Самоуплотняющиеся высокопрочные бетоны с золой рисовой шелухи и метакаолином
1На правах рукописи
Та Ван Фан САМОУПЛОТНЯЮЩИЕСЯ ВЫСОКОПРОЧНЫЕ БЕТОНЫ С ЗОЛОЙ РИСОВОЙ ШЕЛУХИ И МЕТАКАОЛИНОМ Специальность 05.23.05 – Строительные материалы и изделия
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Ростов-на-Дону 2013 2
Работа выполнена в Федеральном бюджетном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный строительный университет»
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Несветаев Григорий Васильевич
Официальные оппоненты: Курочка Павел Никитович доктор технических наук, профессор, Ростовский государственный университет путей сообщения, зав. каф. «Изыскания, проектирование и строительство железных дорог» Виноградова Елена Владимировна кандидат технических наук, доцент, Ростовский государственный строительный университет, доцент каф. «Городское строительство и хозяйство»
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет», г. Махачкала
Защита диссертации состоится «23» мая 2013 г. в 10 ч 15 мин на заседании диссертационного совета Д212.207.02 при Ростовском государственном строительном университете по адресу: 344022, Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162, РГСУ, главный корпус, ауд. 232, тел/факс 8(863)2019003, E-mail: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ростовского государственного строительного университета и на сайте www.rgsu.ru Автореферат разослан «22» апреля 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук, доцент А.В. Налимова
Общая характеристика работы
Актуальность. Начиная с 60-х годов прошлого века железобетон становится доминирующим конструкционным материалом, с 1970 по 1990 г.
произошло повышение предела прочности на сжатие бетона, используемого при строительстве объектов, с 52 до 130 МПа, т.е. практически в 2,5 раза.
Прочность бетона, достигаемая в лабораториях, за это время выросла со 119 до 268 МПа, т.е. в 2,25 раза. За 20 с небольшим лет после 1990г. прочность бетонов, используемых при строительстве объектов, возросла практически до МПа. За последние 25 лет интенсивно развивается технология самоуплотняющихся бетонов (СУБ, или SCC – self compacting concrete;
SVB – selbst verdichtender beton;
BAP – beton auto placant), применение которых позволяет осуществлять бетонирование практически любых, в т.ч.
густоармированных, конструкций, с высокими темпами производства работ при минимальных трудозатратах на бетонирование. Высокопрочные СУБ (класса В50/60 по EN или класса В60 по нормам России) позволяют осуществлять строительство уникальных объектов. Технология указанных эффективных бетонов базируется на применении минеральных и органических модификаторов, регулирующих подвижность бетонной смеси, поровую структуру, собственные деформации и сцепление цементного камня с заполнителем, в качестве которых используется активный микрокремнезем, в т.ч. зола рисовой шелухи (ЗРШ), метакаолин (МК) и высокоэффективные суперластификаторы (СП), как правило, на основе эфиров поликарбоксилатов.
Совершенствование технологии высокопрочных СУБ требует решения проблемы возможного раннего трещинообразования бетона и железобетона вследствие развития химической, или контракционной усадки, которая существенно возрастает при пониженных значениях В/Ц, свойственных высокопрочным бетонам. Особенности макроструктуры высокопрочных СУБ предопределяют возможность к повышению усадки при высыхании, ползучести, снижению модуля упругости вследствие повышенной концентрации цементного камня в таких бетонах в сочетании с «поликарбоксилатными» СП, влияние которых на указанные свойства бетона изучены недостаточно.
В связи с вышеизложенным в работе формулируется рабочая гипотеза о том, что применение ЗРШ в сочетании с МК и эффективными для базового портландцемента СП позволит получить самоуплотняющиеся бетонные смеси, в которых ЗРШ и МК, выступая в роли минеральных наполнителей, обеспечивающих связность высокоподвижной бетонной смеси, в дальнейшем позволят получить высокопрочные бетоны за счет обеспечения повышенного сцепления цементного камня с заполнителем вследствие применения ЗРШ, регулирования поровой структуры, собственных и вынужденных деформаций вследствие применения МК в сочетании с ЗРШ и СП.
Целью диссертационной работы является развитие научных представлений о текучести минеральных суспензий, процессе гидратации и формировании поровой структуры портландцементного камня, модифицированного золой рисовой шелухи и метакаолином в сочетании с эффективным для базового портландцемента суперпластификатором, взаимосвязи поровой структуры и свойств модифицированного цементного камня и самоуплотняющегося бетона.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- изучить влияние ЗРШ и МК на текучесть цементных суспензий, выявить закономерность изменения текучести в зависимости от дозировки и вида СП, определить рациональные дозировки минерального модификатора и СП для получения самоуплотняющихся бетонных смесей;
- изучить влияние ЗРШ и МК, в т.ч. в сочетании с СП, на тепловыделение и собственные деформации, сопровождающие процесс гидратации вяжущего в ранний период формирования структуры;
- изучить влияние ЗРШ и МК, в т.ч. в сочетании с СП, на величину общей и контракционной пористости цементного камня;
- уточнить зависимость «предел прочности на сжатие – общая пористость» модифицированного камня, выявить роль изменения пористости и прочности кристаллического сростка в формировании прочности цементного камня и бетона;
- уточнить зависимость «предел прочности при изгибе – предел прочности на сжатие» модифицированного цементного камня и бетона;
- изучить влияние ЗРШ и МК, в т.ч. в сочетании с СП, на модуль упругости, меру ползучести, усадку при высыхании и контракционную усадку цементного камня.
Научная новизна работы заключается в:
- выявленной закономерности влияния ЗРШ в сочетании с МК и СП на поровую структуру, прочность кристаллического сростка и собственные деформации цементного камня, объясняющей повышение предела прочности цементного камня на сжатие до 70%, повышение модуля упругости бетона на до 15%, изменение значения меры ползучести бетона от 0,44 до 1, относительно меры ползучести равнопрочного бетона без модификатора, снижение контракционной усадки до 30%;
- развитии научных представлений о продолжительности индукционного периода и процессе гидратации в ранний период, возможности оценки степени гидратации цемента по величине тепловыделения для прогноза предела прочности цементного камня в любом возрасте, получении данных об изменении общей пористости модифицированного камня в пределах 0,63 – 1, относительно исходного портландцемента, уменьшении доли контракционной пористости в общей пористости модифицированного камня вследствие изменения соотношения «контракционная пористость/контракционная усадка»;
уточнении основных зависимостей «состав-структура-свойства» применительно к пределу прочности на сжатие и при изгибе, модулю упругости, мере ползучести, усадки при высыхании и контракционной усадки модифицированного цементного камня и бетона.
Практическое значение работы заключается в:
- установленной закономерности повышения дозировки СП в 1,85 – 3, раза относительно состава без минеральных модификаторов для получения самоуплотняющихся бетонных смесей, содержащих ЗРШ и МК и определении рациональных дозировок эффективного СП для получения смесей с маркой по текучести SF-1 и SF-2;
- установленной рациональной дозировке минерального модификатора 20% от массы портландцемента при соотношении ЗРШ:МК = 1:1;
- полученных количественных зависимостей предела прочности при изгибе, модуля упругости и меры ползучести от прочности на сжатие, в соответствии с которыми повышение прочности при изгибе составляет до 28%, модуля упругости до 15%, изменение меры ползучести в диапазоне от 0,44 до 1, относительно равнопрочного бетона без модификатора.
Основные положения, выносимые на защиту:
- результаты экспериментальных исследований текучести минеральных суспензий, содержащих двух- (ЗРШ+МК) или трехкомпонентный (ЗРШ+МК+глиноземистый цемент), в зависимости от вида и дозировки СП, влияния модификаторов на тепловыделение, длительность индукционного периода, контракционную и общую пористость, контракционную и усадку при высыхании, предел прочности на сжатие и при изгибе, модуль упругости и меру ползучести цементного камня и бетона;
- выявленные закономерности влияния модификатора на структуру и свойства цементного камня и взаимосвязь основных прочностных и деформационных свойств цементного камня и бетона;
- обоснование выявленных закономерностей изменения основных свойств цементного камня в присутствии модификаторов количественными изменениями общей пористости и кинетики собственных деформаций в период формирования структуры.
Достоверность исследований обеспечена:
применением методик, регламентированных действующими стандартами, поверенного оборудования;
- использованием современной вычислительной техники и программного обеспечения при обработке экспериментальных данных, испытанием необходимого количества контрольных образцов-близнецов, обеспечивающего доверительную вероятность 0,95 при погрешности не более 10%.
Апробация результатов исследований. Основные положения диссертационной работы изложены и обсуждены в докладах на научно практических конференциях Ростовского государственного строительного университета «Строительство» 2012-2013 гг.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 5 публикациях общим объемом 0,9 п.л., в т.ч. 4 статьях в рецензируемых изданиях из списка ВАК.
Структура и объем. Диссертационная работа состоит из введения, глав, основных выводов, приложений на страницах, списка 6 использованной литературы из 129 наименований, изложена на 184 страницах машинописного текста, содержит 96 рисунков, 38 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе представлен анализ достижений в области технологии высокопрочных СУБ. Основные положения технологии указанных бетонов базируются на применении высокомарочных цементов и качественных заполнителей с жесткими ограничениями по прочности, гранулометрическому составу и содержанию ПГ в сочетании с высокоэффективными СП для обеспечения значений В/Ц в пределах 0,22 – 0,28 и минеральными модификаторами, обеспечивающими связность и необходимое количество вяжущего теста в смеси для обеспечения текучести и повышение прочности бетона за счет роста сцепления матрицы с заполнителем и формирования, в связи с этим, качественной контактной зоны, а также регулирования собственных деформаций цементного камня, позволяющих практически полностью исключить негативное влияние контракционной усадки в ранний период формирования структуры и значительно снизить величину деформаций влажностной усадки в процессе формирования структуры. Наиболее эффективными минеральными модификаторами можно считать аморфный микрокремнезем, в т.ч. ЗРШ, и МК. Результаты исследований в области технологии высокопрочных бетонов, СУБ, эффективности СП и минеральных модификаторов изложены в работах В.В. Бабкова, Ю.М. Баженова, О.Я. Берга, Н.П. Блещика, А.И. Вовка, В.С. Демьяновой, В.И. Калашникова, П.Г.
Капитонова, С.С. Каприелова, Г.С. Кардумян, Н.И. Карпенко, Г.В. Несветаева, А.Н. Рака, М.Н. Рыскина, А.В. Шейнфельда и др., а также зарубежных исследователей S. Smeplass, J. Walrafen, B.S.M. Person, E. Tazawa, S. Miyazawa, H. Jastnes, E. Sellevold, T. Yen и др.
Выявлено, что реализация основных принципов получения высокопрочных СУБ потенциально предопределяет возможность раннего трещинообразования вследствие развития контракционной усадки, существенно возрастающей при понижении В/Ц, а также возможное повышение величины влажностной усадки бетона, увеличения ползучести и снижение модуля упругости вследствие особенностей макроструктуры СУБ, характеризующейся повышенной концентрацией цементного камня в бетоне вследствие необходимости обеспечения текучести бетонной смеси. Для устранения возможных негативных последствий указанных явлений необходимо регулировать собственные деформации и поровую структуру цементного камня минеральными модификаторами в сочетании с эффективными СП.
Во второй главе представлены характеристики материалов, использованных в экспериментальных исследованиях, описана методика проведения экспериментов. Использованы портландцементы «Осколцемент» ПЦ 500 Д0, «Новоросцемент» ПЦ 500Д0, «Себряковцемент» ЦЕМ I 42,5Н, удовлетворяющие требованиям ГОСТ 10178 и ГОСТ 31108-2003. Выбор цементов производился по критерию приближения по химическому составу к цементам, производимым во Вьетнаме (табл.1).
Таблица Химический состав вьетнамских цементов Содержание основных оксидов, % 1 2 3 4 5 6 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 Na2O 21,21-22,5 5,17-5,47 3,59-3,6 63,28-61,6 2,00-1,2 2,07-2,13 0,73-1, В качестве аморфного зола SiO2 использована ЗРШ, полученная по технологии самосжигания в опытной установке Ханойского строительного университета (табл.2).
Таблица Химический состав ЗРШ Содержание основных оксидов, % 1 2 3 4 5 6 7 8 Na2O П.П.П* SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 K2O 87,56 1,61 0,70 1,70 1,60 0,58 0,01 2,18 2, Для регулирования собственных деформаций смешанного вяжущего применялся МК (табл. 3) и глиноземистый цемент Isidac 40 производства Турции.
Таблица Химический состав МК Содержание основных оксидов, % 1 2 3 4 5 6 7 8 9 П.П.П* SiO2 Fe2O3 Al2O3 CaO MgO K2O Na2O TiO2 SO 53,22 0,80 41,63 0,42 0,15 0,82 0,11 0,51 1,00 1, В качестве мелкого заполнителя использовался песок для строительных работ (природный обогащенный) Малкинского песчано-гравийного карьера, соответствующий ГОСТ 8736-93 и ГОСТ 26633 с модулем крупности 2,65, содержанием ПГ менее 2%. В качестве крупного заполнителя применяли гранитный щебень Павловского карьера фракции 5-10, соответствующий ГОСТ 8267.
Использовались СП на основе эфиров поликарбоксилатов производства BASF: Melflux® 2651 F;
Melflux® 5581 F;
Glenium® Ace 30;
Glenium® 51, а также нафталиноформальдегидный суперпластификатор СП – 1ВП по ТУ 6-36 0204229-625 производства ООО «Полипласт» (г. Новомосковск).
Приготовление и испытание цементного теста, цементно-песчаных и бетонных смесей производилось в соответствии с ГОСТ 310.3;
310.4, ГОСТ 5802, ГОСТ 10181, ГОСТ 10180. Определение дозировок СП для самоуплотняющихся бетонных смесей с маркой по текучести SF-1 (диаметр расплыва 56 – 65 см) и SF-2 (диаметр расплыва 66 – 75 см) производилось с использованием минивискозиметра Суттарда на цементной суспензии, с величиной В/Ц = 0,27. Текучесть (диаметра расплыва) бетонной смеси определялась по European Guidelinesfor Self Compacting Concrete.
Тепловыделение цементного теста оценивалось измерением температуры методом термоса в течение 24 часов электронным термометром с точностью 0,1оС дискретным измерением через 15 мин.
Модуль упругости и ползучесть определялась посредством измерения прогибов балочек из цементного камня при кратковременном и длительном действии фиксированной нагрузки (Патент РФ № 2339945). Определение усадки при высыхании и контракционной усадки измерением образцов производилось в соответствии с ГОСТ 24544 на образцах 40х40х160 мм посредством измерения изменения размера. Контракционная усадка цементного теста измерялась на изолированных образцах по методике Sellevold, E. параллельно с измерением общей контракции на неизолированных образцах по методике Ле-Шателье.
Предел прочности на сжатие и при изгибе определялся по ГОСТ 10180, 310.4.
В третьей главе представлены результаты и анализ исследований по оценке влияния текучести цементных суспензий в зависимости от дозировки и вида СП, количества и вида минерального наполнителя, и определены рациональные дозировки исследованных СП, позволяющие получать самоуплотняющиеся бетонные смеси с маркой по текучести SF-1 и SF-2.
Показано, что введение минеральных модификаторов ЗРШ и МК в состав цементной суспензии при моноприменении обеспечивают примерно равное увеличение значения рациональной дозы СП. При совместном введении МК и ЗРШ отмечается повышение рациональной дозировки СП в 1,85 – 3,33 раза относительно бездобавочного цементного теста, при этом различие дозировок для получения смесей SF-1 и SF-2 не превышает 15%. Установлено, что при совместном применении ЗРШ и МК принцип аддитивности применительно к величине рациональной дозировки не действует. Для получения смесей SF- доза СП по сухому веществу составляет 0,43;
0,34 и 0,39% соответственно для melflux 2651;
glenium 30 и glenium 51;
а для SF-2 – соответственно 0,47;
0,39 и 0,42.
Предложена методика, основанная на возможности оценки степени гидратации цемента по величине тепловыделения, позволяющая прогнозировать предел прочности цементного камня в любом возрасте в процессе гидратации. Поскольку предел прочности R, как известно, зависит о пористости P, (1) то получив функцию изменения пористости Р от времени за счет повышения степени гидратации = f (dQ/d) в виде функции, например, Р=exp(b(с-dln()), (2) а R0 в виде функции R0=Dexp(k(1-(28/)), (3) можно получить выражение для прочности, косвенно учитывающее влияние степени гидратации на прочность R=Dexp(k(1-(28/)))exp(b(c-dln()). (4) Значения коэффициентов, полученные в работе: D = 208;
k = 0,16;
b = -4,84;
c = 0,174;
d = 0,023.
Показано, что при моновведении МК или ЗРШ отмечается снижение величины интегрального тепловыделения Q в период повышения температуры смеси до 20% и сокращение времени индукционного периода 0. При совместном введении ЗРШ и МК (по 10%) отмечается повышение величины Q до 18%, но в присутствии СП возможно существенное снижение Q и повышают продолжительность индукционного периода на 1,5 – 13,5 ч. При совместном введении глиноземистого цемента, ЗРШ и МК в смесь без СП отмечается повышение величины Q до 52%, а при введении совместно с СП – до 26%, при этом продолжительность индукционного периода резко (более чем в 5 раз) сокращается, причем независимо от вида и наличия СП, что делает трехкомпонентный модификатор неудобным для практического применения в связи с быстрым структурообразованием смеси.
Установлено, что СП на основе эфиров поликарбоксилатов могут оказывать, в зависимости от вида цемента и СП, наличия минеральных модификаторов, весьма значительное влияние на величину общей пористости цементного камня как в сторону увеличения (до 13,3%), так и в сторону уменьшения (до 37%). Такое влияние на величину пористости, безусловно, будет проявляться во влиянии СП на свойства цементного камня и бетона, зависящие от пористости, т.е. на прочность, деформационные свойства, стойкость в агрессивных средах. При совместном введении СП с ЗРШ и МК также отмечено изменение величины общей пористости цементного камня, зависящее от вида СП: в сочетании с glenium 30 отмечается некоторое повышение общей пористости цементного камня, а в сочетании с melflux 5581 – снижение.
Установлено, что минеральные модификаторы, вводимые в состав цемента, в т.ч. совместно с СП, уменьшают величину контракционной пористости, что связано, вероятно, с изменением кинетики гидратации в присутствии модификаторов и СП. К 3 сут доля контракционной пористости относительно общей пористости в 28 сут у эталонного состава – 4,97%, а в составах с модификаторами – от 0,53 до 4,71%. Уменьшение контракционной пористости может негативно повлиять на морозостойкость цементного камня.
Но этот показатель для условий Вьетнама не актуален. Более важным является то обстоятельство, что уменьшение контракционной пористости может быть следствием повышения контракционной усадки, в связи с чем исследование контракционной усадки портландцементного камня с органоминеральными модификаторами заслуживает особого внимания.
В главе 4 представлены результаты исследований влияния модификаторов и условий твердения на предел прочности на сжатие и при изгибе. Содержание трехкомпонентной добавки ГЦ+МК+ЗРШ варьировалось от 20 до 36% при соотношение МК:ЗРШ=1:1 и содержании ЗРШ от 0,043 до 0,12, а ГЦ от 0, до 0,205. При оптимальном содержании минерального модификатора 20% от массы вяжущего обеспечивается повышение прочности на сжатие в сравнении с бездобавочным эталоном во все сроки твердения независимо от условий выдерживания (водное или комбинированное: 7 сут водные + 21 сут или более на воздухе). В возрасте 28 сут все модифицированные составы независимо от условий выдерживания показывают лучшее соотношение прочности при изгибе и сжатии в сравнении с эталоном. При введении двухкомпонентного модификатора МК:ЗРШ = 1:1 при его дозировке от 10,6 до 24,9% независимо от условий выдерживания максимальное значение прочности на сжатие обеспечивается при дозировке Комбинированное выдерживание 20%.
повышает предел прочности от 5 до 27,5% в зависимости от дозы модификатора. Предел прочности при изгибе в принципе подчиняется той же закономерности – максимальное значение прочности соответствует 20% содержания добавки. Анализ соотношения предела прочности при изгибе и сжатии показывает, что водные условия выдерживания обеспечивают более высокое значение предела прочности при изгибе в сравнении с комбинированными, однако и при комбинированном выдерживании соотношение прочности при изгибе и сжатии оказывается не хуже, чем у бездобавочного эталонного состава после 28 сут выдерживания в воде (рис.1).
10, Предел прочности при изгибе, МПа 9, 8, Э-W 7, 6, Э-А 20 30 40 50 60 Предел прочности на сжатие, МПа Рис. 1. Влияние состава на предел прочности на сжатие и предел прочности на растяжение при изгибе;
11, 12 – по формуле R f a R, где 0, составляет 0, для водных условий выдерживания и 0,558 для комбинированных Двухкомпонентный модификатор МК:ЗРШ= 1:1 обеспечивает прирост прочности на сжатие от 8 до 39%, а трехкомпонентный – от 10 до 28%, при этом двухкомпонентный модификатор обеспечивает повышение прочности при изгибе от 3 до 28%.
Для анализа влияния модификаторов на прочность произведена оценка предела прочности на сжатие от общей пористости (рис.2) и выдвинута гипотеза о том, что изменение предела прочности цементного камня возможно как вследствие изменения пористости, так и вследствие изменения предела прочности кристаллического сростка в соответствии с ф.(1).
Предел прочности на сжатие, МПа 90 80 40 Т 0,18 0,2 0,22 0,24 0,26 0,28 0,3 0, Общая пористость Рис. 2. Зависимость предела прочности на сжатие цементного камня от общей пористости;
Т – по ф.(1) В табл. 4 представлены соответствующие значения, анализ которых показывает, что в составе 3 повышение предела прочности на 42% обусловлено понижением пористости на 11% и повышением прочности кристаллического сростка на 24%. В составе 5 повышение предела прочности на 74% при незначительном росте пористости на 4% обусловлено повышением прочности кристаллического сростка на 83%. В составе 7 повышение предела прочности на 41% обусловлено понижением пористости на 23% и увеличением прочности кристаллического сростка на 15%. В остальных составах повышение прочности связано с уменьшением пористости от 9 до 23% на фоне некоторого снижения прочности кристаллического сростка от 5 до 14%.
Таблица Значения показателей прочности Значения параметров для составов 1 2 3 4 5 6 7 8 Парамет ПЦ+ ПЦ+ЗРШ+МК+ГП ры ПЦ+ ПЦ+ ПЦ ЗРШ ЗРШ МК G30 G51 m2651 m5581 СП1ВП +МК 1 2 3 4 5 6 7 8 9 194 132,4 240,6 176,5 355 172 223 168 R 1,0 0,68 1,24 0,91 1,83 0,89 1,15 0,86 0, 50,8 40,5 72,1 55,1 88,3 58,4 71,7 59,8 54, Rф 1,0 0,8 1.42 1,08 1,74 1,15 1,41 1,18 1, Р 1,0 0,88 0,89 0,865 1,03 0,8 0,767 0,767 0, Примечания: 1 – в числителе – расчетное значение предела прочности кристаллического сростка R0, в знаменателе – относительно ПЦ;
2 – фактическое значение предела прочности бетона Rф, МПа;
3 – относительная общая пористость Зависимость модуля упругости цементного камня от его пористости, представленная на рис.3, показывает, что при равной пористости величина модуля упругости модифицированного камня выше, чем у эталона.
ПЦ Модуль упругости, МПа 25000 ЗРШ МК ЗРШ+МК G G M M СП 1ВП 0,15 0,17 0,19 0,21 0,23 0,25 0,27 0,29 0, T Пористость Рис. 3. Зависимость модуля упругости цементного камня от его пористости T – по формуле E = E0. exp (-2,055P) при Е0 = 33970 – по Г.В. Несветаеву Поскольку модуль упругости цементного камня зависит от пористости, отличие модуля упругости цементного камня при равной пористости означает, что величина Е0, т.е. модуль упругости кристаллического сростка, у модифицированных составов может быть различной по следующим причинам.
Как известно, в состав цементного камня входит клинкер с объемом порядка 14,4 – 28,5%;
портландит с объемом 11 – 15%;
эттрингит с объемом 8 – 27%;
тоберморит – остальное. При этом «носителем» пористости в цементном камне являются тоберморит, портландит и эттрингит. Как известно, модуль упругости портландита примерно 15000 МПа, тоберморитового геля 33000 МПа, эттрингита от 40000 до 70000 МПа, портландцементного клинкера от 35000 до 105000 МПа. Модуль минеральных модификаторов, а также новообразований, образующихся при взаимодействии модификаторов с продуктами гидратации цементного камня, также может быть различным. В случае изменения соотношения между этими компонентами, составляющими структуру цементного камня, модуль упругости кристаллического сростка может изменяться. В табл. 5 представлены расчетные значения модуля упругости кристаллического сростка Е0.
Таблица Расчетные значения модуля упругости кристаллического сростка Значения параметров для составов 1 2 3 4 5 6 7 8 Парамет ПЦ+ ПЦ+ЗРШ+МК+ ГП ры ПЦ+ ПЦ+ ПЦ ЗРШ ЗРШ МК G30 G51 m2651 m5581 СП1ВП +МК 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Е0, ГПа 28,6 32,17 31,65 34,8 36,7 37,8 31,1 31,9 30, Е0/Е0,ПЦ 1,0 1,12 1,11 1,22 1,28 1,32 1,09 1,12 1, Таким образом, модуль упругости кристаллического сростка у модифицированного цементного камня повышается от 5 до 32%. Повышение модуля упругости цементного камня с модификатором на 5 – 32% может привести к повышению модуля упругости бетона от 2 до 15%. Такое возможное повышение модуля упругости бетона не требует пересмотра расчетов конструкций по деформациям, запроектированных по СНиП или СП.
Установлено, что введение в состав цементного камня МК или МК в сочетании с ЗРШ мера ползучести цементного камня изменяется незначительно. При введении только ЗРШ мера ползучести цементного камня снижается в 2 раза. СП серии melflux приводят к понижению меры ползучести цементного камня на 30 – 50%, а при введении в сочетании с МК+ЗРШ происходит снижение меры ползучести цементного камня от 50 до 120%.
СП1ВП вызывает снижение меры ползучести цементного камня примерно на 20%, а в сочетании с МК+ЗРШ обеспечивает снижение меры ползучести цементного камня примерно на 30%. СП серии glenium вызывают повышение меры ползучести цементного камня, причем glenium 30 весьма значительно (рис. 4).
Мера ползучести, 10(5) 1/МПа 10 8 T ГП М 35 45 55 65 75 85 Предел прочности на сжатие, МПа Рис. 4. Зависимость меры ползучести цементного камня от предела прочности;
T – по формуле При приведении к равной прочности мера ползучести модифицированного цементного камня составляет от 0,36 до 1,24 от значения бездобавочного эталона, а в случае применения glenium 30 – 5,42 от эталона. Такое изменение меры ползучести цементного камня обеспечит в бетоне изменение меры ползучести в сравнении с бездобавочным эталоном ориентировочно от 0,44 до 1,19 раза, а при применении glenium 30 повышение меры ползучести возможно до 3,9 раза. Таким образом, модифицированне бетоны могут иметь меру ползучести до 2 раз меньше в сравнении с бездобавочным эталоном, но возможно повышение меры ползучести до 20%, а в исключительных случаях – до 4 раз.
При введении в состав цементного камня МК совместно с ЗРШ в суммарном количестве от 10,6 до 24,9% зафиксировано незначительное, в пределах 8%, т.е. фактически в пределах ошибки измерения, снижение величины деформаций усадки при высыхании цементного камня. Это свидетельствует о том, что в присутствии аморфного SiO2 вследствие связывания им гидроксида кальция и понижение в результате значения рН поровой жидкости происходит формирование эттрингита в неактивной форме, не вызывающей значительных деформаций расширения, достаточных для компенсации усадки. Этот же факт установлен и при введении в состав цементного камня совместно ГЦ, МК и ЗРШ. Таким образом, ЗРШ, благоприятно влияя на повышение прочности, снижение ползучести цементного камня, не позволяет компенсировать усадку при высыхании.
При введении в состав цементного камня минеральных модификаторов зафиксировано повышение величины контракционной усадки, измеряемой в изолированном цементном тесте от 40 (МК) до 57% (ЗРШ), а при их совместном введении – до 2 раз (на 109%). СП, вводимые совместно с МК и ЗРШ, обеспечивают повышение величины контракционной усадки от (melflux 2651) до 45% (glenium 51, melflux 5581). С точки зрения обеспечения стойкости бетона к раннему трещинообразованию за счет минимизации контракционной усадки предпочтение следует отдать melflux 2651. При измерении контракционной усадки на неизолированных образцах установлено, что введение МК совместно с ЗРШ приводит, как правило, к уменьшению величины контракционной усадки до 25%. При измерении контракционной усадки в изолированном цементном тесте, развивающийся при гидратации вследствие явления контракции вакуум не компенсируется и приводит к существенному изменению объема цементного теста (камня), а при измерении же контракционной усадки на неизолированных образцах, хранящихся в воде, происходит компенсация вакуума за счет «подсоса» воды по мере развития вакуума, что препятствует полному проявлению деформаций. Измерение величины контракционной усадки по второму методу в большей степени соответствует условиям формирования структуры большинства железобетонных конструкций. Снижение величины контракционной усадки при введении МК совместно с ЗРШ благоприятно влияет на повышение ранней трещиностойкости железобетона.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Введение в состав бетона МК+ ЗРШ в сочетании с эффективным для данного цемента ГП обеспечивает повышение предела прочности на сжатие до 70%, повышение модуля упругости бетона до 15%, значение меры ползучести бетона от 0,44 до 1,19 меры ползучести равнопрочного бетона без модификатора, снижение контракционной усадки до 30%, что положительно влияет на раннюю трещиностойкость железобетона, практически не влияет на усадку при высыхании.
2. Введение минеральных модификаторов МК, ЗРШ в состав цементной суспензии при моноприменении обеспечивают примерно равное увеличение значения рациональной дозы ГП, а МК+ ЗРШ в 1,85 – 3,33 раза повышает величину рациональной дозы, позволяющей получать самоуплотняющиеся бетонные смеси. Различие дозировок для смесей SF-1 и SF-2 не превышает 15%. При сочетании минеральных модификаторов принцип аддитивности применительно к величине рациональной дозировки не действует.
3. Минеральные модификаторы вызывают снижение величины тепловыделения в ранний период до 20%, при этом у ЗРШ и МК отмечается сокращение времени индукционного периода примерно на 20%. При совместном введении с ГП возможно как повышение величины тепловыделения в ранний период до 18% (glenium 30), так и понижение до 21% Увеличение продолжительности индукционного периода (glenium 51).
составляет от 1,5 до 13,5 ч (glenium 51). Влияние ГП на тепловыделение ПЦ в ранний период формирования структуры в зависимости от вида цемента проявляется в основном в количественных показателях, качественная картина остается практически неизменной.
4. Общая пористость цементного камня может как повышаться до 13,3%, так и понижаться до 37% в зависимости от вида минеральных модификаторов и суперпластификаторов. В системе ПЦ+МК+ЗРШ в сочетании с glenium отмечается повышение на 3,5 % общей пористости цементного камня, а в сочетании с melflux 5581 – снижение на 25%.
5. Доля контракционной пористости портландцемента в возрасте 3 сут относительно общей пористости в 28 сут составляет до 4,67%. В составах с минеральными модификаторами, в т.ч. с гиперпластификаторами, это значение составляет от 0,82 до 3,83%, т.е. модификаторы уменьшают величину контракционной пористости.
6. При водном и комбинированном (7 сут в воде + 21 сут на воздухе) выдерживании максимальное значение прочности на сжатие и при изгибе соответствует содержанию модификатора МК:ЗРШ =1:1 в количестве 20%, соотношение прочности при изгибе и сжатии обеспечивается не хуже, чем у эталона. Комбинированное выдерживание обеспечивает повышение прочности на сжатие в возрасте 28 сут до 20% в сравнении с водным.
Введение в состав двухкомпонентного модификатора МК+ЗРШ 7.
дополнительно ГЦ не дает повышения прочности на сжатие: в зависимости от срока и условий выдерживания трехкомпонентный модификатор при дозировке 20% обеспечивает прирост прочности от 10 до 28%, а двухкомпонентный на сжатие от 8 до 39%, а при изгибе от 3 до 28%. Повышение предела прочности на сжатие модифицированного цементного камня происходит, в завивисимости от вида и дозировки модификатора, вследствие понижения величины общей пористости до 23% и повышения предела прочности кристаллического сростка до 83%.
8. Введение модификатора вызывает повышение модуля упругости цементного камня от 5 до 32%, что может привести к повышению модуля упругости бетона на 2 – 15%.
9. Минеральный модификатор МК, а также МК + ЗРШ незначительно влияет на меру ползучести цементного камня. ЗРШ обеспечивает понижение меры ползучести практически вдвое. ГП серии melflux в сочетании с МК+ ЗРШ приводят к снижению меры ползучести цементного камня примерно на 50 – 120%, а СП1ВП в сочетании с МК+ ЗРШ приводит к снижению меры ползучести цементного камня примерно на 30%. Ползучесть бетона с указанными модификаторами может составить от 0,44 до 1,19 ползучести равнопрочного бетона без модификатора. ГП серии glenium вызывают повышение меры ползучести цементного камня, причем glenium 30 весьма значительно, повышение ползучести бетона возможно до 4 раз.
10. Модификаторы МК и ЗРШ практически не влияют на усадку при высыхании, вызывают повышение величины констркционной усадки от 40 до 70%, а при совместном введении – до 2 раз (на 109%). ГП, вводимые совместно с МК+ЗРШ, в итоге обеспечивают повышение величины контракционной усадки от 10% (melflux 2651) до 45% (glenium51, melflux 5581) при измерении по первому методу (Ле Шателье). При измерении по второму методу, напротив, отмечается снижение контракционной усадки до 30%.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
в4 публикациях в изданиях, входящих в перечень ведущих периодических изданий ВАК РФ:
1. Та Ван Фан. Влияние белой сажи и метакаолина на прочность и деформационные свойства цементного камня / Г.В. Несветаев, Та Ван Фан // Инженерный вестник Дона. 2012. № 4. Ч.1. Лично автором выполнено 3 с.
Та Ван Фан. Контракция портландцемента в присутствии 2.
суперпластификаторов и минеральных модификаторов/ Г.В. Несветаев, Г.С.
Кардумян, Та Ван Фан, Л.А. Хомич, А.М. Блягоз // Новые технологии. Вып.
4/2012. Майкоп: ФГБОУ ВПО «МГТУ». С. 125-128. Лично автором выполнена 1с.
3. Та Ван Фан. О влиянии суперпластификаторов и минеральных добавок на величину начального модуля упругости цементного камня и бетона/Г.В.
Несветаев, Г.С. Кардумян, Та Ван Фан, Л.А. Хомич, А.М. Блягоз // Новые технологии. Вып. 4/2012. Майкоп: ФГБОУ ВПО «МГТУ». С. 118-121. Лично автором выполнеа 1с.
4. Та Ван Фан. О влиянии суперпластификаторов и минеральных добавок на пористость цементного камня / Г.В. Несветаев, Г.С. Кардумян, Та Ван Фан, Л.А. Хомич, А.М. Блягоз // Новые технологии. Вып. 4/2012. Майкоп: ФГБОУ ВПО «МГТУ». С. 122-125. Лично автором выполнена 1с.
- 1 публикация в других изданиях:
Та Ван Фан. Самоуплотняющиеся высокопрочные бетоны с 1.
компенсированной усадкой // «Строительство 2012»: Материалы Международной научно-практической конференции. – Ростов-на-Дону: РГСУ, 2012. – С.124- Подписано в печать 16.04.13. Формат 60x84/16.
Бумага белая. Ризограф. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ.
Редакционно-издательский центр Ростовского государственного строительного университета.
344022, Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая,