Скачать 245.55 Kb.
|
С.С.Каприелов, д-р техн. наук; Н.И.Карпенко, д-р техн. наук, проф.; А.В.Шейнфельд, канд. техн. наук; Е.Н.Кузнецов, инж. (ГУП «НИИЖБ») Влияние органоминерального модификатора МБ-50С на структуру и деформативность цементного камня и высокопрочного бетона. Как известно, модуль упругости, ползучесть, усадка такого композиционного материала, как бетон, зависят от деформативных характеристик его компонентов, т.е. цементного камня, растворной части и крупного заполнителя, а также от объемной концентрации каждого из указанных компонентов в составе бетона. На этом, в частности, основаны и разные математические модели, позволяющие с большей или меньшей точностью прогнозировать модуль упругости и ползучесть бетонов [1, 2]. Так как высокопрочные бетоны характеризуются повышенным расходом цемента, влияние модуля упругости, ползучести и усадки цементного камня на деформативные характеристики бетона становится более значимой. Учитывая то, что свойства цементного камня предопределяются характеристиками его структуры – пористостью и составом кристаллогидратов, в частности балансом между субмикрокристаллами геля (гелевыми гидратами) и крупными кристаллами, решение проблемы регулирования деформативных характеристик высокопрочного бетона в значительной степени будет зависеть от возможности модифицирования структуры цементного камня за счет разных добавок. Исследованиями, проведенными ранее, было показано влияние органоминеральных модификаторов серии «МБ» на пористость и фазовый состав цементного камня и выявлена связь этих характеристик с прочностью и проницаемостью бетона [3, 4, 5, 12]. Целью данной работы являлось определение зависимости модуля упругости и ползучести высокопрочного бетона от параметров структуры цементного камня и, соответственно, дозировок модификатора и воздухововлекающей добавки. Объектом исследований являлся высокопрочный мелкозернистый бетон с органоминеральным модификатором МБ-50С , в составе которого присутствуют микрокремнезем, зола уноса и суперпластификатор. Идея эксперимента заключалась в сравнении бетонов одинакового класса по прочности на сжатие, имеющих равный объем цементного камня, но разного состава. Сравнение проводили по таким параметрам, как фазовый состав и пористость цементного камня, модуль упругости, усадка и ползучесть. Для этого приготовлены образцы высокопрочного мелкозернистого бетона с дозировками комплексного модификатора 0% (контрольный образец), 10, 20 и 50% от массы цемента. Кроме того, с 20-ти процентной дозировкой модификатора, приготовлены образцы мелкозернистого бетона с дополнительным введением воздухововлекающей добавки (ВВД), а также образец тяжелого бетона с крупным заполнителем. Контрольный образец бетона приготовлен из смеси с ОК=5 см, бетоны с модификатором - из смеси с ОК=21-23 см. Все образцы мелкозернистого бетона имели одинаковое водовяжущее отношение [вода/(цемент + модификатор)] равное 0,235, примерно одинаковый расход вяжущего (цемент + модификатор) в диапазоне 742-781 кг/м3 и объем цементного камня равный 0,4 м3/м3. Образец тяжелого бетона с крупным заполнителем имел то же водовяжущее отношение, равное 0,235, но расход вяжущего 660 кг/м3. Присутствие в приготовленных смесях модификатора в разных дозировках, а также ВВД позволяло варьировать составом цементного камня и его поровой структурой. Составы и свойства бетонных смесей приведены в табл.1. Для приготовления бетонов использовали следующие материалы: - портландцемент М500 Д0 (минералогический состав: C3S=59%, C2S=16%, C3A=6%, C4AF=13%, CaSO42H2O=4%), соответствующий ГОСТ 10178 и ГОСТ 30515; - модификатор бетона МБ-50С, содержащий микрокремнезем, золу-унос, суперпластификатор в соотношении 43:43:14 и, согласно ТУ 5743-083-46854090-98 с изменениями №1, маркированный как МБ 14-50С; - песок кварцевый (Мкр= 2,5), соответствующий ГОСТ 8736; - щебень гранитный (фракция 5-20 мм), соответствующий ГОСТ 8267 и ГОСТ 26633; - воздухововлекающая добавка (ВВД) - смола нейтрализованная воздухововлекающая (СНВ), соответствующая ТУ 13-0281078-75-90. Параметры структуры цементного камня исследовались комплексом методов. Пористость в диапазоне от 110-3 до 1103 мкм определяли взаимодополняющими методами малоугловой рентгеновской дифракции, ядерного магнитного резонанса, ртутной порометрии и оптической микроскопии. Состав кристаллогидратов цементного камня (фазовый состав) определяли рентгенофазовым и дифференциально термическим анализами [3, 4, 5, 12]. Модуль упругости, ползучесть и усадку определяли согласно ГОСТ 24452 и ГОСТ 24544 на образцах 101040 см*). Усадку определяли на образцах, которые хранились на воздухе в нормальных условиях (t=202oC, W=98%). Ползучесть определяли при уровне нагружения 0,3 Rbn на «запечатанных» образцах с изолированной поверхностью, для которых к моменту испытаний в течение 28 сут обеспечивали твердение при нормальных условиях. Прочность на сжатие и растяжение при изгибе определяли на образцах 101010 см и 101040 см, соответственно, которые хранились в нормальных температурно-влажностных условиях. ---------------------------------- * Эксперимент проводился при активном участии научного сотрудника МГСУ Безгодова И.М. Замена части цемента на органоминеральный модификатор при постоянном водо-вяжущем отношении приводит к повышению подвижности бетонной смеси, повышению объема вовлеченного воздуха и, соответственно, к снижению объемной массы смеси. Эта тенденция проявляется по мере повышения дозировки модификатора, а следовательно и доли замещенного в составе бетонной смеси цемента. Введение в бетонную смесь ВВД приводит к дополнительному вовлечению воздуха (сравним образцы № 3 и № 5 табл.1). Все образцы бетона обладали примерно равной прочностью на сжатие (прочность кубов в диапазоне от 101,5 до 116,9 МПа) и по этому показателю могут быть отнесены к одному классу В80. Тем не менее, обращает на себя внимание тот факт, что при замене части цемента на комплексный модификатор наблюдается тенденция прироста прочности на сжатие кубов и призм, а также прочности на растяжение при изгибе (по сравнению с контрольным образцом). Максимальный прирост наблюдается в диапазоне дозировок модификатора 10…20% от массы цемента (табл.2). Модуль упругости равнопрочных бетонов изменяется от 37,5103 до 45,0103 МПа, т.е. в диапазоне 16-20% в зависимости от дозировок модификатора и ВВД. Однако, важным обстоятельством является то, что изменяющийся в таком диапазоне в зависимости от дозировок добавок модуль упругости мелкозернистого бетона по величине может быть сопоставлен с модулем упругости равнопрочного тяжелого бетона на крупном заполнителе ( составы 2 и 6, табл.2). Мера ползучести равнопрочных бетонов в зависимости от дозировок модификатора и ВВД изменяется от 13,710-6 до 23,210-6 МПа-1, т.е. в более широком, чем модуль упругости диапазоне 45-60%. Следует также отметить, что мера ползучести мелкозернистого бетона, варьирующаяся в столь широком диапазоне за счет количества введенных в него добавок, сопоставима с мерой ползучести тяжелого бетона на крупном заполнителе (табл.2). В табл.3 приведена информация о фазовом составе и пористости цементного камня в возрасте 210 суток нормального твердения. Из приведенных данных следует, что дозировка модификатора МБ-50С в составе равнопрочных бетонов, имеющих равный объем цементного камня и одинаковое водо-вяжущее отношение, несущественно влияет на степень гидратации цемента, но оказывает значительное воздействие на содержание гидратных фаз и дифференциальную пористость. Степень гидратации цемента всех образцов находится на уровне 59-66%, т.е. практически одинакова. С повышением дозировки модификатора, содержание портландита уменьшается втрое (от 9,1% до 2,9%), а количество гидросиликатов типа CSH(I) увеличивается в 8 раз. Кроме того, с увеличением дозировки МБ-50С значительно изменяется ба Таблица 1 СОСТАВЫ И СВОЙСТВА БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ
Таблица 2 ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕТОНА
Таблица 3 ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ
------------------------------------- * Гелевая пористость – диаметр пор от 1×10-3 мкм до 5×10-3 мкм; Капиллярная пористость – диаметр пор от 5×10-3 мкм до 2×101 мкм; Общая пористость – диаметр пор от 1×10-3 мкм до 1×103 мкм; ланс между гелевыми (110-3d510-3 мкм) и капиллярными (510-3 В целом структура цементного камня, при этом, становится более дисперсной с преобладанием мелкозернистых кристаллогидратов и гелеобразных новообразований, о чем свидетельствуют микрофотографии приведенные на рис.1. а б Рис.1. Микроструктура цементного камня (увеличение в 1000 раз) а – цементный камень без модификатора б – цементный камень с 50 % модификатора от массы цемента Попробуем оценить достоверность тенденций изменения модуля упругости и ползучести высокопрочного бетона с учетом выявленных характеристик цементного камня. При этом будем исходить из того, что исследуемая нами модель – мелкозернистый бетон – является композиционным материалом, включающим цементный камень, заполнитель (песок) и макропоры (технологические и капиллярные) (рис.2). Цементный камень, в свою очередь, условно разделим на гелевую и кристаллическую часть. Под гелевой частью подразумеваем слабозакристаллизованную твердую фазу (субмикрокристаллы), имеющую преимущественно слоистую структуру и состоящую, в основном, из гидросиликатов кальция (CSH), между которыми через тонкие водные прослойки действуют межмолекулярные силы сцепления Ван дер Ваальса, т.е. частицы твердой фазы в геле связаны обратимыми коагуляционными контактами. К этой части также относим микропоры размером менее 510-3 мкм, которые так же, как пространство между слоями обычно заполнены водой, а также частицы микрокремнезема и золы-уноса. Под кристаллической частью подразумевается пронизывающий гель кристаллический сросток, в котором кристаллогидраты имеют сплошную (не слоистую) структуру и связаны друг с другом химическими связями. Частицы твердой фазы в этой составляющей цементного камня связаны между собой кристаллизационными контактами. Сюда можно отнести портландит (СH), эттрингит (CASH), гидроалюминаты (CAH) и гидроферриты (CAFH) кальция, а также зерна непрогидратированного цемента. Согласно известному представлению [6], природа упруго-пластических свойств цементного камня заключена в нарушении контактов между частицами твердой фазы под действием кратковременных и длительных нагрузок. Поэтому величина деформативных характеристик зависит от жесткости (произведение объема и модуля упругости) составляющих цементного камня. Гелевая часть цементного камня под действием длительной статической нагрузки 0,3Rbn склонна утрачивать жесткость из-за постепенного разрушения коагуляционных контактов, а кристаллическая благодаря более высокой прочности кристаллизационных контактов обладает свойствами совершенно упругого тела. Рассчитаем значения меры ползучести и модуля упругости цементного камня в зависимости от соотношения жесткостей гелевой и кристаллической частей. Предельная мера ползучести цементного камня, согласно [6], может быть определена следующим уравнением: (1) где: qc – объем кристаллической части (кристаллического сростка) в единице объема цементного камня; Ес – модуль упругости кристаллической части цементного камня; qcEc – жесткость кристаллической части цементного камня; qг – объем гелевой части в единице объема цементного камня; Ег – модуль упругости гелевой части цементного камня; qгЕг – жесткость гелевой части цементного камня. Если иметь ввиду, что деформативные характеристики такого композиционного материала, каковым является цементный камень, включающий гелевую и кристаллическую части, подчиняется, так называемому «правилу смесей» [11], то: (2) где: qцк – удельный объем цементного камня, равен 1; Eцк – модуль упругости цементного камня. Таким образом, формула (1) примет окончательный вид: (3) Учитывая то, что ползучесть мелкозернистого бетона предопределяется ползучестью цементного камня, а модуль упругости песка равен 60103 МПа [6], на основании экспериментальных данных табл.2 о деформативных характеристиках бетона, можно получить расчетные значения модуля упругости и ползучести цементного камня (табл.3 и рис.3). Объем кристаллического сростка определяется с учетом данных [7, 8, 9, 10] о плотности (с) портландита, эттрингита, C3AH6, C4AFH8 по формуле: , (4) где: mc – масса кристаллической части цементного камня; с – плотность кристаллической части цементного камня. В свою очередь масса кристаллического сростка рассчитывается согласно [6], на основании минералогического состава цемента и с учетом экспериментальных данных (табл.4) о степени гидратации цемента и количестве Са(ОН)2 по формуле: mc = Ц (0,32C3S + 1,4C3A + 1,3C4AF + 1,66Г/)10-4 (5) где: - степень гидратации цемента (%); Ц – расход цемента в составе бетона (кг/м3); C3S; C3A; C4AF; Г – содержание минералов и двуводного гипса в цементе (%). Объем гелевой составляющей определяется, согласно принятой структурной модели мелкозернистого бетона (рис.2), как разность объемов цементного камня и кристаллического сростка, рассчитанного по формуле (4). Информация о расчетных показателях (объем, масса, плотность) компонентов мелкозернистого бетона и цементного камня, включая его гелевую и кристаллическую части, представлена в табл.4, по которой можно заметить, что объем цементного камня в составе мелкозернистого бетона с разными дозировками модификатора МБ-50С примерно одинаков и находится в узком диапазоне 0.409-0.429 м3. В то же время, увеличение дозировки модификатора изменяет структуру цементного камня, увеличивая объем гелевой части и соответственно уменьшая объем кристаллической (рис.4). Используя данные, приведенные на рис.3 и рис.4 и формулу (3), можно получить информацию о влиянии модификатора на соотношение жесткостей и модулей упругости составляющих частей цементного камня. Соотношение модулей упругости гелевой и кристаллической части цементного камня значительно уменьшается с увеличением дозировки модификатора (рис.5б). Указанную тенденцию можно объяснить влиянием дозировок модификатора МБ-50С на качество гелевой части, в частности отмеченным в табл.3 увеличением количества СSH(I) и объема гелевых пор. Характер кривой изменения соотношения жесткостей гелевой и кристаллической частей цементного камня (рис.5а) полностью соответствует тенденции изменения меры ползучести мелкозернистого бетона и цементного камня (рис.3б). Это приводит к выводу об объективности выбранной структурной модели мелкозернистого бетона (рис.2) и достоверности полученных экспериментальных данных о влиянии комплексного модификатора на деформативные свойства мелкозернистого бетона. Таблица 4
---------------------------------- * V – объем (м3), m – масса (кг), r – плотность (г/см3). Выводы1. Модуль упругости и ползучесть высокопрочных мелкозернистых бетонов при одинаковой прочности на сжатие могут регулироваться в широком диапазоне за счет варьирования дозировками органоминерального модификатора МБ-50С, содержащего микрокремнезем, золу-уноса и суперпластификатор, а также введения в состав бетона воздухововлекающей добавки. Диапазон изменения модуля упругости может достигать 16-20%, а меры ползучести 45-60%. 2. Варьирование дозировками модификатора МБ-50С позволяет управлять деформативными характеристиками и получать высокопрочный мелкозернистый бетон класса В80, обладающий такими же величинами модуля упругости и меры ползучести, как тяжелый бетон на гранитном щебне, с аналогичной прочностью на сжатие. 3. Изменение деформативных свойств высокопрочного мелкозернистого бетона под влиянием органоминерального модификатора МБ-50С связано с изменением как количественных, так и качественных характеристик цементного камня, т.е. объема гелевой и кристаллической частей и их модулей упругости. Библиография:
1982, 232 с. 12. Каприелов С.С., Шейнфельд А.В. Влияние состава органо-минеральных модификаторов серии «МБ» на их эффективность. // Бетон и железобетон, № 5, 2001, с.11-15. |
Методические указания к практическим работам по дисциплине «пожарная техника» Морозов А. С., преподаватель кафедры тхо, канд техн наук, Львов Д. Л. зав кафедрой тхо, канд техн наук | Воронежского государственного архитектурно-строительного университета студент и наука Главный редактор издания – д-р техн наук, проф проректор по науке и инновациям Рудаков О. Б | ||
Шейнфельд А. В., канд техн наук (ниижб) модифицированные бетоны нового поколения: реаль Главного управления мчс россии по Республике Тыва и структурных подразделений по согласованию с Министерством образования и науки... | Методические указания по подготовке к семинарским занятиям Кемерово 2010 С. К. Ашванян, д-р экон наук, проф. (тема 3); Т. А. Сапожникова, канд экон наук, доц. (предисловие, тема 2); Е. А. Плосконосова,... | ||
Учебное пособие Для студентов вузов в 2-х частях С. К. Ашванян, д-р экон наук, проф. (раздел 4,7); Т. А. Сапожникова, канд экон наук, доц. (введение, раздел 5,9 ); Е. А. Плосконосова,... | Состояние системы образования стран пост советского пространства. Необходимость преобразования Докт техн наук, проф. Жасимов М. М. Председатель Технического комитета «Машиностроение» Республики Казахстан | ||
Вестник балтийской педагогической академии Доктор психол наук, проф. И. П. Волков; доктор мед наук, проф. Ю. А. Горяев, канд мед наук, доц. А. Н. Калягин, доктор мед наук,... | Д-р техн наук, проф. Новиков А. Н Учредитель – федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Государственный... | ||
Влияние климатических условий эксплуатации двигателей на процесс... Государственное бюджетное образовательное учреждение основная общеобразовательная школа с. Покровка муниципального района Кинельский... | К пенополистиролу Журба О. В., -аспирант, Архинчеева Н. В., канд хим наук, доц., Щукина Е. Г., канд техн наук, доц., Константинова К. К., канд хим... | ||
С., Шалатова И. М. научный руководитель проф канд техн наук Васина Г. И О внесении изменений в приложения к приказу Министерства образования и науки Камчатского края от 31. 01. 2012 №96 «Об организации... | Кафедры Преподаватель Карасев Павел Иванович доцент, канд техн наук, контактная информация: тел. 79-77-03 | ||
Программа по дисциплине «Имидж фирмы» Составитель: Исаев А. А., канд техн наук, профессор кафедры маркетинга и коммерции | Г. с иванов, д-р техн наук (руководитель темы); А. В. Зотов «Технология» в которых принимают участие учащиеся города Волгодонска и близлежащих территорий | ||
М. Г. Беренгартен И. А. Васильева В. В. Девяткин Н. Е. Николайкина... Рецензент зав отделом санитарной очистки городов акх им. К. Д. Памфилова канд техн наук Н. Ф. Абрамов | Перспетивы развития геотермальной энергетики ракитянский Е. М. Научный... Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования |