/Ц = 0,55.

Определяли послойное нарастание прочности в легкобетонных конструкциях после одностороннего и двухстороннего электрообогрева по режиму 1+3+6+3 ч. Во время электротермообработки изучали температурные поля в прогреваемых конструкциях [2]. Для моделирования реальных условий исследования проводились на фрагменте легкобетонной конструкции ? плите размерами 100x60x15 и 100x60x40 см. Эти фрагменты после электрообогрева в возрасте 1, 7, 28 и 90 сут распиливались послойно на кубики 10x10x10 см и испытывались на прочность при сжатии. Распиловку плит производили в день испытания образцов на прочность, что позволило максимально приблизить условия твердения бетона в образцах-моделях к условиям твердения в натурных элементах и протеканию физических процессов в материале (перераспределение влаги, возможные структурные нарушения, возникающие из-за разности прочностей слоев и др.). При выпиливании образцов водоохлаждение не использовали во избежание изменения водосодержания бетона [4].

Анализ экспериментальных данных (см. рисунок) по определению характера нарастания прочности бетона послойно в плите толщиной 15 см при одностороннем обогреве показывает, что после тепловой обработки по оптимальному режиму в суточном возрасте в зоне контакта с греющей опалубкой прочность легкого бетона составляет 12,4 МПа, или 62% от R28, а необогреваемого слоя ? соответственно 8 МПа, т.е. с отставанием по прочности, по сравнению с бетоном в контактном слое, на 4,4 МПа. В возрасте 7 сут в зоне с греющей опалубкой прочность легкого бетона достигает 14 МПа, или 70% от R28, а прочность "холодного" слоя ? 10,5 МПа, т.е. разрыв сократился до 3,5 МПа.

В возрасте 28 сут прочность бетона в обоих слоях продолжает расти. Разность постепенно сокращается, и в этом возрасте слои легкого бетона, близлежащие к палубе при обогреве в греющей опалубке, имеют прочность 19 МПа, или 95% от R28, а "холодного" слоя ? 18 МПа. При дальнейшем хранении образцов (до 90 сут) прочности слоев легкого бетона полностью выравниваются, и общая прочность превышает марочную на 1-1,5 МПа.

Если проследить за кинетикой изменения прочностей слоев легкого бетона, подвергнутого одностороннему электрообогреву, можно заметить, что в начальный период из-за влияния температурного фактора разность в прочности значительная. Однако при дальнейшем твердении эта разница постепенно сокращается и в итоге выравнивается. Вместе с тем видно, что хотя прочность слоев бетона, близлежащих к греющей опалубке, при электрообогреве почти до 90 сут превышает прочность необогретых слоев, ее нарастание у последних протекает интенсивнее.

Аналогичные явления наблюдаются при двухстороннем электрообогреве легкобетонных образцов толщиной 40 см. Результаты исследований показывают [2], что температурные перепады в этом случае также значительные и держатся долгое время. В суточном возрасте после двухстороннего электрообогрева легкого бетона толщиной 40 см прочность в прилегающих к греющим поверхностям опалубки слоях составляет 14,5 МПа, или 72,5% от R28, а в центральных слоях бетона, имеющих в среднем температуру в течение всего периода обогрева ниже температуры теплых зон на 15-18?С, достигала 10,8 МПа. Отставание прочности на этом этапе составляло 3,7 МПа. В 7-суточном возрасте после тепловой обработки в зонах с греющими опалубками прочность легкого бетона возрастает до 17 МПа, т.е. 85% от R28, разница же с центральными слоями сокращается до 2 МПа.

В отличие от образцов, подвергнутых одностороннему обогреву, разность в прочности бетонов центральных и приконтактных слоев в 28-суточном возрасте после двухстороннего электрообогрева меньше и составляет 0,5 МПа. После длительного выдерживания (90 сут) прогретой с двух сторон плиты в условиях положительных температур (в среднем 18?С) разница в прочности между слоями сокращается до минимальной величины и составляет 22,4 МПа.

Сопоставляя данные исследований изменения послойной прочности при одностороннем и двухстороннем электрообогреве (см. рисунок), можно заметить, что по характеру эти процессы протекают одинаково, однако по этапам испытаний в легких бетонах большей массивности при двухстороннем обогреве прочности несколько выше, чем у образцов, прошедших односторонний обогрев.

Таблица 1

Вид вяжущего

Условия твердения

Степень гидратации, %

Размеры клинкерных зерен, мк

Размеры гидратных новообразований, мк

Пористость, %

Размеры пор, мк

Портландцемент

Нормаль-

новлажные

58

(24-320)/80*

3,5-10

14

(0,07-1,5)/0,3*

Портландцемент+вулканический шлак

То же

65

20-240

4-52

11

(0,03-0,9)/0,15

Портландцемент

Электрообогрев

70

16-200

3,5-21

16

(0,06-1,2)/0,25

Портландцемент+вулканический шлак

То же

76

(16-180)/45

50-60

12

(0,05-1)/0,2

* Перед чертой ? от min до max, после черты ? преобладающие



Необходимо отметить, что отдельно изготовленные образцы-кубы, твердевшие в нормальных условиях, после 28 сут довольно интенсивно набирают прочность и опережают (24 МПа) прочность образцов (22,4 МПа), выпиленных из прогретых плит [2].

Перед рассмотрением структурных особенностей легких бетонов на пористом вулканическом шлаке и попыткой объяснить влияние протекающих физических и влагообменных процессов при твердении необходимо привести некоторые результаты испытаний образцов-балочек размером 15x15x60 см на прочность на растяжение при изгибе Rp.и. [2, 4]. После электрообогрева в возрасте 3 сут она составила 1,66 МПа, а после электродного прогрева в этом же возрасте ? 1,98 МПа. При выдерживании в условиях нормального хранения и испытании в возрасте 28 сут у образцов, прошедших электрообогрев, Rp.и. = 2,18 МПа, после электродного прогрева Rp.и. = 2,23 МПа, а у образцов без тепловой обработки Rp.и. = 2,07 МПа.

В легких бетонах пористый заполнитель, являясь гидрофизически адсорбционно и химически активным, формирует около своей поверхности плотный контактный слой, срастаясь с адсорбционно и химически активной цементной матрицей. Контактный слой не только способствует уплотнению системы, но и вследствие вакуумирования резко повышает ее прочность и стойкость [3].

Изучение контактного слоя пористого заполнителя с цементным камнем проводили по двум направлениям:

1. Взаимодействие гидратных новообразований цементного камня с вулканическим шлаком;

2. Влияние пористой структуры заполнителя на цементный камень и на характер контактной зоны.

Исследования проводились на растровом и электронном микроскопах, а также с использованием механических методов в НИИЖБе и Эссенском университете Германии [1].

Для микроструктуры цементного камня из смеси портладцемента с вулканическим шлаком характерна большая степень кристаллизации гидратных новообразований. Структурные характеристики их и цементного камня в 28-суточном возрасте приведены в табл. 1. Если размеры кристаллических образований гидрата окиси кальция и кальцита в цементном камне на чистом портландцементе не превышают 3-10 мк, то в затвердевшей системе цемент + вулканический шлак их размеры достигают 60 мк. Как правило, крупные кристаллы гидрата окиси кальция образуются вокруг зерен вулканического стекла, которые, видимо, в процессе кристаллизации гидратных новообразований являются "затравками" для возникновения кристаллов.

Степень гидратации цементного камня с вулканическим шлаком несколько выше, чем без него (см.табл. 1). При этом наблюдается некоторое уменьшение размеров клинкерных зерен. В образцах с вулканическим шлаком они колеблются от 20 мк до 240 мк, с преобладанием зерен размером 64 мк, а на чистом портландцементе они соответственно составляют 24-320 мк и 80 мк.

Повышение степени гидратации и уменьшение размеров оставшихся клинкерных зерен говорит об интенсивности процесса гидратации в системах цемент + вулканический шлак + вода. Это можно объяснить тем, что активные составляющие вулканического шлака [1], связываясь с гидратными новообразованиями и в первую очередь с гидратом окиси кальция, понижают их концентрацию в жидкой фазе и тем самым ускоряют процесс гидратации клинкерных минералов.

Воздействие электрообогрева на этот процесс при последующем длительном (28 сут) твердении в нормальных условиях несколько нивелируется. В целом для образцов, подвергаемых электрообогреву, отмечается более высокая степень гидратации и однородность структуры, характеризующаяся более равномерным распределением клинкерных зерен и продуктов гидратации в массе образца [1].

Вторым основным вопросом является влияние пористой структуры заполнителя на цементный камень и на характер контактной зоны. Как известно, пористый заполнитель оттягивает часть влаги из прилегающих слоев цементного камня, что способствует их уплотнению. В свою очередь, контактные слои вулканического шлака также претерпевают изменения. Для оценки микромеханических свойств контактных слоев цементного камня и заполнителя был использован метод оценки микротвердости. Испытания проводились на полированных шлифах образцов-кубиков размером 30x30x30 мм из цементного теста, в середину которых помещали зерна вулканического шлака.

Таблица 2

Возраст

в сутках

В/Ц

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

3

(24)/291*

(20,2)/215

(14)/197

(9,2)/87

(8,7)/83,5

(8,3)/80

(4,8)/-

28

(41,4)/408

(35,8)/303

(34,2)/286

(29,4)/102

(27,1)/96

(24,8)/90

(16,6)/82

* Под чертой ? прочность при сжатии, после черты ? микротвердость (МПа)



Так как основные изменения структуры контактных слоев цементного камня связаны с миграцией влаги в заполнителе, а следовательно с изменением В/Ц, то вначале была установлена зависимость изменения микротвердости цементного камня на исходном портландцементе с разным В/Ц в 3-х и 28-су-точном возрасте. Изменение прочности при сжатии и микротвердости цементного камня в зависимости от В/Ц показано в табл. 2. Совместно с измерениями микротвердости были проведены испытания прочности на сжатие этих образцов.

Анализируя данные табл. 2, можно видеть аналогию в характере изменения прочности на сжатие и микротвердости: с увеличением В/Ц прочность и микротвердость понижаются. В дальнейшем, пр&#